Otimização de torre de aço para aerogerador eólico.

Diversas formas de geração de energia vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de oferecer alternativas ecologicamente corretas. Neste contexto, a energia eólica vem se destacando na região Nordeste do Brasil, devido ao grande potencial dos ventos da região. As torres, que representam parcela significativa do custo total do sistema, tendem a crescer buscando ventos mais fortes e permitindo assim a utilização de aerogeradores com maior capacidade de geração de energia. Este trabalho tem como objetivo formular um modelo de otimização de torres tubulares de aço, para aerogeradores eólicos. Busca-se minimizar o volume total (custo, indiretamente), tendo como variáveis de projeto as espessuras da parede da torre. São impostas restrições relativas à frequência natural e ao comportamento estrutural (tensão e deslocamento máximo de acordo com recomendações da norma Europeia). A estrutura da torre é modelada com base no Método dos Elementos Finitos e o carregamento atuante na estrutura inclui os pesos da torre, do conjunto de equipamentos instalados no topo (aerogerador), e o efeito estático da ação do vento sobre a torre. Para verificação das tensões, deslocamentos e frequências naturais, foram utilizados elementos finitos de casca disponíveis na biblioteca do programa de análise ANSYS. Os modelos de otimização foram também implementados no modulo de otimização do programa ANSYS (design optimization), que utiliza técnicas matemáticas em um processo iterativo computadorizado até que um projeto considerado ótimo seja alcançado. Nas aplicações foram usados os métodos de aproximação por subproblemas e o método de primeira ordem. Os resultados obtidos revelam que torres para aerogeradores merecem atenção especial, em relação à concepção do projeto estrutural, sendo que seu desempenho deve ser verificado através de metodologias completas que englobem além das análises clássicas (estáticas e dinâmicas), incluam também as análises de otimização.

Simulação de um sistema aerogerador com controlo óptimo predictivo

Nesta dissertação de mestrado propõe-se simular um sistema para melhorar a qualidade da energia eléctrica produzida por um parque eólico, utilizando conversores multinível NPC costas com costas e controlo óptimo predictivo. Neste trabalho é feito o controlo da potência activa e reactiva que é fornecida à rede de energia eléctrica, a partir de um gerador eólico e é optimizada a forma de onda alternada e sinusoidal de tensão trifásica sem neutro, minimizando o tremor das correntes e a distorção harmónica total, contribuindo para melhorar a qualidade de energia da rede ou de sistemas de alimentação para aplicações críticas como são os sistemas de telecomunicações. Recorre-se ao Matlab/Simulink para simular e comparar os resultados obtidos no sistema de conversão de energia de um parque eólico com o conversor costas com costas com controlo óptimo predictivo com os resultados obtidos com o conversor costas com costas PWM, disponível na biblioteca do software de simulação.

Desenvolvimento de Modelos no Programa DigSILENT PowerFactoryTM para o Estudo de Estabilidade Transitória em Sistemas Elétricos de Potência com Aerogerador

This work presents a description of models development at DigSILENT PowerFactoryT M program for the transient stability study in power systems with wind turbine. The main goal is to make available means to use a dynamic simulation program in power systems, widely published, and utilize it as a tool that helps in programs results evaluations used for this intent. The process of simulations and analyses results starts after the models setting description phase. The results obtained by the DigSILENT PowerFactoryT M and ATP, program chosen to the validation also international recognized, are compared during this phase. The main tools and guide lines of PowerFactoryT M program use are presented here, directing these elements to the solution of the approached problem. For the simulation it is used a real system which it will be connected a wind farm. Two different technologies of wind turbines were implemented: doublyfed induction generator with frequency converter, connecting the rotor to the stator and to the grid, and synchronous wind generator with frequency converter, interconnecting the generator to the grid. Besides presenting the basic conceptions of dynamic simulation, it is described the implemented control strategies and models of turbine and converters. The stability of the wind turbine interconnected to grid is analyzed in many operational conditions, resultant of diverse kinds of disturbances

Desenvolvimento de modelos no programa digSILENT powerfactoryTM para o estudo de estabilidade transitória em sistemas elétricos de potência com aerogerador

This work presents a description of models development at DigSILENT PowerFactoryTM program for the transient stability study in power systems with wind turbine. The main goal is to make available means to use a dynamic simulation program in power systems, widely published, and utilize it as a tool that helps in programs results evaluations used for this intent. The process of simulations and analyses results starts after the models setting description phase. The results obtained by the DigSILENT PowerFactoryTM and ATP, program chosen to the validation also international recognized, are compared during this phase. The main tools and guide lines of PowerFactoryTM program use are presented here, directing these elements to the solution of the approached problem. For the simulation it is used a real system which it will be connected a wind farm. Two different technologies of wind turbines were implemented: doubly-fed induction generator with frequency converter, connecting the rotor to the stator and to the grid, and synchronous wind generator with frequency converter, interconnecting the generator to the grid. Besides presenting the basic conceptions of dynamic simulation, it is described the implemented control strategies and models of turbine and converters. The stability of the wind turbine interconnected to grid is analyzed in many operational conditions, resultant of diverse kinds of disturbances

Aplicação do AHP em um caso de escolha dos modais de transporte para a movimentação das partes de um aerogerador

Wind power is a type of energy that is still not too explored in Brazil and, because of the lack of experience in projects of this size, there are still some problems during the stages of planning and execution of wind farms projects. One of these problems is related with the parts’ transportation logistics, since these parts are difficult to transport, because of their length, weight or shape. Furthermore, another aggravating factor is the lack of options regarding to the transportation modals that are available to do the route between the manufacture place and the project site. To help in the decision-making process about the ideal transportation configuration, aiming to reduce the dependence of the logistics’ coordinator, it was chosen to use he AHP method to compare some criteria that have influence in the modal’s choice process. The criteria, determined by the members of the company’s logistics’ department, are: transportation costs, transportation time and the risk of causing damages to the cargo. The results shown by this model, using theoretical background, that standardize the processes related to the modal’s choice

Metodologia de projeto de turbinas eólicas de pequeno porte.

O potencial eólico do Brasil, de vento firme e com viabilidade econômica de aproveitamento, é de 143 GW. Isso equivale ao dobro de toda a capacidade da geração já instalada no país. No Brasil, a energia eólica tem uma sazonalidade complementar à energia hidrelétrica, porque os períodos de melhor condição de vento coincidem com os de menor capacidade dos reservatórios. O projeto desenvolvido neste trabalho nasceu de uma chamada pública do FINEP, e sob os auspícios do recém criado CEPER. Ao projeto foi incorporado um caráter investigativo, de contribuição científica original, resultando em um produto de tecnologia inovadora para aerogeradores de baixa potência. Dentre os objetivos do projeto, destacamos a avaliação experimental de turbinas eólicas de 5000 W de potência. Mais especificamente, dentro do objetivo geral deste projeto estão incluídas análise estrutural, análise aerodinâmica e análise de viabilidade de novos materiais a serem empregados. Para cada uma das diferentes áreas de conhecimento que compõem o projeto, será adotada a metodologia mais adequada. Para a Análise aerodinâmica foi realizada uma simulação numérica preliminar seguida de ensaios experimentais em túnel de vento. A descrição dos procedimentos adotados é apresentada no Capítulo 3. O Capítulo 4 é dedicado aos testes elétricos. Nesta etapa, foi desenvolvido um banco de testes para obtenção das características específicas das máquinas-base, como curvas de potência, rendimento elétrico, análise e perdas mecânicas e elétricas, e aquecimento. Este capítulo termina com a análise crítica dos valores obtidos. Foram realizados testes de campo de todo o conjunto montado. Atualmente, o aerogerador de 5kW encontra-se em operação, instrumentado e equipado com sistema de aquisição de dados para consolidação dos testes de confiabilidade. Os testes de campo estão ocorrendo na cidade de Campos, RJ, e abrangeram as seguintes dimensões de análise; testes de eficiência para determinação da curva de potência, níveis de ruído e atuação de dispositivos de segurança. Os resultados esperados pelo projeto foram atingidos, consolidando o projeto de um aerogerador de 5000W.

Estudo Comparativo de Controladores Fuzzy Aplicados a um Sistema Solar Fotovoltaico.

Neste trabalho apresenta-se o modelo de um controlador baseado em Lógica Fuzzy para um sistema de energia baseado em fonte renovável solar fotovoltaica (photovoltaic - PV) multi-string em operação isolada, para o aproveitamento da máxima potência desta fonte. O sistema é composto por painéis solares, conversor CC-CC tipo elevador de tensão (boost), armazenamento por banco de baterias, inversor trifásico e carga trifásica variável. O sistema fotovoltaico foi modelado no MATLAB/Simulink de forma a representar a curva característica V-I do módulo PV, e que é baseado nos dados disponíveis em data-sheets de painéis fotovoltaicos comerciais. Outros estudos de natureza elétrica tais como o cálculo dos valores eficazes das correntes no conversor CC-CC, para avaliação das perdas, indispensáveis para o dimensionamento de componentes eletrônicos, foram realizados. O método tradicional Perturb and Observe de rastreamento do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracking MPPT) de painéis foi testado e comparado com métodos que usam a Lógica Fuzzy. Devido ao seu desempenho, foi adotado o método Fuzzy que realiza o MPPT por inferência do ciclo de trabalho de um modulador por largura de pulso (Pulse Width Modulation - PWM) através da variação da potência pela variação da corrente do painel solar. O modelo Fuzzy adotado neste trabalho foi testado com sucesso. Os resultados mostraram que ele pode ser robusto e atende à aplicação proposta. Segundo alguns testes realizados, este controlador pode realizar o MPPT de um sistema PV na configuração multi-string onde alguns arranjos fotovoltaicos são usados. Inclusive, este controle pode ser facilmente adaptado para realizar o MPPT de outras fontes de energia baseados no mesmo princípio de controle, como é o caso do aerogerador.

Caracterização do potencial eólico urbano: o caso de Lisboa

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Edificações

Análise experimental e simulação de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos

Sistemas para a geração de eletricidade a partir de fontes renováveis de energia, com um mínimo impacto ambiental, apresentam uma contribuição energética cada vez mais significativa, sendo importante conhecer em detalhe o comportamento dos mesmos. A radiação solar e o vento podem se mostrar complementares, sendo interessante empregar uma combinação eólica e fotovoltaica em um sistema único. Os sistemas assim constituídos recebem o nome de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos e em algumas aplicações podem mostrar vantagens em relação aos sistemas singelos. Esta Tese tem por objetivo contribuir com o conhecimento sobre o comportamento de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos de pequeno porte. Para obter dados experimentais foi montado um protótipo no Laboratório de Energia Solar, constituído de um painel de 420 Wp e de um aerogerador de 400 W de potência nominal, sendo que para o acionamento do aerogerador foi instalado um túnel de vento. Para a observação do comportamento do sistema híbrido foi também montado um sistema de monitoramento, sendo analisadas na Tese as incertezas associadas às medições realizadas. O sistema de monitoramento forma parte de um sistema mais amplo, que permite também o controle da velocidade do vento no túnel de vento e a ativação automática de um conjunto de cargas resistivas para simular o perfil de consumo. A Tese discute os modelos matemáticos de todos os componentes do sistema, assim como as principais configurações que podem ser dadas aos sistemas híbridos. Foram realizadas várias experiências com o sistema híbrido que permitiram a coleta de informações sobre o comportamento dos componentes independentes e como um todo Essas informações, por sua vez, serviram de base para a validação de modelos matemáticos dos diversos componentes do sistema, que foram integrados em um programa computacional de simulação elaborado como parte desta Tese. Além dos resultados do funcionamento do sistema híbrido experimental, a Tese mostra os resultados do programa de simulação e faz uma estimativa da aplicação de sistemas híbridos semelhantes em localidades de Rio Grande do Sul, a partir da informação do Atlas Eólico do Estado.

Fontes energéticas sustentáveis : um estudo sobre a viabilidade do aproveitamento da energia eólica em três localidades, no RS

O trabalho consiste no estudo da viabilidade técnico-econômica da utilização da energia eólica em três localidades no estado do Rio Grande do Sul, Brasil. A pesquisa inicia com uma revisão bibliográfica acerca do assunto, situando o leitor no cenário eólico mundial, brasileiro e riograndense. Seguindo-se a esta, são apresentados os levantamentos desenvolvidos nos municípios de Nova Hartz, São Lourenço do Sul e Tapes. A primeira localidade foi escolhida devido ao projeto do Centro Experimental de Tecnologias Habitacionais Sustentáveis (CETHS) ter sido lá desenvolvido. Neste caso a pesquisa, por constituir-se em um provimento energético consoante à filosofia do projeto, integrou-se nas metas do mesmo. Nesta localidade, foi efetivamente desenvolvido o método de medição da velocidade do vento, aplicando-se a metodologia mundialmente reconhecida do MEASNET, durante um prazo de 11 meses. Nas outras duas localidades, o levantamento dos dados de campo não foi realizado por esta pesquisadora, pois o Instituto de Geociências, dessa Universidade, especificamente, o Centro de Estudos de Geologia Costeira e Oceânica, dispunha à época, de dados de medições da Lagoa dos Patos, ainda não tratados, e tinha interesse na promoção de um estudo técnico acerca dos mesmos. A partir do tratamento estatístico dos dados colhidos e disponibilizados, foi desenvolvido o estudo de viabilidade técnica dos locais com o emprego do Programa Alwin A dissertação conclui com um estudo econômico preliminar, analisando-se o único equipamento nacional em fabricação no momento, o aerogerador E-40/6,44, produzido pela tecnologia da alemã Wobben através de sua subsidiária brasileira, a Empresa Enercon, frente a diferentes alturas, diferentes taxas de financiamento e sob as condições do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas (PROINFA) do Ministério das Minas e Energia. Isto resultou em diferentes alternativas de geração de energia elétrica com o uso da energia eólica disponível nas condições locais.Nestes cenários foram destacados os fatores condicionantes que determinaram a viabilidade de um empreendimento nestas localidades, sob os critérios do citado programa.

Relação entre stakeholders, recursos estratégicos e sustentabilidade em uma organização atuante na cadeia de valor da indústria brasileira de energia eólica

This paper approaches the strategy in business management and aimed at identifying and outlining the interests and commitment of stakeholders in strategic resources management concerning production and implementation of wind turbine equipment of a Brazilian wind power company and also verifying if internal and external results deriving from such activities were sustainable, taking as main reference seminal publications and periodicals relevant to the research point that discuss the Resource Theory, Stakeholders and Sustainability. An analysis was carried out to assess how stakeholders, beyond the temporal context, intermediated the composition, development and management of the organization´s resources, as well as the social, environmental and economic results obtained from resources management in the production and supply of wind turbines to a Wind Power Plant located in the State of Ceara, in order to portray that Brazil sustainability can be an important competitive advantage source that creates value for shareholders and the community (Hart & Milstein, 2003). The strategy herein applied was the qualitative investigation using a single study case, which allowed for the thorough examination of an active organization operating in the Brazilian industry of wind power and also the resources used in the production and implementation of wind turbines supplied to the a Wind Power Plant in Ceara. Considering the content analysis and the triangulation principle, three qualitative data collection methods were applied to identify and characterize stakeholders’ interest and commitment in resource management of the organization operating in the Brazilian wind power industry, as follows, semistructured deep interview with managers of tactic-strategic level and analysts of organization´s value chain nine activities, analysis of public internal and external documents; and analysis of audio-visual material. Nonetheless, to identify the internal and external economic, social and environmental results of implementation and supply of wind turbines to the Wind Power Plant in Ceara, semistructured interviews were also carried out with the residents of the region. Results showed the BNDES (Brazilian Development Bank) and the organization head office were the stakeholders who exerted the strongest influence on resources related to production and implementation of the aerogenerator product at Trairi Wind Plant in Ceara. Concerning the organization resources, at the current stage of the Brazilian Wind Industry ,although the brand, reliability and reputation of the organization under study were valuable esources, rare, hard to imitate and exploited by the organization, it was noticed that opposed to RBV, they did not actually represent a source of competitive advantage . For the local community the social, economic and environmental results related to the wind turbines implementation were more positive than negative, despite the fact that the productive process caused negative environmental impacts such as the high emission of CO2 to transport wind turbines components to Trairi Wind Power Plant.

Optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos‐eólicos em zonas insulares de diversidade climática‐Arquipélago da Madeira

Nesta tese apresento um estudo detalhado sobre vários aspectos relacionados com a optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos-eólicos em zonas insulares de diversidade climática-arquipélago da Madeira que foi desenvolvido no Laboratório Regional de Engenharia Civil e com algumas deslocações no Laboratório de Energia Solar da Universidade de Vigo entre 2002 e 2007. Foi baseado nos conhecimentos adquiridos ao longode 25 anos de prática profissional de estudo, projecto, montagem e monitorização de tecnologias solares e eólicas, para produção de electricidade em locais isolados, bem como pesquisa e análise climatológica. Como resultado final e após a criação de uma base de dados climáticos para fins energéticos, determinámos os dias característicos de radiação solar e temperatura para cada um dos doze meses do ano, nas seis estações meteorológicas estudadas. Estes dias são de grande utilidade também para a elaboração de outros estudos. Após o tratamento dos dados constatou-se que a evolução das temperaturas ao longo do ano, tanto no caso das médias como nas médias dos valores máximos e nas médias dos valores mínimos,segue uma tendência similar em todas as estações. Concluimos que, a altitude é o factor determinante nestas diferenças, de tal maneira que quanto maior for a altitude menor são, em geral, as temperaturas médias. No estudo da irradiação global constatámos que na ilha do Porto Santo há mais 4% de radiação solar que na ilha da Madeira. Já na costa norte da Madeira, mais precisamente em São Jorge a média diária mensal e anual é inferior em cerca de 16.5 % em relação ao Porto Santo. Contudo, a costa sul da Madeira apresenta valores de radiação interessantes para o aproveitamento energético. Na abordagem à produção fotovoltaica e eólica, desenvolvemos um novo conceito que relaciona a produção eléctrica por metro quadrado de terreno horizontal, referente à área dos módulos fotovoltaicos e à área de afectação dos aerogeradores. Este novo conceito permite facilmente comparar sistemas energéticos diferentes utilizando diferentes recursos energéticos, permitindo também comparar a energia eléctrica produzida com a energia solar recebida e, deste modo, extrapolar os resultados para a toda a superfície do arquipélago. Finalmente, no que diz respeito à optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos-eólicos nas seis zonas climáticas do arquipélago da Madeira, calculámos a produção eólica diária e a produção média diária para cada um dos doze meses do ano, bem como a média anual, isto por metro quadrado de área varrida pelo rótor do aerogerador, para que os resultados se pudessem comparar com os resultados anteriormente obtidos na produção fotovoltaica, reportados também a metro quadrado de área de módulo. No que concerne à produção máxima e comparativa de sistemas (100% fotovoltaicos e 100% eólicos), estudámos várias hipóteses para que os resultados fossem os mais gerais possíveis, tendo-se chegado à conclusão de que se se relacionar a procura de energia/consumo com a produção anual do sistema híbrido, não é necessário fazer a simulação dos sub-sistemas fotovoltaicos-eólicos em tamanho real, bastando apenas conhecer a proporção exacta destes, e extrapolar os resultados obtidos em percentagem para qualquer dimensão. Da análise comparativa dos resultados da produção energética das diferentes composições percentuais fotovoltaico-eólico, podemos avaliar facilmente o grau de cobertura de energia renovável. Conhecidas as percentagens de cobertura da procura que se obtêm com energias renováveis, é possível definir com segurança as percentagens solar-eólica que oferecem as melhores opções técnicas. Em termos de optimização técnica, concluímos que o único factor que diferencia um sistema híbrido de outro, nos 6 locais estudados, é a área do módulo fotovoltaico e a área varrida pelo rótor do aerogerador. Finalmente, concluímos que os custos das instalações híbridas e do kWh renovável produzido nos locais estudados, diminuem em todos os locais ao diminuir a percentagem do sub-sistema eólico no sistema híbrido fotovoltaico-eólico, sendo o custo mais baixo reportado sempre à Instalação toda solar (100% fotovoltaica).

Sistema autónomo de alimentação para monitorização ambiental

Este projecto tem como principal objectivo a criação de sistemas autónomos de^alimentação para redes de sensores sem fios (RSSF) que prolonguem a autonomia das mesmas. Considerando que, geralmente, a alimentação das RSSF é fornecida por baterias e devido à limitação que estas impõem a nível de durabilidade e autonomia é crucial desenvolver sistemas capazes de captar e armazenar energia ambiental de modo a disponibilizá-la aos nós sensores quando estes necessitarem. Assim sendo, este projecto apresenta três protótipos cujo intuito visa prolongar a longevidade dos nós sensores. Nesta conformidade recorreu-se ao aproveitamento da energia produzida pelo sol, vento e cursos de água. Foram estudados dois protótipos solares, um com ligação directa ao elemento de armazenamento e o outro com um circuito que deve transferir o máximo de potência fornecida pela fonte. Para o aproveitamento do fluxo de ar foi desenvolvido um pequeno gerador trifásico com uma estrutura de captação de energia segundo o modelo de pás do aerogerador Savonius. As características (tensão e corrente) foram analisadas com o objectivo de poder desenvolver um circuito de controlo de carga para as baterias. O último sistema de controlo foi dirigido ao aproveitamento da água proveniente das levadas ou ribeiras. Este sistema também é composto por um pequeno gerador trifásico ao qual foi associado um sistema de pás do tipo Pelton. Este protótipo foi proposto para situações em o caudal à saída de um reservatório se mantém constante evitando desta forma, a necessidade de utilização de elementos de armazenamento de energia Todos os sistemas possuem circuitos que permitem a monitorização de variáveis fundamentais para a avaliação dos mesmos. Para a transferência de dados foi utilizada uma rede de sensores sem fios, com recurso a um rádio XBee. Estes dados são encaminhados para uma base de dados presente na estação central. Após todo o tratamento de dados, a informação é disponibilizada através de uma página da Internet.

Previsão de produção de energia elétrica a partir do vento

A capacidade de prever a produção de energia eólica com precisão num parque eólico é de extrema relevância tanto do ponto de vista económico bem como de controlo e estabilidade da rede elétrica. Vários e diferentes métodos têm sido utilizados para este propósito, como os físicos, estatísticos, lógica difusa e redes neuronais artificiais. Os dados disponíveis dos parques eólicos contêm ruído e leituras inesperadas em relação às entradas disponíveis. Lidar com estes dados não é uma tarefa simples mas, neste trabalho, as Redes Neuronais Artificiais são usadas para prever a potência gerada baseada em medições locais do vento. Os resultados mostram que as Redes Neuronais Artificiais são uma ferramenta que deve ser considerada nestas difíceis condições, uma vez que elas proporcionam uma precisão razoável nas suas previsões.

Modelagem de usinas eólicas através de um processo de Markov e técnicas de confiabilidade para a estimativa anual da energia produzida

This study aims to use a computational model that considers the statistical characteristics of the wind and the reliability characteristics of a wind turbine, such as failure rates and repair, representing the wind farm by a Markov process to determine the estimated annual energy generated, and compare it with a real case. This model can also be used in reliability studies, and provides some performance indicators that will help in analyzing the feasibility of setting up a wind farm, once the power curve is known and the availability of wind speed measurements. To validate this model, simulations were done using the database of the wind farm of Macau PETROBRAS. The results were very close to the real, thereby confirming that the model successfully reproduced the behavior of all components involved. Finally, a comparison was made of the results presented by this model, with the result of estimated annual energy considering the modeling of the distribution wind by a statistical distribution of Weibull