Software Para Dimensionamento de Sistemas de Geração Elétrica

Software Para Dimensionamento de Sistemas de Geração Elétrica com
Aeromotores Utilizando Gerador de Imãs Permanentes
Teófilo Miguel de Souza
Carlos Eduardo Affonso
Unesp - Campus de Guaratinguetá - Centro de Energias Renováveis - Departamento de Engenharia Elétrica,
Av. Ariberto Pereira da Cunha 333, CEP: 12516-410, Guaratinguetá-SP, Brasil
Fone: (12)3123-2834, Fax: (12) 3123-2830.
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Resumo: Este projeto teve como propósito principal o desenvolvimento de um software capaz de
dimensionar sistemas de fornecimento de energia elétrica utilizando a força dos ventos. É apresentado a
escolha do diâmetro da área varrida pelas pás do rotor, a potência elétrica fornecida por uma usina eólica,
os dispositivos mecânicos para motores eólicos, geradores de ímã permanentes, armazenamento de energia
através de baterias e conversores DC-AC. O objetivo é otimizar os projetos de geração de energia elétrica
através da energia eólica para pequenos sistemas e se destina a cursos de treinamento, escolas técnicas
agrícolas, escolas de engenharia e empresas que prestam serviços para as concessionárias de energia
elétrica, cooperativas agrícolas, empresas e organizações do setor terciário, órgãos do governo, fabricantes
e revendedores de material e equipamentos elétricos e administrações municipais.
Palavras-Chave: energia eólica, gerador de ímãs permanentes, energia alternativa, software, Windpower.
1.
Introdução
Esse projeto está sendo desenvolvido no Centro de Energias Renováveis da Unesp - Campus de
Guaratinguetá, e visa dar continuidade nas pesquisas e desenvolvimento de fontes alternativas de energias. A
ênfase foi o desenvolvimento de um software capaz de dimensionar um sistema de energia eólica para
fornecimento de energia elétrica a pequenos sistemas de energia e sistemas isolados.
Com este software é possível o dimensionamento da turbina eólica de acordo com a potência necessária
para acionar os equipamentos elétricos, dos geradores, das baterias, os controladores de carga, dos
conversores e condutores elétricos.
A energia dos ventos é uma abundante fonte de energia renovável, limpa e disponível em todos os
lugares. A utilização desta fonte energética para a geração de eletricidade, em escala comercial, teve início há
pouco mais de 30 anos e através de conhecimentos da indústria aeronáutica os equipamentos para geração
eólica evoluíram rapidamente em termos de idéias e conceitos preliminares para produtos de alta tecnologia.
No Brasil, embora o aproveitamento dos recursos eólicos tenha sido feito tradicionalmente com a
utilização de cata-ventos multipás para bombeamento d'água, algumas medidas precisas de vento, realizadas
recentemente em diversos pontos do território nacional, indicam a existência de um imenso potencial eólico
ainda não explorado [1].
Através de pesquisas bibliográficas [1-13], pode-se verificar que, com ventos de 11,5 m/s, nas regiões
mais litorâneas do mapa do Brasil, existe uma possibilidade de geração elétrica através de aeromotores entre
3750 a 5000 kWh / kW instalado / ano. Na região interior, vizinha da litorânea, verifica-se que o a geração
fica entre 2250 a 3750 kWh / kW instalado / ano. Já quando se trata do interior do Brasil, os ventos são de
baixa intensidade o que produz uma geração abaixo de 2250 kWh / kW instalado / ano. A capacidade
instalada no Brasil é de 20,3 MW, com turbinas eólicas de médio e grande portes conectadas à rede elétrica.
Além disso, existem dezenas de turbinas eólicas de pequeno porte funcionando em locais isolados da rede
convencional para aplicações diversas - bombeamento, carregamento de baterias, telecomunicações e
eletrificação rural.
2.
Fluxograma do Software Windpower
Com este software é possível o dimensionamento do diâmetro da área varrida pelas pás da turbina eólica
de acordo com a potência necessária para acionar os equipamentos elétricos, dos geradores, das baterias, os
controladores de carga, os conversores e condutores.
O fluxograma apresentado na Figura 1 ilustra o processo de cálculos do software. Inicialmente o software
solicita ao usuário as características da carga a ser alimentada , tais como, o tipo de alimentação (contínuo,
monofásico ou trifásico), tensão de alimentação da carga (12 V, 24V, 127V, 380 V), consumo de corrente
permanente da carga, consumo intermitente da carga (informando também a freqüência e o valor deste
consumo ) e as características dos ventos na região a ser implementado o gerador acionado por energia eólica.
De posse destes dados o software fornece ao usuário o dimensionamento completo do sistema de geração
eólica, informando o diâmetro da área varrida pelas pás, a potência consumida pela carga, a potência
necessária a ser armazenada, as características necessárias das baterias a serem utilizadas e a potência
necessária que o gerador deve fornecer ao sistema.
Início
Escolha do Tipo
de alimentação
(contínuo,
trifásico,
monofásico)
Determinação da
Taxa de trabalho
Determinação da
Potência Total
que o Gerador
deve fornecer
Informação da
tensão de
Alimentação da
carga
Cálculo do
Consumo
equivalente de
energia ( W )
Determinação do
diâmetro das Pás
do cata-ventos
Informação do
consumo
permanente da
carga
Determinação da
energia
armazenada
necessária
Refazer
Cálculos?
Sim
Não
Informação do
consumo
intermitente da
carga
Cálculo da
corrente de carga
da Bateria
Informação das
características dos
ventos na região
Determinação da
bateria
Fim
Figura 1 – Fluxograma do Software Windpower
3.
Apresentação do Software e Exemplos de Aplicações
O software desenvolvido tem duas interfaces de entrada de dados onde usuário irá fornecer as
informações necessárias para que o sistema de geração de energia elétrica, acionado por uma turbina eólica,
seja dimensionado. A Figura 2 mostra a tela de abertura do software e as Figuras 3 e 4 apresentam estas
interfaces. Os dados que devem ser fornecidos na primeira interface são: o tipo de alimentação de energia
elétrica(contínuo, monofásico, trifásico), a tensão de geração, os aparelhos domésticos que serão utilizados
como carga e seus respectivos tempos de consumo diário. Na outra interface, devem ser fornecidos os dados
referentes as características do vento local com a quantidade de dias sem vento e a velocidade média dos
mesmos, o tipo de motor eólico utilizado ( Catavento, Savonius, Holandês de 4 Pás, Darrieus ou Duas Pás ), a
tensão de alimentação da bateria, a distância entre o gerador e o banco de baterias e a queda percentual de
tensão dos cabos ligados entre os mesmos.
Figura 2 – Tela de abertura do Software
Figura 3 - Primeira interface de entrada de dados do software Windpower
Com os dados devidamente preenchidos, o usuário poderá ver os resultados do projeto selecionando o
botão "Calcular". Após o usuário ter selecionado o botão, será apresentado a ele uma interface de resultados.
A Figura 5 apresenta esta interface . Os dados de saída são além dos dados de entrada, o consumo equivalente
de energia, a energia necessária a ser armazenada, a corrente de carga da bateria, a potência elétrica do
gerador e o diâmetro das pás para acionar o sistema de fornecimento de energia elétrica.
Figura 4 - Segunda interface de entrada de dados do software Windpower
Figura 5 - Interface dos resultados do software Windpower
3.1. Exemplos de Aplicação
Como um primeiro exemplo será considerado uma pequena residência, onde suas características são
apresentadas na Tabela 1 .
Tabela 1 - Características de uma pequena residência
Tipo
Computador
Frigobar
Aparelho de Som
Quantidade
1
1
1
Potência
150W
70W
50W
Período
4 horas por dia
12 horas por dia
2 horas por dia
O levantamento do local mostrou que ocorrem no máximo 5 dias sem vento, sendo que a velocidade
média dos ventos é de 30 km/h. A tensão de alimentação da bateria é de 12V, a distância entre o banco de
baterias e o gerador de 400m e a queda de tensão percentual nos cabos alimentadores é de 6%.
De posse destes dados pode-se, através da interface inicial, inserir os dados no programa. As Figura 6 e
7 apresentam as janelas de inserção dos dados no programa.
Figura 6 - Inserção dos dados no software Windpower
Figura 7 - Inserção dos dados no software Windpower
Feito isto, pode-se obter os resultados do projeto selecionando o botão "Calcular". A Figura 8 apresenta
a interface dos resultados. Verifica-se que é necessário um diâmetro para as pás de 1,02 metros para acionar
um gerador de 87W para as condições de velocidade média do vento de 30 km/h.
Figura 8 - Resultados do dimensionamento do sistema eólico para alimentar uma estação meteorológica
Para um segundo exemplo será considerado também uma pequena residência, onde suas características
são apresentadas na Tabela 2 .
Tabela 2 – Características da Residência
Tipo
Lâmpada Fluorescente
Compacta
TV (21’) com Antena
Parabólica
Aparelho de Som
Liquidificador
Quantidade
3
Potência
11W
Período
4 horas por dia
1
80W
4 horas por dia
1
1
150W
200W
2 horas por dia
5 minutos por dia
O levantamento do local mostrou que ocorrem no máximo 3 dias sem vento, sendo que nos outros dias a
velocidade média dos ventos é de 25 km/h. A tensão do banco de baterias é de 12V, distância dele até o
gerador de 500m e a queda de tensão percentual de 4%. As Figuras 9 e 10 mostram os dados inseridos.
Figura 9 – Inserção dos dados referentes a residência apresentada na Tabela 2
Figura 10 – Inserção dos dados referentes a residência apresentada na Tabela 2
A Figura 11 mostra a tela com os resultados obtidos com o software Windpower
Figura 11 –Resultados obtidos com o software Windpower referentes a uma residência apresentada na
Tabela 2
4. Comentários
Este software tem como principal objetivo otimizar os projetos de geração de eletricidade através do acionamento
por energia eólica para pequenos sistemas de geração elétrica.
É importante destacar que com o desenvolvimentos de projetos como este em energia alternativa, áreas
isoladas que não possuem acesso a eletricidade poderão terem a disponibilidade da energia elétrica para o seu
consumo sem necessitar que as companhias credenciadas cheguem até estes pontos de consumo. Além disso
muitas regiões do país já contam com o sistema de energia eólica para o bombeamento de água. Com o
desenvolvimento deste projeto pretende-se tornar possível acoplar ao cata-ventos já existente o sistema de
geração, transmissão e distribuição de eletricidade para pequenos sistemas de geração de energia elétrica.
Agradecimentos
Os autores agradecem as empresas Cata-ventos Fênix Fortuna, Geradores NH, WB Eletro-Eletrônica,
Baterias Delphi pela doação dos equipamentos. Também agradecem a FAPESP pela concesssão financeira
Proc. Nº 03/02368-3 e a PROPP-UNESP.
5. Referências Bibliográficas
[1] SITE: www.eolica.com.br/index_por.html
[2}American Wind Power Association , http://www.awea.org
[3] EcoNet Energy Resources, http://www.igc.org/energy/wind.html
[4] NWCC - National Wind Coordinating Committee, http://www.nationalwind.org/default.htm
[5] The Green Power Network Up-to-date green power news!, http://www.eren.doe.gov/greenpower
[6] Wind Energy Danish Wind Turbine Manufacturers Association, http://www.windpower.dk
[7] Windpower Monthly News Magazine Home Page, http://www.windpower-monthly.com/index.htm
[8] Minnesotans For An Energy Efficient Economy - wind energy resources, http://www.me3.org/issues/wind
[9] EcoIQ - Supporting a transition to sustainability, http://www.ecoiq.com
[10] LA ROVERE, Emílio Lèbre - “Fontes Alternativas de Energia” - Projeto FINEP / PNUD / UNESCO
- BRA 82/004 - Capítulo IV e V - Páginas de 115 à 180
[11] MACINTYRE, Archibald Joseph - “Máquinas Motrizes Hidráulicas” - Editora Guanabara Dois S.A. 1983 - Capítulo 24 - Página 609
[12] SITE: www.cataventosfortuna.com.br
[13] Revista Energia Alternativa – Volume IV – 1298 – No. 23 – Páginas 25 e 26
6. Direitos autorais
Os autores são os responsáveis pelo material impresso neste capítulo
7. Copyright Notice
The authors are the only responsible for the printed material included in this chapter.
Software for Calculus of Electric System Supply with Wind Motors Utilizing
Permanent Magnets Generator.
This project has as main purpose the development of a capable software of calculus of electric system supply
utilizing the force of the winds. It is presented the choice of the diameter from the area sweep by the blades
of the rotor, the electric power supplied by an eolic source, the mechanical devices for wind motors,
permanent magnets generator, storage of energy by batteries, DC-AC converters, electric wires for
transmission from the energy of the power supply to the center of consumption. The objective is the electric
energy generation by eolic supply source for small systems and also was developed to courses of training,
agricultural technical schools, schools of engineering and companies that lend service for the agricultural
cooperative, electric concessionaires of energy, companies and organizations of the tertiary sector, organs of
the government, manufacturers and dealers of materials and electric equipments and municipal
administrations.
Key words: wind energy, permanent magnets generator, renewable energy source, software, Windpower.