proposta tcc

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/AUTOMAÇÃO
GABRIELA PIMENTEL DE LARA
GUSTAVO BOSCARDIN
MICHELLY MIDOHI MIZUMA
ESTUDO DO PROCESSAMENTO DA ENERGIA PROVENIENTE DE UM
GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
2013
GABRIELA PIMENTEL DE LARA
GUSTAVO BOSCARDIN
MICHELLY MIDOHI MIZUMA
ESTUDO DO PROCESSAMENTO DA ENERGIA PROVENIENTE DE UM
GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE
Trabalho de Conclusão de Curso de
Graduação, apresentado à disciplina de
Metodologia Aplicada ao TCC do curso de
Engenharia Industrial Elétrica/Automação do
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
(DAELT) da Universidade Tecnológica Federal
do Paraná (UTFPR), Câmpus Curitiba, como
requisito para aprovação desta disciplina.
Orientador: Prof. André Alceu Badin, Dr.
Eng.
CURITIBA
2013
LISTA DE FIGURAS
CRONOGRAMA................................................................................................11
LISTA DE SIGLAS
UTFPR
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
MPPT
Maximum Power Point Tracking
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO......................................................................................... 5
1.1
TEMA ................................................................................................ 6
1.1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA ............................................................ 6
1.2
PROBLEMAS E PREMISSAS........................................................... 6
1.3
OBJETIVOS ...................................................................................... 7
1.3.1 Objetivo Geral .............................................................................. 7
1.3.2 Objetivos Específicos ................................................................... 7
1.4
JUSTIFICATIVA ................................................................................ 8
1.4.1 Estudo da Variação da Energia Gerada ....................................... 8
1.4.2 Estudo Sobre o Gerador Eólico .................................................... 8
1.4.3 Estudo das Técnicas de MPPT .................................................... 9
1.4.4 Escolha do Conversor .................................................................. 9
1.5
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS.......................................... 9
1.6
ESTRUTURA DO TRABALHO........................................................ 10
1.7
CRONOGRAMA .............................................................................. 10
1.8
REFERÊNCIAS............................................................................... 12
5
1
INTRODUÇÃO
À medida que a disponibilidade recursos energéticos, como o petróleo,
diminui e estes se tornam mais caros, é necessário encontrar novas formas de
energia alternativas e renováveis como a eólica.
A energia eólica, produzida a partir da força dos ventos, é abundante,
renovável, limpa e disponível em muitos lugares. Essa energia é gerada a partir de
aerogeradores, nas quais a força do vento é captada por hélices ligadas a uma
turbina que aciona um gerador elétrico. A quantidade de energia transferida é função
da densidade do ar, da área coberta pela rotação das pás (hélices) e da velocidade
do vento. [1]
Segundo a avaliação do Global Wind Energy Council, organismo
internacional que reúne entidades e empresas relacionadas à produção desse tipo
de energia, o Brasil é o país mais promissor do mundo em termos de produção de
energia eólica. [2]
Apesar de algumas divergências entre especialistas e instituições na
estimativa
do
potencial
eólico
brasileiro,
vários
estudos
indicam
valores
extremamente consideráveis, sendo que atualmente estima-se que potencial eólico
brasileiro é de cerca de 60MW. [3]
Apesar do potencial eólico no Brasil não ser completamente utilizado, seu
uso vem aumentando nos últimos anos. Atualmente estima que a capacidade
instalada brasileira é de aproximadamente 2613,7MW. [4]
Com o desenvolvimento dessa tecnologia requisitos como correção do fator
de potência, suprimento de potência reativa para o sistema de transmissão, melhoria
da estabilidade, entre outros, se tornam de grande importância para a geração de
energia eólica, principalmente no que se refere ao máximo aproveitamento da
energia e sua estabilidade.
6
1.1
TEMA
Neste trabalho será discutido como processar a energia elétrica de um
gerador eólico de 500W e quais as técnicas a serem utilizadas para se obter a
máxima transferência de potência.
1.1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Este projeto busca processar a energia elétrica proveniente de um gerador
eólico de pequeno porte e velocidade variável. Este processamento será feito
utilizando uma técnica para se obter a o ponto de máxima transferência de potência.
A geração eólica de baixa potência necessita de um custo reduzido para se
tornar economicamente viável, dessa forma, os conversores que processam a energia
desta fonte, deve ser simples e de baixo custo. [5]
Para este projeto é de suma importância tentar se aproveitar da melhor forma
possível a energia gerada. O projeto prevê o processamento da energia para um
barramento CC, para posterior interligação com a rede elétrica. Este processamento
será realizado através de um conversor estático CA-CC, onde a energia elétrica
alternada é transformada em contínua e ligada a um barramento que pode estar
interligado a outras fontes de energia renováveis.
1.2
PROBLEMAS E PREMISSAS
Assim como a velocidade e outras características do ar que movimenta a
turbina de um gerador eólico variam com o tempo, também varia a energia
produzida. O gerador pode fornecer formas de onda em corrente contínua ou
alternada, onde se tem tensão, corrente e frequência variando com o tempo,
dependendo de seu tipo. [6]
7
Essa energia ainda não pode ser aproveitada, pois a rede elétrica necessita
de formas de onda estáveis e com características específicas, além de uma bateria
de uma corrente e tensão contínuas com valores bem definidos. Desta forma é
necessário processar a energia produzida pelo gerador eólico, a adequando para a
finalidade desejada. [6]
Portanto, para que se possa utilizar a energia do gerador eólico, é
necessário processar a energia proveniente adequando tensões, correntes e
eventualmente frequência. Deste modo, estudos serão feitos para se encontrar a
melhor forma de processamento e armazenagem da energia. [6]
1.3
OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Processar a energia elétrica produzida por um gerador eólico de pequeno porte
interligando a um barramento CC com o rastreamento de máxima potência.
1.3.2 Objetivos Específicos
1 - Estudar a variação da energia produzida pelo gerador eólico.
2 - Fazer um estudo sobre gerador eólico.
3 - Estudar de técnicas de MPPT.
4 - Escolher o conversor mais adequado.
5 - Escolher o algoritmo de processamento.
6 - Processar energia elétrica proveniente do gerador eólico visando a
máxima potência.
8
1.4
JUSTIFICATIVA
1.4.1 Estudo da Variação da Energia Gerada
A energia produzida pelos geradores eólicos não é constante, pois depende
de fatores como a velocidade e densidade do ar que movimenta suas pás, sendo
que essa variação pode provocar, por exemplo, a degradação da qualidade da
energia no sistema, quando ligados a rede elétrica. [5]
1.4.2 Estudo Sobre o Gerador Eólico
Para se realizar o processamento da energia, é necessário conhecer as
características do gerador utilizado. Estas são as características elétricas
propriamente ditas, que influenciam o funcionamento do sistema que utiliza o
gerador.
Apesar da necessidade do conhecimento das características do sistema de
geração de energia elétrica usando geradores eólicos parecer óbvio, muitos dos
primeiros empreendimentos nesta área apresentam inúmeros problemas na
atualidade devido a falta de planejamento e vista grossa aos aspectos técnicos. Por
exemplo, a rede de usinas eólicas do estado da Califórnia (EUA). [7]
Com o objetivo de facilitar a implantação das primeiras usinas, requisitos
técnicos foram “relaxados” e o planejamento ignorado. A evolução tecnológica que
causou o aumento do número e tamanho das usinas resultou em um sistema
caótico, saturado e ineficiente. [7]
9
1.4.3 Estudo das Técnicas de MPPT
As técnicas de MPPT têm como finalidade aproveitar toda a energia
disponível pelo gerador. De forma a evitar desperdícios e aumentar a eficiência do
sistema. Isso é importante devido ao dimensionamento dos sistemas e ao impacto
dessa forma de energia na qualidade da energia de uma rede elétrica. [6]
1.4.4 Escolha do Conversor
O processamento exige a escolha de um conversor adequado para o
gerador estudado. Este conversor deve ser eficiente e de baixo custo/complexidade,
permitindo sua implementação para geradores de pequeno porte.
1.5
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Inicialmente será realizada uma pesquisa bibliográfica em fontes como
livros, monografias, artigos disponibilizados pelo portal Capes, reportagens, vídeos,
revistas, além de sites referentes ao tema de pesquisa: desenvolvimento
sustentável, geração eólica e outros. Esse material será necessário para se obter
uma visão global do tema pesquisado e para que se possa escolher o melhor
método de máxima transferência de potência.
Com o embasamento teórico, serão feitas análises teóricas e matemáticas e
por simulação para verificação do funcionamento das técnicas presentes na
literatura especializada.
Em seguida serão estudados os conversores que se adequam melhor na
resolução do problema e nas técnicas de MPPT para o processamento da energia
do gerador eólico. Nesta etapa serão realizadas simulações numéricas para os
circuitos projetados.
10
Assim que verificado em simulação a eficiência do conversor escolhido, este
será implementado e o protótipo será ensaiado em bancada e, se possível,
conectado ao gerador em funcionamento.
Finalmente, os resultados obtidos serão analisados e comparados aos
dados teóricos e os resultados da simulação.
1.6
ESTRUTURA DO TRABALHO
Capítulo 1 - Introdução com apresentação e delimitação do tema, problemas
e
premissas,
objetivos
principais,
justificativa,
metodologia,
cronograma
e
referências.
Capítulo 2 - Desenvolvimento sustentável, energia renovável e novas formas
de energia.
Capítulo 3 - Geração Eólica, abordando seus aspectos históricos, modo de
funcionamento e componentes e introdução a sistema de conversão de energia
eólica.
Capítulo 4 - Conversor - Fundamentação teórica, Topologia, modo de operação.
Capítulo 5 - Método do rastreamento da máxima potência do gerador.
Capítulo 6 - Modelo da planta; dimensionamento; escolha de componentes;
Modelagem; Implementação física; Confecção do protótipo e/ou Simulações e
resultados.
Capítulo 5- Discussões dos resultados e conclusão.
1.7
CRONOGRAMA
Considerando os procedimentos necessários e os requisitos para o
desenvolvimento desta pesquisa, apresentasse o seguinte cronograma (Tabela 1):
11
Figura 1 - Cronograma
12
1.8
REFERÊNCIAS
[1]
Ministério
do
Meio
Ambiente.
Energia
Eólica.
Disponível
<http://www.mma.gov.br/clima/energia/energias-renovaveis/energia-eolica>
em:
Acesso
em 23 fev 2013
[2] Energia Eólica. Disponível em:
< http://www.brasil.gov.br/sobre/economia/energia/matriz-energetica/energia-eolica >
Acesso em 23 fev 2013
[3] Agencia Nacional de Energia Eletrica (ANEEL). Energia Eólica. Disponível em:
<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/06-energia_eolica(3).pdf> Acesso em
23 fev 2013
[4]
Associação
Brasileira
de
Energia
Eólica.
Disponível
em:
<http://www.abeeolica.org.br/> Acesso em: 23 fev 2013
[5] Oliveira, D.S.; Reis, M.M.; Silva, C.; Colado Barreto, L.; Antunes, F.; Soares, B.L.;
, "A Three-Phase High-Frequency Semicontrolled Rectifier for PM WECS," Power
Electronics,IEEE Transactions on , vol.25, no.3, pp.677-685, March 2010
[6] Koutroulis, E.; Kalaitzakis, K.; , "Design of a maximum power tracking system for
wind-energy-conversion applications," Industrial Electronics, IEEE Transactions on ,
vol.53, no.2,pp. 486- 494, April 2006
[7] NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY Power Quality Aspects in a
Wind Power Plant. Disponível em: < http://www.nrel.gov/docs/fy06osti/39183.pdf>
Acesso em: 25 fev. 2013.