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ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA AEROTRANSPORTADA EM ALTAS
ALTITUDES
LUCIANO C. SIEBERT
Divisão de Sistemas Elétricos, Departamento de Eletricidade e Materiais, Institutos Lactec
BR 116 - Km 98 - Nº 8813, Centro Politécnico da UFPR, Curitiba – PR.
E-mail: [email protected]
OSIRIS C. JUNIOR
Laboratório de Automação e Sistemas, Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia, Pontifícia Universidade
Católica do Paraná (PUCPR)
Rua Imaculada Conceição, 1155, Curitiba – PR
E-mail: [email protected]
Abstract This paper presents a computer simulation system to assess the technical feasibility of generating electricity at higher
altitudes through a kite attached to the ground by two cables. Using data on the material properties, dimensions of the kite and cables, and predefined control angles the computing system implemented in MATLAB, through the mathematical modelling of
the dynamics of the kite, provide information such as the energy produced and consumed in a given period. The results obtained
and analysed through a case study indicate the technique as promising.
Keywords Wind Energy, Renewable Energy, Computer Simulation, Wind Power in High Altitudes, Airobourne Wind Power,
Aerodynamics.
Resumo Esse trabalho apresenta um sistema de simulação computacional para avaliação da viabilidade técnica da geração de energia eólica aerotransportada em altas altitudes através de uma pipa em formato de parapente, presa ao chão por dois cabos.
Utilizando dados das propriedades do material, dimensões da pipa e dos cabos e ângulos de controle pré-definidos o sistema
computacional implementado em MATLAB, através da modelagem matemática da dinâmica da pipa, fornecerá dados tais como a energia produzida e consumida em um determinado período. Os resultados, obtidos e analisados através de um estudo de caso,
apontam a técnica como promissora.
Palavras-chave Energia Eólica, Energia Renovável, Simulação Computacional, Energia Eólica em Altas Altitudes, Energia Eólica Aerotransportada, Aerodinâmica.
1 Introdução
Sabe-se que a velocidade do vento aumenta con-forme a altitude, e que o potencial para geração de energia através do vento é proporcional ao cubo dessa velocidade. Técnicas comerciais para o aproveitamen-to do potencial energético do vento e conversão em energia elétrica consideram altitudes entre 50 e 150 metros, mas altas altitudes, como entre 300 a 1500 metros, oferecem correntes de ar muito mais constan-tes, fortes e confiáveis.
Para a geração de energia eólica, atualmente é ne-cessário o uso de grandes torres e geradores, tornando inviável a utilização de técnicas consolidadas atuais para explorar os ventos em altas altitudes. Para isso, uma alternativa é a abordagem de geração de energia eólica aerotransportada, da sigla em inglês AWE (Airborne Wind Energy). Esse artigo irá apresentar a concepção de um sistema de simulação computacio-nal para avaliação da viabilidade técnica da geração de energia eólica aerotransportada em altas altitudes através de pipas, utilizando para isso o conceito de pumping cycle.
Um dos primeiros estudos sobre geração de
energia eólica em altas altitudes foi desenvolvido em
1980, por Miles L. Loyd (1980), engenheiro eletrôni-
co aposentado do Lawrence Livermore National
Laboratory na Califórnia, mas só atualmente esse
conceito pode ser completamente desenvolvido, por
causa de avanços recentes em diversos campos da
engenharia tais como aerodinâmica, materiais, me-
catrônica e controle.
2 Energia Eólica Aerotransportada
A energia eólica é a energia cinética do ar em mo-vimento, que pode ser aproveitada pelo homem para realizar trabalho útil. Foi inicialmente utilizada em sistemas de bombeamento de água e moagens de grãos, sendo utilizada para geração de energia elétrica somente no final do século XIX (Tolmasquin, 2003).
Um sistema de geração de energia eólico, tanto convencional quanto aerotransportado, pode ser utili-zado em três aplicações distintas: sistemas isolados, sistemas híbridos e sistemas interligados à rede. O primeiro, geralmente de pequeno porte, utiliza algum tipo de armazenamento de energia, seja através de baterias ou na forma de energia gravitacional para posterior geração de energia hidrelétrica. Os sistemas híbridos apresentam mais de uma fonte de geração de energia, como turbinas eólicas, geradores diesel, painéis fotovoltaicos entre outros, necessitando de um sistema complexo para gerenciamento das fontes de modo que se obtenha uma maior eficiência do conjun-to. Os sistemas interligados à rede direcionam toda sua energia gerada para a rede elétrica de distribuição.
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A energia eólica aerotransportada utiliza usual-mente pipas, que são objetos voadores aerodinamica-mente eficientes ligados ao chão por um ou mais cabos, para extrair energia do vento em altitudes mais elevadas do que comparada ao estado-da-arte. Em Loyd (1980) é fornecida a base para o estudo de pipas que produzem energia enquanto voam em altas velo-cidades, de modo transversal ao vento, analogamente às pás de uma turbina eólica convencional, conforme Figura 1. O empuxo produzido em tais velocidades é suficiente para sustentar a pipa e produzir energia.
Segundo Fagiano (2009), aproximadamente 20% da parte mais externa das pás de geradores eólicos com torres contribuem com 80% da energia gerada. A razão principal é que a velocidade tangencial das pás é maior nas partes externas, além de a energia produ-zida ser proporcional ao cubo da velocidade do vento efetiva. Para a energia eólica aerotransportada, toda a parte volumosa de uma torre eólica é “removida”, deixando somente a parte externa das pás, que são “substituídas” por uma pipa voando em direção trans-versal ao vento, conectada ao chão por cabos. A posi-ção dos geradores varia conforme a abordagem esco-lhida, podendo ser encontrados acoplados à pipa ou fixos ao chão.
Figura 1. Analogia entre uma turbina eólica convencional e uma turbina eólica aerotransportada.
Fonte: Diehl (2013) , adaptado.
Um controle extremamente eficiente é necessário para manter a pipa, sobre condições adversas, dentro de uma trajetória estabelecida, porém, tal controle está fora do escopo desse artigo.
2.1 Abordagens propostas na literatura
Loyd (1980) apresenta duas principais configura-ções para a geração de energia eólica em altas altitu-des, as quais ele descreveu como modos de empuxo (Lift) e arrasto (Drag), nos quais o(s) gerador(es) se encontra(m), respectivamente, no solo e acoplado(s) à aeronave.
Usualmente, são utilizadas pipas flexíveis quando os geradores se encontram no solo e rígidas quando acoplados. Porém, isso não é uma regra, como mostra o protótipo da empresa Ampyx Power, o “PowerPla-ne”, que ao utilizar o modo Lift possui uma pipa com estrutura rígida (Ampyx Power, 2010).
Diversas empresas e universidades pelo mundo todo vêm desenvolvendo projetos relacionados à geração de energia eólica em altas altitudes. Entre as
pesquisas existe grande heterogeneidade quanto à abordagem escolhida, recursos disponíveis e inten-ções finais. Todos ainda se encontram na fase de pesquisa, simulação, construção de protótipos ou testes.
A empresa Makani Power, por exemplo, que con-ta com incentivos financeiros da empresa Google (15 milhões de dólares entre 2006 e 2010) e da ARPA-E (Agencia De Projetos De Pesquisa Avançados – Energia, com cinco milhões de dólares em 2010), desenvolve atualmente a técnica de geração de ener-gia eólica com geradores acoplados e estrutura rígida. Essa empresa com sede em Alameda, Califórnia (EUA), desenvolveu no início de 2010 um protótipo de 10 kW, que utiliza seis motores/geradores acopla-dos à sua estrutura, utilizados como motores para a decolagem da estrutura e como geradores quando se encontra em loop automático de geração de energia, com trajetória circular idêntico à ponta da pá de uma turbina eólica convencional. Afirmam que com a extrapolação de seu protótipo para uma capacidade de 1 MW, ele possuiria a mesma potência média de uma turbina eólica com torre de capacidade de 2 MW, isto é, 600 kW (Makani Power Inc., 2010).
Figura 2. Fotos sequenciais sobrepostas de um teste do protótipo da Makani Power.
Fonte: http://www.makanipower.com/company/gallery/
A empresa canadenese Magenn Power utiliza, as-sim como a Makani Power, o modo Drag de geração de energia com os gerados acoplados ao protótipo e cabos transmissores de energia. Utiliza como “pipa” um balão preenchido de Hélio, baseado na tecnologia de dirigíveis mais leves que o ar. Velas fixas na su-perfície do balão fornecem o torque necessário para a rotação do balão e consequente giro do rotor. Preten-dem fornecer seus produtos a aplicações de micro-grids em nações em desenvolvimento, onde a infraes-trutura é pouca ou inexistente (Wilkins, 2008).
Outra empresa com bastante destaque nesse novo cenário da geração de energia eólica em altas altitudes é a também californiana Joby Energy, que desenvolve uma variação de giroplano que possui duas colunas de geradores/motores acoplados à estrutura, produzindo energia e mantendo o sistema em voo, realizando uma trajetória elíptica. Energia é transmitida para o chão através de cabos de fibras de alta tensão e condutores isolados de alumínio com tensões de transmissão de 15 kV ou mais. A decolagem é feita verticalmente, com os motores recebendo energia de sistemas de armazenamento ou da rede (Joby Energy, 2010).
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Figura 3. Protótipo M.A.R.S. da Magenn Power
Fonte: http://www.magenn.com/
Figura 4. Abordagem da Joby Energy para AWE
Fonte: http://www.jobyenergy.com/news
Entre as abordagens com geradores no solo, duas se destacam: Laddermill (Moinho tipo Escada) e Pumping Cycle (Ciclo de Bombeamento). A primeira vem sendo desenvolvida principalmente pela Univer-sidade de Delft (Países Baixos) e RMIT (Royal Mel-bourne Institute of Technology - Austrália). A abor-dagem Laddermill consiste em várias pipas em mo-vimentos ascendentes e descentes em um grande loop, produzindo um movimento circular que movimenta o gerador. Supostamente pode atingir 9 km de altitude, o que geraria uma potência de 100MW (Lansdorp, 2006).
A abordagem Pumping Cycle (Ciclo de Bombea-mento) será considerada no presente trabalho e será descrita com mais detalhes na próxima seção.
Diversas outras configurações, tais como várias pipas que formam um grande carrossel, parapentes utilizados juntamente com balões para aumentar a sustentação e geração de energia eólica em altas alti-tudes e solar simultaneamente estão sendo desenvol-vidas, porém as acima descritas foram consideradas mais relevantes, visando a exposição de um cenário geral das alternativas existentes.
2.2 Abordagem escolhida
A abordagem que será utilizada como base para esse trabalho é a Pumping Cycle (Ciclo de Bombea-mento), que utiliza pipas similares às usadas no kite-surf ou kiteboarding. O controle dessas pipas é feita através de uma unidade automática de controle, capaz de puxar os cabos convenientemente para que a pipa realize uma trajetória apropriada para a geração de energia elétrica.
Figura 5. Abordagem Pumping Cycle, com fase de tração na
linha verde sólida e passiva na vermelha tracejada. Fonte: Fagiano (2009), adaptado.
A energia é coletada no solo por meio de meca-nismos rotativos e geradores elétricos onde os dois cabos encontram-se presos à pipa e enrolados em dois tambores. O desenrolar dos cabos aciona o gerador elétrico acoplado. Quando os cabos devem ser enro-lados de volta no tambor, os geradores funcionam como motores. Esses cabos tem que ser fortes o sufi-ciente para suportar altas forças de tração, e, ao mes-mo tempo, tem que ser leves e possuir um diâmetro consideravelmente pequeno, limitando seu peso e arrasto aerodinâmico.
Alternando entre duas fases, a de tração e a passi-va, a pipa se utiliza dos ventos constantes e mais fortes em altas altitudes para gerar energia. Na fase de tração a pipa percorre o trajeto aproximado de uma lemniscata de Bernoulli (um “oito deitado”, símbolo do infinito – ∞), voando rapidamente, de maneira perpendicular ao vento e simultaneamente aumentado sua altitude, através do desenrolar dos cabos. Quando a pipa atinge a altitude máxima escolhida, a fase pas-siva inicia, onde a pipa é controlada de maneira que gere pouco empuxo, e assim o cabo seja enrolado no tambor gastando uma fração da energia gerada (me-nos de 20%), através de motores no solo. A fase pas-siva pode ser executada de duas maneiras:
Manobra de baixa potência - Consiste em le-var a pipa para um local onde seu empuxo ae-rodinâmico diminua significativamente e o cabo possa ser recolhido com um baixo gasto energético;
Manobra de deslize de asa - Consiste em dei-xar os cabos com uma grande diferença de comprimento, fazendo a pipa diminuir seu empuxo aerodinâmico.
Existem diversos sistemas para decolagem pro-postos como, por exemplo, a utilização de grandes ventiladores para realizar o início do levantamento da pipa, que após encontrar uma determinada velocidade do vento continuaria o processo sem a necessidade dos ventiladores (Fagiano, 2009).
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3 Proposta Conceitual de Simulação
Para o desenvolvimento da simulação computaci-onal proposta foi utilizado o software MATLAB. A Figura 6 apresenta o funcionamento geral do sistema de simulação desenvolvido.
Detalhes da modelagem e fluxo do sistema de si-mulação podem ser observados em Siebert (2011).
3.1 Modelagem Matemática do Sistema
Loyd (1980) desenvolveu equações simples que regem o modelo de uma pipa, porém não levando em conta aspectos tais como o peso da pipa e característi-cas do cabo tais como o empuxo produzido pelo mesmo. Diehl (2001), por sua vez, apresenta uma modelagem mais detalhada de uma pipa voando uma trajetória de lemniscata, visando assim provar a apli-cabilidade da otimização em tempo real do controle de sistemas não lineares em larga escala.
Início
Cálculo das forças
que atuam no
sistema
Construção do vetor
de ângulos de
controle “ψ”
Construção dos
vetores de posição,
velocidade e
aceleração no eixo “r”
Condição de colisão
atingida (θ > 180°)?
Cálculo da nova
posição, velocidade e
aceleração da pipa
Critério de parada
Não
Sim
Valores de
inicialização
das
variáveis
Fim
Apresentar resultados
obtidos e gráficos
Sim
Determinação dos
coeficientes de
arrasto e empuxo
Não
Figura 6 - Diagrama de funcionamento geral da simulação
O modelo de Diehl (2001), que está disponível on-line através do site da Universidade Católica de Leuven, centro de otimização em engenharia (OPTEC), apesar de não considerar variações no comprimento dos cabos que ligam a pipa ao solo, foi utilizado como referência para o desenvolvimento do modelo para análise da geração de energia eólica em altas altitudes do presente trabalho.
Esse modelo, que é não linear, assim como o con-trole utilizando visando uma aplicação real foram também considerados e desenvolvidos em Fagiano (2009) e Houska (2007). O sistema de simulação apresentado nesse trabalho utilizará a mesma modela-gem com aspectos dos três trabalhos.
O presente trabalho tem como contribuição o tra-tamento do comprimento dos cabos conectados à pipa e aos geradores como variáveis, diferente de Diehl (2001), onde foram considerados constantes. Quando é visada a geração de energia eólica aerotransportada com geradores fixo ao solo é indispensável essa vari-ação no tamanho dos cabos, ou seja, o desenrolamen-to e enrolamento deles nos tambores acoplados a geradores/motores. Essa mudança no tratamento do comprimento do cabo implica em mudanças em todas as forças que atuam no sistema.
Para a modelagem da pipa inicialmente é definido um sistema de coordenadas { } esféricas,
centrado no centro de gravidade da pipa. Todas as equações de movimento e força da pipa são então desenvolvidas no sistema de equação proposto.
Figura 7. Representação do sistema de coordenadas
da pipa.
Fonte: Fagiano (2009), adaptado.
A matriz de transformação do sistema cartesiano de referência {X,Y,Z} para o sistema { }, é
obtida através de duas rotações sucessivas, sendo a primeira em torno do eixo “Z”, e a segunda em torno do eixo “Y” (Fagiano, 2009) (Houska, 2007). Essa sequencia de rotações resulta na seguinte matriz de transformação:
[
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )] (1)
Utilizando o sistema de coordenada proposto te-mos que em todas as direções temos uma força F( ), sendo todas influenciadas pela força
gravitacional, força centrífuga (que é uma pseudofor-ça ou força inercial) e forças aerodinâmicas na pipa e cabo. A componente sofre ainda influência das forças de tração no cabo.
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A força gravitacional, em Newtons, é alinhada com a direção negativa do eixo Z do sistema referen-cial {X,Y,Z}, e, através da matriz de transformação temos que:
[
]
[ (
) ( )
(
) ( )]
(2)
onde “ ” a massa da pipa, em , “ ” a densidade do cabo, em ⁄ , “ ” o diâmetro do cabo, em metros, “ ” o comprimento do cabo 1 (cabo que se encontra à direita, quando olhando a pipa com sentido da parte da frente da asa para a parte de trás, ou flan-co) e “ ” o comprimento do cabo 2. (cabo que se encontra à esquerda, tomando o mesmo referencial anteriormente descrito), em metros, e “ ” a gravidade do local, em ⁄ .
A força aparente centrífuga é definida pela seguin-te equação:
[
] [
( ( ) ( ) )
( ( ) ( ) )
( ( ))
] (3)
sendo “ ” a variação da quantidade de cabo que se encontra desenrolada (comprimento atual do cabo, em
⁄ ), “ ” a variação em rad/s do ângulo a variação em rad/s do ângulo , todas essas variações em um determinado período de tempo “∆t” (taxa de amostragem da simulação).
Para definirmos as forças aerodinâmicas precisa-mos primeiramente definir a velocidade efetiva do vento, em ⁄ :
(4)
[
( )
] (5)
sendo que deve ser convertido para o sistema proposto através da matriz de transformação “T”, apresentada em (1). Ainda é necessário definir os seguintes vetores:
( )
(6)
| | (7)
( ( ) ( )) ( )( ( ) ( )) ( )
(8)
Para encontrarmos “ ” precisamos definir ainda as seguintes componentes:
(
| ( )| ( ))
(9)
( )
| ( )|
(10)
sendo, “ ” o vetor unitário no sistema proposto, na direção r (ou seja, a terceira coluna da matriz de trans-formação T) e “ ” o ângulo de controle, cujo seno é a razão entre a diferença do comprimento dos cabos “ ” pela distância entre os pontos de fixação dos cabos na pipa “ ”.
Somente então podemos definir as forças aerodi-nâmicas na pipa:
[
]
| |
| |
(11
)
sendo, “ ” e “ ” os coeficientes adimensionais de arrasto e empuxo da pipa que variam conforme o ângulo de ataque, “ ” a área da pipa em e “ ” a densidade do ar, em ⁄ .
Finalmente, para definirmos as forças aerodinâmi-cas exercidas ao sistema pelo cabo, ou seja, a força de arrasto, é necessário definir o ângulo de ataque “ ”
que é o ângulo entre o vetor “ ” e um
vetor “ ” pertencente ao sistema de coordenadas { }, que é centrado no centro de gravidade da pipa e com “ ” contido no eixo de simetria da pipa no sentido da parte de trás (flanco) para a parte da frente da asa. Sendo “ ” o ângulo de ataque nor-mal definido pelo formato da pipa, fixo, temos:
(12)
As forças de arrasto no cabo são definidas em (13).
[
]
( )
| |
(13)
sendo “ ” o coeficiente aerodinâmico adimen-
sional e fixo de arrasto dos cabos.
3.2 Cálculo das Forças Atuantes no Sistema
As forças gravitacional, centrífuga e aerodinâmica (tanto da pipa quanto dos cabos) são obtidas direta-mente através de operações matemáticas. Para o cál-culo da força de tração no cabo, que será utilizada no cálculo da energia gerada, é utilizada a velocidade e aceleração que deve ocorrer no eixo “r” para que os cabos mantenham a variação dos seus tamanhos como planejados, e consequentemente o ângulo de controle
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“ψ”, previamente determinado. Primeiramente calcu-lamos a aceleração no eixo r, expressa por:
( ) ( ( ) ) (14)
sendo “ ” a taxa de variação de velocidade da dis-tância em r (vetor de referência), “r” a posição em r (
através do vetor de referência calculado), “ ” a variação do ângulo tomando como relação o ângulo atual (coordenadas esféricas) e a iteração anterior (ou
a condição inicial), “ ” o ângulo atual e “ ” a varia-ção do ângulo tomando como relação o ângulo atual e a iteração anterior (ou a condição inicial).
[
] (15)
[
]
(16)
Vale ressaltar que a tração no cabo será sempre negativa, pois o cabo nunca “empurrará” a pipa. Ten-do o valor da força de tração podemos calcular a força resultante do sistema através de:
[
]
(17)
3.3 Cálculo da Nova Posição da Pipa
As forças e acelerações são consideradas constan-tes durante a iteração. Assim, possuindo as velocida-des iniciais podemos calcular as velocidades finais do sistema e, consequentemente, a posição final da pipa, através de:
(18)
(( ) ⁄ ) (19)
(20)
(( ) ⁄ ) ( )
(21)
A velocidade e a aceleração no eixo r são calcu-
ladas apenas para verificação, pois elas já estão dis-
poníveis como entradas de referência do sistema,
logo não serão descritas.
4 Estudo de Caso
Será considerado na simulação um controlador ideal, que responda prontamente aos comandos pro-postos. A simulação será realizada de maneira discre-ta com taxa de amostragem de 0,1 segundo. Durante cada período de tempo, a aceleração em coordenadas esféricas do sistema será considerada constante, o que possibilitará o cálculo de uma nova posição para a
pipa a cada iteração. Outros dados considerados para simulação são:
Pipa com massa de 300 kg, 500 e ân-gulo de ataque normal de 3,5°;
Vento com velocidade constante de 12 m/s, exclusivamente no sentido “x” (con-forme análise de série histórica apresen-tada em Kalnay (1996), para as proximi-dades de Fortaleza/CE);
Cabos com densidade 970 ⁄ , 0,03
m, coeficiente de arrasto “ ”de
1,2;
Eficiência de conversão do gerador de 80%;
Coeficiente de arrasto e empuxo de um aerofólio do tipo Clark-Y, conforme Ma-neia (2007).
Será utilizado como entrada de referência para o sistema um ângulo de controle (“ψ”) que varia senoi-dalmente no tempo, conforme equação abaixo:
( ) (
) (22)
O critério de parada adotado para a simulação
foi a distância “r” máxima de 910 metros, em con-
formidade com algumas simulações realizadas em
(Fagiano, 2009).
4.1 Análise Posicional e de Forças
Conforme a modelagem das forças na pipa, um cabo nunca diminuirá seu comprimento durante a fase ativa (geração de energia). A variação do ângulo de controle implica, necessariamente em um aumento do comprimento cabo 1 (cabo que se encontra a direita, quando olhando a pipa com sentido da parte da frente da asa para a parte de trás, ou flanco) ou aumento do comprimento do cabo 2 (cabo que se encontra a es-querda, tomando o mesmo referencial anteriormente descrito). O comprimento dos cabos, em metros, e a trajetória da pipa podem ser observados na Figura 8 e Figura 9, respectivamente.
Figura 8. Distância r e comprimento dos cabos 1 e 2, em metros.
Analisando a Figura 9, podemos observar que a pipa realizou a trajetória bastante similar a uma lem-niscata de Bernoulli, como proposto. A Figura 10
0 10 20 30 40 50 60530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
Distância r
Comprimento do cabo 1 (direita)
Comprimento do cabo 2 (esquerda)
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apresenta as forças resultantes entre os instantes 1 e 20 s da simulação.
Figura 9. Trajetória da pipa no sistema cartesiano 3D
Figura 10. Detalhe da força resultante em coordenadas esféricas
4.2 Análise Energética
Com base nas forças nos cabos, a velocidade com que os mesmos são desenrolados dos tambores, a eficiência da conversão de energia e o fator de capa-cidade, é possível a obtenção da energia gerada em um determinado instante da simulação, conforme a seguinte fórmula, para cada gerador:
(23)
sendo “ ” a tração no cabo, em Newton, “ ” a velocidade que o cabo desenrola ou enrola no tambor, em ⁄ , e “ ” a eficiência da conversão de energia mecânica em elétrica. A potência “ ”, ex-pressa em Watts, pode ser tanto um valor positivo ou negativo, simbolizando a geração ou o consumo de energia elétrica.
Toda a análise dessa seção será feita com base na energia ativa. Perdas, tanto em possíveis sistemas de armazenamento quanto na transmissão e distribuição de energia serão desconsideradas. A Figura 11 apre-senta a potência ativa entre os instantes 100 e 130 s da simulação, onde a potência máxima atingida foi de 333,63 kW, e a média de 112,48 kW. Percebe-se a constante alternância na produção de energia nos geradores. Essa intermitência pode ser reduzida quan-do da aplicação de diversos sistemas operando simul-taneamente, ligeiramente defasados.
Será feita uma extrapolação dos valores obtidos de potência obtida na fase ativa para um período de um ano, para isso será considerado que a fase passiva (ou seja, a fase onde há consumo de energia) possui uma duração de 20% da duração total da fase ativa, e que 15% da energia gerada na fase ativa é consumida na fase passiva (devido à perca de aerodinâmica da pipa, através da manobra de deslize de asa. Isso resulta em uma duração de 289,9 segundos para a fase ativa e, consequentemente, 57,98 segundos para a fase passi-va. Além disso, foi considerado o fator de capacidade, ou seja, a razão entre a produção de energia nominal e a produção de energia teórica (máxima) a ser gerada em condições ótimas, de 50%, conforme estudo reali-zados em Fagiano (2009). Considerado um vento com velocidade constante de 12 m/s, assim como a efici-ência do gerador, o sistema estudo geraria anualmente 20,94 GWh.
Figura 11. Detalhe da potência ativa
Através de dados do ONS (Operador Nacional do Sistema) (ONS, 2011), foram obtidos dados da gera-ção referentes ao Parque Eólico Canoa quebrada, no município de Aracati, no estado do Ceará, que possui 24 aerogeradores com potência nominal de 2100 kW e 6 aerogeradores com 1800 kW (média de 2035,71 kW). A geração média do parque no período de abril de 2010 a março de 2011 foi de 18,67 MW, o que, totalizando para um ano implicaria na geração de 163,549 GWh de energia. A média de energia gerada em um ano, para um “gerador médio” com potência nominal de 2035,71 kW, seria de 5,842 GWh.
Logo, a energia gerada por um sistema de energia eólica aerotransportada, considerando ventos constan-tes de 12 m/s e área característica da pipa de 500 m
2
geraria, nas condições ótimas citadas, aproximada-mente 3,58 vezes mais energia do que uma turbina média do Parque Eólico Canoa Quebrada.
Devido a natureza de um gerador de energia eóli-ca aerotransportada no modelo Pumping Cycle (Ciclo de Bombeamento), cada ciclo possui uma fase ativa e passiva que envolve gerador e motor, respectivamen-te. Isso pode apresentar, quando conectado diretamen-te à rede grandes flutuações de potência e diversos problema, podendo causar até mesmo a queda da rede onde esse está conectado.
Essa forma pulsada de geração de energia, como apresentado na Figura 11, pode ser reduzida quando da utilização de múltiplas unidades de geração de energia eólica aerotransportada ou da presença de um
50
100
150
200
250
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4500
600
700
800
900
X [m]Y [m]
Z [
m]
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-3
-2
-1
0
1
2
3
x 104
Tempo [s]
Forç
a [
N]
F
Theta
FPhi
Fr
0 5 10 15 200
50
100
150
200
250
300
Tempo [s]
Potê
ncia
[kW
]
Gerador 1
Gerador 2
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sistema de baterias (Stuyts e Vandermeulen, 2013). Considerando o sistema de baterias, será então neces-sário um conversor AC/DC para regular a tensão de entrada das baterias e um inversor para conexão. Modelos de conexão podem ser para o sistema podem ser encontrados em Stuyts e Vandermeulen (2013).
5 Conclusões
A geração de energia eólica em altas altitudes apresentou, nesse estudo, resultados bastante promis-sores e satisfatórios, indicando que a abordagem pode vir a se tornar uma solução real para a geração efici-ente de energia elétrica. Embora o caminho para a implementação desse sistema em condições reais seja complicado, levando em conta as necessidades atuais relativas à energia elétrica é necessário o estudo de técnicas alternativas.
Vale citar que todas as análises realizadas no pre-sente trabalho são preliminares e não correspondem a situações reais de aplicação, porém fornecem um embasamento inicial para o desenvolvimento dessa inovadora técnica de geração de energia eólica.
Para que o sistema simulado apresente uma maior semelhança com condições reais, recomenda-se a inserção de fatores/restrições adicionais tais como a elasticidade do cabo, análise de tração e o uso de um sistema de controle não ótimo. No quesito controle foi encontrada na literatura a indicação do uso de contro-le preditivo não linear baseado em modelos. Quanto às variáveis do estudo de caso, embora apresentem um valor condizente com o esperado, recomenda-se a utilização de otimizadores para encontrar a melhor cominação de parâmetros possíveis.
Além disso, para trabalhos futuros recomenda-se a utilização de séries históricas reais, contendo inclusi-ve rajadas, para testar a robustez dos controladores da pipa. Sugerem-se para futuros trabalhos análises eco-nômicas e de custo-benefício da solução aerotranspor-tada comparativamente a abordagens convencionais.
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