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How to cite this paperAn. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
Bancada experimental para estudo de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos
Felipe Hernández GarcíaI; Arno KrenzingerII; Jorge A. Villar AléIII
ICentro de Investigaciones de Energía Solar. División de Energía Eólica. Micro 3, Rpto. Abel Santamaría. Santiago de Cuba - CP 90800. (5322)-871.425, fhdez99@yahoo.com
IIUniversidade Federal do Rio Grande do Sul. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Rua Sarmento Leite 425 - Porto Alegre, RS - 90050-170. (5551)-3316.6841, arno@mecanica.ufrgs.br
IIIPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Av. Ipiranga 6681 - Porto Alegre, RS - 60619-900. (5551)-3320.3500, villar@ee.pucrs.br
RESUMO
O Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, o Laboratório de Energias Renováveis da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul e o Centro de Investigaciones de Energía Solar (de Cuba) estão desenvolvendo atividades relacionadas com o estudo de sistemas eólicos fotovoltaicos e também sua integração como sistemas híbridos. Tais tipos de sistemas encontram uma aplicação direta para energização de propriedades no meio rural. Neste trabalho são apresentados os procedimentos utilizados em uma bancada experimental montada para avaliar o funcionamento de um sistema híbrido constituído por um sub-sistema fotovoltaico de 424 Wp e uma máquina eólica de 400 W. As principais variáveis monitoradas utilizando um sistema de aquisição de dados são: radiação solar, temperaturas, velocidade e direção do vento, tensões e correntes do sistema. Espera-se que com tal bancada possam ser estudados sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos frente a diferentes condições de recursos eólicos e radiação solar do Rio Grande do Sul.
Palavras chaves: Sistema híbrido eólico fotovoltaico, complementaridade energética, túnel de vento.
ABSTRACT
The Solar Energy Laboratory of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul, the Renewable Energy Laboratory of the Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul and the Solar Energy Researches Center (of Cuba) are developing researches with the purpose of verifying the viability of the use of the eolian photovoltaic hybrid systems, for zones with different patterns of wind speed and with conditions of solar radiation similar to that found on Rio Grande do Sul. This work shows the procedure that is being adopted in a hybrid system constituted by a photovoltaic panel with 424 Wp and a wind turbine with 400 W. A preliminary characterization of the mounted electric generator was accomplished in a test stand where the rotation of the generator and the consumption of the load are controlled. Later, for evaluation of the performance of the turbine, a wind tunnel was used. The main variables monitored by a data acquisition system were: solar radiation, temperatures, wind speed and direction, besides voltages and currents of the system.
INTRODUÇÃO
No Brasil e em Cuba como em alguns outros países estão em marcha programas governamentais para a eletrificação das comunidades isoladas baseados no aproveitamento das fontes energéticas locais. Entre estas fontes recebem especial atenção a energia solar por estar disponível em todas as localidades e a energia eólica cujos equipamentos tem um menor custo, embora não em todas as localidades os níveis de velocidades do vento sejam suficientes para a utilização das máquinas eólicas.
A radiação solar e a velocidade do vento não têm um comportamento uniforme ao longo do ano, devido aos fenômenos climatológicos sazonais e às condições locais. Por esta razão, os métodos mais difundidos para a análise de sistemas fotovoltaicos e eólicos empregam valores médios mensais de radiação solar e de velocidade do vento e consideram o mês de menor disponibilidade energética para realizar o dimensionamento dos sistemas. Como a capacidade do sistema de geração depende diretamente da energia primária uma menor disponibilidade energética incrementa o numero de unidades de geração, o que eleva o custo da instalação.
Durante os períodos de maiores disponibilidades existirá um excedente de energia elétrica que é subaproveitado em muitas aplicações e que diminui a eficiência energética da instalação.
A radiação solar é mínima durante a noite e não é aproveitável energeticamente, mas a velocidade do vento pode se manifestar em qualquer horário do dia. Existem então várias possibilidades de complementação entre ambas energias dependendo da localidade, do tipo de aplicação e da demanda. A exploração conjunta destas energias em um sistema único representa um sistema híbrido, que tem subsistemas eólicos e fotovoltaicos de menor tamanho e aproveita com maior efetividade as energias primarias; isto é, pode ser mais eficientes e ter um menor custo.
O trabalho objeto desta publicação está sendo desenvolvido no Laboratório de Energia Solar (LES) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul em parceria com o Laboratório de Energias Renováveis (LAER) da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul e o Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES). O resultado pretendido é a análise das condições de operação do sistema híbrido e da viabilidade de implantação segundo as características dos recursos energéticos envolvidos.
CARACTERIZAÇÃO DOS MÓDULOS E DO GERADOR EÓLICO
A identificação das características dos geradores eólico e fotovoltaico é fundamental para a análise do comportamento futuro do sistema híbrido, toda vez que é muito comum a existência de diferenças entre os parâmetros oferecidos pelos fabricantes e os de funcionamento real.
Para identificar as características elétricas dos módulos fotovoltaicos Hecktheuer et all (2001) utilizaram uma bancada refrigerada que permite controlar a temperatura dos módulos nos 25 ºC, efetuando-se o levantamento da curva I-V nos períodos em que a massa de ar é de 1,5 e a radiação solar está próxima dos 1000 W/m2, isto é, nas condições padrões estabelecidas pela norma correspondente. A norma também estabelece as equações para a correção da curva para 25 ºC e para 1000 W/m2 caso que a temperatura do módulo e/ou a radiação solar tenham valores diferentes destes durante o teste (ASTM, 1985).
Para o levantamento da curva são medidos 500 pontos de corrente-tensão em cerca de 2 s, mediante um procedimento do ensaio que muda a tensão do módulo entre os estados de curto circuito e circuito aberto. A forma da curva revelaria a existência de células com alguma imperfeição e em tal caso o módulo pode ser descartado. De outro modo os parâmetros fundamentais do módulo ficam identificados: corrente de curto-circuito (Isc), tensão de circuito aberto (Voc), potência máxima (Pm) e corrente e tensão no ponto de máxima potência (Im, Vm), sendo possível determinar também as resistências série e paralelo do módulo (ver por exemplo Charles et all, 1981). Todos estes parâmetros ajudam na simulação computacional do comportamento do módulo frente a determinadas condições de radiação solar e temperatura ambiente, fundamentalmente. A Fig.(1) identifica alguns destes parâmetros na curva característica medida em um dos módulos do sistema.
Para a identificação das características do gerador elétrico da máquina eólica foi elaborada a bancada mostrada na Fig.(2), constituída por um motor elétrico de 2 HP acoplado mecanicamente ao gerador, um banco de baterias de 300 Ah, uma carga de lâmpadas incandescentes com potência total de 800 W e um ventilador para simular o efeito refrigerador do vento.
Para a medição das variáveis envolvidas foi elaborado um sistema de monitoramento controlado automaticamente mediante um programa computacional. Além do computador o sistema esteve constituído por uma unidade de aquisição de dados modelo HP-34970A, shunts de resistência apropriada para a medição das correntes e um sensor para a medição da temperatura do gerador. A rotação do gerador começou a ser medida optoeletronicamente, mas finalmente foi adotada a freqüência de saída do inversor de freqüências (modelo CFW-07 da WEG) empregado para controlar a rotação do motor elétrico, depois que foi comprovado que a diferença com o valor real era inferior a 1%.
O inversor de freqüências é um aparelho eletrônico baseado em transistores bipolares de porta isolada (IGBT) capaz de variar a freqüência elétrica do sinal de saída entre 0 e 300 Hz, a partir da freqüência do sinal de entrada de 60 Hz.
Como ganho adicional a bancada, que automatiza a mudança da rotação do motor elétrico, permite simular a ação do vento sobre a turbina eólica a partir do conhecimento da relação entre a rotação da turbina e a velocidade do vento.
A Fig.(3) mostra a curva característica de catálogo da máquina eólica em estudo, apreciando-se zonas que relacionam a potência fornecida quase linearmente com a velocidade do vento, até os 19 m/s a partir dos quais se observa a perda de potência do gerador elétrico devido ao efeito de regulação aerodinâmica das pás.
A Fig.(4) foi obtida na bancada experimental e mostra o comportamento do gerador alimentando determinada carga em uma faixa de rotações. Observa-se que a relação entre a potência do gerador e a sua rotação é também quase linear. Em próximas etapas será levantada a curva que relaciona a potência da máquina eólica com a velocidade do vento para as mesmas condições de carga, o que permitirá determinar a relação entre a rotação do gerador e a velocidade do vento, o que por sua vez permitirá simular a ação do vento através da rotação do motor elétrico.
Na carência de normas especificas para avaliação de geradores eólicos foi adotada para o levantamento da curva de potência a norma brasileira NBR-5555 (ABNT, 1982) para levantamento de curvas características de alternadores automotivos. Nesta é determinada a potência produzida pelo gerador na faixa de rotações compreendidas entre a rotação na qual a potência produzida é zero e uma rotação na qual a potência fornecida é superior à nominal do fabricante. A Fig.(5) mostra um diagrama em blocos do procedimento de ensaio, onde foi considerada uma carga máxima de 500 W.
A Fig.(6) é importante para as simulações futuras, pois o que é monitorado durante o funcionamento em campo de uma máquina eólica são geralmente a corrente e a tensão fornecida e não a potência. A figura demonstra que segundo o estado de carga do banco de baterias, nela representada pela tensão do mesmo, o gerador precisa de uma maior rotação para fornecer uma corrente determinada.
Embora as condições de resfriamento nesta bancada não sejam as mesmas que vai experimentar a máquina eólica pela ação do vento foi constatado que durante o funcionamento em campo a máquina eólica muda sua temperatura. De comprovar-se este fato na continuidade do trabalho as simulações futuras deverão considerar a temperatura da máquina, pois como demonstra a Fig.(7) há uma significativa queda de potência em função do aumento da temperatura do gerador.
TÚNEL DE VENTO E CONTROLE DA VELOCIDADE DO VENTO
O LES está localizado em um vale e não parece ser apropriado para a exploração do recurso eólico. Por tal razão decidiu-se produzir o vento que acionaria a máquina eólica.
A utilização de apenas um ventilador pode causar danos estruturais à máquina eólica devido à forma "girante" da vazão produzida, que além disto não tem uma velocidade com distribuição uniforme em toda a seção do ventilador. A solução foi dada com a construção de um túnel de vento que "retifica" a forma da vazão de ar. O túnel tem 8 m de comprimento incluindo o ventilador e o favo, com 1,35 m de diâmetro. Entre estes dois componentes forma-se uma câmara de estabilização que aumenta a pressão do ar melhorando a distribuição das velocidades do vento na sua saída.
Para regular a vazão de ar produzida em um túnel é necessário controlar as seções de aspiração ou de descarga. Este processo é realizado com sucesso de forma manual, mas para ser automatizado requer de um sistema eletromecânico não disponível comercialmente.
Uma outra forma de regulação é através do controle da rotação do motor do ventilador (n), pois a variação da velocidade do vento produzido (V) é proporcional à variação da rotação do mesmo:
O inversor de freqüência é então o equipamento idôneo para realizar o controle pois ao mudar a freqüência elétrica da tensão aplicada ao motor do ventilador consegue mudar a rotação do mesmo, com a vantagem de poder ser comandado - eletricamente - de forma remota. A partir da rotação nominal do motor (nn) a mudança segue o princípio da seguinte expressão:
onde f é a freqüência elétrica aplicada ao motor para produzir uma rotação n.
O inversor de freqüência CFW-09 tem a capacidade necessária para acionar o ventilador do túnel. O controle da rotação do motor pode ser realizado manualmente mediante botões do seu painel de comando ou automaticamente, via RS232 ou através de uma entrada de tensão analógica segundo a relação:
onde Ua é a tensão analógica de entrada (de 0 a 10 V de CC) e nmax é um parâmetro que pode ser modificado no inversor de freqüência e que representa a máxima rotação que o motor poderá alcançar. O termo k é uma constante de proporcionalidade. A rotação máxima (nmax) determina a maior velocidade do vento alcançada no túnel (Vmax) e o valor mínimo de Ua deve ser escolhido para que a mínima velocidade do vento corresponda à velocidade de partida da turbina eólica.
A velocidade do vento a estabelecer no túnel (V) é relacionada com a tensão analógica de entrada mediante a seguinte expressão:
onde Uamax é a tensão máxima de entrada (10V) e Vmax é a máxima velocidade do vento que pode ser atingida no túnel.
Como o túnel de vento é aberto a velocidade do vento local (na direção leste-oeste) pode afetar a velocidade do vento efetiva que recebe a máquina eólica. Por tal razão a ambos lados da máquina serão colocadas sendas proteções com forma de arco e com inclinação adequada (em relação às seções laterais do túnel) para garantir a movimentação natural do vento depois de interagir com a turbina eólica. Além disto, são medidas a direção e a velocidade do vento local e de comprovar-se alguma perturbação devido a ventos com direção norte-sul será implementado um controlador digital (no computador) para manter as velocidades do vento do túnel nos valores desejados.
SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO FOTOVOLTAICO EM ESTUDO
A Fig.(8) mostra a disposição dos geradores do sistema híbrido. O painel é constituído de 10 módulos fotovoltaicos de silício monocristalino com potências que variam entre os 46 e os 65 Wp, totalizado 424 Wp, e tem uma inclinação de 30º (valor que corresponde à latitude da cidade). Como a tensão do sistema é de 24 V o painel conta com cinco "fileiras" de dois módulos conectados em série. A máquina eólica é colocada na frente do túnel de vento, tendo uma potência nominal de 400 W (a 12,5 m/s) e um diâmetro do rotor eólico de 1,16 m. A tensão é de 24 V.
A radiação solar aproveitada pelo sistema é a da cidade de Porto Alegre, mas a velocidade do vento pode ser de outras localidades. Para isto é preciso contar com séries temporais de dados da velocidade do vento das localidades, produto do levantamento eólico realizado nas mesmas.
Vários países de Europa e os Estados Unidos, onde o aproveitamento da energia eólica é mais significativo, têm realizado medições da velocidade do vento com modernas estações de medição e contam com estas bases de dados para inúmeras localidades. Na maioria dos outros países as medições têm sido realizadas fundamentalmente com fins meteorológicos com registros a cada 3 horas, não sempre automatizados, e os dados têm sido "comprimidos" a seus valores médios (e outras magnitudes estatísticas). Em Cuba e mais extensivamente no Brasil, a medição da velocidade do vento em localidades de interesse vem tomando um caráter energético e já contam com bases de dados de registros horários e da ordem dos minutos.
As facilidades da computação e as vantagens da simulação impulsionaram o desenvolvimento de métodos para a geração de séries temporais de curtos períodos a partir das séries meteorológicas ou dos seus parâmetros estatísticos. Graças a isto é possível reproduzir no túnel padrões de velocidades do vento de inúmeras localidades. Um valor determinado de velocidade Vi será reproduzido segundo a expressão:
Os outros elementos do sistema híbrido são o banco de baterias, que tem capacidade de 450 Ah; o computador, que determina a velocidade do vento a estabelecer no túnel em cada instante; o conversor digital analógico, responsável pela conversão dos valores de velocidade do vento em tensão analógica na entrada do inversor de freqüências e um inversor senoidal de 600 W (e 127 V), para a conexão do computador e os outros consumidores de corrente alternada.
Além do inversor, a carga do sistema está constituída por um conjunto de lâmpadas fluorescentes e uma geladeira, todos de corrente contínua e está prevista a instalação de uma TV (de corrente alternada) e outros aparelhos eletrodomésticos pois a instalação terá um caráter didático.
Para o controle das cargas está em elaboração um subprograma computacional para ligar/desligar as mesmas automaticamente, a fim de simular perfis de cargas diários e/ou sazonais de alguns consumidores típicos, entre os que têm prioridade as residências do meio rural.
SISTEMA DE MONITORAMENTO
O mesmo computador que determina a velocidade do vento do túnel e que controlará as cargas do sistema é responsável pelo monitoramento das variáveis envolvidas no sistema híbrido eólico-fotovoltaico. A Tab.(1) mostra as principais variáveis do sistema.
Um programa computacional controla o processo de medição das variáveis. Para a medição é empregada uma unidade de aquisição de dados modelo HP-34970A, a qual conta com comunicação serial (via RS-232) para a recepção dos comandos de funcionamento e a transmissão do valor das variáveis medidas.
Os canais da unidade de aquisição de dados estão baseados em relês eletromagnéticos e trabalham em modo diferencial. As tensões são medidas diretamente através de dois condutores conectados ao canal correspondente. As correntes são medidas indiretamente, através da queda de tensão em resistores de resistência muito pequena (shunts), intercalados nos condutores correspondentes.
Os sensores de temperaturas, radiação solar, velocidade e direção do vento entregam sua informação em forma de tensão analógica e são medidos diretamente. Todos foram calibrados e o programa computacional tem as equações para converter as unidades de tensão na correspondente unidade física. A informação da rotação da turbina eólica é obtida digitalmente, através de um sistema magnético que inclui um sensor preso ao corpo da máquina e imãs dispostos na turbina.
Todas as variáveis são medidas a cada minuto sendo armazenado no arquivo de dados o valor médio correspondente a 10 minutos.
PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA A SIMULAÇÃO E O DIMENSIONAMENTO
Os procedimentos para o dimensionamento de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos não estão totalmente amadurecidos e é pouco divulgada a dinâmica do funcionamento de tais sistemas.
Com a bancada experimental construída no LES será possível obter toda a informação necessária para avaliar o funcionamento do sistema híbrido que esteja sendo estudado, o qual não ficará limitado às condições eólicas existentes no Laboratório pois no túnel de vento serão reproduzidos padrões de velocidades do vento de outras localidades.
Os resultados do monitoramento do sistema permitirão também à validação do funcionamento de um programa de simulação e dimensionamento que está sendo elaborado. Graças a este programa computacional poderão ser analisados outros sistemas, de diferentes capacidades, independentemente de se podem ou não ser testados na bancada experimental.
Serão também realizados os análises de complementaridade pertinentes entre as energias solar e eólica envolvidas e análises de eficiência energética, entre outros.
AGRADECIMENTOS
O presente trabalho foi realizado com apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq - Brasil.
Os autores agradecem o apoio dos bolsistas de iniciação científica do CNPq Roberto Basso Gazzana e Frederico Guilherme Irigoyen da Costa.
REFERÊNCIAS
[1] Hecktheuer, L.A., Krenzinger, A., Prieb, C.W.M.; Rated versus measured power of pv modules used in brazilian rural properties electrification; Proceedings of the 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition; Vol. II, pp 2083 - 2086; Munich, Alemanha, 2001.
[2] ASTM; Electrical Performance of Nonconcentrator Terrestrial Photovoltaic Modules and Arrays Using Reference Cells; Philadelphia, E.U.A., 1985.
[3] Charles, J.P., Abdelkrim, M. e outros; A practical metod of analysis of the current-voltage characteristics of solar cells; Solar Cells, 4, pp 169-178, 1981.
[4] ABNT; NBA-5555. Veículos automotores - Levantamento de curvas características de alternadores. Método de ensaio; 1982.