Análise e Projeto do Sistema
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas
do fabricante do camião [27].
Do ponto de vista da análise económica, tendo em conta o preço do gasóleo a 1.35 e/L, o consumo de 1169 litros representou um custo de 1578eem combustível, afetando diretamente o preço dos produtos transportados.
O tratamento dos dados, com recurso ao Excell , possibilitou calcular e conhecer duranteR os 26 dias efetivos de operação (excluí-se os domingos) o valor das forças a que o veículo esteve sujeito. No quadro3.4apresenta-se o resumo dos valores calculados. Esta tabela resume a variação da potência, das forças externas, do binário e da velocidade ao longo do percurso, quer na roda, quer no veio de transmissão, contemplando as perdas na cadeia de transmissão. A partir da análise exaustiva destas variáveis, cuja leitura é apresentada na próxima secção com recurso aos gráficos de relação, é possível projetar e dimensionar os subsistemas a incorporar no veículo com vista à redução dos consumos e emissões de CO2.
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas
Um veículo pesado possui um conjunto de sistemas que suportam o objetivo principal, o trans-porte rápido e seguro de pessoas e mercadorias. Os equipamentos base, tais como, alternador, bomba de água, bombas de óleo, ventoinha de refrigeração, compressor, compressor do ar condi-cionado e a bomba de direção assistida, figura 3.4a, são comuns na maioria dos VP.
Ao mesmo tempo, a estrutura do veículo está preparada para integrar novos subsistemas con-soante o sector de atividade a que se destina. Destes subsistemas, referem-se betoneiras, plata-formas elevatórias, gruas e sistemas basculantes, sistemas frigoríficos, plataplata-formas para recolha de resíduos urbanos, entre outros. Ao longo desta dissertação, estes sistemas são designados por unidades/sistemas auxiliares.
Pela análise da figura 3.4bverifica-se que nos veículos automóveis, tal como nos pesados, atualmente a principal fonte de energia é o combustível armazenado no depósito. Isto significa que
(a) Resumo da potência consumida pe-las unidades auxiliares num VP (motor às 1400 rpm) [2]
(b) Fluxo de energia tipico de um motor de combustão interna (ICE) convencional [12]
as necessidades energéticas na maioria dos veículos são suportadas unicamente pela transformação desse combustível em energia.
Desta forma, a redução do consumo de combustível passa também pela melhoria do controlo e otimização das unidades auxiliares.
A maioria destes sistemas auxiliares são acionados pelo motor, e o seu regime de funciona-mento está limitado pela relação fixa de velocidades estabelecida. Esta limitação mecânica resulta em perdas de energia associadas à ausência de flexibilidade e adaptação dos modos de operação destes subsistemas às necessidades.
Por conseguinte, descentralizar a alimentação destas unidades, diversificando o tipo de fontes de energia, e atingir o controlo total das cargas auxiliares reduz a dependência e a necessidade de funcionamento do motor a combustão.
Figura 3.5: Potência ao longo do percurso
No gráfico da figura 3.5 está representada a variação da potência, apenas do veio de trans-missão, ao longo do período de análise. Apesar desta representar a maior fatia dos consumos energéticos, a intervenção na cadeia de transmissão para aproveitamento energético não é a única solução para obter ganhos energéticos significativos.
3.3.1 Unidade auxiliar - Sistema frigorífico
Alguns camiões, em particular o que é objeto deste estudo, têm a particularidade de possuir uma carroçaria refrigerada por um sistema frigorifico da Carrier , nomeadamente o modeloR Supra 950 Mt. A carroçaria tem dois compartimentos com controlo de temperatura independente. Este subsistema é autónomo e independente do funcionamento do motor do veículo, isto porque, estando em parque com o motor desligado, a carroçaria necessita de manter a temperatura dentro dos parâmetros impostos pela mercadoria transportada. Desta forma, o sistema é ativado com o propósito de manter temperatura pretendida durante o transporte.
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 37
Esta autonomia e isolamento é assegurado por um motor a diesel dedicado ao acionamento do compressor do refrigerador, em detalhe na figura3.6. Normalmente, este é alimentado a partir de um depósito de combustível auxiliar com capacidade na ordem dos 130 litros de gasóleo.
Motor Stand By Compressor
Motor, CT3.69TV
Figura 3.6: Esquema do sistema frigorifico Carrier Supra 950 Mt (imagem adaptada a partir daR
folha de especificações)
Este sistema possui um motor de indução trifásico coma potência de 9 kW, identificado na figura como motor Stand-by. Este é útil em situações de paragem, sempre que existe uma to-mada trifásica disponível. Desta maneira, é possível eliminar as emissões de gases de escape e o ruido durante operações de carga/descarga dentro de empresas ou zonas urbanas. Aplica-se tam-bém em situações de estacionamento, poupando combustível e mantendo-se assim, a mercadoria acondicionada.
Pelo registo de dados apresentados na tabela ?? compreender-se o comportamento e a ativi-dade deste subsistema.
Os dados do veículo em estudo apontam para um consumo de 3,69 litros/hora útil de funcio-namento, dependendo da temperatura exterior e do número de abertura das portas. Posto isto, não existe a possibilidade de identificar com precisão os consumos energéticos deste sistema nem o seu fator de serviço.
Visto que registou um tempo de funcionamento superior ao tempo de funcionamento do motor a combustão, mas inferior às horas totais analisadas durante o mês de Novembro, para efeitos de
Tabela 3.5: Dados de funcionamento do sistema frigorifico
Mês Horas de frio Horas totais
Março/2012 - 5630 Abril/2012 133 5763 Maio/2012 102 5865 Agosto/2012 274 6139 Setembro/2012 326 6465 Outubro/2012 155 6620 Novembro/2012 144 6764
Média horas/mês Média litros/mês
126 465
estudo e análise, assumiu-se uma potência constante de 6 kW. 3.3.2 Subsistemas de Produção de Energia Elétrica
A partir da análise da dinâmica do veículo, secção3.1, paralelamente com o estudo do ciclo de operações do mesmo, secção3.2, é possível identificar as formas de produção de energia elétrica adequadas ao veículo em causa.
Tendo como ponto de partida os cálculos da potência, conhecer a energia envolvida é um indicador importante para o dimensionamento dos sistemas de produção e armazenamento dessa energia. Neste sentido, calculou-se a energia a partir da equação3.15.
Energia=
Z
Potencia dt (3.15)
Desta forma, estende-se a análise até atingir os dados e as relações que suportem o desenho da arquitetura e as escolhas dos componentes associados.
3.3.2.1 Travagem regenerativa
Como foi referido na secção 2.1.3 quando a potência é positiva o veículo está a tracionar, quando a potência é negativa significa que está a desacelerar ou a travar. Do ponto de vista da análise, mostra-se essencial a partir do gráfico da figura 3.5 retirar a relação entre a energia de travagem e energia de tração.
A figura 3.7 mostra que o total da energia de travagem nos percursos efetuados durante o mês de Novembro representa cerca de 11% do total da energia de tração. Este valor varia com as condições do percurso, pois em situações com maior densidade de tráfego este valor tende a aumentar.
Por outro lado, representa cerca de 32% da energia total consumida pelo sistema frigorífico, figura3.8. Este torna-se, indubitavelmente, um indicador relevante, pois tendo em conta os resul-tados, alimentar esta unidade auxiliar a partir da energia de travagem em vez de tracionar o veículo
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 39 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 50 100 150 200 En er gi a K Wh
Energia de tração vs Energia de travagem
Energia de Tração (2685 kWh) Energia travagem (306 kWh)
Figura 3.7: Relação da energia de tração com a energia de travagem
representará ganhos significativos, reduzindo também o seu risco e grau de complexidade ao nível do controlo e implementação.
A relação da energia de travagem com a velocidade é uma informação útil para o controlo e o dimensionamento de um sistema de travagem regenerativa. Identificar a gama de velocidades onde a maioria da energia é dissipada revela-se crucial para otimizar o funcionamento do motor elétrico como gerador, de maneira a que este opere na região de maior rendimento. Noutra gama, a travagem regenerativa pode ser ignorada sem comprometer a recuperação de energia.
0 200 400 600 800 1000 1200 0 50 100 150 200 En er gi a K Wh
Energia de travagem vs Energia do Sist. frigorífico
Energia de tragagem (306 kWh) Energia do Sist. Frigorifico (968 kWh)
Figura 3.8: Relação da energia de travagem com a energia consumida pelo Sistema frigorifico
O gráfico da figura3.9representa a distribuição da energia pela velocidade durante o ciclo de condução, cujos parâmetros estão apresentados na tabela3.4. Este, mostra que para velocidades abaixo dos 15 km/h a energia recuperada é insignificante, tal se depreende que para obter uma operação do motor elétrico com elevado grau de eficiência poderá desprezar-se as velocidades abaixo deste valor, prevalecendo a travagem mecânica neste intervalo.
Outro fator importante é a comparação da energia de travagem com a potência de travagem. Compreender esta relação é essencial no dimensionamento da potência do motor elétrico e da
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 En er gi a tr av ag em (k Wh ) Velocidade do camião (km/h) Energia de travagem vs Velocidade
Figura 3.9: Relação da energia da energia de travagem com a velocidade do camião
capacidade do armazenamento de energia, de modo a que sejam capazes de recuperar e armazenar o máximo de energia sem sobredimensionamento do sistema.
O gráfico da figura 3.10 mostra que cerca de 90% da energia total é dissipada abaixo dos 100kW. Este dado é um bom indicador para a escolha da potência do motor elétrico. Caso este tenha uma potência de 100 kw será capaz de recuperar cerca de 90% da energia de travagem que é dissipada. 0 50 100 150 200 250 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 P o te n ci a d e tr avage m (k W) Energia de travagem (kWh)
Potência de travagem vs Energia de travagem
Figura 3.10: Distribuição da potência pela energia de travagem
Outra consideração chave é a característica da potência de travagem em relação à velocidade do veículo. Esta análise permite traçar o perfil de velocidades do motor elétrico. Pela análise do gráfico da figura3.11, constata-se que para potências acima dos 50kW este intervalo de ve-locidades é reduzido para 20-90 km/h. Este dado reforça as conclusões retiradas do gráfico que relacionava a energia com a velocidade, figura 3.9.
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 41 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 200 250 V el o ci d ad e (k m /h ) Potencia (kW)
Potência de travagem vs Velocidade
Figura 3.11: Distribuição da potência de travagem pela gama de velocidades
3.3.2.2 Produção fotovoltaica
A partir da figura3.3na secção3.2concluiu-se que o veículo encontrou–se estacionado cerca de 83% do tempo. Depreende-se então, que não é possível produzir ou recuperar energia através da técnica apresentada anteriormente, durante esse período, dado que o veículo não se encontra em movimento.
Figura 3.12: Planta da DAF FA CF75 (valores apresentados em milímetros)
Uma particularidade dos VP, e também dos reboques, é o seu tamanho e a área da superfície associada. Isto traduz-se num potencial significativo de aproveitamento energético a partir da ins-talação de painéis fotovoltaicos. Assim sendo, parte-se para avaliação da superfície da carroçaria. O veículo em estudo apresenta as dimensões enunciadas na figura3.12, tendo como largura 2490 mm.
Estas dimensões mostram-se uma limitação na escolha dos painéis disponíveis no mercado. Uma vez que se pretende atingir o máximo de potência instalada para a área de 20,5m2(8,250m
x 2,490m ), respeitando os limites, as dimensões juntamente com a potência W p são critérios relevantes na escolha do painel.
Foram avaliadas soluções de diversos fabricantes, inclusive a tecnologia thin-film. O painel selecionado é o E19/245W p do fabricante americano Sunpower . Este possui uma eficiênciaR anunciada na ordem dos 19% e as características mecânicas suportam as condições da aplicação. As suas dimensões, 798mm x 1559mm, possibilitam a instalação de 15 painéis, maximizando a potência instalada para o valor de 3,7 kW .
Para quantificar o aproveitamento energético da superfície do veículo, recorreu-se ao software Canadiano de análise de projetos de energia limpa, o RET ScreenInternational .R
A partir deste obteve-se os valores da radiação solar diária horizontal (kW h/m2/dia), para uma inclinação de 0oe a energia produzida (kW h) a partir deste conjunto de painéis. Os resultados podem ser consultados na tabela 3.6.
Tabela 3.6: Radiação solar e energia produzida a partir dos painéis fotovoltaicos Radiação solar diária - Radiação solar Energia Mês horizontal diária - inclinada produzida (kW h)
(kW h/m2/dia) (kW h/m2/dia) Janeiro 1,82 1,82 161 Fevereiro 2,57 2,57 204 Março 3,93 3,93 337 Abril 5,21 5,21 427 Maio 6,22 6,22 518 Junho 6,86 6,86 544 Julho 6,93 6,93 564 Agosto 6,23 6,23 509 Setembro 4,74 4,74 381 Outubro 3,16 3,16 269 Novembro 2,12 2,12 179 Dezembro 1,64 1,64 145 Total 4238
Considerando o aproveitamento da energia do sol, consegue-se um aumento de 6% da energia recuperada face à energia consumida pela tração, no mês em estudo. Extrapolando para o mês de Julho conseguir-se-ia um aumento de 21%, que somado à energia de travagem representa 32% da energia consumida pela tração.
Em analogia, alargando esta breve análise para o sistema frigorífico, conseguia-se suprir as necessidades energéticas em 18%. Somando a energia recuperada pelo sistema fotovoltaico à energia possível de aproveitar na travagem conseguia-se recuperar 49% da energia total consumida por esta unidade. Mais uma vez, este valor é calculado para o mês de Novembro.
Durante o mês de Maio de 2013, tabelaA.2em anexo, o sistema frigorífico operou durante 131 horas, que representa 786 kWh de energia consumida. Considerando a energia recuperada durante a travagem com a energia produzida pelos painéis, verifica-se um excesso de produção durante este período, pelo que o motor de combustão auxiliar poderia ser dispensado.
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 43 3.3.3 Subsistema de Armazeamento de Energia
Como foi mencionado na secção2.2 do capítulo 2os supercondensadores são caraterizados pela sua elevada densidade de potência e baixa densidade energética, quando comparados com as baterias. Desse modo, e complementando-se as vantagens, apresenta-se nesta secção o dimensio-namento de um sistema hibrido de armazedimensio-namento de energia elétrica.
O objetivo deste SAE é absorver os picos de energia durante a travagem, armazenar a ener-gia produzida pelos PVs e suprir as necessidades de potência impostas pela carga. Neste caso é necessário assegurar que a energia armazenada no SAE é suficiente.
Os requisitos de potência e energia dos sistemas a alimentar podem ser representados pelo rácio energia/potência, definidos pela equação3.16.
Re/p=Er Pr
(3.16) onde Ere Prsão, respetivamente, a energia e potência necessárias.
Figura 3.13: Variação da corrente e tensão na bateria e no SC com um degrau de corrente na saída [10]
Conhecido o Re/p pode dimensionar-se a bateria e o supercondensador, pelo que o rácio de energia/potência é igual à expressão3.17.
Mb.Eb+ MSC.ESC Mb.Pb+ MSC.PSC
= Re/p (3.17)
onde Mbe MSC são a massa da bateria e do supercondensador, respetivamente, Ebe ESC são a energia específica da bateria e do SC, respetivamente, e por fim a Pbe PSCsão a potência especifica da bateria e do SC, respetivamente.
MSC= k.Mb (3.18)
onde k é calculado pela seguinte equação:
K= Eb− Re/pPb Re/pPc− ESC
(3.19) então a energia específica do SAE é dada por:
Eesp=Mb.Eb+ MSC.Ec Mb+ MSC
= Eb+ kESC
1 + k (3.20)
e a potência específica por:
Pesp=Mb.Pb+ MSC.Pc Mb+ MSC
= Pb+ kPSC
1 + k (3.21)
Pela análise do gráfico da figura3.10na gama de potência selecionada para o motor elétrico identifica-se que a máxima energia recuperada seria aproximadamente 3,2 kW h para 80 kW de potência. Desta forma o valor do Re/pé de 0,04 h.
0 10 20 30 40 0 50 100 150 200 En er gi a K Wh Tempo (horas)
Energia de travagem vs Energia do Sist. frigorífico
Var. diária da Energia de travagem Var. diária da energia cons. Sist. frigorifico
Figura 3.14: Evolução diária do total de energia consumida pelo Sist. Frigorifico em relação à energia recup. na travagem
Um indicador relevante para o dimensionamento do SAE é a evolução diária do total de energia consumida pelo sistema frigorífico e a evolução do total de energia recuperada durante a travagem. Isto porque, caso a cadência da energia de travagem esteja sincronizada com a do consumo por parte da carga, o armazenamento de energia só necessita de compensar o défice. O gráfico da figura3.14ajuda a compreender as necessidades energéticas diárias.
Pelo estudo deste gráfico conclui-se que a diferença média de energia é cerca de 13,62 kWh e a máxima diferença é de 35 kWh, o que significa que seria necessário uma sistema com a capa-cidade energética de pelo menos de 35 kWh para eliminar o motor auxiliar de combustão. Estes