O modelo de simulação

O modelo dinâmico para simular os BSIs foi desenvolvido com a ferramenta de modelagem simulação e análise de sistemas dinâmicos Simulink. Parte integrante do software Matlab, é uma ferramenta de diagramação gráfica por blocos e bibliotecas customizáveis, amplamente utilizado para projeto e simulação de sistemas dinâmicos.

Para sua construção foram utilizados dados e equações obtidos da análise termodinâmica do BSI.

O modelo de simulação foi dividido em blocos principais e secundários. São dois os blocos principais, um com os dados de entrada da simulação que são variáveis no tempo (variáveis de entrada) e outro representando o BSI e as saídas principais da simulação, conforme pode ser observado na Figura 55.

Figura 55 - Blocos principais da simulação

O bloco das variáveis de entrada possui os seguintes blocos secundários em seu interior, como pode ser observado na Figura 56:

• Temperatura ambiente (T_amb); • Radiação solar total (I_t); • Velocidade do vento (V_vento); • Carga SCS;

Cada bloco é responsável por ler uma tabela que possui os referidos dados e envia-los ao bloco BSI.

Os dados são lidos, enviados ao BSI e processados a cada intervalo de tempo definido no sample time do simulador. Como o tempo de amostragem dos dados climáticos utilizados são de uma hora, o sample time precisou ser definido em uma hora.

O bloco BSI é formado pelos seguintes blocos secundários conforme mostra a Figura 57:

• SCS • SGB • SGEE • SAB

F ig u ra 57 - B lo co B SI

4.4.1.1 Bloco SCS

Este bloco é responsável por calcular os fluxos e o balanço de energia e obter e a eficiência do SCS. O diagrama de blocos do SCS é mostrado na Figura 58.

Figura 58 - Bloco SCS 4.4.1.2 Bloco SGB

Este bloco é subdividido em outros três blocos, conforme mostra a Figura 59:

• Cálculo da temperatura do substrato e do biogás • Cálculo da produção de biogás

Figura 59 - Bloco SGB

Cálculo da temperatura do substrato e do biogás

Este bloco é responsável por calcular a temperatura instantânea do biogás e do dejeto através das equações 4.61 e 4.63, dos dados climáticos e do calor de aquecimento do biodigestor proveniente do SAB. Para isto ele calcula todas as taxas de calor trocadas pelo biodigestor conforme o modelo apresentado na seção 4.3.3. Devido a possibilidade do excesso de fornecimento de calor ao biodigestor, foi implementado um controlador on/off para controlar a taxa de calor entregue ao digestor pelo SAB que começa a atuar quando a temperatura do substrato atinge 40°C. Este controlador simula o funcionamento de um direcionador que desvia os gases de exaustão do trocador gás-água e de um radiador no circuito de arrefecimento do motor. O bloco também contabiliza quanto do calor de aquecimento precisou ser jogado fora. A Figura 60 mostra o seu diagrama de blocos.

Figura 60 - Bloco Cálculo da temperatura do substrato e do biogás Cálculo da produção de biogás

Este bloco calcula a produção instantânea de biogás baseado na temperatura calculada para o substrato e as constantes utilizadas para o modelo de produção de biogás adotado, como mostra a Figura 61. O modelo e as constantes utilizadas foram os mesmo utilizados para estimar a produção de biogás adotando-se uma temperatura média conforme descrito na seção 3.6.

Este bloco tem por função também representar a carga elétrica da bomba de agitação do biodigestor e calcular o seu consumo. A potência da bomba de agitação foi considerada constante e permanente, ou seja, ela funciona de maneira contínua.

Figura 61 - Bloco Cálculo da produção de biogás Gasômetro

Este bloco é responsável por contabilizar a produção e o consumo de biogás e atualizar o volume do gasômetro. O volume de biogás no gasômetro é calculado pela integral da diferença entre produção e consumo, como pode ser observado na Figura 62. O gasômetro envia um sinal para o motor começar a funcionar somente depois que atingir o nível de 90% e para desligar quando atinge 20%. Esta estratégia permite avaliar a influência do tamanho do gasômetro na produção de EE. Quando o consumo for maior que a produção o gasômetro irá esvaziar até o volume mínimo determinado. Neste ponto o motor desliga e o gasômetro começa a encher novamente. Quando a produção é maior que o consumo e o gasômetro estiver cheio, o biogás excedente é enviado para um queimador. Esta estratégia foi desenvolvida para avaliar a sincronia da produção de biogás e seu consumo, ou a falta dela nas PGEBs isoladas e representa com certa fidelidade o que ocorre na prática. A grande dificuldade de avaliar a produção de energia elétrica em PGEB decorre do combustível nem sempre estar disponível e a dificuldade em prever a sua disponibilidade.

Figura 62 - Bloco Gasômetro

4.4.1.3 Bloco SGEE

Este bloco recebe os dados referentes à carga elétrica instantânea total e o sinal do nível do gasômetro. Quando existe biogás no gasômetro ele calcula os resultados referentes ao consumo de biogás, calor rejeitado e geração de EE utilizando as equações empregadas na análise termodinâmica. Quando o nível do gasômetro é mínimo o motor transfere a carga para rede, pois será desligado, desligando dessa maneira também o SAB. O consumo de combustível depende da carga aplicada ao motor e é calculado conforme as equações da Tabela 18. A taxa de calor rejeitada no arrefecimento do motor foi considerada fixa em 30% da energia do biogás consumido. No cálculo da taxa de calor dissipada nos gases de escape a temperatura dos gases foi considerada constante em 525°C, variando apenas com a vazão dos gases de exaustão. A Figura 63 mostra o diagrama de blocos do SGEE.

F ig u ra 63 - B lo co SGEE

4.4.1.4 Bloco SAB

Este bloco tem por função calcular o calor recuperado dos gases de exaustão, e o calor total disponível para aquecer o biodigestor, bem como representar as cargas auxiliares do SAB e calcular o seu consumo, conforme mostra a Figura 64. As cargas do SAB foram consideradas constantes, pois suas vazões são mantidas constantes. Este bloco recebe a informação referente ao status do motor e somente funciona quando o motor está em funcionamento, ou seja, a carga auxiliar do SAB é intermitente.

Figura 64 - Bloco SAB 4.4.1.5 Bloco Medidor de Energia

Este bloco representa a rede da distribuidora de EE e é responsável por contabilizar a energia total gerada, total consumida,

consumo da rede, créditos de energia elétrica gerados e créditos de energia elétrica recuperados conforme mostra a Figura 65.

Figura 65 - Bloco Medidor de energia 4.4.2 Os dados Climáticos

Os dados climáticos utilizados foram obtidos de uma estação meteorológica automática experimental localizada na cidade de Erechim-RS. A estação possui localização 27°38'45,5"S 52°16'19,1"W e altitude de 664 m (MADALOZZO, 2015).

Os dados utilizados foram a temperatura ambiente (°C), a irradiação solar total (W/m2) e a velocidade do vento (m/s) referentes ao ano de 2014 e possuem o tempo de amostragem de uma hora.

A Figura 66 mostra os dados referentes ao ano inteiro de 2014 para as três variáveis.

Figura 66 - Dados climáticos utilizados 4.4.3 Fluxograma da simulação

A Figura 67 apresenta o fluxograma da simulação dinâmica dos BSIs.