CENTRO UNIVERSITÁRIO CATÓLICA DE SANTA CATARINA Pró-Reitoria Acadêmica Setor de Pesquisa

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CENTRO UNIVERSITÁRIO CATÓLICA DE SANTA CATARINA Pró-Reitoria Acadêmica

Setor de Pesquisa

FORMULÁRIO PARA INSCRIÇÃO DE PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA.

Coordenação/Colegiado ao(s) qual(is) será vinculado: Engenharia Mecânica Curso (s) : Engenharia Mecânica, Engenharia Elétrica e Engenharia de Produção Nome do projeto: LEVANTAMENTO DE CURVAS DE POTÊNCIA

MULTIDIMENSIONAIS PARA AEROGERADORES

Nome do professor orientador: Pedro Alvim de Azevedo Santos Nome do professor co-orientador: Gustavo Luiz Macedo da Silva Nome do coordenador(a) do Curso: Laércio Lueders

Para a Fundação Educacional Regional Jaraguaense – FERJ, mantenedora do Centro Universitário - Católica de Santa Catarina em Jaraguá do Sul e em Joinville, encaminhamos anexo, Projeto de Iniciação Científica a ser submetido ao Edital nº .../2016 Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica – PIBIC, do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPQ, e declaramos nosso interesse e prioridade conferida ao desenvolvimento do projeto ora proposto, assim como nosso comprometimento de que serão oferecidas as garantias necessárias para sua adequada execução, incluindo o envolvimento de equipe, utilização criteriosa dos recursos previstos e outras condições específicas definidas no formulário anexo.

Jaraguá do Sul, 16 de junho de 2016

____________________________________________ _________________________________________________ Professor orientador Professor coorientador

____________________________________________ Coordenador do Curso

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2 – DESCRIÇÃO DO PROJETO

Orientações para organização do texto( projeto): Fonte: Times New Roman ou Arial, 12. Espaçamento entre linhas simples, o texto deverá estar justificado. Todos os autores deverão estar corretamente citados no texto e descritos nas referências.

Título do Projeto: Levantamento de curvas de potência multidimensionais para aerogeradores

Tipo de Projeto ( 12 meses ) (X) Apresentado pelo professor; Resumo do Projeto

O presente projeto possui como objetivo a construção de curvas de potência multidimensionais para avaliação das principais variáveis que impactam no desempenho de um pequeno aerogerador. Além da relação já estabelecida entre velocidade do vento e potência, sabe-se que outras variáveis impactam de forma significativa no desempenho de aerogeradores, como por exemplo a turbulência atmosférica. Para esta análise serão utilizados dados de vento e potência de pequenos aerogeradores, a partir de experimentos de campo já realizados (SANTOS et al., 2015) e de experimentos com túnel de vento na própria instituição. Os dados serão tratados e filtrados, com objetivo de levantar parâmetros relevantes de análise. Para caracterizar uma variável como relevante no desempenho do aerogerador, serão estabelecidos parâmetros de correlação para classificação. Com as variáveis-chave identificadas, parte-se então para a construção das curvas de potência multidimensionais, a partir da correlação entre velocidade do vento e potência com as variáveis adicionais. O projeto espera que os resultados obtidos e a metodologia utilizada possam ser extrapolados em estudos com grandes aerogeradores. De fato, as tendências mundiais apontam para incorporação de novos parâmetros na análise de aerogeradores (MELLINGHOFF, 2013). Com este cenário, portanto, a proposta apresentada busca intensificar as atividades na área de Energias Renováveis, aprimorar a infraestrutura de pesquisa da instituição e, por fim, publicar resultados relevantes e alinhados com o estado da arte nesta área.

Texto limitado em até 200 palavras

Problematizacão (Problema de pesquisa)

Como é característico das turbomáquinas, os aerogeradores possuem uma curva característica de desempenho em condições padronizadas, denominada curva de potência. Os fabricantes de aerogeradores com mais de 100kW de potência nominal necessitam contratar organismos certificadores independentes para o levantamento desta curva, de forma a obedecer as normas internacionais (IEC, 2005). Já para pequenos aerogeradores, com menos de 100kW, algumas sugestões para levantamento da curva de potência são estabelecidas, mas nem sempre cumpridas. Em todas as normas atuais, as curvas de potência são representadas como uma relação exclusiva entre a velocidade do vento incidente na altura da nacele vs. a potência de saída do aerogerador, sendo esta curva normalizada para uma densidade do ar padrão de 1,225 kg/m3. Diversos trabalhos, contudo, mostram que há outras variáveis relevantes que influenciam de forma significativa na potência de um aerogerador (SANTOS, 2014; SATHE; GRYNING; PEÑA, 2011; WHARTON; LUNDQUIST,

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2012a). O presente projeto busca avaliar as principais variáveis adicionais que impactam na curva de potência de um aerogerador e propor a construção de superfícies de potência, ou seja, curvas de potência multidimensionais, que relacionem a velocidade do vento, potência de saída com as demais variáveis relevantes do problema. Serão utilizados dados de experimentos já realizados em campo e em andamento na Universidade Federal de Santa Catarina, bem como a utilização de experimentos em túnel de vento, a serem desenvolvidos no âmbito do projeto de pesquisa “Procedimentos de controle laboratoriais para ensaios de aerogeradores”, já aprovado e em andamento nesta instituição.

Texto limitado a 20 linhas

Justificativa (descrever o problema de pesquisa e sua importância científica , tecnológica e sócio-econômico-ambiental para a região )

O tema Energias Renováveis é de grande interesse para a política energética global, com um cenário de destaque para a fonte eólica, com expectativas “moderadas” que ela gere 7,8% da energia global até 2020 e 14,5% da energia global em 2030 (GWEC, 2016). Torna-se, portanto, de elevada importância a melhor compreensão dos mecanismos envolvidos na conversão de energia cinética do vento em energia elétrica. No âmbito do Brasil, a energia eólica também possui um destaque importante, com mais de 6% de representatividade na matriz elétrica nacional, bem como a líder em novas instalações pelo país. Dentro da cadeia produtiva e do mercado de energia eólica, possuíamos hoje apenas um fabricante nacional de aerogeradores, que se encontra em Jaraguá do Sul: a WEG Equipamentos Elétricos S.A. A empresa fabrica atualmente um modelo de aerogerador com 2,1kW de potência nominal, instalado a 110m de altura. Com relação ao problema de pesquisa proposto, temos que as normas técnicas que regulamentam a avaliação de desempenho de aerogeradores (IEC, 2005) estão desatualizadas em relação às práticas do mercado, sendo necessário portanto mais trabalhos científicos que comprovem a importância de atualizações nas práticas propostas (MELLINGHOFF, 2013). O presente projeto, portanto, pode ser considerado alinhado com o estado da arte das pesquisas no ramo de Energia Eólica, bem como com as demandas tecnológicas e socioeconômicas da região.

Objetivo Geral: ( Onde estamos....Onde queremos chegar.)

Levantar curvas de potência multidimensionais para avaliação de desempenho de pequenos aerogeradores

Objetivos específicos ( Etapas que devem ser cumpridas para se atingir o objetivo geral.)

a) Realizar a revisão bibliográfica dos trabalhos e normas mais recentes;

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c) Tratar e filtrar dados de vento e potência do experimento de campo;

d) Aprimorar o experimento de teste de aerogeradores em túnel de vento com novos sensores para avaliação da curva de potência;

e) Correlacionar e avaliar as variáveis que influenciam no desempenho de um pequeno aerogerador

f) Construir curvas de potência multidimensionais para os dois experimentos g) Redigir artigos científicos decorrentes dos resultados obtidos.

Metodologia (Descrição dos procedimentos, instrumentos( questionários, formulários, entrevistas, softwares), técnicas e materiais(equipamentos) a serem utilizados na execução do projeto).

Para atingir o objetivo geral, o presente projeto busca utilizar-se de duas fontes distintas de dados de vento e potência de pequenos aerogeradores. O primeiro experimento é denominado “Plataforma Experimental em Energia Eólica da Universidade Federal de Santa Catarina”, construído entre 2012 e 2014 no âmbito de um Projeto de P&D ANEEL. Localizado em Florianópolis/SC, o setup experimental foi concebido e comissionado pela equipe do Laboratório de Engenharia de Processos de Conversão e Tecnologia de Energia (LEPTEN/UFSC). A plataforma está localizada junto ao Prédio no Núcleo Ressacada de Pesquisas em Meio Ambiente (REMA/UFSC) e possui um Aerogerador Skystream 3.7 com 2,1kW de potência nominal instalado a 18m de altura e fornecendo energia diretamente aos laboratórios da Universidade. As medições anemométricas e meteorológicas são realizadas por uma torre instalada sobre o prédio, que contém anemômetro de copo, wind vane, anemômetro sônico 3D, termo-higrômetro, barômetro e inclinômetro 2D. Também já foram realizadas campanhas com perfiladores de velocidade LIDAR no local. Os dados são utilizados para estudar o efeito da turbulência atmosférica e do perfil da camada-limite do vento no desempenho de pequenos aerogeradores instalados em zonas urbanas (vídeo de apresentação em:

https://www.youtube.com/watch?v=CN7h6L0JQ-4). Resultados da plataforma experimental já estão

publicados em periódicos internacionais, onde os autores informam que o banco de dados do experimento pode ser cedido para fins acadêmicos e científicos sob pedido (SANTOS et al., 2015; SANTOS, 2014). O responsável técnico e autor dos artigos com os resultados do experimento é o coordenador do projeto aqui proposto.

O segundo experimento envolve medições de vento e potência de um pequeno aerogerador em um ambiente laboratorial controlado, com utilização de um túnel de vento. Grande parte dos equipamentos e sensores já estão instalados na instituição, sendo que o aerogerador a ser estudado será adquirido no âmbito do projeto de pesquisa “Procedimentos de controle laboratoriais para ensaio de aerogeradores”, em andamento nesta instituição. Com os dados de vento e de potência do conjunto túnel de vento e aerogerador, uma curva de potência também poderá ser construída, com a mesma metodologia utilizada no experimento de campo. A presença de dois experimentos distintos – um em campo e outro em ambiente controlado – promove uma capacidade ímpar de comparar o desempenho das curvas de potência em zonas de alta e baixa turbulência, que serão observadas no campo e no túnel de vento, respectivamente.

A análise estatística dos dados, bem como a construção da curva de potência seguirão as recomendações da norma vigente IEC 61400-12-1 (IEC, 2005) e serão realizadas com uso do

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software Matlab, com licença vigente para uso na instituição. A extrapolação da norma será realizada ao avaliar novas variáveis relevantes, como turbulência e estabilidade atmosférica, de forma que será possível construir novas curvas de potência multidimensionais em função das novas variáveis selecionadas.

Ao longo do projeto uma nova metodologia de seleção e análise de parâmetros de curva de potência irá surgir, o que posteriormente poderá ser a base de artigos científicos. Os dados resultantes dos experimentos de campo e no túnel de vento também serão confrontados e poderão fornecer novos insights para análise do desempenho de aerogeradores.

Texto limitado em 02 página

Fundamentação Teórica

Pequenos aerogeradores mostram-se como uma solução real para aplicações de geração distribuída, podendo ser considerados potenciais protagonistas em sistemas smart grid (WOOD, 2011; WWEA, 2012). Em 2015, a Agência Brasileira de Energia Elétrica avançou com a regulamentação no Brasil do sistema de compensação de energia para agentes de microgeração distribuída, por fontes renováveis, com novas regras a partir de 1º de março de 2016, com limite elevado para 5MW de potência instalada (ANEEL, 2012, 2015).

Juntamente com suas vantagens, as aplicações de microgeração eólica encontram desafios. Quando instalados em zonas urbanas, próximos ao consumidor final, pequenos aerogeradores estão sujeitos a altos níveis de turbulência atmosférica, influenciada pela elevada complexidade do terreno.

Este cenário mostra, portanto, a necessidade de uma melhor compreensão do regime de ventos em terrenos complexos, bem como a descrição do comportamento do aerogerador sob tais circunstâncias. O perfil de velocidade do vento é geralmente descrito com funções exponenciais ou logarítmicas, que estão restritas a terrenos planos e condições atmosféricas muito específicas (ARYA, 2001; BURTON et al., 2011). A variação do perfil de vento em função da estabilidade atmosférica já é conhecida (STULL, 1988), com estudos que apresentam o impacto na produção de energia para aerogeradores com elevada área varrida pelo rotor (WHARTON; LUNDQUIST, 2012a, 2012b). No contexto de pequenos aerogeradores em terreno complexo, barreiras técnicas também são encontradas na descrição dos aspectos de turbulência e previsão do potencial eólico (SMITH et al., 2012). Tem-se, portanto, a necessidade de expressar a dependência destas variáveis na curva de potência de um aerogerador que, segundo a IEC (IEC, 2005), dependeria apenas de uma relação direta entre velocidade e potência de saída.

Baseando-se nos resultados já obtidos em parques eólicos (WHARTON; LUNDQUIST, 2012b), o presente trabalho busca avaliar a dependência de parâmetros como a variação do perfil do vento e a turbulência no desempenho de um aerogerador; contudo, indo além, adicionando uma novas forma de expressar a curva de potência tradicional, sendo agora uma superfície de potência.

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3. CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO ETAPA OU FASE DO PROJETO Objetivo Específico Etapa/Fase (O que?) Especificação (Como?) Início Semanas e meses Término Semanas e meses Realizar a revisão bibliográfica dos trabalhos e normas mais recentes Pesquisa bibliográfica e análises dos dados já publicados

Consulta aos bancos de artigos científicos e bibliografia especializada. Utilização do software Matlab para análises estatísticas 1a semana de agosto de 2016 1a semana de outubro de 2016 Coletar dados do experimento “Plataforma Experimental em Energia Eólica da UFSC” Coleta e análise inicial dos dados de vento e potência do experimento já realizado na UFSC

Acesso ao banco de dados com os dados do experimento e análises com o software Matlab 1a semana de setembro de 2016 4a semana de setembro de 2016 Tratar e filtrar dados de vento e potência do experimento de campo Aplicação de filtros estatísticos e meteorológicos para tratar os dados de vento e potência coletados Desenvolvimento e aplicações de rotinas em Matlab 1a semana de setembro de 2016 1a semana de janeiro de 2017 Aprimorar o experimento de teste de aerogeradores em túnel de vento Aquisição e instalação de novas estruturas e/ou sensores para medição dos parâmetros necessários para medição de curva de potência em túnel de vento Trabalho em laboratório, aquisição e tratamento de dados relevantes 1a semana de dezembro de 2016 4a semana de janeiro de 2017

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CENTRO UNIVERSITÁRIO CATÓLICA DE SANTA CATARINA Pró-Reitoria Acadêmica Setor de Pesquisa Objetivo Específico Etapa/Fase (O que?) Especificação (Como?) Início Semanas e meses Término Semanas e meses Correlacionar e avaliar as variáveis que influenciam no desempenho de um pequeno aerogerador Seleção de variáveis-chave de análise e avaliação da sensibilidade da potência de saída frente aos parâmetros selecionados Análises estatísticas e consulta da norma IEC 1a semana de fevereiro de 2017 1a semana de março de 2017 Construir curvas de potência multidimensionais para os dois experimentos Aplicação do método dos bins para construção das curvas de potência em função de mais de duas variáveis. Desenvolvimento e aplicações de rotinas em Matlab 2a semana de março de 2017 2a semana de abril de 2017 Redigir artigos científicos decorrentes dos resultados obtidos Publicação dos resultados relevantes da pesquisa Pesquisa de eventos nacionais e/ou periódicos científicos para divulgação dos resultados. 1a semana de abril de 2016 4a semana de julho de 2017 4. REFERÊNCIAS

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( Descrever as utilizadas na elaboração do projeto.Todas as referências deverão estar citadas no corpo do projeto, conforme normas ABNT)

ANEEL. Resoluçao Normativa 482 de 17/04/2012Brasilia, BrazilAgencia Nacional de Energia Eletrica, , 2012. ANEEL. Resoluçao Normativa 687 de 24/11/2015Brasilia, BrazilAgencia Nacional de Energia Eletrica, , 2015.

ARYA, S. P. Introduction to Micrometeorology. [s.l.] Academic Press, 2001. BURTON, T. et al. Wind Energy Handbook. Second ed. [s.l.] Wiley, 2011. p. 780

GWEC. Global Wind Report: Annual Market Update 2015. [s.l.] Global Wind Energy Council, 2016. IEC. Wind turbines, part 12-1: power performance measurements of electricity producing wind

turbinesGeneva, SwitzerlandInternational Electrotechnical Commission, , 2005.

MELLINGHOFF, H. Development of power curve measurement standards. [s.l.] DEWI GmbH, 2013. Disponível em: <http://www.dewi.de/dewi_res/fileadmin/pdf/publications/Publikations/S14_4_Mellinghoff.pdf>.

SANTOS, A. P. A. et al. Atmospheric Stability Effects on Small Wind Turbine Power Collection in a Complex Terrain. In: SAYIGH, A. (Ed.). Renewable Energy in the Service of Mankind Vol I: Selected Topics from the

World Renewable Energy Congress WREC 2014. Cham: Springer International Publishing, 2015. p. 903-912.

SANTOS, P. A. A. Atmospheric stability Impact on small wind turbine performance in a complex terrain. [s.l.] (Dissertaçao de Mestrado) Engenharia Mecanica - Universidade Federal de Santa Catarina, 2014. SATHE, A.; GRYNING, S.-E.; PEÑA, A. Comparison of the atmospheric stability and wind profiles at two wind

farm sites over a long marine fetch in the North Sea. Wind Energy, v. 14, n. 6, p. 767-780, 2011. SMITH, J. et al. Built-Environment Wind Turbine Roadmap. Golden, CO: National Renewable Energy

Laboratory (NREL), 2012.

STULL, R. B. An Introduction to Boundary Layer Meteorology. [s.l.] Springer Netherlands, 1988. WHARTON, S.; LUNDQUIST, J. K. Atmospheric stability affects wind turbine power collection. Environmental

Research Letters, v. 7, n. 1, p. 014005, 2012a.

WHARTON, S.; LUNDQUIST, J. K. Assessing atmospheric stability and its impacts on rotor-disk wind characteristics at an onshore wind?farm. Wind Energy, v. 15, n. 4, p. 525-546, 2012b. WOOD, D. Small Wind Turbines: Analysis, Design and Application. London: Springer, 2011.