2000_Diss_Vale_Híbrido Pará

CENTRO TECNOLÓGICO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

MONITORAÇÃO E ANÁLISE DE UM SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-DIESEL PARA

GERAÇÃO DE ELETRICIDADE

TM - 03 - 2000

AUTOR: SILVIO BISPO DO VALE

UFPA/CT/PPGEE

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ

BELÉM – PARÁ – BRASIL

CENTRO TECNOLÓGICO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

MONITORAÇÃO E ANÁLISE DE UM SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-DIESEL PARA

GERAÇÃO DE ELETRICIDADE

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA À BANCA EXAMINADORA, APROVADA

PELO COLEGIADO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA

ELÉTRICA DO CENTRO TECNOLÓGICO DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ,

COMO REQUISITO PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA

ELÉTRICA NA ÁREA DE SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA.

AUTOR: SILVIO BISPO DO VALE

UFPA/CT/PPGEE

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ

BELÉM – PARÁ – BRASIL

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

MONITORAÇÃO E ANÁLISE DE UM SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-DIESEL PARA

GERAÇÃO DE ELETRICIDADE

AUTOR: SILVIO BISPO DO VALE

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA À BANCA EXAMINADORA, APROVADA

PELO COLEGIADO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA

ELÉTRICA DO CENTRO TECNOLÓGICO DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ,

JULGADA ADEQUADA PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM

ENGENHARIA ELÉTRICA NA ÁREA DE SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA.

APROVADA EM 28 / 02 / 2000

BANCA EXAMINADORA:

__________________________________________

Prof. Dr.-Ing. João Tavares Pinho (UFPA)

Orientador

__________________________________________

Prof. Dr. Osvaldo Ronald Saavedra Mendez (UFMA)

Membro

__________________________________________

Prof. Dr. Ubiratan Holanda Bezerra (UFPA)

Membro

__________________________________________

Prof. Dr. Tadeu da Mata M. Branco (UFPA)

Membro

Visto:

__________________________________________

Prof. Dr. José Augusto Lima Barreiros

Primeiramente agradeço a Deus, por me guiar neste caminho de luta e ter alcançado

um dos meus objetivos de vida.

Ao meu orientador, Professor João Tavares Pinho, pelos incentivos, compreensão e

paciência nas horas de difíceis entendimentos de assuntos abordados na parte elétrica.

À minha esposa, Regina, pelo apoio, incentivo e paciência.

Ao Prof. Ubiratan Holanda Bezerra, pela sua colaboração, apoio e incentivo.

Aos meus Pais, pelos incentivos.

A todos os membros do Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas

Energéticas – GEDAE, que participaram ativamente na implantação do sistema de eletrificação

de Praia Grande.

Ao meu amigo, Eng. Toshio Hotta, pelo apoio na parte mecânica.

Ao Engenheiro, Wellington Lima, pelo apoio computacional.

Ao CNPq, pelo apoio financeiro.

Lista de Figuras...i

Lista de Tabelas...iv

Resumo...vi

Abstract...vii

Introdução...1

Capítulo 1 – Descrição do Sistema Híbrido e sua Implantação...5

1.1 – Introdução...5

1.2 – Caracterização da Carga...6

1.3 – Configuração dos Sistemas...6

1.3.1 – Geração Eólica...7

1.3.2 – Geração Diesel...10

1.3.3 – Banco de Baterias...12

1.3.4 - Condicionamento de Potência e Acessórios...13

1.3.5 – Rede de Distribuição...15

1.3.6 – Estação Meteorológica...16

1.4 – Implantação do Sistema...18

1.4.1 – Obras Civis...18

1.4.4 – Rede de Distribuição...21

1.4.5 – Instalações Residenciais...21

1.4.6 – Estação Meteorológica...21

1.4.7 – Turbina de 10 kW...22

1.5 - Comentários...23

Capítulo 2 – Monitoração e Análise do Desempenho do Sistema...24

2.1 - Introdução...24

2.2 – Dados Meteorológicos...25

2.3 – Curva de Geração...37

2.4 – Geração Eólica...43

2.4.1 – Sistema da Turbina de 15 kW...43

2.4.2 – Sistema da Turbina de 10 kW...43

2.4.3 – Qualidade da Tensão Fornecida...46

2.4.4 – Componentes do Sistema de Condicionamento de Potência...52

2.4.5 – Banco de Baterias...53

2.5 – Geração Diesel...55

2.5.1 – Qualidade da Tensão...55

2.5.2 – Consumo de Combustível...57

Capítulo 3 – Alternativas para Melhoria do Atendimento da Carga...68

3.1 - Introdução...68

3.2 – Compensação de Reativos na Rede de Distribuição...68

3.3 – Regulação de Tensão e Freqüência dos Grupos Geradores Diesel...71

3.4 – Aumento da Capacidade de Geração Eólica...72

3.5 – Aumento da Capacidade do Banco de Baterias...85

3.6 – Inclusão da Geração Fotovoltaica...87

3.7 – Comparação com um Sistema a Diesel...90

3.8 - Comentários...91

Capítulo 4 – Avaliação dos Impactos do Sistema...93

4.1 - Introdução...93

4.2 – Impactos Ambientais...94

4.2.1 – Impacto Visual...95

4.2.2 - Ruído...95

4.2.3 – Influência na Fauna ...95

4.3 – Impactos Sócio-Econômicos...96

4.3.1 – Comportamento Social...96

4.3.2 – Alterações Econômicas...100

Conclusões...104

Referências Bibliográficas...106

Anexo 1 – Mapa de Localização da Comunidade de Praia Grande...108

Anexo 2 – Mapa da Representativo da Comunidade de Praia Grande...110

Anexo 3 – Resultado da Simulação do Fluxo de Carga (Verificação de Tensão nas

Barras)...112

Anexo 4 – Resultado da Simulação do Fluxo de Carga (Inclusão de Banco de Capacitores de 8

kVAr)...117

Anexo 5 – Resultado da Simulação do Fluxo de Carga (Inclusão de Bancos de Capacitores de 2 e

7 kVAr)...122

Anexo 6 – Resultados da Simulação do Sistema Híbrido para o Período de um ano

(1 Turbina, Banco de Baterias, Grupo Diesel e Carga)...127

Anexo 7 – Resultado da Simulação do Sistema Híbrido em Períodos de 730 horas...131

Anexo 8 – Resultado da Simulação do Sistema Híbrido para o Período de um ano

(2 Turbinas,Banco de Baterias, Grupo Diesel e Carga)...168

Anexo 9 – Resultado da Simulação do Sistema Híbrido para o Período de um ano

(2 Turbinas, 2 Bancos de Baterias, Grupo Diesel e Carga)...172

Anexo 10 – Resultados Comparativos da Simulação do Sistema Híbrido vs Grupo

Diesel 24 horas...176

Capítulo 1

Figura 1.1 - Configuração básica do sistema de Praia Grande...7

Figura 1.2 – Distribuição dos equipamentos na gôndola...8

Figura 1.3 – Vista da turbina eólica de 15 kW...9

Figura 1.4 – Vista da turbina de 10 kW...10

Figura 1.5 - Grupos geradores diesel de 7,5 kVA...11

Figura 1.6 - Banco de baterias de 48 V...13

Figura 1.7 - Vista dos equipamentos de condicionamento de potência...15

Figura 1.8 - Esquema do posicionamento dos sensores...17

Figura 1.9 – Unidade de aquisição de dados (data logger)...17

Figura 1.10 - Diagrama esquemático da casa de comando...18

Figura 1.11 - Montagem da torre auto-portante de 15 m...20

Capítulo 2

Figura 2.1 - Perfil da média mensal da velocidade de vento...26

Figura 2.2 - Radiação global média no período considerado...27

Figura 2.3 - Perfil da velocidade de vento de um dia típico do período (25 m)...29

Figura 2.4 - Perfil da velocidade de vento de um dia típico do período (15 m)...29

Figura 2.5 - Rosa dos ventos para o anemômetro a 25 m (sensor de direção a 30 m)...30

Figura 2.6 - Distribuição de freqüência (25 m)...31

Figura 2.7 - Distribuição de freqüência (15 m)...31

Figura 2.8 - Distribuição de freqüência em outubro 98 (25 m)...32

Figura 2.9 - Distribuição de freqüência em maio 99 (25 m)...33

Figura 2.12 – Distribuição de Weibull (25 m)...36

Figura 2.13 – Radiação solar de um dia típico do período...36

Figura 2.14 – Temperatura média mensal do período...37

Figura 2.15 – Curva representativa da carga da comunidade...38

Figura 2.16 – Diagrama esquemático do sistema de geração...39

Figura 2.17 – Curva de demanda de carga representativa de um ano...40

Figura 2.18 – Forma de onda do sistema diesel (ponto próximo à casa de comando)...41

Figura 2.19 – Forma de onda do sistema diesel (extremidade à direita da casa de comando).41

Figura 2.20 – Forma de onda do inversor (extremidade à esquerda da rede)...42

Figura 2.21 – Forma de onda do inversor (extremidade à direita da rede)...42

Figura 2.22 – Curvas de geração eólica e de carga...44

Figura 2.23 – Curva de potência da turbina de 10 kW, segundo o fabricante...45

Figura 2.24 – Comparação entre as potências medida e teórica...46

Figura 2.25 – Sinais monitorados nas saídas da turbina eólica (superior) e do inversor

(inferior)...47

Figura 2.26 – Espectro da amplitude na saída do aerogerador...47

Figura 2.27 – Espectro da amplitude na saída do inversor...48

Figura 2.28 – Forma de onda de tensão na extremidade direita da rede de distribuição...50

Figura 2.29 – Espectro de amplitude de tensão na extremidade direita da rede de

distribuição...50

Figura 2.30 – Forma de onda de tensão na extremidade esquerda da rede de distribuição...51

Figura 2.31 – Espectro de amplitude de tensão na extremidade esquerda da rede de

distribuição...51

Figura 2.32 – Tensão de saída do retificador...52

Figura 2.33 – Tensão de saída do banco de baterias...53

Figura 2.36 – Curva de variação de tensão no banco de baterias...55

Figura 2.37 – Nível de percentual de harmônicos do gerador diesel...56

Figura 2.38 – Curva de consumo para os grupos geradores diesel de 7,5 kVA...58

Figura 2.39 – Curva de consumo médio mensal (97, 98 e 99)...59

Figura 2.40 – Comparação do tempo de operação dos geradores diesel...60

Figura 2.41 – Quantidade de combustível gasta nos períodos considerados...60

Figura 2.42 – Gastos médios com combustível...61

Figura 2.43 – Representação da rede de distribuição de Praia Grande...61

Figura 2.44 – Mapa de representação dos barramentos...63

Figura 2.45 – Diagrama unifilar da rede de Praia Grande...64

Capítulo 3

Figura 3.1 – Comparação das curvas de carga, geração eólica e grupo diesel (período

de um ano)...75

Figura 3.2 – Comparação das curvas de carga, geração eólica e grupo diesel (2 turb. +

banco de baterias + diesel + carga)...84

Figura 3.3 - Comparação das curvas de carga, geração eólica e grupo diesel (2 turb. +

2 banco de baterias + diesel + carga)...87

Figura 3.4 - Representação esquemática do sistema fotovoltaico complementar...88

Figura 3.5 - Curva de potência do arranjo fotovoltaico...89

Capítulo 4

Figura 4.1 – Gráfico de perspectiva de aquisição...98

Figura 4.2 - Percentual de eletrodomésticos existentes...100

Capítulo 2

Tabela 2.1 - Velocidades médias mensais em Praia Grande...26

Tabela 2.2 - Dados de radiação solar global em Praia Grande...28

Tabela 2.3 - Valores limites dos harmônicos (% da fundamental), segundo normas da

ELETROBRÁS...48

Tabela 2.4 - Distribuição de cargas nos barramentos ao longo da rede...65

Tabela 2.5 - Dados de tensões nas barras...66

Capítulo 3

Tabela 3.1 - Dados de tensões nas barras, com banco de capacitores de 8 kVAr...69

Tabela 3.2 - Dados de tensões nas barras, com dois bancos de capacitores (2 e 7 kVAr)...70

Tabela 3.3 - Resultados da simulação para o período de um ano (1 turb. + banco bat.

+ diesel + carga)...74

Tabela 3.4 - Resultados da simulação para o período de 09/04 a 09/05/98...76

Tabela 3.5 - Resultados da simulação para o período de 09/05 a 09/06/98...76

Tabela 3.6 - Resultados da simulação para o período de 09/06 a 09/07/98...77

Tabela 3.7 - Resultados da simulação para o período de 09/07 a 09/08/98...77

Tabela 3.8 - Resultados da simulação para o período de 09/08 a 09/09/98...78

Tabela 3.9 - Resultados da simulação para o período de 09/09 a 09/10/98...78

Tabela 3.10 - Resultados da simulação para o período de 09/10 a 09/11/98...79

Tabela 3.11 - Resultados da simulação para o período de 09/11 a 09/12/98...79

Tabela 3.12 - Resultados da simulação para o período de 09/12/98 a 09/01/99...80

Tabela 3.13 - Resultados da simulação para o período de 09/01/99 a 09/02/99...80

Tabela 3.14 - Resultados da simulação para o período de 09/02/99 a 09/03/99...81

Tabela 3.15 - Resultados da simulação para o período de 09/03/99 a 09/04/99...81

Tabela 3.16 - Resultados da simulação para operação dos grupos diesel...83

Tabela 3.17 - Resultados da simulação para o período de um ano(2 turb. + banco bat.

+ diesel + carga)...84

Tabela 3.18 - Resultados da simulação no período de um ano (2 turb. + 2 bancos bat.

+ diesel + carga)...86

Tabela 3.19 - Resultados da simulação (sistema híbrido x diesel 24 horas)...91

Tabela 4.3 - Aparelhos eletrodoméstico existentes na Comunidade...99

Tabela 4.4 - Distribuição de renda por família...101

Este trabalho apresenta o estudo de um sistema híbrido eólico-diesel implantado na

Comunidade de Praia Grande, Ilha de Marajó, Estado do Pará. Descreve o sistema de geração de

energia desde a sua implantação até a sua monitoração, fazendo, em seguida, a análise do seu

desempenho. Como parte do sistema híbrido, o sistema de medição e aquisição de parâmetros

meteorológicos também foi monitorado para a obtenção dos dados de interesse e seu devido

tratamento.

Com o objetivo de avaliar adequadamente o sistema híbrido, são apresentadas

análises de desempenho, tecidos comentários e consideradas alternativas para a melhoria do

atendimento da carga. Esses estudos mostram alguns problemas enfrentados ao longo da

monitoração de desempenho do sistema. A compensação de reativos na rede de distribuição, o

aumento da capacidade de geração e a interligação com a rede da concessionária estão entre as

alternativas consideradas.

Comentam-se também, alguns impactos causados pelo sistema, abordando

brevemente algumas características ambientais e, principalmente, a influência sócio-econômica

na vida dos moradores de Praia Grande.

This work presents the study of a wind-diesel hybrid system implanted in the

Community of Praia Grande, Island of Marajó, State of Pará. It describes the energy generation

system from its implantation to its monitoration, following with, the analysis of its peformance.

As part of the hybrid system, the meteorological parameters mensurament and acquisition

system was also monitored to obtain the related data and its treatment.

With the objective of evaluating the hybrid system appropriately, performance

analysis are presented, comments are made, and alternatives for the improvement of the load

attendance are considered. These studies show some problems faced during the monitoring of the

system’s performance. The compensation of reactive power in the distribution grid, the increase

of the generation capacity and the grid connection are among the considered alternatives.

Some impacts caused by the system are also commented, and a brief approach to

some environmental characteristics is made, mainly concerning the social and economic

influence in the life of the inhabitants of Praia Grande.

INTRODUÇÃO

O vento constitui uma fonte de energia natural proveniente do Sol, a partir da qual é possível produzir grandes quantidades de energia elétrica. [1]

Atualmente, existem mais de 20.000 turbinas eólicas de grande porte em operação no mundo, com uma capacidade instalada de aproximadamente 5.500 MW. Na Europa, espera-se gerar 10% de toda eletricidade consumida, a partir do vento, até o ano 2030.[2]

Nos Estados Unidos existem atualmente mais de 1.600 MW de capacidade instalada o que produz aproximadamente 3 bilhões de kWh de energia por ano. Isto é bastante para satisfazer as necessidades residenciais anuais de 1 milhão de pessoas. Mais que 90 % dessa potência é produzida através de três fazendas eólicas na Califórnia (Altamont Pass, Tehachapi e Palm Springs). [3]

A Diretoria de Planejamento e Engenharia da ELETROBRAS, em sintonia com o PLANO 2015, vem avaliando com maior intensidade a geração elétrica com o uso de fontes renováveis, dentre as quais a solar e a eólica, não só porque vêm despertando grande interesse devido às crescentes exigências relacionadas à preservação do meio ambiente, como também pelos seus custos que tendem a se tornar cada vez mais competitivos. [4]

Dentro dessa ótica, as Centrais Eólicas do Paraná (sociedade da Copel com a Wobben Wind Power, subsidiária brasileira da Enercom alemã) em operação comercial, implantou um parque eólico no Paraná com capacidade para 2,5 MW, com cinco aerogeradores de 500kW cada, no município de Palmas, no Sul do Estado. Essa é a primeira

usina eólio-elétrica do Sul do Brasil e a quinta do País, depois dos parques aerogeradores de Minas Gerais e do Ceará. [5]

O aproveitamento eólico para fins de geração de energia elétrica no Brasil é bastante promissor devido à constância dos ventos, principalmente na Região Nordeste. No Norte, destacam-se principalmente o litoral do Estado do Pará e a Ilha de Marajó, onde a direção predominante dos ventos é Nordeste com tendência para Leste e velocidades médias anuais entre 5 a 8 m/s são facilmente encontradas, segundo levantamentos feitos pelo Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE), da Universidade Federal do Pará (UFPA) e pelas Centrais Elétricas do Pará S.A. (CELPA), pertencente ao Grupo REDE, com apoio do Centro de Pesquisas da ELETROBRÁS (CEPEL).

A Amazônia, em particular nas regiões de ilhas, apresenta precárias condições de vida, devido a fatores como: a falta de infra-estrutura básica, a distância dos grandes centros, o difícil acesso por precariedade de transporte, o sistema de telecomunicações precário e, principalmente, a falta de atendimento de energia elétrica. Portanto, nota-se um paradoxo, já que a região que possui um dos maiores potenciais energéticos do Brasil, é a menos favorecida. Isto pode ser visto como uma característica da própria região que se apresenta composta por milhares de pequenos núcleos populacionais, tornando economicamente inviável o seu abastecimento a partir das usinas hidrelétricas, o que resultaria em longas e caras linhas de transmissão de energia e a construção de subestações rebaixadoras.

Uma alternativa mais viável para atender essas pequenas comunidades pode ser o uso de fontes renováveis de energia, com o complemento de grupos geradores diesel para dar mais confiabilidade ao sistema.

Em algumas localidades da Região, como por exemplo no caso aqui estudado, a fonte renovável mais propícia é a eólica, devido às condições meteorológicas locais e aos custos relativamente mais baixos.

Apesar de se ter no Brasil ainda poucos aproveitamentos de geração elétrica através de aerogeradores, como por exemplo nos estados de MG, PE, CE, PR e PA, o aperfeiçoamento da tecnologia e a redução dos custos têm tornado essa alternativa bastante atrativa e despertado o interesse das instituições envolvidas com o estudo e a implantação de soluções energéticas.

Dentro desse enfoque destaca-se o interesse da UFPA, através do GEDAE, apoiado pelo Programa do Trópico Úmido (PTU/CNPq), em parceria com a CELPA, a Secretaria Executiva de Ciência, Tecnologia e Meio Ambiente do Estado do Pará (SECTAM), o Instituto do Desenvolvimento Econômico-Social do Pará (IDESP) e a Prefeitura Municipal de Ponta de Pedras, em contribuir com o desenvolvimento dessa tecnologia, por meio da implantação de um sistema híbrido eólico-diesel para atender em grande parte a Comunidade de Praia Grande, no Município de Ponta de Pedras, no Pará.

A comunidade de Praia Grande situa-se às margens da Baía de Marajó, nas coordenadas geográficas de 10 _{22’ 54” S e 48}0 _{50’ 10” O (ver mapa de localização no}

Anexo 1). Distante de sua sede municipal cerca de nove quilômetros e aproximadamente quarenta e quatro quilômetros da capital (Belém), é acessada por meio de avião de pequeno porte ou barco, com tempos de aproximadamente vinte minutos e três horas, respectivamente.

A Comunidade é organizada em uma Associação de Moradores, representada por um líder comunitário, possui um sistema de abastecimento de água potável, utilizando um cata-vento para o bombeamento e módulos fotovoltaicos para o tratamento da água por meio de eletrólise. É composta atualmente por uma população de 142 habitantes, 26 residências,

1 centro comunitário, 1 escola, 1 posto médico (em construção), 1 depósito, 3 bares, 1 padaria e 1 usina de beneficiamento de fibra de coco para ser utilizada, principalmente, na confecção de encostos de cabeça para carros. As construções estão distribuídas quase que uniformemente ao longo de uma estrada de aproximadamente 1.600 metros, margeando a Baía de Marajó, e o sistema de geração situa-se a 700 metros do início da Comunidade (ver mapa no Anexo 2).

A estrutura da dissertação está dividida em quatro capítulos. O primeiro trata da configuração do sistema híbrido eólico-diesel implantado na Comunidade de Praia Grande, descreve as características da curva de carga e os componentes que compõem o sistema, e também relata a implantação do mesmo.

No Capítulo 2, mostram-se o tratamento e a análise dos dados meteorológicos, a análise da curva de carga, a monitoração e a análise do desempenho dos equipamentos de geração de energia e o estudo de fluxo de carga na rede de distribuição.

Algumas alternativas para melhoria do atendimento da carga, tais como: compensação de reativos na rede, aumento da capacidade de geração eólica, aumento da capacidade do banco de baterias e a comparação com um sistema somente a diesel, são descritas no Capítulo 3.

O Capítulo 4, aborda a avaliação dos impactos social e ambiental causados pela implantação do sistema na Comunidade de Praia Grande.

Ao final apresentam-se as conclusões, sugestões e recomendações para trabalhos futuros.

CAPÍTULO 1

DESCRIÇÃO DO SISTEMA HÍBRIDO E SUA IMPLANTAÇÃO

1.1 – INTRODUÇÃO

Considerando que a Comunidade de Praia Grande localiza-se às margens da Baía do Marajó e que possui um grande potencial eólico, chegou-se à conclusão que por meio da implantação de um sistema híbrido poder-se-ia obter bons resultados em termos de aproveitamento energético.

Nos meses de julho-agosto de 92 e fevereiro-março de 93 foram feitas medições de velocidade de vento a uma altura de aproximadamente 6 metros e os dados coletados mostraram que as velocidades tinham uma variação de 1 a 8 m/s, com média de 5 m/s. Então, com base nesses registros e com as características da Comunidade, também levantadas, pôde-se definir a configuração de um sistema que pudespôde-se atender às necessidades da Comunidade.

Primeiramente projetou-se uma turbina eólica de 15 kW para as condições locais de vento e com a expectativa do comportamento da demanda baseado no levantamento de carga realizado. Em seguida aumentou-se a geração com uma turbina eólica importada de 10 kW e 2 grupos geradores diesel de 7,5 kVA cada.

Nos itens que seguem são apresentadas de forma sucinta a caracterização da carga, a configuração do sistema e sua implantação. Maiores detalhes sobre esses assuntos podem ser obtidos na referência [6].

1.2 – CARACTERIZAÇÃO DA CARGA

Analisando-se as características da Comunidade, observadas com auxílio de levantamentos sócio-econômicos, identificou-se o perfil da carga para a Comunidade de Praia Grande. Nos levantamentos, pesquisou-se junto às famílias quais os eletrodomésticos e quantidade de luminárias que seriam utilizados caso houvesse a implantação de um sistema de geração de energia e, com base nessas informações, configurou-se então o sistema.

Segundo o levantamento feito no local, a Comunidade era composta, na ocasião (janeiro/97), de 125 habitantes, 22 residências, 1 centro comunitário, 1 escola, 1 depósito, 1 bar, 1 padaria e 1 usina de beneficiamento de fibra de coco. Percebe-se que o consumo é tipicamente residencial, tendo uma pequena contribuição na iluminação pública com aproximadamente 20 luminárias.

1.3 – CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA

O sistema híbrido eólico-diesel de Praia Grande compõe-se de duas turbinas eólicas de 10 e 15 kW, respectivamente, dois grupos geradores diesel de 7,5 kVA cada, dois sistemas de armazenamento compostos de 18 e 20 baterias de 12 V/150 Ah cada e os equipamentos de condicionamento de potência. O diagrama de blocos do sistema de Praia Grande pode ser visto na figura 1.1.

~

_~

~

~

Figura 1.1 – Configuração básica do sistema de Praia Grande.

1.3.1 – GERAÇÃO EÓLICA

A turbina eólica de 15 kW foi projetada por professores da Universidade Federal do Pará (UFPA), com as seguintes características: rotor tripá com 12 m de diâmetro e passo fixo, potência de 15 kW, para velocidade nominal de 10 m/s, e posicionamento da turbina no vento por meio de sistema de leme controlado por um atuador linear. A turbina está montada a 15 m de altura sobre uma torre treliçada auto-portante e é composta ainda de uma plataforma giratória (gôndola), onde estão montados a caixa de multiplicação com transmissão 1:40, o sistema de freio a disco e o gerador de indução trifásico tipo gaiola de esquilo, com potência nominal de 15 kW, além de outros acessórios.

A distribuição dos componentes na gôndola pode ser vista na figura 1.2. 2 3 4 5 6 7 8 9 1 5 1 2 3 5 4 6 7 8 9

Cubo de fixação das pás Sistema de freio

Haste de acionamento do freio Eixo principal

Luvas elásticas de acoplamento

Gerador de indução Suporte do leme

Plataforma giratória Caixa de multiplicação

Figura 1.2 – Distribuição dos equipamentos na gôndola.

Além desses equipamentos, o sistema de geração eólico de 15 kW é composto por um banco trifásico de capacitores, com capacitância de 137 µF por fase e potência de 7,5 kVAr em 220V, utilizado na excitação do motor de indução; um banco de 20 baterias chumbo-ácido de 12 V/150 Ah cada, ligadas em série (216 V); um retificador trifásico 220 V a diodo e um inversor estático monofásico com tensão nominal de 220 VDC/120 VAC e

Figura 1.3 – Vista da turbina eólica de 15 kW.

A turbina eólica importada de 10 kW é composta de um rotor tripá de 7 m de diâmetro, tem potência nominal de 10 kW na velocidade de 12,4 m/s. A turbina está instalada em uma torre treliçada estaiada de 20 m de altura.

Fazem parte do sistema de geração dessa turbina alguns componentes de condicionamento de potência tais como: dois inversores de 4 kW cada, um centro de controle DC, um controlador de carga (VCS-10) e um transformador rebaixador, além de um banco de baterias composto de 20 baterias de 12 V/150 Ah cada, ligadas em série e paralelo, resultando em 48 VDC.

O alternador dessa turbina é um gerador síncrono de ímãs permanentes, produzindo tensão sempre que o rotor estiver girando. Como não há caixa de transmissão, o rotor trabalha em altas rotações.

Este tipo de turbina eólica possui uma estrutura principal que faz sua atracação ao leme, o qual é o responsável pela orientação da turbina no vento com um grau de liberdade de 3600. A figura 1.4 mostra a turbina eólica de 10 kW.

Figura 1.4 – Vista da turbina de 10 kW.

1.3.2 – GERAÇÃO DIESEL

A geração diesel que complementa o sistema eólico é composta de dois grupos diesel monofásicos, de 7,5 kVA cada, que fornecem tensão de saída de 110 ou 220 V e possuem partida manual ou elétrica.

O sistema diesel é utilizado como complemento da geração eólica nos períodos de baixas velocidades de vento ou de calmaria.

Os geradores diesel podem ser utilizados isoladamente ou em paralelo com o sistema eólico. Entretanto, para utilizá-los em paralelo deve-se fazer o controle de sincronização dos dois grupos diesel entre si e também com o inversor do sistema eólico. [7]

Uma vantagem de se utilizarem dois grupos geradores de 7,5 kVA cada, ao invés de um só de 15 kVA, é que, por se tratar de uma carga instalada pequena, pode-se dividir o trabalho alternadamente entre um grupo diesel (A) e o outro (B). Isso facilita a manutenção periódica dos mesmos e também proporciona um aumento da vida útil, já que os tempos de operação são reduzidos. Deve-se observar também que a eficiência do equipamento diminui quando é utilizado um grupo gerador de grande capacidade para atender a uma carga pequena (menor que 50% da sua potência nominal). Os grupos geradores diesel de Praia Grande podem ser vistos na figura 1.5.

1.3.3 – BANCOS DE BATERIAS

Os bancos de baterias foram projetados para o sistema eólico-diesel de Praia Grande com o objetivo principal de entregar aos inversores tensões constantes dentro das faixas de operação destes e, eventualmente, fornecer energia à carga, através dos inversores, durante os períodos em que as velocidades de vento sejam insuficientes para gerar energia. A energia gerada pelas turbinas é retificada antes de carregar as baterias e alimentar, então, as entradas dos inversores.

Os bancos de baterias que constituem o sistema híbrido de Praia Grande foram projetados distintamente, devido aos sistemas eólicos (turbina de 15kW e 10 kW) serem concebidos em épocas diferentes.

O banco de baterias que compõe o sistema da turbina de 15 kW foi escolhido na configuração de 18 baterias de 12 V/150 Ah em um arranjo série, para obter tensão de 216 VDC, que é a tensão de entrada do inversor monofásico de 15 kW.

Este sistema, apesar de já ter sido testado em laboratório e em campo, ainda não se encontra operando definitivamente.

O banco de baterias que constitui o sistema eólico de 10 kW é composto de 20 baterias automotivas de 12 V/150 Ah, conectadas em série/paralelo, resultando em uma tensão de 48 VDC. Como o outro banco de baterias, este foi configurado de modo a atender as tensões

de entrada dos inversores de 4 kW. Este banco de baterias encontra-se em funcionamento definitivo. A figura 1.6 mostra o banco de baterias implantado em Praia Grande.

Figura 1.6 – Banco de baterias de 48 V.

1.3.4 – CONDICIONAMENTO DE POTÊNCIA E ACESSÓRIOS

Nos sistemas híbridos de geração de energia, principalmente os de pequeno porte, utilizam-se equipamentos que auxiliam os de geração de energia, de modo que se possam garantir principalmente os limites desejáveis de tensão e freqüência.

O retificador que constitui o sistema eólico de 15 kW foi projetado e construído por professores do Laboratório de Engenharia Elétrica da UFPA, com o objetivo de retificar a tensão trifásica variável gerada pela turbina e alimentar o banco de baterias. Na configuração do retificador foram utilizados diodos ao invés de tiristores, de modo a reduzir os custos.

O controlador de carga VCS-10 é utilizado como retificador no sistema eólico de 10 kW, sendo alimentado pela tensão variável gerada pela turbina, que anteriormente passa

por um transformador rebaixador trifásico de 30 kVA, ligado em delta, regulado para operar até 480 V no lado primário e 240 V no secundário. Depois da tensão ser retificada, ela é entregue ao banco de baterias e, através do centro DC, alimentada no inversor.

O inversor utilizado no sistema eólico de 15 kW é do tipo estático monofásico, com tensão nominal de 220 VDC e saída de 120 VAC em 60 Hz, e com faixa de operação

compreendida entre 187 e 264 VDC. Quando a tensão está fora desses limites, o inversor

interrompe o fornecimento de energia para a rede de distribuição até que a condição normal seja restabelecida.

Os inversores utilizados no sistema eólico de 10 kW são dois de 4 kW, programáveis, com tensão de entrada de 48 VDC, tensão de saída de 120 VAC e freqüência de

60 Hz. Eles podem ser ajustados através da programação feita pelo operador, podendo interromper o fornecimento de energia para a rede de distribuição, se a tensão do banco de baterias cair abaixo do valor ajustado.

Em operação normal, o VCS-10 faz a regulação do banco de baterias em 2,3 V por célula, e em alta regulação em 2,65 V por célula, ou seja, o VCS-10 controla a mínima e a máxima carga que pode ser dada ao banco de baterias. Isto pode ser observado na parte frontal do VCS-10 através de LEDs verde e vermelho. Toda esta regulação é feita para a operação de baterias do tipo chumbo-ácido.

O centro de controle DC, como o próprio nome já diz, é o ponto comum de toda a parte elétrica DC. A figura 1.7 ilustra os equipamentos de condicionamento de potência utilizados no sistema híbrido de Praia Grande.

Figura 1.7 – Vista dos equipamentos de condicionamento de potência.

Um diagrama esquemático do sistema de geração completo, incluindo bancos de baterias e demais acessórios é mostrado no próximo capítulo (figura 2.16).

1.3.5 – REDE DE DISTRIBUIÇÃO

A rede de distribuição de eletricidade da Comunidade de Praia Grande é monofásica, em 120 V, e foi projetada pela CELPA (hoje REDE-CELPA) e pelos professores do Departamento de Engenharia Elétrica (GEDAE). A opção pelo sistema monofásico em baixa tensão deve-se á sua curta extensão, ao número reduzido de residências e, também, á pequena carga evidenciada no levantamento feito no início do projeto. Os condutores utilizados são os cabos de alumínio de bitola 2 AWG CA.

Ao longo da rede de distribuição encontram-se instaladas luminárias simples e econômicas, de forma a permitir a circulação de pedestres em períodos noturnos. As luminárias instaladas foram adaptadas de lâmpadas fluorescentes de 20 W, colocando-se uma proteção em alumínio de modo a aumentar a sua resistência ao tempo. Essas luminárias são equipadas com sensores fotoelétricos, de modo a se ter uma maior economia e evitar consumo desnecessário durante o dia.[6]

1.3.6 – ESTAÇÃO METEOROLÓGICA

De modo a coletar dados meteorológicos para análise, optou-se pela estação meteorológica NRG 9200-PLUS, que possibilita a utilização de até 3 canais para medição de velocidades de vento, 2 para direção, mais um canal extra com entrada analógica, utilizado para o sensor de radiação (piranômetro) ou para o de temperatura. Os sensores da estação meteorológica foram instalados ao longo de uma torre de 30 m de altura. A instalação da estação tem também como objetivo permitir estudos comparativos dos desempenhos dos aerogeradores do GEDAE (15 kW) e da BERGEY (10 kW).

A NRG 9200-PLUS é um microprocessador de baixa potência - sistema registrador de dados de medição controlado. Tem um baixo consumo de energia: as duas baterias alcalinas utilizadas (9 volts cada) duram aproximadamente 4 meses, devendo ser trocadas, segundo recomendações do fabricante, sempre que sua tensão encontrar-se abaixo de 7 volts.

A unidade de aquisição e armazenamento de dados (DATA LOGGER) tem capacidade de armazenamento em memória EEPROM, em dois circuitos integrados (CI’s) de 32 kB cada, o que representa uma autonomia de 37 dias de leitura contínua (dependendo da quantidade de sensores utilizados e do período de integração dos dados). O sistema pode usar

intervalos de integração de 10 ou 60 minutos. Esse intervalo de tempo, bem como o número total de sensores utilizados, deve ser definido antes do início da operação. Os valores de velocidade de vento e de desvio padrão são baseados em amostragens de 2 segundos.

A figura 1.8 mostra o posicionamento dos sensores ao longo da torre e a figura 1.9 mostra a unidade de aquisição de dados da estação meteorológica instalada em Praia Grande.

Pára-raios Sensor de direção Anemômetros Sensor de temperatura Unidade de aquisição de dados Piranômetro 30 m 3 m 15 m 25 m

Figura 1.8 – Esquema do posicionamento dos sensores.

1.4 – IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA

Deve-se mencionar que a implantação do sistema híbrido de Praia Grande, desde a escolha do local até a fase final de entrega à comunidade, ocorreu em diversas etapas. Desta forma, descrevem-se a seguir as etapas de implantação do sistema híbrido.

1.4.1 – OBRAS CIVIS

O início desta etapa ocorreu com a escolha do local para a construção da casa de comando. As dimensões da casa de comando foram fixadas de modo que se disponibilizasse espaço para todos os componentes necessários ao sistema, tais como banco de baterias, grupos geradores diesel e os equipamentos condicionantes de potência. A casa de comando encontra-se dividida em dois ambientes; em um deles alojam-encontra-se os grupos geradores dieencontra-sel e no outro o banco de baterias e demais equipamentos.

Um esquema representativo da distribuição dos equipamentos na casa de comando pode ser visto na figura 1.10.

1 2 4 5 2 3 8 9 10 11 12 ₁₃ 14 3 6 7 8 9 10 11 2 1 4 5 12

Grupos geradores diesel Tanque de combustível Chave trifásica Banco de Baterias Transformador Controlador de carga VCS-10 Centro de força DC Inversores programáveis Chave geral Quadro de comando Inversor estático Porta frontal de acesso

6 7 13 14 Banco de capacitores Retificador

Em seguida, escolheram-se os locais para a implantação do aerogerador de 15 kW, das bases de concreto para a torre da estação anemométrica e, finalmente, das fundações da torre da turbina de 10 kW. Em todas as etapas da construção civil, fundações e concretagens contou-se com o apoio do Departamento de Construção Civil da UFPA, nos projetos das torres e definição dos materiais, e a participação de membros da Comunidade, na execução das obras.

1.4.2 – TURBINA DE 15 kW

A implantação da torre auto-portante deu-se com o auxílio de um trator, para iniciar o processo de subida e, posteriormente, com um cabo preso no topo da torre, puxado por um guincho manual (tifor). A figura 1.11 mostra um momento da operação. A torre foi projetada por professores do Departamento de Engenharia Civil da UFPA com o objetivo de reduzir custos e aproveitar a experiência técnico-científica local.

Após o levantamento da torre, colocou-se a escada lateral, a plataforma giratória (gôndola) e os demais equipamentos que compõem a turbina eólica de 15 kW. Essa instalação ocorreu em várias etapas, que foram executadas em uma seqüência de forma a deixar a gôndola sempre o mais equilibrada possível.

Atualmente a turbina eólica encontra-se montada e em testes, de forma que se possa em breve entregá-la definitivamente à Comunidade.

Figura 1.11 – Montagem da torre auto-portante de15 m.

1.4.3 - GRUPOS GERADORES DIESEL

Os dois grupos geradores diesel foram montados um ao lado do outro sob sapatas de borracha para não sofrerem grandes vibrações. Aos mesmos foram adaptados tubos de escapamento de maneira a expelir a fumaça para o lado de fora da casa de comando.

Desde o início de sua implantação, em julho de 97 para o primeiro grupo diesel e em agosto do mesmo ano para o segundo, o número de horas é anotado diariamente em planilhas, para que se possa ter uma medição precisa do tempo de funcionamento e também saber a quantidade de combustível gasta. A quantidade de óleo lubrificante, cuja troca ocorre a cada 100 horas de trabalho, também é anotada.

Atualmente os grupos diesel operam isolados do sistema eólico, mas suas saídas estão conectadas ao quadro de comando, que fornece os valores de tensão, corrente, freqüência e o número de horas de trabalho, por meio de horímetros. Os grupos diesel operam

individualmente, pois os controles de sincronismo estão ainda sendo desenvolvidos, para futura implementação.[7]

1.4.4 – REDE DE DISTRIBUIÇÃO

A instalação da rede foi feita por técnicos da CELPA, com o auxílio dos moradores da Comunidade. A rede mede aproximadamente 1.600 m, quase em linha reta, é composta de cabos de bitola 2 AWG CA, fase e neutro, e colocada em 41 postes de madeira de 4,8 m de altura, distanciados de aproximadamente 40 m entre si. A manutenção da rede de distribuição é feita com o auxílio dos moradores da Comunidade. Um croqui da rede de distribuição é apresentado no próximo capítulo (figura 2.44).

1.4.5 – INSTALAÇÕES RESIDENCIAIS

As instalações elétricas residenciais foram feitas inicialmente pelos membros do GEDAE e concluídas pelos próprios moradores, após receberem o treinamento adequado.

Cada residência possui em média uma lâmpada fluorescente de 20 W em cada compartimento, duas tomadas e um disjuntor de 10 A. Na ocasião da instalação elétrica residencial, por meio de palestra e distribuição de cartilhas, recomendou-se que o uso da energia fosse controlado, evitando-se os desperdícios e os utensílios de altos consumos, como por exemplo o ferro elétrico.

1.4.6 – ESTAÇÃO METEOROLÓGICA

A torre escolhida para a montagem da estação meteorológica foi projetada e construída pelo GEDAE com suporte técnico do Departamento de Construção Civil da UFPA

e tem uma altura de 30 metros. A base da torre foi construída com articulações, de modo a facilitar a sua montagem ou desmontagem.

A torre tem 3 níveis de estais, sendo o primeiro a 10, o segundo a 20 e o terceiro a 29,7 metros de altura, a partir da base. A fixação dos equipamentos de medição (sensores) por meio de abraçadeiras foi feita com a torre na posição horizontal, sendo a mesma posteriormente erguida com o auxílio de um guincho manual. A torre tem ainda um sistema de proteção contra raios, instalado no seu topo.

Devido à instalação da estação meteorológica, pode-se ter um melhor conhecimento do comportamento do vento e da radiação solar no local, desde abril de 1998.

1.4.7 – TURBINA DE 10 kW

A implantação da turbina de 10 kW iniciou-se com a preparação do local para a concretagem das bases dos estais de fixação dos cabos da torre treliçada de 20 m de altura. Essa torre foi erguida da mesma forma que a da estação anemométrica. Ela é sustentada por meio de 3 níveis de estais com 4 pontos de atracação. Após o processo de levantamento, a turbina foi erguida com o auxílio de andaimes e um guincho manual e os equipamentos de condicionamento de potência instalados na casa de comando.

Atualmente, a turbina encontra-se em funcionamento e atendendo às necessidades básicas de energia elétrica. Em períodos onde a velocidade de vento é mais favorável, tem-se uma maior quantidade de energia disponível para os moradores da Comunidade.

1.5 – COMENTÁRIOS

A configuração do sistema foi definida de forma a atender às necessidades básicas da Comunidade de Praia Grande e a implantação ocorreu por etapas, não sendo o sistema concebido totalmente de uma única vez. Apesar disso, notava-se a satisfação dos moradores da Comunidade após a cada fase concluída do projeto, através de seu empenho em colaborar com os serviços nas fases seguintes.

O sistema híbrido de geração de energia de Praia Grande encontra-se funcionando satisfatoriamente, com exceção da turbina eólica de 15 kW, que ainda necessita de alguns testes, devendo ser futuramente inserida no sistema a fim de complementá-lo.

A monitoração do desempenho dos equipamentos, da carga e dos parâmetros meteorológicos tem sido feita e os dados obtidos estão sendo analisados. Essa análise é apresentada no próximo capítulo.

CAPÍTULO 2

MONITORAÇÃO E ANÁLISE DO DESEMPENHO DO SISTEMA

2.1 – INTRODUÇÃO

Registros contínuos de velocidade e direção de vento, radiação solar e temperatura, por longos períodos, são necessários para estudos confiáveis desses parâmetros. Contudo, com um ano de dados já se pode ter uma avaliação razoável do comportamento dos dados meteorológicos disponíveis. Esses parâmetros são de vital importância na escolha da configuração do sistema de geração de energia elétrica, utilizando fontes de energia renováveis, e também para a análise do seu desempenho.

Com auxílio dos dados meteorológicos adequadamente tratados, pode-se também, por meios de instrumentos adequados, monitorar o desempenho de cada equipamento utilizado na geração de energia. Essa monitoração deve ser feita em registros contínuos, para que se possa avaliar melhor a eficiência de todo o sistema.

A monitoração pode ser feita com o auxílio de instrumentos que registrem os dados, mas não necessariamente de forma contínua. Porém, os resultados obtidos com a monitoração descontínua fornecerão somente uma estimativa da eficiência do sistema.

Com os registros de dados obtidos pela monitoração, pode-se estimar a curva de carga, quantificar a geração eólica e/ou solar, conforme especificação dos equipamentos, e comparar com a disponibilidade do recurso renovável e ainda verificar o desempenho do sistema de armazenamento de energia.

2.2 – DADOS METEOROLÓGICOS

Os dados meteorológicos são coletados mensalmente e tratados em seguida no programa que acompanha a estação meteorológica, e também com o auxílio de um outro programa desenvolvido em BASIC dentro da planilha do EXCEL.

Alguns detalhes sobre as características da estação meteorológica NRG 9200-PLUS e o programa – NRG Systems Microsite 2.0 for Windows podem ser encontrados na referência [6].

Após a coleta e análise dos dados de velocidade e direção de vento durante o período compreendido entre 9 de abril de 98 e 20 de agosto de 99, pôde-se obter várias curvas, dentre as quais: velocidade de vento de um dia típico representativo do período, velocidade média mensal do período, distribuição de Weibull, probabilidade de ocorrência de vento e temperatura média.

Devido a falhas ocorridas no sistema de aquisição de dados nos meses de abril e agosto de 99, as médias mensais desses meses refletem somente dez e vinte dias de dados, respectivamente.

De posse dos dados medidos no período considerado, observam-se algumas características do local referentes a velocidade e direção de vento e radiação solar. O período de agosto a dezembro tem as melhores velocidades de vento, sendo outubro o melhor mês. O mês de maio de 99 mostra-se com uma velocidade média baixa, sendo considerado como um período atípico. Um perfil das velocidades médias mensais pode ser visto na figura 2.1 e os dados correspondentes na tabela 2.1. [1,8,9]

Velocidade Média Anual 1 2 3 4 5 6 7 8 Mai/9 8 Jun/ 98 Jul/9 8 Ago/ 98 Set/9 8 Out/9 8 Nov/ 98 Dez/9 8 Jan/ 99 Fev/ 99 Mar/9 9 Abr/9 9 Mai/9 9 Jun/ 99 Jul/9 9 Ago/ 99 Mês V e lo ci d ade ( m /s ) Anemôm. 25m de altura Anemôm. 15m de altura Média 25m(4,90m/s) Média 15m(5,03m/s)

Figura 2.1 – Perfil da média mensal da velocidade de vento.

(Obs.: As médias referentes aos meses de abril e agosto de 99 referem-se a 10 e 20 dias, respectivamente). Velocidades Médias Mês Anemômetro 25 Anemômetro 15 Mai/98 4,43 4,58 Jun/98 5,07 5,15 Jul/98 5,12 5,09 Ago/98 5,89 6,04 Set/98 6,69 6,84 Out/98 7,07 7,26 Nov/98 5,95 6,14 Dez/98 5,58 5,80 Jan/99 4,56 4,70 Fev/99 4,03 4,15 Mar/99 3,62 3,72 Abr/99 3,20 3,26 Mai/99 2,73 2,86 Jun/99 4,49 4,62 Jul/99 4,57 4,68 Ago/99 5,39 5,51 Média (m/s) 4,90 5,03

Tabela 2.1 – Velocidades médias mensais em Praia Grande.

Com referência à figura 2.1, nota-se que a velocidade média de vento no anemômetro situado a 15 m de altura é um pouco maior que aquela no anemômetro situado a

25 m. Isto se deve, talvez, ao fato de que o anemômetro localizado a 15 metros se encontra próximo de um barranco de aproximadamente 10 m, ocasionando um ganho de velocidade.

Os dados relacionados à radiação solar só foram coletados a partir do mês de junho de 98, devido a alguns problemas ocorridos na unidade de aquisição de dados. Os dados foram tratados até o mês de abril de 99, onde foram considerados somente dez dias devido ao restante do período conter dados inválidos.

Na figura 2.2 pode ser visto que a radiação solar global de maior média mensal ocorre no período compreendido entre junho e outubro. O mês de março, que aparece com um valor acima da média de radiação, apresenta dados um tanto quanto inconsistentes. Isso deve-se a algumas falhas já apredeve-sentadas na unidade de aquisição de dados da estação meteorológica. Os dados referentes ao gráfico abaixo podem ser vistos na tabela 2.2.

RADIAÇÃO MÉDIA 200 250 300 350 400 450 500 550 600

JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV MAR ABR

MÊS

W/

m

2

Radiação Média mensal Radiação Média do período

Mês Radiação média mensal Jun/98 489,76 Jul/98 485,26 Ago/98 556,84 Set/98 557,36 Out/98 528,79 Nov/98 452,73 Dez/98 427,01 Jan/99 383,54 Fev/99 379,01 Mar/99 525,71 Abr/99 480,98 Média (W/m2_{) 478,82}

Tabela 2.2 – Dados de radiação solar global em Praia Grande.

A figura 2.3 mostra o perfil da velocidade de vento de um dia típico para a localidade de Praia Grande. Pode-se notar que a velocidade média se mantém próxima de 5 m/s, tendo valores máximo e mínimo de 8 e 2 m/s, respectivamente. Os dados de velocidades média de um dia típico são muito importantes para o projeto de turbinas eólicas específicas para a região. Para o anemômetro localizado a 15 m de altura, os valores de velocidade de vento apresentam-se com uma média um pouco acima, a figura 2.4 mostra esses dados.

Observa-se, também, que a velocidade média de um dia típico representativo do período considerado, apresenta características de manter-se próxima de 5 m/s pela manhã e com leve tendência a baixar no período das 12 horas, tendo no período da tarde até a noite uma elevação. Este último período coincide com a entrada das cargas na rede de distribuição.

Diurnal Wind Speed Pattern

Figura – 2.3 – Perfil da velocidade de vento de um dia típico do período (25m).

Diurnal Wind Speed Pattern

Hours

Wind Speed in M/S

Na figura 2.5 observa-se que o vento tem a predominância de direção Leste para o período considerado.

S

N

E

W

Percent of Total Wind Ene Percent of Total Time

Inner circle = 0% Outer circle = 60% Outer numbers are averag TIs for that sector

Figura 2.5 – Rosa dos ventos para o anemômetro a 25 m (sensor de direção a 30m).

Outra curva representativa dos dados meteorológicos analisados é a distribuição de freqüência. Os dados representam o percentual de tempo para um determinado valor da velocidade de vento. Esses valores são utilizados para o cálculo da energia disponível no vento. As figuras 2.6 e 2.7 mostram as curvas de distribuição de freqüência para os anemômetros localizados a 25 e 15 m de altura, respectivamente.

Frequency Distribution Graph

Relative Frequency %

Energy Density kWh/m2

Wind Speed in M/S

Figura 2.6 – Distribuição de freqüência (25m).

Frequency Distribution Graph

Relative Frequency %

Energy Density kWh/m2

Wind Speed in M/S

As figuras 2.6 e 2.7 mostram que para o anemômetro localizado a 25 m as velocidades mais freqüentes, acima de 12%, estão entre 3 e 7 m/s, sendo a maior densidade de energia 350 kWh/m2_{, para 8 m/s. Para o anemômetro localizado a 15 m de altura, as}

velocidades mais freqüentes, acima de 12%, estão entre 5 e 7 m/s, com a densidade de energia atingindo 370 kWh/m2_{, para ventos de 8 m/s.}

Sendo o mês de outubro o período de maior velocidade média de vento (7,07 m/s) e maio o mês de menor velocidade média (2,73 m/s), é interessante traçar os histogramas desses meses, que podem ser vistos nas figuras 2.8 e 2.9, respectivamente. Observa-se nessas figuras que há um deslocamento do percentual das velocidades no mês de outubro, para a direita, e em maio, para a esquerda.

Frequency Distribution Graph

Relative Frequency % Energy Density kWh/m2

Wind Speed in M/S 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 12 24 36 48 60 Energy Density Relative Frequency Site Number: 0001 Start Date: 98-10-01 End Date: 98-10-31

Frequency Distribution Graph

Relative Frequency % Energy Density kWh/m2

Wind Speed in M/S 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2 4 6 8 10 Energy Density Relative Frequency Site Number: 0002 Start Date: 99-05-01 End Date: 99-05-31

Figura 2.9 - Distribuição de freqüência em maio de 99 (25m).

Um registro contínuo de velocidades médias horárias de vento, referente a um período de um ano de dados (09/04/98 a 09/04/99), pode ser visto na figura 2.10. Nota-se neste registro, que poucas vezes a velocidade de vento atinge a faixa entre 10 e 12 m/s.

Os dados dessa curva, que compreende um ano de dados, servirão para as simulações e analises de desempenho dos equipamentos de geração de energia eólica, curva de carga e sistema diesel executadas no programa Hybrid2 [10] e apresentadas no Capítulo 3.

M ÉDIA HORÁ RIA (25 m etros)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 876 1752 2628 3504 4380 5256 6132 7008 7884 8760 Hora Velocidade (m/s)

Os cálculos estatísticos para tratamento de dados de vento são utilizados, entre outras coisas, para se obterem distribuições que possam ser utilizadas para estimar as velocidades de vento a qualquer tempo, conhecidos os parâmetros das distribuições. Normalmente é utilizada a distribuição de Weibull, por necessitar de dois parâmetros na sua definição. Os parâmetros são o fator de escala, C (m/s), e o fator de forma, K. Essa distribuição pode ser reduzida à de Rayleigh quando K = 2 e C = 2Vm (π)1/2. A distribuição de

Rayleigh é utilizada por sua simplicidade, pois utiliza somente a velocidade média como parâmetro. Entretanto, ela é limitada por não representar com precisão as altas velocidades.

A função densidade de probabilidade de Weibull [8, 9] pode ser expressa da seguinte forma:

p(V) = K/V (V/C)K-1 _exp{-(V/C)K_{} (2.1)}

onde:

p(V) = freqüência de ocorrência da velocidade V C = fator de escala (m/s).

K = fator de forma

A distribuição cumulativa de Weibull, P(V), é a probabilidade da velocidade ser maior que um valor V, e pode ser expressa como:

P(V) = exp {-(V/C)K} (2.2)

A figura 2.11 mostra a distribuição cumulativa e a sua função complementar para o período de um ano de dados coletados em Praia Grande. A curva refere-se ao anemômetro localizado a 25 m de altura.

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Velocidade (m/s) P rob ab ilid ad e P(v) 1-P(v)

Figura 2.11 - Distribuição cumulativa e sua função complementar (25m).

Na figura 2.11, observa-se que há uma média (50%) de velocidades próximas de 5,5 m/s (linha vermelha). Uma maior predominância (60%) com velocidades de 5,0 m/s e em menor escala (40%) em torno de 6,5 m/s. Estes dados mostram um comportamento típico de velocidades médias em torno de 5,0 e 6,5 m/s compreendidas entre 60 e 40% do tempo, respectivamente. Nota-se também que somente 20% do tempo é que ocorre velocidade próxima de 8,0 m/s.

A figura 2.12 é representativa da distribuição de Weibull para valores médios horários. Os dados dessa distribuição foram ajustados para um fator de escala C = 6,50 m/s e um fator de forma K = 2,50, mostrando que a velocidade mais freqüente anual ocorre próximo de 5,5 m/s, a qual está próxima da velocidade média anual (5,07 m/s).

Weibull

Velocidade (m/s)

p(

v)

Figura 2.12 - – Distribuição de Weibull (25m).

A figura 2.13, mostra a curva de radiação solar de um dia típico do período (junho 98 a abril de 99). Pode-se notar que a localidade oferece ótimas condições para o aproveitamento da energia solar para fins de geração elétrica.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223

Hora

W/m2

A figura 2.14 mostra o perfil das temperaturas médias mensais medidas na Comunidade. Essas temperaturas variam de 26,5 a 35,7 ºC nos meses de fevereiro a outubro, respectivamente. 0 10 20 30 40 50 60 Jun/ 98 Jul/9 8 Ago/ 98 Set/9 8 Out/9 8 Nov/9 8 Dez/9 8 Jan/ 99 Fev/9 9 Mar/9 9 Abr/9 9 Mai/9 9 Jun/ 99 Jul/9 9 Ago/ 99 ºC Temp. Mensais Média Período (32,48)

Figura 2.14 – Temperaturas médias mensais do período.

2.3 – CURVA DE CARGA

No capítulo 1, para o início do projeto, obteve-se o perfil da carga com auxílio de levantamentos sócio-econômicos. Atualmente, com a implantação do projeto na Comunidade, pôde-se monitorar a carga real em períodos distintos de 98 e 99 (novembro e dezembro de 98, fevereiro, março e setembro de 99). Os equipamentos utilizados para essa monitoração foram: um multímetro, para medir os valores de tensão e corrente no barramento de saída da casa de força, e um osciloscópio, para aquisição de dados, os quais serão abordados mais adiante por meio da análise das formas de onda [11,12]. Não obstante, os dados referentes à carga revelam uma situação representativa pontual das características relacionadas à Comunidade.

Um melhor levantamento com relação aos dados de carga deve ser realizado com equipamentos mais adequados e que possam fornecer registros de dados contínuos por um período mais longo, de pelo menos um ano de monitoração. Dessa maneira, poder-se-á ter uma melhor avaliação da carga da Comunidade. A figura 2.15 apresenta a curva de carga da Comunidade. CURVA DE CARGA 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS kW

Figura 2.15 – Curva representativa da carga da comunidade.

A estimativa da carga foi feita por meio de monitoração horária compreendida das 6 às 24 horas. Os dados relacionados aos horários das 1 às 5 horas foram estimados. No entanto, essa curva representa somente os dados medidos para os períodos mencionados e medidas horárias pontuais, não representando, portanto, a média ao longo de um ano de medidas contínuas.

Os pontos monitorados de carga e geração podem ser vistos na figura 2.16, a qual representa o diagrama esquemático do sistema de geração completo. O Ponto D (V, I) foi tomado como referência para monitoração da carga dentro da casa de comando.

Os dados foram então tratados de maneira a obter-se uma média. Em seguida, com o auxílio do programa Hybrid2, fez-se a integração dos dados de carga para o período de um ano, obtendo-se a curva de demanda para a Comunidade de Praia Grande, mostrada na figura 2.17.

Figura 2.16 – Diagrama esquemático do sistema de geração. 50 mm2 50 mm2 16 mm2 D (V, I) C (I) B (V) A (Vf, IL) 50 mm2 70 mm2 35 mm2 50 mm2 35 mm2 16 mm2 70 mm2 216 VDC BARRAMENTO DC GRUPO DIESEL GRUPO DIESEL INVERSORES INVERSOR QUADRO DE COMANDO BARRAMENTO AC RETIFICADOR BANCO DE CAPACITORES A B J A J B CENTRO DC 25 mm2 10 mm2 10 mm2 TRANSFORMADOR CHAVE VCS - 10 90A 50A

Figura 2.17 – Curva de demanda de carga representativa de um ano.

Além da monitoração da carga no barramento de saída da casa de comando, foram monitorados também outros pontos ao logo da rede de distribuição. Os dados monitorados e analisados referem-se tanto à geração eólica quanto à geração diesel.

A figura 2.18 refere-se aos dados obtidos em um ponto próximo da casa de comando, com a geração diesel, utilizando-se um osciloscópio Tektronix TDS 360.

Figura 2.18 – Forma de onda do sistema diesel (ponto próximo à casa de comando). Na figura 2.19 mostra-se um outro ponto de carga monitorado em uma das extremidades da rede de distribuição, distante cerca de 700 m da geração e após um ponto de carga com valores elevados para os padrões da Comunidade. Essa monitoração foi feita com a geração diesel em funcionamento.

Com o sistema eólico em funcionamento, foram feitas outras monitorações de carga em outros pontos ao longo da rede de distribuição. Na outra extremidade da rede de distribuição, que se encontra a uma distância maior que a referida anteriormente, nota-se que os valores de tensão e freqüência são melhores que os anteriores. As figuras 2.20 e 2.21 mostram os valores obtidos nas duas extremidades, esquerda e direita da rede de distribuição.

Figura 2.20 – Forma de onda do inversor (extremidade da esquerda da rede).

O que foi observado durante o período de monitoração das cargas, principalmente nas extremidades da rede de distribuição é que, dependendo do sistema de geração que está em funcionamento, há uma maior ou menor queda de tensão. A maior queda de tensão é verificada quando o sistema diesel está operando. Quando o sistema eólico está em funcionamento, a maior queda de tensão é verificada na extremidade da direita, por se encontrar após um ponto de carga elevada, apesar de se encontrar a uma distância mais próxima da geração.

Uma abordagem mais detalhada dos dados obtidos com as monitorações será feita nos tópicos a seguir.

2.4 – GERAÇÃO EÓLICA

2.4.1 – SISTEMA DA TURBINA DE 15 kW

Apesar de ainda não se encontrar em funcionamento, o sistema eólico de 15 kW foi testado em laboratório e realizados também alguns testes de campo, para verificar a sua funcionalidade, tais como: sistema de freio, controle do leme, feito por meio do atuador linear, e geração de eletricidade. O sistema comportou-se satisfatoriamente nos testes efetuados.

2.4.2 – SISTEMA DA TURBINA DE 10 kW

O sistema eólico que encontra-se em funcionamento é o da turbina de 10 kW, conectado a um banco de baterias, e operando de forma independente do sistema diesel. Assim sendo, quando está em operação, principalmente em períodos de ventos fortes, ele fornece potência suficiente para atender a carga instalada na Comunidade.

A geração foi monitorada da mesma maneira que a carga, e os pontos de coleta de dados são mostrados na figura 2.16. A geração eólica foi monitorada no ponto A, onde

localiza-se a chave trifásica referente à saída da turbina eólica. Nos ponto B, C e D, foram monitoradas a entrada e a saída do retificador, o banco de baterias e a carga, respectivamente. Os equipamentos utilizados foram um multímetro e um osciloscópio, e foram utilizados a mesma técnica e os mesmos períodos de monitoração da carga, descritos no item anterior.

De posse dos dados coletados nos pontos A, B e C da figura 2.16, obtiveram-se as curvas de geração eólica e, com os dados obtidos em D traçaram-se as curvas de carga e geração, que podem ser vistas na figura 2.22.

Algumas disparidades observadas na comparação das curvas devem-se ao reduzido número de amostras nos pontos monitorados, à falta de equipamentos adequados, para que a monitoração fosse feita por um período maior, e também à falta de registros contínuos. Da forma como foi feita a monitoração, perde-se muito tempo desde o seu início (ponto A) até o final da mesma (ponto D). Portanto, no momento em que se registravam os valores de geração tinha-se uma determinada velocidade, mas quando anotavam-se os valores de carga correspondentes, os valores de geração podiam ser outros, devido à variação da velocidade de vento. GERAÇÃO X CARGA 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HO RAS kW A ERO+BA TERIA CA RGA

Os baixos valores de potência gerada devem-se ao fato de que o perfil de velocidade de vento não é o mais adequado para a turbina eólica da Bergey, que é projetada para potência nominal de 10 kW com velocidade de vento de 12,4 m/s. A curva de potência da turbina de 10 kW é mostrada na figura 2.23. [13]

Percebe-se que no período das 7 às 15 horas o valor da carga é superior ao da geração, isso pode ser justificado em conseqüência que nesse período os valores de velocidade de vento são pequenos devido ao seu próprio perfil, logo a geração é menor que nos outros períodos do dia. Em contra-partida a carga nesse período é suprida pela geração diesel, quando necessária.

Figura – 2.23 – Curva de potência da turbina de 10 kW, segundo o fabricante. [13]

Com os dados coletados através da monitoração da geração e os de velocidade de vento, pôde-se fazer uma comparação entre a potência teórica e a gerada pela turbina de 10 kW. Os valores médios de velocidade de vento foram obtidos com base nos dados de um dia típico do ano e então aplicados à figura 2.23, para obter a curva de potência média teórica.