Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Vladimiro Henrique Barrosa Pinto de Miranda, do Prof. Doutor Luís Henrique Martins Borges de Almeida e do Prof. Doutor João Abel Peças Lopes

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de especialização de Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Sistemas para a geração de eletricidade a partir de fontes renováveis de energia, com um mínimo impacto ambiental, apresentam uma contribuição energética cada vez mais significativa, sendo importante conhecer em detalhe o comportamento dos mesmos. A radiação solar e o vento podem se mostrar complementares, sendo interessante empregar uma combinação eólica e fotovoltaica em um sistema único. Os sistemas assim constituídos recebem o nome de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos e em algumas aplicações podem mostrar vantagens em relação aos sistemas singelos. Esta Tese tem por objetivo contribuir com o conhecimento sobre o comportamento de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos de pequeno porte. Para obter dados experimentais foi montado um protótipo no Laboratório de Energia Solar, constituído de um painel de 420 Wp e de um aerogerador de 400 W de potência nominal, sendo que para o acionamento do aerogerador foi instalado um túnel de vento. Para a observação do comportamento do sistema híbrido foi também montado um sistema de monitoramento, sendo analisadas na Tese as incertezas associadas às medições realizadas. O sistema de monitoramento forma parte de um sistema mais amplo, que permite também o controle da velocidade do vento no túnel de vento e a ativação automática de um conjunto de cargas resistivas para simular o perfil de consumo. A Tese discute os modelos matemáticos de todos os componentes do sistema, assim como as principais configurações que podem ser dadas aos sistemas híbridos. Foram realizadas várias experiências com o sistema híbrido que permitiram a coleta de informações sobre o comportamento dos componentes independentes e como um todo Essas informações, por sua vez, serviram de base para a validação de modelos matemáticos dos diversos componentes do sistema, que foram integrados em um programa computacional de simulação elaborado como parte desta Tese. Além dos resultados do funcionamento do sistema híbrido experimental, a Tese mostra os resultados do programa de simulação e faz uma estimativa da aplicação de sistemas híbridos semelhantes em localidades de Rio Grande do Sul, a partir da informação do Atlas Eólico do Estado.

A energia solar e a energia eólica são fontes de energias renováveis com potencial inesgotável e que não liberam contaminantes ao meio ambiente. O uso destas energias em conjunto, explorando a sua complementaridade, pode viabilizar economicamente e permitir um uso confiável deste sistema, denominado sistema híbrido fotovoltaico-eólico, podendo ser um sistema autônomo de geração de energia elétrica. Dependendo das aplicações, o sistema híbrido fotovoltaico-eólico pode apresentar vantagens em comparação ao sistema que utiliza somente uma das fontes de energia solar ou eólica, dito singelo. A elaboração de mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico no Estado do Rio Grande do Sul, permitiria um melhor aproveitamento de sistemas híbridos fotovoltaico-eólico neste Estado do Brasil. O uso desses mapas é de grande valia para a identificação de potenciais locais geográficos para o emprego de sistemas híbridos fotovoltaico-eólico no Estado do Rio Grande do Sul. Através de uma pesquisa dos dados existentes e dos métodos utilizados para estimar a radiação solar e a velocidade dos ventos, obtiveram-se valores das médias trimestrais correspondentes às quatro estações do ano (verão, outono, inverno e primavera) e a média anual, que possibilitaram a elaboração dos mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico para serem utilizados em sistemas híbridos fotovoltaico-eólico no Estado do Rio Grande do Sul para estes períodos. A metodologia utilizada para a obtenção dos dados de mapas da velocidade dos ventos a 10 metros de altura no Estado do Rio Grande do Sul fez uso de um programa de leitura de mapas de velocidade do vento a 50 metros de altura e de rugosidade e, após foi feita a correção para obtenção da velocidade do vento a 10 metros de altura. Os dados referentes à radiação solar horizontal também sofreram uma correção da inclinação, para a obtenção da radiação incidente em uma superfície inclinada, de forma a obter-se o melhor rendimento do módulo fotovoltaico. A conclusão obtida é que existem regiões no Estado do Rio Grande do Sul que apresentam um potencial energético fotovoltaico-eólico que viabilizariam o uso dos sistemas híbridos fotovoltaico-eólico, possibilitando uma opção a mais para o uso de energias alternativas.

A utilização de fontes de energias renováveis vem a cada dia se destacando como forma de suprir um mundo em constante desenvolvimento tecnológico e crescimento econômico. O crescimento de uma economia é sempre acompanhado por um aumento da demanda de energia, e em tempos de aquecimento global e consciência ecológica, a busca pelo maior uso de fontes de energia renováveis passa a ocupar uma posição de destaque. O fato de mais de 8 milhões de pessoas, ou 5,2% da população, ainda esperarem pela disponibilidade de energia elétrica no Brasil, deve levar ao estudo e desenvolvimento de alternativas que preencham essa lacuna, e proporcionem uma maior qualidade de vida. Programas de incentivo criados pelo governo, como LUZ PARA TODOS, e o PRODEEM, e o potencial apontado pela energia dos ventos no Brasil, motivaram um estudo sobre como a reservação de energia hidráulica poderia afetar o uso da energia eólica em sistemas isolados. Este trabalho teve por objetivo estudar a influência das diversas variáveis presentes em um sistema de reservação de energia hidráulica, visando explorar o uso da energia eólica, e garantir o atendimento da crescente demanda energética. Através de simulações numéricas, utilizando o programa Visual Basic, variáveis como cotas entre reservatórios, proporção entre demanda e potências instaladas, e diferentes capacidades de reservatórios foram exploradas, e através do uso de reservatórios hidráulicos, foi possível elevar o atendimento de demandas em sistemas isolados de menos de 50% em sistemas convencionais, para 99,6% em sistemas com reservação hidráulica, e obter custos de energia próximos dos US$90/MWh. Estes dados situam o sistema de geração de energia eólica com reservação hidráulica em sistemas isolados dentro da faixa de atendimento e custos praticados atualmente, e abrem caminho para futuros estudos, avaliando diferentes regimes de ventos, ou aplicando a tecnologia de reservação hidráulica a outras fontes de energia renováveis, como a energia proveniente das ondas, por exemplo. / The use of renewable energy sources to supply a world in constant technological and economical development is a growing trend. A growing economy is always followed by an increased demand, and in a time of global warming and ecological awareness, the seeking for major renewable energy use takes a prominent position. In a continental country such as Brazil, the fact that 8 million people, or about 5.2% of population, are still waiting for electric energy, leads to the study and development of alternatives to fill this gap and to provide a better life quality. Incentive programs, by the Brazilian government, as LUZ PARA TODOS, and PRODEEM, and the great potential seen in the wind energy in Brazil, motivated a study about how pumped storage may affect the wind generation for isolated systems. The main goal of this work is to understand the influence of the several variables present on a pumped storage system, as a way to better use the wind energy, and to ensure the supply of the growing energy demand. Variables as vertical heads, demand to installed power ratio, and different reservoir capacities are studied, and by the use of hydraulic reservoirs, the feasibility of increasing the wind energy supply, from the 50% in conventional systems up to 99.6% on a pumped storage scheme, while obtaining energy costs around US$90/MWh, is demonstrated. These results place the pumped storage wind power within the expected supply reliability and energy cost levels actually practiced, and suggest future studies, evaluating different wind regimes, or applying the pumped storage technology to other renewable energy sources, such as ocean waves for example.

LEANDRO FILHO, F. de A. Avaliação estrutural de sistemas de geração de energia eólica de pequeno porte utilizando métodos estocásticos. 2012. 80 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2013-01-18T12:31:29Z No. of bitstreams: 1 2012_dis_faleandrfilho.pdf: 2022816 bytes, checksum: 95c9a7f46c7fbe4d519f8ff594aa0b1f (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2013-02-14T13:46:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_dis_faleandrfilho.pdf: 2022816 bytes, checksum: 95c9a7f46c7fbe4d519f8ff594aa0b1f (MD5) / Made available in DSpace on 2013-02-14T13:46:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_dis_faleandrfilho.pdf: 2022816 bytes, checksum: 95c9a7f46c7fbe4d519f8ff594aa0b1f (MD5) Previous issue date: 2012 / A structural evaluation of wind turbines is an issue that depends on many variables such as the wind regime, type and size of the wind turbine as well as the uncertainties related to these factors. To enter these uncertainties are established probability distributions for the physical parameters of the medium. In this paper, we propose a probabilistic structural analysis using the finite element method to evaluate the uncertainties associated with wind power generation. Assesses the response of the structure to random loads, for an analysis of system stability. With this purpose we developed a finite element model based on ANSYS R platform able to faithfully reproduce the behavior of the tower subjected to wind loads produced by wind in spades. A statistical approach, we determined the solution modal and dynamic response with respect to random wind loads. We used Monte Carlo method as the method of probabilistic analysis. Once charging is considered the random objective was to determine the variation of output parameters, given the initial uncertainties, analyze the characteristics of material properties, stresses, displacements, natural frequencies and frequency response of the structure to randomness of the wind. We analyzed the influence of each uncertainty about the response in the frequency domain. From the results, it can be concluded that the numerical tool used may represent efficiently models of stochastic processes in structures for wind power generation and perform sensitivity analysis of dynamic variables involved. / A avaliação estrutural de turbinas eólicas é um problema que depende de diversas variáveis tais como o regime de ventos, tipo e dimensões da turbina eólica, bem como das incertezas relacionadas a esses fatores. Para inserir essas incertezas, são estabelecidas distribuições de probabilidade para os parâmetros físicos do meio. No presente trabalho, propõe-se uma análise estrutural probabilística utilizando o método de elementos finitos para avaliação das incertezas associadas à geração de energia eólica. Avalia-se a resposta da estrutura a cargas aleatórias, para uma análise de estabilidade do sistema. Com esse intuito foi desenvolvido um modelo de elementos finitos baseado na plataforma ANSYS R capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento da torre eólica submetida à cargas produzidas pelo vento nas pás. Através de uma abordagem estatística, foi determinada a solução modal e a resposta dinâmica com respeito a cargas de vento aleatórias. Utilizou-se o método Monte Carlo como o método de análise probabilística. Uma vez que o carregamento é considerado aleatório o objetivo foi determinar a variação dos parâmetros de saída, dadas as incertezas iniciais, analisar as características das propriedades dos materiais, tensões, deslocamentos, frequências naturais e da resposta de frequência da estrutura a aleatoriedade do vento. Analisou-se a influência de cada incerteza sobre a resposta no domínio da frequência. A partir dos resultados, pode-se concluir que a ferramenta numérica utilizada é capaz de representar de forma eficiente modelos de processos estocásticos em estruturas para a geração de energia eólica e realizar a análise de sensibilidade das variáveis dinâmicas envolvidas.

SANTOS, N. Q. Ceará e a tendência de uma matriz energética com geração predominantemente eólio-elétrica. 2015. 144 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-12-10T18:53:42Z No. of bitstreams: 1 2015_dis_nqsantos.pdf: 6143979 bytes, checksum: 622bd05fa04f2f8870d98afc3db78ebf (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-12-18T13:12:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_dis_nqsantos.pdf: 6143979 bytes, checksum: 622bd05fa04f2f8870d98afc3db78ebf (MD5) / Made available in DSpace on 2015-12-18T13:12:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_dis_nqsantos.pdf: 6143979 bytes, checksum: 622bd05fa04f2f8870d98afc3db78ebf (MD5) Previous issue date: 2015-09-29 / Given the current scenery in Brazil, the replacement of the traditional hydrothermal-based power generation model for a hydro/wind-based one is very promising. It is worth to mention that the Brazilian power system has been based on hydropower generation for decades, but the energy matrix was gradually supplemented by the addition of thermal sources derived from fossil fuels. Recently, renewable energy sources such as biomass, solar, and wind have also been included. Within this context, the participation of the wind power has become significant since 2005, while the state of Ceará has shown great potential for the exploitation of such energy resource. In order to support the integration of the wind power to Ceará energy matrix, the profiles of capacity factors are evaluated in this work aiming at energy planning regarding wind farms. Considering the wind farms currently in operation, it can be stated that the hourly average wind speed for the analyzed period is 8.54 m/s for the database among the years 2012 and 2014. The Rayleigh and Weibull distribution functions also allow comparing the capacity factors obtained in simulation tests and actual data for the period between 2009 and 2014, involving 35 wind farms, defined according to the ONS grid procedures. Besides, it is possible to effectively compare the actual capacity factors with the predicted ones. The average capacity factor, which has been determined empirically in operating plants, is 39.9%, while the value corresponding to the distribution function curves, the FCavg, is 48%. Thus, the replacement of the current hydrothermal generation model for a hydro-wind-power-based one, in some regions of Brazil, is viable and of great importance within the current scenery of water reserves. The study also reveals that wind farms now account for 23.7% of the load demand in the state of Ceará, which is currently equal to 2 GWp. It is then possible to increase its contribution to 40%, thus increasing the installed capacity by 12.3%. In other words, it implies increasing the installed power from 1.1 GW to 2 GW, while the average capacity factor of 475 MWavg per year is increased to 800 MWavg, with the consequent diversification of Ceará energy matrix. This difference is estimated at 325 MWavg, which corresponds to more than 30 wind farms rated at 30 MW each / Diante do cenário atual, a substituição do tradicional modelo de geração hidrotérmico para hidroeólioelétrico no Brasil é bastante promissor. Deve-se ressaltar que o sistema elétrico brasileiro tem se baseado, há décadas, na geração hidráulica auxiliada por fontes térmicas oriundas de combustíveis fósseis. Recentemente, fontes de energia renovável como a de biomassa, a solar e a eólica vêm também sendo utilizadas. A participação das fontes eólicas tem sido significante desde 2005, tendo o Estado do Ceará demonstrado grande potencial para exploração desse recurso. Para amparar essa inserção na matriz energética cearense, os perfis dos fatores de capacidades são avaliados, neste trabalho, visando o planejamento de produção de energia elétrica nos parques eólicos. Para os parques eólicos em operação, constata-se que a velocidade média horária dos ventos ao longo do período analisado é de 8,54 m/s, conforme base de dados analisada entre 2012 e 2014. As funções de probabilidade de Rayleigh e Weibull permitiram também comparar os fatores de capacidade encontrados na simulação com os dados verificados, entre os anos 2009 e 2014, em 35 plantas eólicas enquadradas, conforme procedimento de rede do ONS, com o objetivo de avaliar a variação desse indicador. Além disso, é possível analisar comparativamente o valor real dos fatores de capacidade em função dos valores planejados. O fator de capacidade médio, determinado empiricamente, nas plantas em operação é 39,9%, sendo que o valor correspondente às curvas de distribuição de probabilidade da velocidade do vento, o FC médio, é 48%. Dessa forma, conclui-se que a alteração do modelo hidrotérmico para hidroeólicoelétrico para algumas regiões do Brasil é viável e de significativa importância, tendo em vista os cenários atu-ais de nossa reserva hídrica. O estudo ainda permite constatar que os parques eólicos atualmente representam 23,7% de participação da demanda de carga no Estado do Ceará, que corresponde atualmente a 2 GWp. Assim, é perfeitamente possível se alterar a participação para 40%, aumentando-se em 12,3% a capacidade instalada no Estado. Em outros termos, isso significa aumentar a atual participação de 1,1 GW para 2 GW de potência instalada, sendo que o fator de capacidade médio de 475 MW médios ao ano passaria a ser de 800 MW médio, o que permitiria a maior diversificação da matriz energética cearense. Essa diferença é estimada em 325 MW médios, o que corresponde a mais 30 parques eólicos de 30 MW cada.

SILVEIRA, J. V. P. Desenvolvimento de algoritmo e estudo de caso para processo de avaliação do local de acordo com a ABNT NBR IEC 61400-12-1 em aerogeradores de pequeno porte. 2015. 67 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-12-11T15:47:09Z No. of bitstreams: 1 2015_dis_jvpsilveira.pdf: 4727056 bytes, checksum: 87f607a6dd44248879629dc2e5191617 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-12-18T13:56:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_dis_jvpsilveira.pdf: 4727056 bytes, checksum: 87f607a6dd44248879629dc2e5191617 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-12-18T13:56:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_dis_jvpsilveira.pdf: 4727056 bytes, checksum: 87f607a6dd44248879629dc2e5191617 (MD5) Previous issue date: 2015-09-30 / The main objective of this work is to present a site evaluation study for the Power performance generator of small scale wind turbines (AEPP). The Brazilian norm ABNT NBR IEC 61400-12-1 and its annexes A (obstacle valuation) and B (terrain assessment) were used as reference. Two source codes were written in the R language in order to automate the evaluation process. Both source codes were validated through direct comparison between the results of the developed R codes and the results obtained by DNV GL, which has ISO17025 international laboratory certification for power performance measurements of wind turbines according to the IEC standard. The validated code was then used to evaluate possible positions for the AEPP power performance measurement in UFC. The topographic map was downloaded from the free database SRTM and the characteristic obstacles were determined by satellite images and photos of the area. Altogether, three areas and their respective pairs AEPP – anemometric tower were analyzed regarding their available measurement sector and the necessity or not to perform site calibration. / Este trabalho tem o objetivo de apresentar o estudo de avaliação do local para medição de curva de potência de aerogeradores de pequeno porte (AEPP). Foi utilizada como referência a norma brasileira ABNT NBR IEC61400-12-1 e seus anexos A (avaliação de obstáculos) e B (avaliação do terreno). Foram escritos dois códigos-fonte na linguagem R para automatizar o processo de avaliação. Os códigos-fonte foram validados por comparação direta entre os resultados obtidos pelos códigos desenvolvidos em R e os resultados obtidos pela empresa DNV GL, que possui certificação internacional de laboratório ISO17025 para medição de curva de potência de aerogeradores segundo a norma IEC. O código validado foi então utilizado para avaliar possíveis locais para medição de curva de potência de AEPP na própria UFC. O mapa topográfico do local foi adquirido da base de dados gratuita SRTM e os obstáculos do local foram caracterizados por imagens de satélite e fotos da região. No total, três áreas e os respectivos pares AEPP – torre anemométrica foram analisados em relação ao setor de medição disponível e a necessidade ou não de calibração do local.

LIMA, S. A. Estudo de medição e análise do ruído de aerogeradores de grande porte no Estado do Ceará. 90 f. 2015. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-01-13T11:35:07Z No. of bitstreams: 1 2015_dis_salima.pdf: 8284705 bytes, checksum: 2517e82743291d52d5f349e6d2377f73 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2016-01-13T17:08:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_dis_salima.pdf: 8284705 bytes, checksum: 2517e82743291d52d5f349e6d2377f73 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-13T17:08:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_dis_salima.pdf: 8284705 bytes, checksum: 2517e82743291d52d5f349e6d2377f73 (MD5) Previous issue date: 2015-09-28 / With the rapid expansion of wind power during the beginning of 21st century in Brazil and worldwide, many wind turbines of different and innovative technologies began operations. Many of the environmental and operational consequences of this expansion are still being studied and evaluated. Among the environmental consequences, one can mention the noise produced by larger diameter wind turbines, whose frequencies are often not audible, although perceptible to the human brain. In this work were made measurements of the noise associated with wind turbines in the state of Ceara. It was initially made the characterization of wind turbine noise, identifying sources, frequencies, composition, intensity and impacts to health. Experimental measurements of sound in large wind generators were made in direct-drive wind turbine generators, in the city of Aracati, State of Ceara, in the light of the international standard IEC 61400-11, documenting the methodology applied in a manner that is easily replicated. The experimental results were processed and analyzed according to the standard. Filters were applied in order to identify the frequency and types of most significant noise in the experiment, comparing them with the literature. The procedures performed and documented may be applied commercially to perform noise measurements under international standard, and in future studies applied to predictive maintenance and environmental engineering. / Com a rápida expansão da Energia Eólica ocorrida no início do Século XXI no Brasil e no mundo, muitos aerogeradores de tecnologias distintas e inovadoras iniciaram suas operações. Muitas das consequências ambientais e operacionais dessa expansão ainda estão sendo estudadas e avaliadas. Entre as consequências ambientais pode-se citar o ruído provocado pelo funcionamento de aerogeradores de maior diâmetro, cujas frequências não são muitas vezes audíveis, ainda que perceptíveis ao cérebro humano. Neste trabalho foram feitas medições do ruído associado a aerogeradores no Estado do Ceará. Foi feita inicialmente a caracterização do ruído de aerogeradores, identificando fontes, frequências, composição, intensidades e impactos à saúde. Foram realizadas medições experimentais de som em Aerogeradores de grande porte do tipo direct-drive na cidade de Aracati, no Estado do Ceará, à luz da norma internacional IEC 61400-11, documentando a metodologia aplicada de forma que seja facilmente replicada. Os resultados experimentais foram tratados e analisados conforme a norma. Filtros foram aplica- dos a fim de se identificar as frequências e o tipos de ruídos mais relevantes no experimento, comparando-os com a literatura. Os procedimentos executados e documentados poderão ser aplicados comercialmente para a realização de medições de ruídos à luz da norma internacional, e em estudos futuros aplicados à manutenção preditiva e à engenharia ambiental.