Thesis (MTech (Electrical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2017. / Globally governments are faced with challenges in the energy sector which are exacerbated by uncertain financial markets and resource limitations. The over utilization of fossil fuels for electricity generation has had a profound impact on the climatic conditions on earth. Coal power stations release carbon dioxide (CO2) during the combustion process and studies show that concentrations have sharply risen in the atmosphere. Adverse environmental conditions like global warming exist as a result of high greenhouse gas (GHG) emissions in particular CO2. In 2015 Eskom constructed Sere Wind farm with a supply capability of 100 MW. Due to the lack of technical expertise and skills with regard to the new technology within Eskom, Siemens was offered a 5 year maintenance contract. Siemens also provides training on basic operation and maintenance (O&M) of the wind farm to Eskom staff. This excludes specialised training on Siemens Turbine Condition Monitoring (TCM) systems which is a critical part to develop optimum maintenance strategies. This shortage of specialised skills in the application of condition monitoring techniques within Eskom is a major concern. If the most cost effective maintenance strategies during the contract period are implemented, the long term plant health and design life of Sere wind farm will be reduced. There is a need to develop new condition monitoring techniques to complement or address the shortcomings of the existing systems. Developing these skills will increase the understanding of the technology and improve the operating and maintenance of Sere wind farm.

CAPES / O objetivo deste trabalho é a implementação em simulação e experimental de um sistema eólico, desde a modelagem da turbina até a extração de potência para a rede baseado no conversor eletrônico back-to-back. É utilizado no sistema um gerador de indução com rotor em gaiola frente suas vantagens econômicas e facilidade de compra. O trabalho apresenta a estratégia de controle vetorial tanto do conversor do lado do gerador quanto do lado da rede. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do controle vetorial do gerador que utiliza apenas dois sensores de corrente e conta com uma estratégia de estimação de tensão nos terminais da máquina, estimação de fluxo no rotor e ainda estimação de velocidade, reduzindo o número de sensores para tal controle. Um protótipo foi desenvolvido em bancada para validar tais estratégias, onde os principais resultados são apresentados comprovando a estimação de tensão, a estimação de fluxo e de velocidade e a operação do sistema como gerador. / The objective of this work is the implementation of wind system, from the modelling of wind turbine until the power extraction to the grid, based on back-to-back converter. It is used a squirrel cage induction generator because it has economic advantages and it is easily found commercially. The paper presents all control strategy to the grid converter and the generator converter. This work implements a vector control that use just two current sensors and it has a strategy to estimate the voltage terminals machine, rotor flux and the rotor speed, reducing the number of sensors for this control. A prototype was developed to validate these strategies. The main results are presented to demonstrate the estimations and the system operating as generator.

CAPES / O objetivo deste trabalho é a implementação em simulação e experimental de um sistema eólico, desde a modelagem da turbina até a extração de potência para a rede baseado no conversor eletrônico back-to-back. É utilizado no sistema um gerador de indução com rotor em gaiola frente suas vantagens econômicas e facilidade de compra. O trabalho apresenta a estratégia de controle vetorial tanto do conversor do lado do gerador quanto do lado da rede. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do controle vetorial do gerador que utiliza apenas dois sensores de corrente e conta com uma estratégia de estimação de tensão nos terminais da máquina, estimação de fluxo no rotor e ainda estimação de velocidade, reduzindo o número de sensores para tal controle. Um protótipo foi desenvolvido em bancada para validar tais estratégias, onde os principais resultados são apresentados comprovando a estimação de tensão, a estimação de fluxo e de velocidade e a operação do sistema como gerador. / The objective of this work is the implementation of wind system, from the modelling of wind turbine until the power extraction to the grid, based on back-to-back converter. It is used a squirrel cage induction generator because it has economic advantages and it is easily found commercially. The paper presents all control strategy to the grid converter and the generator converter. This work implements a vector control that use just two current sensors and it has a strategy to estimate the voltage terminals machine, rotor flux and the rotor speed, reducing the number of sensors for this control. A prototype was developed to validate these strategies. The main results are presented to demonstrate the estimations and the system operating as generator.

O potencial eólico do Brasil, de vento firme e com viabilidade econômica de aproveitamento, é de 143 GW. Isso equivale ao dobro de toda a capacidade da geração já instalada no país. No Brasil, a energia eólica tem uma sazonalidade complementar à energia hidrelétrica, porque os períodos de melhor condição de vento coincidem com os de menor capacidade dos reservatórios. O projeto desenvolvido neste trabalho nasceu de uma chamada pública do FINEP, e sob os auspícios do recém criado CEPER. Ao projeto foi incorporado um caráter investigativo, de contribuição científica original, resultando em um produto de tecnologia inovadora para aerogeradores de baixa potência. Dentre os objetivos do projeto, destacamos a avaliação experimental de turbinas eólicas de 5000 W de potência. Mais especificamente, dentro do objetivo geral deste projeto estão incluídas análise estrutural, análise aerodinâmica e análise de viabilidade de novos materiais a serem empregados. Para cada uma das diferentes áreas de conhecimento que compõem o projeto, será adotada a metodologia mais adequada. Para a Análise aerodinâmica foi realizada uma simulação numérica preliminar seguida de ensaios experimentais em túnel de vento. A descrição dos procedimentos adotados é apresentada no Capítulo 3. O Capítulo 4 é dedicado aos testes elétricos. Nesta etapa, foi desenvolvido um banco de testes para obtenção das características específicas das máquinas-base, como curvas de potência, rendimento elétrico, análise e perdas mecânicas e elétricas, e aquecimento. Este capítulo termina com a análise crítica dos valores obtidos. Foram realizados testes de campo de todo o conjunto montado. Atualmente, o aerogerador de 5kW encontra-se em operação, instrumentado e equipado com sistema de aquisição de dados para consolidação dos testes de confiabilidade. Os testes de campo estão ocorrendo na cidade de Campos, RJ, e abrangeram as seguintes dimensões de análise; testes de eficiência para determinação da curva de potência, níveis de ruído e atuação de dispositivos de segurança. Os resultados esperados pelo projeto foram atingidos, consolidando o projeto de um aerogerador de 5000W. / Initial estimates of the potential contribution of wind power in Brazil for selected areas are approximately of 143GW. This figure represents two times the total power already installed. In Brazil, wind power relates to hydroelectrical power in such way that when wind speeds are high and stable, reservoirs experiences low capacity in water volume. The project herein presented has its origins on the approval of sponsorship from FINEP, a governmental agency that provided grant to develop a 5kW windmill over a period of 30 months. Among the objectives of this project are the development of a new technology to be applied to windmills, by means of technological innovation. More specially, the main proposal was to evaluate wind turbines behavior numerically and experimentally, including its implementation in wind towers to generate 5kW.This is accomplished in detail x out performance of analysis of structural characteristics, aerodynamic, performance e viability on the use of new materials were performed. To this end, we shall defie a specific methodology to each area of knowledge. Aerodynamic analysis was performed by means of initial numerical simulation followed by experimental tests in wind tunnel. A detailed description of the experimental set up and procedures is provided in chapter 3. Chapter 4 deals with electrical parts of the project. At this point an apparatus was specifically designed and built in order to acquire relevant parameters, which describe the electrical generator, provided we can predict on some measure the electrical energy performance under three diferent operating conditions, namely, without load, loaded and charging batteries. A detailed description of 5kW prototype manufactured is presented along with an analysis of the results are presented at the end of this chapter. Finally, the whole set was completed and were performed. The complete Truck-test set of the windmill is composed by tower, generator, turbines, controlling system and safety system. Results obtained are in agreement with the expected. At this moment, the 5kW windmill finds itself in operation. The windmill is instrumented and equipped with an data acquisition system to consolidate reliability tests, which provide eficiency tests, noise determination and safety devices test performance. This set of data will confirm the global performance and consolidate the 5kW windmill.

Com a necessidade da obtenção da informação ser disponibilizada em vários locais simultaneamente, mostrando resultados on-line, faz com que as redes de comunicação de dados estejam cada vez mais presentes no dia-a-dia das pessoas e das empresas obrigando a constante busca por novas técnicas e meios de estabelecer essa comunicação. Disponibilizar sistemas de monitoração, supervisão e controle de dados on-line em máquinas e equipamentos em tempo real, não é uma tarefa nada fácil. Na estratégia de investimento, a escolha apropriada da rede e o meio de estabelecer essa comunicação na integração dos diversos equipamentos distribuídos em locais diferentes (remotos) é um fator importante para o sucesso dos dados que se queiram monitorar. O presente trabalho mostra as tecnologias de comunicação sem fio – Wireless e Celular através de uma pesquisa e estudo de caso feito em Laboratório da UFRGS e Faculdade SATC com a criação de um protótipo de uma interface de aquisição de dados utilizando a rede celular GSM/GPRS para simular a transmissão e recepção de dados para o monitoramento remoto de 02 (duas) variáveis aqui definidas como vibração da torre e desgaste de pastilha de freio em aerogerador de pequeno porte. Os dados aqui estudados mostram resultados que podem ser úteis para qualquer empresa que planeje implantar um sistema de monitoramento remoto através da Rede Celular (GSM/GPRS). Apesar de no experimento ter sido utilizado variáveis de um aerogerador, são mostradas outras aplicações possíveis de monitoramento remoto utilizando-se o canal de comunicação ar. / With the need to obtain the information be made available in several places simultaneously, showing results online, means that the networks of communication of data are increasingly present in the day-to-day of people and businesses requiring the constant search for new techniques and means to establish such communication. Enabling systems for monitoring, surveillance and control of data online in machinery and equipment in real time, nothing is not an easy task. In investment strategy, the choice of appropriate network and the means to establish this communication in the integration of the various equipment distributed in different locations (remote) is an important factor for the success of the data that we want to track. The present work shows the wireless communication technologies-Wireless and Mobile through a search and case study done in the laboratory and UFRGS and SATC College with the creation of a prototype of an interface for data acquisition using the GSM / GPRS cellular network to simulate the transmission and reception of data to the remote monitoring of 02 (two) variables here defined as vibration of the tower and wear of the brake chip in wind power of small. The data studied here show us results that can be useful for any business that plan deploy a system for remote monitoring via the Network Mobile (GSM / GPRS). Although the experiment have used variables of a wind power, are shown other possible applications of remote monitoring using the channel of communication wireless.

Esse trabalho propõe a investigação da geometria dos contornos internos de eixos vazados para aerogeradores quando aplicados mandris com diferentes diâmetros ao longo de seu comprimento no forjamento incremental em matriz aberta. Tem-se por finalidade a fabricação de um mandril que proporcione à peça forjada formato mais perto do formato final proposto. Foram estudados através do uso de simulações numéricas computacionais com o software Simufact.forming 12 e ensaios com o material modelo plasticina possíveis geometrias de mandris, variando a angulação na região de troca de diâmetros ao longo do comprimento entre 0˚, 30˚ e 60˚, e analisados o comportamento do escoamento do material na região. Com o processo simulatório concluído, foi produzido o mandril que apresentou melhor desempenho e foram realizados testes práticos. No total, duas peças foram forjadas e analisados seus resultados. A geometria proposta da peça foi alcançada, confirmando a escolha da cinemática do processo. A temperatura do mandril foi aferida e comparada com a temperatura durante a simulação, onde no último passe, a medida foi 720°C e a simulada em torno de 620°C. As forças de forjamento apresentaram diferença entre a simulação e forjado na média de 7,6%. / This work proposes the investigation of the internal contour of hollow shafts for wind turbines when applied mandrels with different diameters along its length in incremental open-die forging. It is intended to manufacture a mandrel to provide a forged part closer to the final proposed geometry. Studies were conducted using the numerical computer simulations software Simufact.forming 12 and models of plasticine aiming possible mandrel geometries, varying the angle of the different-diameters region along the length between 0˚, 30˚ and 60˚ and analyzed the behavior of the material flow in the region. As the simulation process was concluded, the mandrel with the best performance was produced and practical tests were performed. In total, two workpieces were forged and analyzed its results. The proposed geometry was achieved, confirming the choice of process kinematics. The temperature of the mandrel was measured and compared with the temperature during the simulation at the last pass, the measurement resulted in 720°C and the simulated around 620°C. The forging forces showed differences between simulation and forging of an average of 7.6%.

Os sistemas de controle e supervisão têm se revelado expressivamente importantes nos sistemas de produção. Garantir o funcionamento com qualidade dos processos industriais exige um controle permanente, sendo necessário manter constantes algumas variáveis. Um dos fatores que se destacam na utilização de monitoramento remoto é a possibilidade de centralizar o controle de um determinado processo em locais distintos, muitas vezes distantes do ponto de origem do problema, podendo ser acessado pelo responsável pelo processo e/ou muitas vezes resolvido pelo mesmo, sem a necessidade de locomover-se até o local do problema. Esse trabalho visou estudar e desenvolver um sistema utilizando a tecnologia de comunicação via rede elétrica e aquisição de dados, aplicado ao monitoramento e supervisão de temperatura do rotor de um aerogerador de pequeno porte por meio de um protótipo de simulação. O mesmo deu-se por meio de pesquisas e estudo de caso realizado em Laboratórios da Faculdade SATC, com a criação de um modelo de interface e aquisição de dados utilizando a rede elétrica para a transmissão e recepção de dados por intermédio da tecnologia PLC, como solução para o monitoramento remoto de uma variável definida como temperatura, simulando a temperatura do motor em um aerogerador de pequeno porte. Após a execução do protótipo, foram realizados testes comparativos entre a tecnologia PLC e a rede LAN em dois ambientes distintos: residencial e industrial. A análise do comportamento da rede LAN foi realizada através de um software de análise de redes, onde foram estabelecidos alguns parâmetros que representassem o desempenho da rede ao enviar e receber dados do sistema de monitoramento. Os resultados obtidos evidenciam as performances das tecnologias utilizadas como meios de transmissão, assim como apresentam um paralelo entre as mesmas. Os dados obtidos por este estudo mostram resultados satisfatórios da tecnologia PLC em relação à rede LAN, confirmando a possibilidade do uso desta tecnologia em sistemas de monitoramento remoto, permitindo assim um aumento na confiabilidade e comodidade operacional. / The control system and supervision have been revealed very important in product systems. To guarantee the function with quality, industrial process requires a permanent control being necessary keeping stable some variables. One important factor to point using remote monitoring is the possibility to centralize the control of one process in distinct place, many times far away from the problem original point. It can be accessed by responsible person for the process or many times solved by him without the necessity to be present where the problem started. This research studied and developed a monitoring system and supervision, using communication technology via electrical grid and data acquisition system. It was done by means of research and studies cases at SATC laboratory with data acquisition interface creation, using electric power distribution to transmit and receive the data by PLC technology as a solution to remote monitoring of a definite variable as temperature, simulating the temperature of a small wind power motor. After the prototype execution, comparatives tests were done between PLC technology and LAN network in two different environments: residential and industrial. The network behavior analysis was performed using a network analysis software, where were established some parameters that represent the performance of the network to send and receive data from the monitoring system.The data acquired in this research shows satisfactory results using PLC technology in relation to LAN network, confirming the possibility of use this technology in remote monitoring system allowing a reliability increase in operational convenience.

Nos recentes leilões de energia realizados no setor elétrico brasileiro, a energia térmica foi uma das principais vencedoras. Este trabalho avalia a possibilidade de reversão desta tendência, mantendo a trajetória anterior de uma matriz limpa e renovável. A maior parte da eletricidade brasileira tem sido proveniente de hidrelétricas. O plano energético oficial, com horizonte de 2030, elaborado para o Governo pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) dá ênfase à geração térmica, à gás natural, carvão e nuclear, como alternativa de complementação à geração hídrica. Neste estudo, em contraponto à proposta oficial, a geração eólica é analisada como opção de complementação, ao invés da energia térmica. A curva de aprendizado da tecnologia eólica, no Brasil e no mundo, é investigada e seu resultado evidencia o potencial de competitividade quando comparada a outras fontes, como térmicas nucleares, a gás e a carvão. A substituição do parque de expansão térmica pela eólica é simulada mediante a análise comparativa dos custos de capital, combustível, operação e manutenção, considerando a curva de aprendizado potencial. Os resultados da simulação, em termos de custo a valor presente das alternativas, indicam que a geração eólica pode se tornar atrativa, tendo como atrativo adicional a redução da emissão de gases de efeito estufa. Dificuldades e barreiras para a penetração da geração da energia eólica são avaliadas. Também é analisada a possibilidade do atendimento da demanda de energia no Brasil no contexto do cenário da estabilização populacional e do consumo, na década de 2040, mediante oferta de energia renovável, substancialmente hidro-eólica. / In the recent energy auctions held in the Brazilian electric sector, thermal power plants were the major winners. This study evaluates the possibility of reversing such trend, maintaining the previous path of a clean and renewable energy mix. Most of Brazil\'s electricity has been generated by hydropower. However the official energy plan, with the horizon of 2030, prepared for the Government by the Energy Research Company (EPE) gives emphasis to the thermal generation to natural gas, coal and nuclear energy as an alternative to hydropower generation complementation. In this study, in contrast to the official proposal, wind generation is considered as an option to complement, rather than the thermal energy. The learning curve of wind technology in Brazil and worldwide, is investigated and its result shows the potential of competitiveness compared to other sources such as nuclear thermal, gas and coal. The replacement of thermal based expansion by the wind is simulated, by a comparative analysis of capital costs, fuel, operation and maintenance, considering the potential learning. The simulation results in terms of present value cost of the alternatives indicate that wind generation can become attractive, with the added benefit of reduction in emission of greenhouse gases. Difficulties and barriers to the penetration of wind power generation are evaluated. The possibility of meeting the demand for energy in Brazil in the context of the scenario population and energy demand stabilization, in the 2040s, through renewable and sustainable energy sources, substantially hydro and wind, is also assessed.

Diante do cenÃrio atual, a substituiÃÃo do tradicional modelo de geraÃÃo hidrotÃrmico para hidroeÃlioelÃtrico no Brasil à bastante promissor. Deve-se ressaltar que o sistema elÃtrico brasileiro tem se baseado, hà dÃcadas, na geraÃÃo hidrÃulica auxiliada por fontes tÃrmicas oriundas de combustÃveis fÃsseis. Recentemente, fontes de energia renovÃvel como a de biomassa, a solar e a eÃlica vÃm tambÃm sendo utilizadas. A participaÃÃo das fontes eÃlicas tem sido significante desde 2005, tendo o Estado do Cearà demonstrado grande potencial para exploraÃÃo desse recurso. Para amparar essa inserÃÃo na matriz energÃtica cearense, os perfis dos fatores de capacidades sÃo avaliados, neste trabalho, visando o planejamento de produÃÃo de energia elÃtrica nos parques eÃlicos. Para os parques eÃlicos em operaÃÃo, constata-se que a velocidade mÃdia horÃria dos ventos ao longo do perÃodo analisado à de 8,54 m/s, conforme base de dados analisada entre 2012 e 2014. As funÃÃes de probabilidade de Rayleigh e Weibull permitiram tambÃm comparar os fatores de capacidade encontrados na simulaÃÃo com os dados verificados, entre os anos 2009 e 2014, em 35 plantas eÃlicas enquadradas, conforme procedimento de rede do ONS, com o objetivo de avaliar a variaÃÃo desse indicador. AlÃm disso, à possÃvel analisar comparativamente o valor real dos fatores de capacidade em funÃÃo dos valores planejados. O fator de capacidade mÃdio, determinado empiricamente, nas plantas em operaÃÃo à 39,9%, sendo que o valor correspondente Ãs curvas de distribuiÃÃo de probabilidade da velocidade do vento, o FC mÃdio, à 48%. Dessa forma, conclui-se que a alteraÃÃo do modelo hidrotÃrmico para hidroeÃlicoelÃtrico para algumas regiÃes do Brasil à viÃvel e de significativa importÃncia, tendo em vista os cenÃrios atu-ais de nossa reserva hÃdrica. O estudo ainda permite constatar que os parques eÃlicos atualmente representam 23,7% de participaÃÃo da demanda de carga no Estado do CearÃ, que corresponde atualmente a 2 GWp. Assim, à perfeitamente possÃvel se alterar a participaÃÃo para 40%, aumentando-se em 12,3% a capacidade instalada no Estado. Em outros termos, isso significa aumentar a atual participaÃÃo de 1,1 GW para 2 GW de potÃncia instalada, sendo que o fator de capacidade mÃdio de 475 MW mÃdios ao ano passaria a ser de 800 MW mÃdio, o que permitiria a maior diversificaÃÃo da matriz energÃtica cearense. Essa diferenÃa à estimada em 325 MW mÃdios, o que corresponde a mais 30 parques eÃlicos de 30 MW cada. / 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 Cearà has shown great potential for the exploitation of such energy resource. In order to support the integration of the wind power to Cearà 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 CearÃ, 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 Cearà energy matrix. This difference is estimated at 325 MWavg, which corresponds to more than 30 wind farms rated at 30 MW each

Esta dissertação tratará do tema da geração de energia elétrica no Brasil e a análise financeira de projetos. Mais especificamente será abordada a energia eólica a qual é o aproveitamento dos ventos para a geração de energia. Nos últimos 10 anos, a capacidade instalada mundial de energia eólica cresceu em média 28% ao ano sendo que na Europa 3% da energia consumida já tem origem nos ventos. No Brasil, esse tipo de aproveitamento atinge apenas 0,3% de participação no fornecimento de energia elétrica do país apesar de excelentes condições naturais. Como objetivo geral, este estudo analisará a viabilidade financeira de um projeto de energia eólica no Estado brasileiro do Ceará. A metodologia utilizada será o estudo de caso, uma empresa geradora de energia eólica, sendo avaliada, financeiramente, pela teoria das opções reais. A TOR surge como alternativa aos métodos tradicionais de análise de investimentos e tenta superar as suas limitações incluindo a questão da incerteza. Os resultados obtidos comprovam a importância, tanto da energia eólica para a matriz energética brasileira, quanto da TOR como forma de precificar oportunidades / riscos embutidos em projetos. / This thesis will broach the generation of electricity in Brazil using wind power and project valuation analysis. During the last 10 years, the worldwide wind power installed capacity grew 28% on average per year and in Europe 3% of the energy consumption comes from this source of energy. In Brazil, this type of energy reaches only 0.3% of national energy supply besides the fact that the Country has excellent natural resources for this type of generation. The objective of this study is to make the valuation analysis of a wind energy project in the Brazilian State of Ceará. The research methodology used in this thesis will be the case study of a wind energy generation plant using the real option analysis. The ROA comes as an alternative method for the traditional valuation analysis and tries to overcome its limitations adding uncertainty. The result of this study confirms the importance not only of wind power to the Brazilian energy matrix but also the ROA as an alternative method to calculate risks and opportunities included in projects.