[pt] Os coeficientes de troca e perda de carga de trocadores de calor do tipo bi-tubular pinado foram experimentalmente determinados. Medidas do coeficiente global de troca de calor do permitiriam avaliar o coeficiente de troca do lado do ar como função do número de Reyonolds do escoamento. Os resultados foram comparados com aqueles para trocadores de calor de duto anular, sem pinos, e a comparação revelou uma grande vantagem em relação à troca de calor para os trocadores pinados. Por outro lado, a comparação mostrou sua queda de pressão é consideravelmente mais alta. Não obstante, para a mesma taxa de transferência de calor, o trocador de calor pinado seria muito mais compacto. / [en] Experiments have been performed to determine the heat transfer characteristics and pressure drop of a pinned double-pipe heat exchangers. Measurements of the overall heat transfer coefficient as function of the air-side transfer coefficients as function of the flow Reynolds number. The results were compared with those for annular duct heat exchangers, without pins, and the comparison revealed a great advantage respect to the heat transfer for the pinned exchanger. On the other hand, the comparison showed that its pressure drop is considerably higher. Nevertheless, for the same heat transfer rate, the pinned exchanger would be much more compact.

[pt] A presente pesquisa trata da determinação experimental das eficiências e da simulação de desempenho de turbinas eólicas de eixo vertical do tipo Darrieus. Os testes foram efetuados usando-se modelos reduzidos num túnel. Um novo método para a obtenção da potência da turbina foi desenvolvido. O método clássico requereria grandes modelos e um grande túnel de vento para facilitar a medida do torque. Uma vez que as curvas características dos modelos reduzidos foram determinadas, numa forma adimensional, uma simulação de desempenho de turbinas em tamanho real foi desenvolvida. Tal simulação envolveu duas regiões brasileiras (Fortaleza e Fernando de Noronha) e o conhecimento da distribuição de ventos horária. / [en] The present research is concerned with the experimental determination of the efficiencies and performance simulation of Darrieus vertical-axis wind turbines. The tests were performed using reduced models in a wind tunnel. A new method for obtaining the turbine power was developed. The classical approach would require large models and a huge wind tunnel to facilitate the torque measurement. Once the characteristic curves of reduced models were determined, in a dimensionless form, a performance simulation of real size turbines was developed. Such a simulation involved two Brazilian regions (Fortaleza and Fernando de Noronha) and the knowledge of the hourly wind distribution.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T06:58:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 244860.pdf: 2542172 bytes, checksum: dd97d7b4b4cd6bfaecf022ea0dc5f4c2 (MD5) / O trabalho é dividido em duas partes, na primeira delas o objetivo é a análise das principais características dos ventos em seis localidades do Estado de Santa Catarina visando a determinar o potencial eólico para geração de eletricidade, enquanto na segunda parte se faz um estudo sobre previsão de velocidade de ventos e geração eólica com base em dados de velocidade de vento gerados pelo modelo meteorológico de meso-escala Eta, do CPTEC / INPE. A primeira parte do trabalho refere-se ao tratamento estatístico dos dados de velocidade de vento, através da distribuição de Weibull, medidos nas estações anemométricas da CELESC (Centrais Elétricas de Santa Catarina S.A.). São determinadas as velocidades médias, a regularidade, a direção preferencial dos ventos, assim como o fator de capacidade do local e a quantidade esperada de energia a ser gerada. Os dados de potência gerada pelos aerogeradores em operação, no Estado, foram comparados aos valores estimados através dos cálculos com as velocidades medidas em campo. Na segunda parte do estudo, os dados previstos pelo modelo Eta do CPTEC / INPE, serviram de base para o treinamento de redes neurais, a partir da comparação com os dados de campo da CELESC, possibilitando uma avaliação da capacidade de previsão de velocidade de vento e de potência para um horizonte de 6h. A questão da previsão de geração elétrica por fonte eólica tornar-se-á de grande importância à medida que aumente a sua participação no balanço energético do país. Os resultados mostram que a técnica de previsão por meio de redes neurais é adequada, apesar de ainda apresentar as limitações decorrentes do escasso banco de dados de velocidade e direção do vento. O estudo sobre o potencial eólico de Santa Catarina indica a existência de localidades com características de ventos adequadas à geração. Dentre as regiões analisadas, destacam-se Laguna e Urubici, que apresentaram valores de fator de capacidade, FC, de 0,40 e 0,34, respectivamente, com velocidades médias anuais em torno de 8 m/s, apesar do baixo valor do fator de forma, k, em torno de 1,8, e Água Doce, com valores de FC em torno de 0,24, velocidade média em torno de 6 m/s e k de 2,4, apresentando resultados satisfatórios para geração de eletricidade. Ainda, nas demais localidades, estimativas feitas com auxílio do programa WAsP mostram que todas apresentam regiões com valores de FC maiores ou iguais a 0,30. A metodologia desenvolvida neste trabalho, embora se restrinja a uma análise de caso para Santa Catarina, poderá ser estendida a todo o país. This study is divided in two parts, in the first one the objective is the analysis of the main wind characteristics for in six places in the State of Santa Catarina aiming to determine the wind power for energy generation, in the second one, a study about wind speed and wind power forecast is made based on CPTEC / INPE Eta mesoscale meteorological model wind speed data. The first part of this study refers to a statistical treatment of wind speed data collected by CELESC, using the Weibull Distribution. The average speeds, regularity, and the main wind direction are determined, as well as capacity factor, FC, of the locations and the estimated power generation potential. In this study, the power generation data collected from the operating wind turbines are also analyzed. These data are compared with the results calculated from the measured wind speeds. In the second part of the study, the predicted data from Eta model, served as a basis for the training of artificial neural networks, through comparison with the measured CELESC data. Their capacity to forecast power generation and wind speed within 6h is evaluated. The wind power forecast will be more important with the growth of the electricity generation by wind power in Brazil. The results show that techniques of forecast by means of neural networks are feasible, although more in-depth studies are limited by the scarse availability of wind speed and direction data. The study about wind potential in the State of Santa Catarina shows that there are areas with wind characteristics for energy generation. Based on the results of this work, the best places in Santa Catarina is Laguna and Urubici with 0.40 and 0.34 for FC values, respectively, and wind velocity near to 8 m/s, despite the low value of Weibull shape factor, k, near to 1.8, and Água Doce with FC values near to 0.24, 6 m/s wind velocity and k factor near to 2.4 show adequate results for electricity generation. In the other places, estimates with WAsP aid show that, there are areas with FC greater than 0.30 in all analyzed places. The method developed in this study will be able to apply in other regions of the country, in spite of being a study perform in the State of Santa Catarina.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-24T08:46:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 265533.pdf: 19206594 bytes, checksum: 8b8c2e889fd616967715aa909d4cb76e (MD5) / A presente pesquisa tem como principais objetivos o estudo e a análise da estrutura eólica de pequeno porte para geração de energia elétrica a fim de se obter um modelo de simulação que possibilite o projeto e dimensionamento de conversores capazes de rastrear a máxima potência e otimizar o sistema. Primeiramente, faz-se uma introdução dos principais conceitos da energia eólica e, em seguida, com o foco nos sistemas eólicos de pequeno porte, realizam-se o equacionamento e a construção do modelo para turbinas de três pás com gerador síncrono a ímã permanente de fluxo axial para carregamento de um banco de baterias. Uma vez concebido o modelo, simula-se o mesmo e com base nos resultados aplica-se um método de rastreamento de máxima potência, que então fará parte do estágio de controle dos conversores de potência aplicados ao sistema. Três conversores básicos são abordados, Boost, SEPIC e Buck, sendo que, para o último, um projeto e implementação prática é realizado para comprovação e conclusões acerca dos modelos e teorias propostas.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-26T06:04:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 299712.pdf: 14376923 bytes, checksum: 42ba0d1dc1ccdc0c2295e1d99e7e0013 (MD5) / No século XXI, mudanças são esperadas nas formas em que a produção de energia ocorre. Com o desenvolvimento de novas tecnologias, o custo da eletricidade a partir da geração eólica caiu mais de 80% durante os últimos anos. A geração de energia através de sistemas de conversão de energia eólica representará uma parcela considerável da energia elétrica gerada. Nesse contexto, turbinas eólicas equipadas com geradores síncronos a ímãs permanentes apresentam vantagens importantes sobre outros tipos de geradores. No entanto, esses geradores precisam ser conectados a uma rede de distribuição através de conversores estáticos de capacidade nominal. Estes conversores permitem que o sistema de conversão de energia eólica seja utilizado em seu ponto ideal de operação a todo instante. Além disto, os conversores estáticos modernos garantem a melhoria da qualidade da energia gerada e que esta seja transmitida à rede com alto rendimento de conversão e de maneira confiável e flexível. Este trabalho propõe uma nova estratégia de controle de corrente de alto desempenho e elevado fator de potência. A estratégia proposta baseia-se na técnica de autocontrole de corrente para retificadores PWM trifásicos, incrementando-a no que diz respeito à compensação de reativos no gerador. Utiliza-se um estágio retificador PWM trifásico robusto e com baixas perdas de condução. Este retificador é analisado e um esquema apropriado de modulação vetorial é proposto. O sistema de conversão de energia eólica é estudado por simulações numéricas e a técnica de controle de corrente proposta é verificada também de forma experimental em um protótipo de laboratório de 6,5 kVA.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2013-03-04T18:17:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 304938.pdf: 32969594 bytes, checksum: 2868e1509e2c0233a924e6da68259987 (MD5) / Este trabalho apresenta o emprego de uma topologia bidirecional trifásica, tendo em vista a aplicação em sistemas de conversão de energia eólica conectados à rede elétrica. A característica principal deste conversor está na divisão das correntes sobre os interruptores e no uso do acoplamento magnético nos indutores. A presença do acoplamento não introduz indutância à passagem da corrente de carga. Além disso, por meio de uma técnica de modulação adequada, permite triplicar a frequência sobre os filtros e apresenta tensões multiníveis em seus terminais de saída. A estratégia de controle implementada tem como objetivo o controle das correntes de fase e da tensão do barramento, ambas de forma digital. Como mecanismo de sincronismo é empregado um algoritmo PLL. Serão apresentados estudos teóricos, metodologia de projeto, além de simulações e resultados experimentais. Em suma, é mostrado que a topologia em questão apresenta vantagens para a aplicação que se propõe, como redução dos dispositivos magnéticos e baixa distorção harmônica das tensões e correntes

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-22T02:43:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 210375.pdf: 1310492 bytes, checksum: 9178edf593327d85c741cbc1073d0433 (MD5) / A presente dissertação aborda uma metodologia para obtenção da capacidade máxima de aerogeradores a ser instalada em um determinado alimentador de distribuição. Os procedimentos utilizados se baseiam em modelar as características do vento nos locais de interesse, com informações obtidas em mapas eólicos, permitindo que se obtenha uma avaliação preliminar do potencial de geração eólica para inserção na rede elétrica local. O objetivo principal da ferramenta desenvolvida é determinar os limites de geração eólica do local estudado, respeitando os limites físicos da rede de distribuição. O trabalho também apresenta uma metodologia de avaliação da possível postergação de expansão da rede na presença de geração eólica, crescimento especificado de carga e um dado risco de não-conformidade de tensão ou sobrecarga. Utilizou-se como ferramenta de avaliação de fluxo de potência, limites de tensão e perdas o Simulador de Redes de Distribuição de Energia Elétrica na Presença de Geração Distribuída - SiGDist, desenvolvido através de um Projeto de P&D Labspot - CELESC. Aplicou-se a metodologia a um alimentador urbano-rural típico com inserção de aerogeradores sujeitos a ventos característicos do planalto Sul do Brasil.

This thesis presents the main concepts and configurations used in wind turbine connected to the grid, as well as, an analysis, design and implementation of the control system for the Doubly Fed Induction Generator (DFIG). The DFIG has been selected since it is the concept frequently adopted by the wind turbine manufactures. In the thesis, it is presented a model of the DFIG in stator flux reference frame that is normally used in DFIG. The main reason for use the stator flux reference frame is that in this referential is possible to control the active and reactive power of the stator circuit independently. However, the main limitation related with the DFIG vector control is the poor damping oscillation of the stator flux. Aiming to study this problem, the impact of the bandwidth of the rotor currents control loop in the stator flux oscillation mode that appears near the voltage grid frequency, is investigated. It is demonstrated that when Rs approaches of the zero, these oscillations can not be controlled by the rotor converter. The proposed controller has an internal current control loop and an external power control loop. As the controllers are usually implemented in a digital signal processor (DSP), a redesign in discrete time to compute the control action with anti-windup is given. Finally, experimental results to validate the controllers design using a 2 kW DFIG and IGBT PWM converter, controlled by the DSP TMS320F241, are presented. / O presente trabalho apresenta os principais conceitos e configurações utilizadas em turbinas eólicas conectadas a rede elétrica, bem como a analise, o projeto e a implementação do sistema de controle para o gerador de indução com dupla alimentação (GIDA), visto que, este é o conceito mais utilizado pela indústria de turbinas eólicas. Inicialmente, é apresentado o modelo do GIDA em eixos síncronos qd no referencial do fluxo estatórico, que é, normalmente, utilizado para o projeto dos controladores do GIDA, pois neste referencial é possível controlar independentemente a potência ativa e reativa da turbina eólica. Entretanto, um problema comum associado ao controlador vetorial do GIDA são as oscilações pouco amortecidas do fluxo estatórico. Com o intuito de estudar este problema, é apresentada uma análise do impacto da banda passante dos controladores de corrente, nos modos oscilações do fluxo estatórico, que surgem próximos à freqüência da rede elétrica. Essas oscilações aparecem na parte não controlada da GIDA, resultante do acoplamento direto do circuito estatórico com a rede elétrica. O controlador proposto baseia-se num laço interno de corrente e um laço externo de potências ativa e reativa. Como os controladores são implementados em DSP, também, são apresentados os projeto dos controladores em tempo discreto com limitação da ação integral. Finalmente, são apresentados resultados experimentais utilizando um GIDA de 2 kW e um inversor PWM, controlado através do DSP TMS320F241.

[pt] O efeito magnus é verificado experimentalmente em túnel de vento, para escoamentos com números de Reynolds variando de 1,3 x 10 elevado 4 a 4,3 x 10 elevado a 4. Os resultados são avaliados em termos absolutos e adimensionalizados. Levando-se em conta as incertezas provenientes do método de ensaio, são feitas comparações com da dos obtidos por outros pesquisadores. São avaliadas as possibilidades de utilização do efeito em captação de energia eolica, e é também realizado um estudo da influência da forma de Magnus na trajetória de projetis estabilizados giroscopicamente. / [en] The Magnus effect is experimentally studied in a wind tunnel for Reynolds number range from 1,3 x 10 (to) 4 to 4,3 x 10 (to) 4. The results are analysed and compared for both dimensionless and dimensionalized parameters. The uncertainties are estimated and the results compared to those of other investigators. The possibilities of utilization of Magnus effect in wind power generation are analyzed together with its influence in trajectories of spin-stabilized projectiles.

[pt] A presente dissertação se insere no contexto da energia eólica, que é a fonte de energia que mais cresce na matriz elétrica brasileira, segundo dados da Empresa de Pesquisa de Energia (EPE), com projeções para que esse crescimento se mantenha. Com isso, a principal motivação do presente trabalho é o fato de que desenvolver e aplicar métodos de previsão cada vez mais precisos para as variáveis determinantes na produção de energia eólica em um aerogerador, como a velocidade do vento, é de crucial importância para o planejamento da operação do sistema elétrico nacional. Logo, o objetivo principal do trabalho é adaptar e aplicar uma metodologia de previsão de séries temporais em um banco de dados formado por medições de velocidade de vento. A metodologia se constrói a partir da análise exploratória dos dados, onde pode se observar características importantes, como estacionariedade na média e uma estrutura sazonal complexa, que envolve um ciclo diário e uma sazonalidade mensal. Com isso, foi adaptado um modelo de amortecimento exponencial com múltiplos ciclos que incorpora simulação de Monte Carlo e decomposição da série através do método TBATS, para realizar as previsões. Como resultados e conclusões, é possível observar que modelo adaptado se mostrou adequado para tratar o problema proposto, quando comparado com os modelos de previsão estabelecidos pela literatura, resultando em um aumento na precisão das previsões realizadas. / [en] This work is in the context of wind energy, which is the energy source that grows more in the Brazilian energy matrix, according to the Energy Research Company (EPE), with projections that this growth will continue. Thus, the main motivation of this work is the fact that developing and implementing increasingly precise forecasting methods for the key variables in the production of wind energy in a wind turbine, such as wind speed, is of crucial importance for planning of the national electric system operation. Therefore, the main objective of this work is to adapt and apply a time series forecasting methodology in a database formed by wind speed measurements. The methodology is built from the exploratory analysis of data, which can be observed important features such as stationary mean and a complex seasonal structure, which involves a daily cycle and monthly seasonality. Thus, it was adapted an exponential smoothing model that incorporates multiple cycles, Monte Carlo simulation and decomposition of the series through the TBATS method, to make forecasts. As results and conclusions, it is possible to observe that model adapted was adequate to address the proposed issue, compared with the forecast models established in the literature, resulting in an increase in the accuracy of forecasts made.