Aerofólios cabeados para geração de energia elétrica

Abstract

Este trabalho trata da utilização de aerofólios cabeados (tethered airfoils) para geração de energia elétrica e apresenta uma visão detalhada sobre os conceitos de funcionamento e o cenário atual desta tecnologia. Considerando questões aerodinâmicas e características do comportamento do vento na atmosfera, são enumerados os aspectos preponderantes que fundamentam o emprego de sistemas deste tipo como uma alternativa vantajosa no aproveitamento da energia eólica. Suas principais alternativas de configuração para geração de energia elétrica são listadas, e elege-se a estrutura conhecida como Yoyo ou Pumping Kitecomo objeto de estudo para o decorrer da dissertação. Apresenta-se então o modelo dinâmico utilizado para representar o comportamento deste sistema. Após um sucinto debate sobre as diferentes abordagens de controle encontradas na literatura, detalha-se a estrutura de controle desenvolvida neste trabalho. Para auxiliar a tarefa de controle de voo é incluído um novo estado ao sistema, o qual é batizado de Ângulo de Giro. Fundamentado no conhecimento empírico da dinâmica da pipa, propõe-se um modelo matemático para descrever a evolução deste estado ao longo do tempo, modelo que é identificado e validado através de ensaios realizados em ambiente de simulação. Uma estraté-gia de controle constituída de dois laços é concebida. O laço interno é baseado na dinâmica do Ângulo de Giro e possibilita que a direção do deslocamento do aerofólio seja arbitrariamente imposta. Este laço de controle é caracterizado por um sistema não-linear de uma entrada e uma saída (SISO), e, a partir do modelo dinâmico do Ângulo de Giro, é projetada uma lei de controle baseada em realimentação linearizante. Já o laço externo é responsável por definir a trajetória de voo da pipa. A Lemniscata de Bernoulli é sugerida como uma aproximação da trajetória que proporciona a máxima produção de energia elétrica. Baseado na equação matemática desta figura, é elaborado um controlador cinemático que, a cada iteração, define a referência de Ângulo de Giro necessária para que o seguimento da trajetória desejada seja atingido. No intuito de alcançar a máxima geração de energia elétrica, é realizado um procedimento de otimização a fim de se definir o ponto de operação ideal do sistema. Os resultados de simulação obtidos através do uso deste controle são discutidos e comparados com os de outros trabalhos.<br>

Abstract: This work concerns the use of tethered airfoils for the generation of electric energy from the wind flow in the lower atmosphere, and presents a detailed vision over the working foundations and the current stage of the technology. Considering aerodynamic aspects and the wind behavior, a discussion is made on the main characteristics of this type of wind power system, which grant them advantages with respect to the conventional wind turbines. The main mechanical congurations found so far in the literature are listed, and the Yoyo (Pumping Kite) one is elected as the detailed object of study for the rest of the thesis. Thereafter a mathematical model to represent the dynamics of this pumping kite system is presented. The main existing approaches for controlling the airfoil flight are enumerated, and an own control scheme is conceived and justied. To this end, it is created a new state to the kite system, named as the turning angle. Based on empirical knowledge of the kite dynamics, it is proposed a mathematical model to describe the evolution in time of this state. This model is identified and validated by means of computer simulation experiments. The control scheme consists of two loops. The inner loop handles the turning angle dynamics, allowing the kite trajectory to be arbitrarily established. This control loop is characterized by a nonlinear system of one input and one output (SISO), and, given the already proposed model of the turning angle dynamics, a control law based on feedback linearization is designed. The generation of the kite flight trajectory occurs in the outer loop. It employs the Lemniscate of Bernoulli as an approximation of the optimal trajectory, allowing the maximization of the power output. Given the geometric characteristics of this figure, a kinematic controller is elaborated, which, at every iteration, calculates the turning angle reference needed for tracking the desired trajectory. Aiming at maximizing the electric energy generation, it is conceived an optimization procedure for determining the ideal operation point of the tethered airfoil system. Finally, simulation results of the closedloop system are presented, discussed, and compared with other results found in the literature.