Desenvolvimento de uma Plataforma de Software Embarcado para Aerogeradores com Aerofólios Cabeados

Abstract

O grande crescimento da demanda energética global previsto para as próximas décadas tem fomentado cada vez mais o desenvolvimento e aprimoramento de fontes de energias renováveis. Estudos realizados sobre o potencial de extração de energia eólica em altas altitudes apresentaram resultados extremamente promissores quanto ao potencial energético e custos para a produção de energia elétrica, alavancando o desenvolvimento de tecnologias para tal, como a de aerogeradores com aerofólios cabeados (Airborne Wind Energy (AWE), em inglês). Nesse o contexto, o laboratório UFSCkite estuda e desenvolve protótipos visando a extração de energia através desta tecnologia, utilizando sistemas eletro-mecânicos e avançadas técnicas de controle, estimação e instrumentação. Protótipos de sistemas aerogeradores com aerofólios

cabeados são dispositivos mecatrônicos complexos, envolvendo aspectos multidisci- plinares, e para os quais ainda não existem diretrizes de projeto estabelecidas. Por- tanto, grupos de pesquisa e empresas novatas no campo são obrigados a comprar

soluções genéricas de preço elevado de software e hardware, ou a construir suas pró- prias soluções desde o princípio. Como uma tentativa de mitigar esse problema, este

trabalho propõe uma plataforma de software embarcado sobre a qual aplicações de AWE possam ser desenvolvidas. Implementada principalmente na linguagem C de programação e visando inicialmente a sua utilização em computadores de placa única de baixo custo operando com sistemas operacionais Linux, a plataforma proposta foi

projetada de forma a permitir a decomposição da aplicação de AWE em módulos funci- onais altamente desacoplados. Estes são executados de maneira distribuída na forma

de processos indepedentes, possivelmente sobre múltiplas unidades computacionais, e são capazes de trocar informações através de uma infraestrutura de comunicação padronizada de alta-performance, baseada no padrão publisher-subscriber. Além de fornecer um conjunto cuidadosamente selecionado de dependências, as quais são coletadas e instaladas durante uma etapa de construção automática, a plataforma também oferece uma série de mecanismos ao desenvolvedor, incluindo ferramentas de acionamento remoto, monitoramento em tempo real, registro de dados, depuração e instrumentação de código. Através da sua aplicação no protótipo de AWE do grupo

UFSCkite, e da realização de experimentos em laboratório e em campo, onde seus as- pectos funcionais e requisitos impostos foram devidamente testados, concluiu-se que

a plataforma proposta é capaz de auxiliar o processo de desenvolvimento e operação de protótipos de AWE.

The increasing global energetic demand forecasted for the next decades has been increasingly promoting the further development and improvement of renewable energy

sources. Studies focused on high-altitude wind energy extraction potential report pro- mising results regarding energy production and its costs, leveraging the development

of technologies to enable such extractions, such as airborne wind energy (AWE). In this context, the UFSCkite laboratory studies and develops such technologies, by utilizing

eletromechanical systems and advanced control, estimation and instrumentation tech- niques. Airborne wind energy prototypes are complex mechatronic devices involving

many multidisciplinary aspects and for which there are currently no established design

guidelines. Therefore, newcomers to the field are required to either purchase expen- sive software and hardware not specifically designed for AWE applications or build

their own solutions from scratch. As an attempt to partially overcome this challenge, this work propoes an embedded software platform on top of which AWE systems can

be developed. Written mainly in C, and initially targeting low cost single-board compu- ters running Linux, the proposed platform is designed in such a way that it allows for the

AWE system to be split into highly decoupled functional modules. These run in a distri- buted fashion as independent processes, possibly across several computational units,

and are capable of exchanging information through a standard, high-performance com- munication infrastructure based on the publisher-subscriber pattern. Besides providing

a carefully chosen set of dependencies, which are fetched and installed during an au- tomatic build phase, the platform also provides a series of facilities to the developer,

including remote deployment, real-time monitoring, logging, code instrumentation and debug tools. The designed platform is suitable for application in AWE prototypes and could indeed benefit its growing community, especially in what comes to module reuse and sharing. Through its application in an AWE protype developed by the UFSCkite group, and the execution of exeperimental procedures both in a lab environment and in real-world conditions, where all its requirements and functional aspects were properly tested, it was concluded that the proposed software plataform is capabled of aiding the development process and the operation of AWE prototypes.