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Sistemas de geração baseados em aerofólios cabeados (AWES - Airborne Wind
Energy Systems) correspondem a uma nova tecnologia para captação da energia
eólica. No modo pumping-kite o aerofólio desenrola um cabo ligado a um tambor
em solo, gerando energia através do desenrolamento do cabo sob alta tração. Após
um período de geração, o cabo atinge um valor máximo e uma fase de recolhimento
é iniciada. Nesta fase a máquina elétrica, antes utilizada como gerador, é acionada
como motor gastando uma parcela da energia gerada para enrolar a quantia de cabo
desenrolada. Para reduzir a energia gasta e prover um melhor aproveitamento ao sis-
tema uma manobra de baixa tração do aerofólio é realizada durante o recolhimento do
cabo.
A trajetória seguida pelo aerofólio, juntamente com a velocidade de desenrola-
mento e enrolamento do cabo e atuações adicionais que afetam o voo do aerofólio
formam um conjunto complexo de variáveis que influenciam o saldo energético do sis-
tema e, consequentemente, a viabilidade do mesmo. Devido à importância do tema,
diversos trabalhos da literatura abordam esta tarefa, no entanto, uma solução definitiva
ainda não foi encontrada.
Durante a fase de geração, é apresentada em [31] uma expressão para a veloci-
dade de desenrolamento que maximiza a potência instantânea gerada. No entanto,
uma potência média de ciclo mais elevada é obtida por uma velocidade de desenrola-
mento mais baixa, reduzindo a potência instantânea gerada e aumentando a duração
da fase de geração. Este resultado é obtido em [12] através de uma otimização it-
erativa de todo o ciclo de operação. Neste mesmo trabalho é proposto um sistema
de controle para manter o aerofólio em uma trajetória em lemniscata. Este trabalho
adapta a otimização proposta em [12] para uma otimização on-line que determina a
velocidade de desenrolamento e a elevação da trajetória em lemniscata ótimos. Ao
operar com uma otimização on-line, consegue-se adaptar a solução para diferentes
condições de vento e incorporar restrições físicas e de operação à solução encon-
trada.
Poucos trabalhos abordam em detalhes a geração de trajetória para a fase de recol-
himento do aerofólio. Diversos trabalhos, como [14] e [17], abordam indiretamente
este problema ao proporem um problema de otimização off-line para determinar uma
trajetória completa de voo. Estes trabalhos, no entanto, fornecem uma solução para
uma única condição de vento e empregam problemas de otimização muito complexos
para serem executados em tempo real. Uma segunda abordagem utilizada é definir
algumas características das referências utilizadas durante a fase de recolhimento. Em
[23], por exemplo, o aerofólio é controlado através da tração e de uma atuação de
escoamento de vento, que modifica as propriedades aerodinâmicas do aerofólio e é
comumente chamada de depower. Durante a fase de recolhimento, rampas de coe-
ficientes fixos são utilizadas e o valor final de tração é determinado através de uma
otimização iterativa ao longo de diversos ciclos de operação. Uma abordagem similar
é utilizada para otimizar a fase de recolhimento em [12], que dá continuidade ao tra-
balho apresentado em [28]. Neste caso as referências de tração e depower também
são limitadas a rampas, no entanto, as variáveis de decisão são os coeficientes das
rampas.
Neste trabalho é proposto o emprego de um controle preditivo não-linear baseado
em modelo (NMPC) com um critério econômico para aproximar a solução que otimiza
a potência média de ciclo. Já é encontrado frequentemente na literatura o uso de
NMPC para seguir trajetórias geradas off-line. Em contraste, neste trabalho propõe-se
uma função custo que pondera a potência instantânea gasta e a velocidade de recol-
himento a cada instante da trajetória. Esta função custo busca capturar o fator de
decisão instantâneo que qualquer algoritmo de geração de trajetória deve realizar. A
potência média de ciclo busca ser maximizada através de um breve estudo do efeito
resultante da variação dos pesos da função custo. Os resultados obtidos mostram
que a solução proposta atinge resultados similares à soluções off-line de otimização
sendo suficientemente simples para ser executada on-line. O emprego de um NMPC
permite a adição intuitiva de diversas restrições permitindo uma solução flexível e cus-
tomizável.
A principal contribuição deste trabalho é o projeto de um algoritmo de otimiza-
ção on-line para sistemas pumping-kite que apresenta bons resultados para diferentes
condições de vento e possibilita a incorporação de diversas restrições de operação. |
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Airborne wind energy systems (AWES) represent a novel high-altitude wind power
harnessing technology in which the aerodynamic forces acting on suspended tethered
aircraft are employed to produce electricity. In the so-called pumping-kite mode, the
effects of such forces on the available aerodynamic surfaces are used to reel-out the
tether and drive a generator on the ground, which is known as the traction phase. After
a maximum tether length is reached the retraction phase takes place. During this part
of the operating cycle, the tether is reeled back in while spending a fraction of the
energy produced in the previous phase. In order to reduce the energy consumption
and provide a better overall performance for the whole system, the trajectory of the
aircraft must be carefully designed. This work proposes an on-line optimization strategy
to adapt the airfoil trajectory to the current wind conditions and system parameters
during both operation phases. The proposed algorithms, which were designed and
tuned targeting an optimal average cycle-power, and also take into account the mutual
influence of both phases of the pumping cycle, are shown to achieve performance
levels similar to those obtained by more conventional off-line optimization methods
while successfully complying with several operation and constructive constraints. |
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