Microgeração eólica embarcada para aerogeradores com asas cabeadas

Abstract

Esta dissertação de mestrado apresenta o projeto de um microgerador eólico a ser embarcado na unidade de voo de um aerogerador com asas cabeadas, mais conhecido como Airborne Wind Energy (AWE), uma tecnologia inovadora da área de geração de energia eólica. O aerogerador considerado é do tipo pumping kite, desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa em Energias Renováveis da UFSC (UFSCkite), o qual consiste basicamente de uma asa cabeada, uma unidade de voo, para controle de trajetória, e outra unidade de solo, responsável pela geração de energia. O objetivo central do microgerador projetado é de fornecer potência necessária para alimentar os componentes presentes na unidade de voo do sistema AWE: dois servomotores, um microcontrolador, sensores e periféricos. Atualmente um pack de baterias é utilizado para este fim, porém sua capacidade limitada em algumas horas inviabiliza um trabalho contínuo por parte do sistema. Deste modo, o microgerador deve suprir a energia demandada por toda eletrônica embarcada na unidade de voo, enquanto as baterias entram como um backup para eventuais quedas na geração da microturbina, ao passo que, com a ocorrência de alta geração, aproveita-se para recarregar o pack de baterias. O trabalho apresenta o levantamento do modelo do microgerador, mais especificamente suas curvas de potência: potência gerada, coeficiente de potência e pontos de máxima potência, todas identificadas em função da variação da velocidade do vento. O levantamento das curvas do microgerador é realizado através de testes laboratoriais com uso de túnel de vento, para consequente aplicação da técnica de Power Signal Feedback (PSF) como método de rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT), cuja aplicação exige a identificação do modelo da microturbina. A partir disso, o projeto do controlador, em nível de simulação com auxílio do software PSIM, é apresentado. Propõe-se uma técnica de PSF adaptada, com uso completo do polinômio característico da curva de MPPT e alteração de referência de controle para evitar dissipação de energia excedente gerada, quando o pack de baterias estiver carregado. Além disso, é apresentada a caracterização dos componentes que fazem parte da microturbina: rotor, gerador, retificador trifásico, conversor CC-CC, assim como o sistema de aquisição de dados baseado em microcontrolador. Como resultados foi possível obter, em nível de simulação, valores que chegam em torno de 61W de potência para o circuito em malha fechada, atuando em velocidades do vento de até 33 m/s.

Abstract: In this master thesis the design of a micro wind turbine to be embedded in the flight unit of an Airborne Wind Energy System, an innovative technology in the wind energy area, is presented. More specifically, it is considered the pumping kite configuration, in the prototype developed by the Research Group in Renewable Energy placed on Federal University of Santa Catarina (UFSCkite), which consists basically of a tethered wing, a flight unit, that controls the trajectory, and a ground unit, responsible for power generation. The purpose of the microgenerator is to provide the necessary energy to power the loads in the flight unit: two servermotors, a microcontroller, sensors and peripheral devices. Currently, a battery pack is used for this purpose, however its limited capacity to a few hours makes impossible for the system to work continuosly. So, the microgenerator must supply all the power required by the flight unit, while the batteries work as a backup for eventual drops in energy generation, and when there is a high generation, it is used to recharge the battery pack. This work presents the turbine model identification, more specifically its power curves: generated power, power coefficient and maximum power points, all of them identified as function of wind speed variation. The identification of the microgenerator curves is peformed through wind tunnel tests, for subsequent application of Power Signal Feedback (PSF) technique as a maximum power point tracking (MPPT) method, whose application requires the identification of the turbine model. Using that, the project of the controller, aided by software PSIM as simulator, is presented. The work proposes an adapted PSF, using the complete characteristic polynomial of the MPPT curve and a control reference change to avoid waste of overplus power, when the battery pack is charged. The characterization of the components that make part of the micro turbine is presented: rotor, generator, three-phase rectifier, DC-DC converter and the data acquisition system based on microcontroller. As results it was possible to obtain, at simulation level, around 61W of power, in closed loop, at 33 m/s of wind speed.