Modelagem e controle de um aerogerador sem pás movido a vibrações induzidas por vórtices

Abstract

A crescente demanda por fontes de energia renováveis e sustentáveis tem impulsionado a busca por tecnologias mais eficientes e menos impactantes ao meio ambiente. Neste contexto, a presente dissertação aborda a prototipagem, a modelagem matemática e o controle de um aerogerador sem pás movido a vibrações induzidas por vórtices, com foco na maximização da potência extraída do vento por meio de técnicas de controle não lineares. O sistema proposto utiliza um gerador eletromagnético para atuar na regulação das vibrações do sistema, controlado por técnicas de escalonamento de ganho e backstepping para maximizar a extração de energia. Inicialmente, foi realizada a modelagem detalhada do sistema, contemplando tanto a dinâmica mecânica quanto a eletrônica de conversão de energia, seguida pelo projeto de um atuador para o sistema e pelo desenvolvimento do controlador. Os resultados obtidos por meio de simulações em ambiente computacional demonstraram que o sistema proposto amplia a faixa de operação e a eficiência energética em relação aos métodos de controle disponíveis na literatura. Por fim, o estudo consolida uma base teórica para o avanço da aplicação real de aerogeradores sem pás, contribuindo para o desenvolvimento de tecnologias eólicas de baixa potência, que possam ser amplamente difundidas no ambiente urbano e em pequenas unidades consumidoras, robustas e de menor impacto ambiental.

Abstract: The growing demand for renewable and sustainable energy sources has driven the search for technologies that are more efficient and less harmful to the environment. In this context, this dissertation addresses the prototyping, mathematical modeling, and control of a bladeless wind energy harvester driven by vortex-induced vibrations, with an emphasis on maximizing the power extracted from the wind through nonlinear control techniques. The proposed system employs an electromagnetic generator to regulate the system?s vibrations, using gain-scheduling and backstepping control strategies to enhance energy extraction. A detailed modeling of the system was first carried out, encompassing both the mechanical dynamics and the power conversion electronics, followed by the design of an actuator and the development of the control scheme. Simulation results obtained in a computational environment demonstrate that the proposed system extends the operating range and improves energy efficiency when compared to control methods available in the literature. Finally, this study establishes a theoretical foundation for advancing the practical application of bladeless wind generators, contributing to the development of low-power wind technologies that can be widely deployed in urban environments and small-scale consumer units, offering robustness and reduced environmental impact.