Defesa de Tese de Doutorado – Ramiro Saraiva da Silva – 19/5/2020
11/05/2020 17:45
| Defesa de Tese de Doutorado | |
| Aluno | Ramiro Saraiva da Silva |
| Orientador | Prof. Alexandre Trofino Neto, Dr. – DAS/UFSC |
| Data
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19/5/2020 (quinta-feira) – 9 h
Videoconferência |
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Banca |
Prof. Alexandre Trofino Neto, Dr. – DAS/UFSC (presidente);
Prof. Flávio José Silvestre, Dr. – TU Berlim/Alemanha; Prof. Daniel Ferreira Coutinho, Dr. – DAS/UFSC; Prof. Ubirajara Franco Moreno, Dr. – DAS/UFSC. |
| Título | Contribuições em Modelagem, Estimação e Controle de Voo para Aerogeradores com Aerofólios Cabeados |
| Resumo: Este trabalho aborda diferentes aspectos do uso de aerofólios cabeados para a conversão da energia eólica em elétrica, o que caracteriza um campo de estudos relativamente novo, denominado de Airborne Wind Energy (AWE). Motivando esse estudo são apresentadas projeções econômicas favoráveis bem como o comportamento do vento na camada limite atmosférica, especialmente no que diz respeito ao aumento de densidade e disponibilidade da potência do vento com o ganho de altitude. São apontados os grupos mais relevantes que desenvolvem a pesquisa e o desenvolvimento da tecnologia AWE ao redor do mundo, bem como as configurações de funcionamento de seus aerogeradores e os principais desafios técnicos que ainda impedem a sua utilização em nível comercial. São retratados os modelos dinâmicos normalmente utilizados para representar o comportamento do voo dos aerofólios cabeados, dando-se ênfase ao modelo bi-dimensional do aerofólio, que representa a dinâmica da direção do seu vetor velocidade no plano tangente à superfície de voo, variável denominada de ângulo de curso. São discutidas as principais estratégias utilizadas para o controle desses sistemas, optando-se pelo emprego de uma estrutura descentralizada, na qual o controle de voo é desacoplado do controle de (des)enrolamento do(s) cabo(s) de ancoragem. Focando-se no problema do controle de voo, apresenta-se a arquitetura utilizada, composta por duas malhas em cascata, com a malha interna responsável por controlar o ângulo de curso, e a malha externa responsável por definir a referência do ângulo de curso para que uma determinada trajetória seja seguida. Este trabalho apresenta contribuições para ambas as malhas de controle. Na malha externa é apresentado um método que possibilita o rastreamento de uma trajetória de voo na forma da figura da Lemniscata de Bernoulli, reduzindo ao menos duas ordens de magnitude a carga computacional necessária para o cálculo da referência de ângulo de curso. Essa estratégia se baseia no uso das curvas ortogonais às ovais de Cassini, permitindo a obtenção de um solução algébrica para o problema de geração de trajetória. No que diz respeito à malha interna, foi desenvolvido um modelo matemático simplificado para representar a dinâmica do ângulo de curso. A partir deste modelo foi elaborada uma técnica de filtragem capaz de amenizar os efeitos do ruído de medição encontrado nos testes práticos, além de estimar parâmetros do sistema que variam com as características aerodinâmicas do aerofólio e com as condições atmosféricas. Assim foi possível projetar um controlador do ângulo de curso capaz de se adaptar a parâmetros que na prática são desconhecidos e que variam com a condição de operação. A estrutura de controle foi testada tanto em ambiente de simulação como também em campo, utilizando um protótipo da unidade de controle de voo desenvolvido] no laboratório UFSCkite. Outra contribuição importante deste trabalho está relacionada à proposta de uma nova configuração para geração de energia elétrica, que se baseia no uso de um aerofólio cabeado dotado de dois pontos de ancoragem ao solo, estrutura que foi aqui chamada de triangulação. Para o estudo desta estrutura foi elaborado um modelo matemático que representa a dinâmica desse sistema, possibilitando que o seu comportamento pudesse ser avaliado sob diferentes modos de operação. Convergiu-se então para um modo de operação que se mostrou mais vantajoso, o qual se baseia na geração combinada pelo modo de arrasto e modo de sustentação usando órbitas de voo fechadas. Aponta-se que esta configuração é capaz de gerar mais energia e operar em uma condição de voo muito mais estável do que na configuração mais convencional encontrada na literatura, conhecida como pumping-kite. Além disso, mostra-se que a triangulação pode viabilizar tanto a decolagem como também a manutenção do voo do aerofólio mesmo quando a velocidade do vento é baixa ou até mesmo nula. Por último é apresentada uma extensão da teoria clássica do momento linear utilizada por Betz para o cálculo do limite teórico de extração de energia do vento, possibilitando a análise do coeficiente de potência de sistemas AWE que operam no modo de arrasto, no modo de sustentação ou com uma combinação de ambos os modos. | |
