Avaliação Técnica da Energia das Ondas em Portugal
Renato César de Melo Veloso
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Júri
Presidente: Prof. Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro
Orientador : Prof. Rui Manuel Gameiro Castro
Vogal : Prof. Cristina Inês Camus
Outubro 2014
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Agradecimentos
Ao atingir um objectivo que estabelecemos para nós próprios, principalmente algo que temos dificuldade em dar por terminado, e fazemos uma retrospectiva do caminho que percorremos, verificamos que esse percurso foi feito por nós mas não foi feito de forma solitária. Se assim fosse, talvez nem o tivéssemos iniciado ou se o iniciássemos, talvez não o tivéssemos finalizado.
Desta forma quero agradecer ao professor Rui Manuel Gameiro Castro, a oportunidade que me concedeu para a realização desta dissertação, bem como toda a sua disponibilidade, supervisão, apoio e sentido crítico que me permitiram concluir esta etapa académica.
A todos os meus amigos, pelas longas horas de conversa e boa disposição ao longo dos anos, que tornaram este percurso bem mais agradável, divertido e enriquecedor a todos os níveis e sem os quais não teria sido a mesma coisa.
Um agradecimento muito especial à minha família a quem sou grato por toda a confiança, paciência, carinho, compreensão, incentivo, esforço e apoio prestado ao longo dos anos, por me permitirem manter sempre este objectivo presente e sem os quais não teria conseguido.
E por fim, um agradecimento especial à Alexandra, por mais do que aquilo que eu possa colocar por palavras.
Peço desculpa a todos, os que de alguma forma me auxiliaram neste percurso e não mencionei, mas que de forma alguma foram esquecidos.
A todos, o meu muito obrigado!
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Abstract
The ocean waves have a high potential to become a reference among the renewable energies with economic viability. In recent years this source of energy has led to a growing interest from the scientific community, resulting in studies and technological developments on the issue arising more and more frequently and with greater detail. However, despite this growth, there remains some difficulty in the perception by the general public of this potential as well, some work to do by the governments and the industry to push this technology to the front lines. In this sense, this paper aims to bring light to this "new" form of energy by assessing and characterizing the marine resource, presenting to the most used methods for extraction of wave energy, understand how they work in general and one of them (Oscilating Water Column - OWC) in particular, quantify the energy that we can harness through the OWC system and model it in MATLAB/Simulink® environment.
Keywords: oscillating water column, wave energy, Wells turbine, doubly fed induction generator (DFIG)
iii
Resumo
As ondas do mar têm um elevado potencial para se tornarem um recurso energético renovável de referência e com viabilidade económica. Nos últimos anos esta fonte de energia tem suscitado um crescente interesse por parte da comunidade científica e levado a que estudos e desenvolvimentos tecnológicos sobre a matéria surjam cada vez com mais frequência e com maior detalhe. Todavia, apesar deste crescimento, persiste alguma dificuldade de perceção pelo público em geral deste potencial. Nesse sentido, este trabalho pretende dar a conhecer esta "nova" forma de energia, os métodos mais usados para explora-la, compreender como funcionam e quantificar a energia que podemos aproveitar através deles.
Numa primeira fase este trabalho avalia e caracteriza o recurso marítimo, seguindo-se a apresentação dos diferentes métodos de extração da energia das ondas, princípios de funcionamento e mecanismos de Power Take-Off (PTO) utilizados.
De seguida a enfâse vai para o sistema de coluna de água oscilante (CAO), explorando de forma mais detalhada os aspetos técnicos relevantes, analisando a capacidade de produção de um sistema destes ao longo de um ano e como ferramenta auxiliar, para compreender melhor a dinâmica de funcionamento deste sistema, socorre-se a uma simulação do mesmo em ambiente MATLAB®/Simulink®. Esta modelação/simulação tem também como objetivo compreender o impacto da utilização de um sistema de controlo de velocidade do grupo turbina-gerador na produção energia comparativamente a um sistema sem controlo de velocidade.
Palavras-chave: coluna de água oscilante, energia das ondas, turbina de Wells, máquina de indução duplamente alimentada (MIDA)
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Índice
Agradecimentos ...... ii
Abstract ...... iii
Resumo...... iv
Índice ...... v
Lista de Figuras ...... viii
Lista de Tabelas ...... xi
Lista de Acrónimos ...... xii
Lista de Símbolos ...... xiii
1. Introdução ...... 1
1.1. Energia Marítima ...... 1
1.2. Recurso Energético Marítimo ...... 2
1.3. Distribuição do Recurso Energético Marítimo ...... 2
1.4. Vantagens da Energia das Ondas ...... 4
1.5. Projectos de Sistemas de Aproveitamento da Energia das Ondas ...... 4
1.6. Objetivos ...... 7
1.7. Estrutura do Trabalho ...... 8
2. Aproveitamento da Energia das Ondas ...... 9
2.1. Ondas ...... 9
2.2. Teoria Linear das Ondas ...... 10
2.3. Espectros de Ondas ...... 11
2.4. Efeito da Profundidade da Água ...... 14
2.5. Resposta dos WECs ...... 15
2.6. Tipos de WECs ...... 16 2.6.1. Coluna de Água Oscilante (CAO) ...... 16 2.6.2. Pelamis ...... 19 2.6.3. Wave Dragon ...... 21 2.6.4. WaveRoller ...... 23 2.6.5. AquaBuOY ...... 24 2.6.6. Archimedes Wave Swing (AWS) ...... 27 2.7. Diagramas Unifilares Simplificados dos WECs ...... 28
v
2.8. Desafios ...... 30
2.9. Revisão da Literatura ...... 30
3. Componentes De Um Sistema CAO ...... 32
3.1. Câmara Pneumática ...... 32
3.2. Turbina ...... 34 3.2.1. Turbina de Wells ...... 34 3.2.2. Forças que Actuam na Turbina de Wells ...... 35 3.2.3. Curvas de Performance da Turbina de Wells...... 37 3.3. Dinâmica Rotacional ...... 40
3.4. Gerador...... 40
3.5. Sistema Global ...... 54
4. Cálculo da Energia Anual Produzida Por Uma Central CAO ...... 57
4.1. Primeiro Método de Cálculo ...... 58
4.2. Segundo Método de Cálculo ...... 60
4.3. Discussão dos Resultados ...... 64
5. Resultados e Análise ...... 67
5.1. Modelos em Simulink ...... 67
5.2. Resposta do Sistema ...... 68 5.2.1. Sistema Sem Controlo de Velocidade ...... 68 5.2.2. Sistema Com Controlo de Velocidade ...... 74 6. Conclusão ...... 80
6.1. Conclusões ...... 80
6.2. Desafios Futuros ...... 80
Anexos ...... 81
A Propriedades das Ondas ...... 81
B Transformações Vetoriais ...... 82
C Máquina de Indução ...... 83
D Esquemas em Simulink ...... 85
E Dados da Central do Pico ...... 88
F Cálculos Aplicados ao Caso Do Pico ...... 89
G Valor Médio de Uma Sinusóide ...... 90
Bibliografia ...... 91
vi
vii
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Distruibuição mundial do nível de energia das ondas (valores médios anuais em kW/m e em águas profundas) [9]...... 3
Figura 1.2 - Evolução da potência renovável instalada em Portugal [12]...... 4
Figura 2.1- Parâmetros das ondas: comprimento de onda, altura da onda, a profundidade da água, 'a' a amplitude da onda e MWL o nível médio da água (imagem adaptada deℎ [30])...... 9
Figura 2.2 - Comparação entre os espectros Pierson-Moskowitz e JONSWAP [32]...... 13
Figura 2.3 - Resposta de um corpo à excitação provocada pelas ondas marítimas [38]...... 16
Figura 2.4 - Visão frontal da central CAO da ilha do Pico [42]...... 18
Figura 2.5 - Esquema lateral de um sistema CAO semelhante ao instalado na ilha do Pico [43]...... 18
Figura 2.6 - Visão traseira da central da ilha do Pico [42]...... 18
Figura 2.7 - Protótipo do sistema CAO flutuante "Mighty Whale" [29]...... 19
Figura 2.8 - Diagrama simplificado do sistema de Power Take Off (PTO) do pelamis [44]...... 20
Figura 2.9 - Representação gráfica do módulo de potência do Pelamis [4]...... 20
Figura 2.10 - Interligação elétrica de uma máquina do tipo pelamis [45]...... 21
Figura 2.11 - Representação da rampa com dupla curvatura do Wave Dragon [46]...... 22
Figura 2.12 - Diagrama do sistema Wave Dragon [46]...... 22
Figura 2.13 - Esquerda: Turbina do Wave Dragon à escala; Direita: Princípio de funcionamento do Wave Dragon [38]...... 23
Figura 2.14 - Ilustração do dispositivo WaveRoller [48]...... 23
Figura 2.15 - Ilustração da conversão da energia cinética em energia eléctrica [48]...... 24
Figura 2.16 - Esquema do PTO da tecnologia AquaBuOY [51]...... 25
Figura 2.17 - Constituição do AquaBuOY e princípio de funcionamento [52] [53]...... 26
Figura 2.18 - Ilustração de um sistema AWS [55]...... 27
Figura 2.19 - Diagramas unifilares dos principais WECs: a) CAO b) AWS c) AquaBuOY d) WaveDragon e) Pelamis [58]...... 29
Figura 3.1 - Pressão na câmara pneumática registada por três sensores [68]...... 33
Figura 3.2- Forças que actuam na turbina de Wells [69]...... 35
Figura 3.3 - Esquema de uma turbina de Wells [70]...... 36
Figura 3.4 - Turbina de Wells da central do Pico [71]...... 36
viii
Figura 3.5 - Curva característica do coeficiente adimensional de fluxo em função do coeficiente adimensional de pressão [61]...... 39
Figura 3.6 - Curva característica do coeficiente adimensional de potência em função do coeficiente adimensional de pressão [61]...... 40
Figura 3.7 - Geradores do tipo VVFC [74]...... 41
Figura 3.8 - Esquema de uma MIDA e do trânsito de potências...... 43
Figura 3.9 - Grid Side Converter...... 43
Figura 3.10 - Modelo teórico do controlo vetorial no GSC [66]...... 46
Figura 3.11 - Rotor side converter...... 46
Figura 3.12 - Modelo teórico para o controlo vetorial do RSC [65]...... 50
Figura 3.13 - Exemplo de uma modulação PWM por sub-harmónica aplicada a uma ponte trifásica de IGBTs [79]...... 52
Figura 3.14 - Circuito RL série...... 53
Figura 5.1 - Modelo em Simulink de uma central de CAO com controlo de velocidade...... 67
Figura 5.2 - Modelo em Simulink da turbina de Wells...... 68
Figura 5.3 - Variação da pressão dentro da câmara pneumática com . ... 69 = 6500 × (0.1 ) Figura 5.4 - Velocidade do grupo turbina-gerador para ...... 69 = 6500 × (0.1 ) Figura 5.5 - Potência da turbina para ...... 70 = 6500 × (0.1 ) Figura 5.6 - Binário desenvolvido pela turbina para ...... 70 = 6500 × (0.1 ) Figura 5.7 - Variação do coeficiente adimensional de pressão ( ) para . . 70 Ѱ = 6500 × (0.1 ) Figura 5.8 - Potência elétrica do gerador para ...... 71 = 6500 × (0.1 ) Figura 5.9 - Simulação com vários valores de "dp" na câmara pneumática...... 71
Figura 5.10 - Variação da velocidade para diferentes valores de dp...... 72
Figura 5.11 - Variação do coeficiente adimensional de pressão para diferentes valores de dp...... 72
Figura 5.12 - Variação da potência mecânica da turbina para os vários dp's...... 73
Figura 5.13 - Variação da potência elétrica do gerador para vários dp's...... 73
Figura 5.14 - Velocidade do sistema turbina-gerador com controlo de velocidade para um ...... = 6500 74 × (0.1 ) Figura 5.15 - Variação do coeficiente de pressão para no sistema com controlo...... = 6500...... × (0.1 ) .. 75
Figura 5.16 - Binário desenvolvido pela turbina de Wells para no sistema controlado...... =...... 6500 × (0.1 ) 75
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Figura 5.17 - Potência mecânica desenvolvida pela turbina para um no sistema com controlo...... = 6500 × (0.1 ) 76
Figura 5.18 - Potência elétrica do gerador para um no sistema com controlo...... = 6500...... × (0.1 ) .. 76
Figura 5.19 - Variação da pressão na câmara pneumática...... 77
Figura 5.20 - Variação da velocidade do grupo turbina gerador para diferentes valores de pressão. . 77
Figura 5.21 - Variação do coeficiente adimensional de pressão para diferentes valores de pressão. . 78
Figura 5.22 - Variação da potência mecânica da turbina para vários dp's...... 78
Figura 5.23 - Potência elétrica do gerador para vários dp's...... 79
Figura 5.24 - Tensão na ligação DC para vários dp's...... 79
Figura D.1 - Modelo em Simulink de uma central CAO sem controlo de velocidade...... 85
Figura D.2 - Modelo em simulink do controlo vetorial no GSC...... 85
Figura D.3 - Modelo em simulink para cálculo do binário electromagnético de referência...... 86
Figura D.4 - Modelo em simulink para cálculo do ângulo de escorregamento ( ) no RSC...... 86 Ɵ Figura D.5 - Modelo em simulink para o controlo vetorial do RSC...... 87
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Lista de Tabelas
Tabela 1 - Resultados teóricos anuais por tipo de energia [6]...... 2
Tabela 2 - Resumo dos principais WECs existentes e suas aplicações...... 7
Tabela 3 - Condições necessárias para a formação de ondas em função da velocidade do vento, do fetch e parâmetros das ondas resultantes (tabela adaptada de [31])...... 10
Tabela 4 - Exemplo de um diagrama de ocorrências [33]...... 57
Tabela 5 - Energia anual produzida calculada através do primeiro método ...... 60
Tabela 6 - Valores obtidos por aplicação do segundo método de cálculo...... 63
Tabela 7 - Energia anual produzida por uma central CAO...... 64
Tabela 8 - Resultados obtidos pelos métodos de cálculo apresentados e dados da performance real da central do Pico (N/A - Não aplicável ou sem informação disponível) ...... 65
Tabela 9 - Teoria linear das ondas [86]...... 81
Tabela 10 - Parâmetros da máquina de indução usada em Simulink...... 84
Tabela 11 - Diagrama de ocorrências e dados complementares do local onde está instalada a central da ilha do Pico [43]...... 88
Tabela 12 - Cálculo da potência média gerada por uma central CAO com condições idênticas às da central do Pico...... 89
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Lista de Acrónimos
AWS Archimedes Wave Swing
CAO Coluna de água oscilante
DFIG Doubly Fed Induction Generator
GSC Grid Side Converter
IGBT Insulated-gate Bipolar Transistor
MIDA Máquina de Indução Duplamente alimentada
MWL Mean Water Level
OWC Oscillating Water Column
Pa Unidade de pressão: Pascal
PCM Power Conversion Module
PLC Programmable Logic Controller
PTO Power Take Off rms Root Mean Square rpm Rotações Por Minuto
RSC Rotor Side Converter
WEC Wave Energy Converter
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Lista de Símbolos
H Altura da onda marítima
Altura significativa da onda T Período da onda marítima
Período significativo da onda Período de energia f ′ Frequência da onda marítima
Comprimento da onda marítima
Φ Velocidade potêncial
Elevação da superfície da onda