O diagrama de blocos do sistema de estimativa do potencial de energia eólica desenvolvido, e testado neste trabalho foi apresentado na Seção 3.4. Foram feitos testes de precisão, consumo e tempo de inicialização, já descritos também na Seção 3.4. Seguem com os resultados desses testes:
4.3.1 Precisão
Para medir a precisão da microturbina, e consequentemente calibrá-la, foram obtidos dados da velocidade do vento no túnel com o sistema de aquisição de dados já descrito na Seção 3.3, que incorpora um anemômetro de referência e os dados experimentais da velocidade do vento medida com a aplicação. É possível observar nos resultados da Seção 4.3.2 que a carga representada pelo sistema desenvolvido durante a medição da tensão gerada
pela microturbina tem comportamento dinâmico, isso dificultou a escolha da equação característica da curva velocidade do vento versus tensão a ser utilizada na aplicação. Decidiu-se por utilizar a Equação (4.3) (obtida sem carga) para conversão da tensão na saída da turbina (e medida pelo microcontrolador) em velocidade. Tal equação foi escolhida como um valor de referência inicial, sabendo-se da necessidade futura de ajustes para compensar o comportamento dinâmico da carga.
Ambos os resultados foram obtidos para uma mesma programação de velocidade do vento no túnel, utilizando-se como referência a velocidade do vento medida pelo anemômetro durante 20 s. Na Figura 34 são apresentados os valores da velocidade do vento medidos pelo anemômetro e pela aplicação durante 20 s. Na Figura 35 são comparadas as médias das velocidades do vento medidas durante 10 s pelo anemômetro e pela aplicação.
FIGURA 34 - COMPARAÇÃO ENTRE AS VELOCIDADES DO VENTO MEDIDAS PELO ANEMÔMETRO E MEDIDAS PELA APLICAÇÃO.
FIGURA 35 - COMPARAÇÃO ENTRE AS MÉDIAS DA VELOCIDADE DO VENTO MEDIDAS PELO O ANEMÔMETRO E MEDIDAS PELO NÓ SENSOR.
É possível observar na Figura 34 que há uma diferença máxima de aproximadamente 5% (3,6 e 3,8m/s) entre as medidas. A variação temporal se deve ao fato de o procedimento experimental ter sido feito a partir de 2 computadores distintos, um recebendo dados da velocidade do vento provenientes do anemômetro de referência, o outro recebendo dados da velocidade do vento provenientes do nó sensor. Como a inicialização do processo de medição foi manual, não é possível garantir uma simultaneidade exata entre as medidas. Observando-se a Figura 34 também se percebe que a forma é semelhante e que as duas linhas se encaixam melhor se for dado um atraso de 1 ou 2 s na linha de baixo. Em todo caso, para qualquer tempo, os valores obtidos diferem por no máximo 0,3 m/s, o que representa uma diferença menor que 10%. Na Figura 35 é possível fazer uma avaliação mais global da precisão. Nesta figura o erro máximo entre as médias da velocidade do vento medidas pelo anemômetro e as médias da velocidade do vento medidas pelo nó sensor é de aproximadamente 11 %.
A imprecisão nas medidas se deve ao fato de ter sido usado, nos procedimentos experimentais, um túnel de vento construído de forma empírica e um anemômetro não calibrado. Além disso, os elementos do sistema não foram soldados numa mesma placa de circuito impresso, o que explica a presença de ruído. Outra grande fonte de ruído observada foi o transmissor
usado no controle do motor da turbina geradora de vento no túnel, pois foi falado antes, que este controle é feito com um sistema sem fio proveniente do aeromodelismo. Como a caracterização da microturbina foi obtida a partir de dados medidos com estes instrumentos, já era esperado certo grau de incerteza entre as medidas.
Outra razão importante encontrada para explicar a incerteza entre as medidas é o perfil de consumo do conversor DC-DC, conforme observado na Figura 37. Este conversor consome 14 vezes mais energia cada 11 s. Nestes instantes a impedância de entrada do conversor diminui consideravelmente e, consequentemente, também diminui a tensão na entrada do conversor A/D usada para medir indiretamente a velocidade do vento. Portanto uma melhora significativa na precisão pode ser obtida ajustando-se os coeficientes da Equação 4.3 com base nos resultados experimentais na Figura 35. Outros aspectos que também podem melhorar são o uso de um túnel de vento bem maior, dentro dos padrões especificados pela mecânica dos fluidos para escoamento laminar e plenamente desenvolvido e um anemômetro calibrado para caracterizar a microturbina. Além da redução das fontes de ruído.
4.3.2 Consumo
Para obter a potência média consumida pelo nó sensor desenvolvido, foi inserido um resistor de 10 Ω na entrada do nó sensor. Foi medida a diferença de potencial nesse resistor com uma tensão de entrada de 1,4 V (correspondente a uma velocidade do vento de 3,4 m/s) conforme esquema da Figura 36. A forma de onda da tensão medida sobre o resistor de 10 Ω pode ser vista na Figura 37. Observando a forma de onda da corrente consumida pelo sistema desenvolvido na Figura 37, obtém-se aproximadamente 44 mA, nos instante de maior consumo. Portanto, o consumo instantâneo do sistema proposto nesses instantes é de aproximadamente 61 mW. Considerando-se que esta demanda ocorre a cada 11 s durante 0,4 s, tem-se um ciclo de trabalho de 3,6 %. Como durante todo o tempo restante o consumo do nó sensor é de aproximadamente 4,2 mW. A potência média consumida pelo nó sensor é de aproximadamente 6 mW, menor que a potência produzida pela microturbina na velocidade mínima do vento de 3,4 m/s que é 8 mW.
Para obter a potência média consumida pelo microcontrolador e transceptor também foi inserido o resistor de 10 Ω em série com a alimentação destes. A forma de onda da tensão medida sobre esse resistor pode ser vista na Figura 38. A corrente instantânea máxima consumida pelo microcontrolador e transceptor na aplicação de monitoramento da velocidade do vento é de aproximadamente 23,3 mA, como o nó sensor está alimentado com uma tensão de 3,4 V, tem-se um consumo instantâneo de 76 mW. O consumo instantâneo do microcontrolador e transceptor é maior do que o consumo instantâneo de todo o sistema; no entanto, o consumo do microcontrolador e transceptor é observado por um período de tempo muito menor (5 ms) que o consumo do sistema. Durante o período em que o nó sensor é acionado, sua energia é suprida pelo capacitor de 20 mF na saída do conversor), que é recarregado periodicamente pelo conversor C.C. (ver Figura 27).
FIGURA 37 - CORRENTE CONSUMIDA PELO SISTEMA DE MONITORAMENTO DA VELOCIDADE DO VENTO.
FIGURA 38 - CORENTE CONSUMIDA PELO NÓ SENSOR DURANTE A APLICAÇÃO DE MONITORAMENTO DA VELOCIDADE DO VENTO.
4.3.3 Tempo de Inicialização
O tempo de inicialização do sistema pode ser visto na Figura 39 (tensão no capacitor em paralelo com a saída do conversor C.C.). Como pode ser verificado, este tempo é de aproximadamente 10 s. A aplicação desenvolvida neste trabalho coleta dados do vento a cada 1 s. Conforme informações pesquisadas na seção 2.1.3, para que uma estimativa do potencial de energia eólica de um determinado local seja satisfatória são necessárias médias da velocidade do vento no local a cada 10 minutos [20]. Com esse tempo de inicialização o sistema necessita que a velocidade do vento seja no
mínimo 3,4 m/s por no mínimo 10 s, valores de velocidade do vento menores do que esse serão considerados nulos na média calculada, e isso pode ser previsto no procedimento de estimativa do potencial eólico.
FIGURA 39 - TENSÃO NO CAPACITOR DURANTE A INICIALIZAÇÃO.
É importante notar que, este tipo de nó sensor autônomo é mais adequado para sistemas em se necessita de uma coleta de dados 24 horas por dia, como é o caso dos sistemas de estimativa do potencial eólico em áreas urbanas.
Embora o número de nós sensores e alcance de comunicação em um sistema dessa natureza dependa da complexidade da tarefa, neste trabalho foi considerada uma rede composta por pelo menos 10 nós sensores com cerca de 50 m de alcance de comunicação. O alcance do nó sensor desenvolvido (12 m) pode ser melhorado economizando-se energia ao se configurar o nó sensor para enviar as médias da velocidade do vento de um determinado local a cada 10 minutos, intervalo mais interessante para aplicações de predição do potencial de energia eólica [20]. Além disso, é possível aumentar o tamanho da antena do transceptor. A rede considerada pode ser vista na Figura 40.
5 CONCLUSÕES
Neste trabalho, foram pesquisados os mecanismos envolvidos no processo de medição da velocidade do vento para estimativa do potencial eólico de um determinado local. Com base nos resultados desta pesquisa, foi desenvolvido um protótipo de baixo custo de uma microturbina eólica com 13 cm de altura e η’’ de diâmetro. Para caracterização do protótipo, foi construído um túnel de vento de 1 m de comprimento e 20 cm de diâmetro e capacidade para gerar vento com velocidade de até 10 m/s. O protótipo foi testado e utilizado para alimentar um nó sensor numa aplicação de monitoramento da velocidade do vento também desenvolvida no presente trabalho. O princípio de geração de energia elétrica a partir de energia eólica foi, portanto, utilizado para medir indiretamente a velocidade do vento e ao mesmo tempo alimentar o nó sensor. Os dados da velocidade do vento coletados pelo nó sensor foram enviados a um nó central e processados por este nó.
O sistema desenvolvido foi testado, e os resultados dos testes mostraram sua capacidade para medir velocidades do vento entre 3,4 m/s e 10 m/s. O valor mínimo está dentro da faixa de velocidades mínimas requeridas para o funcionamento de turbinas eólicas de pequeno porte (até 5 kW). O valor máximo pode ser ajustável num procedimento de calibração utilizando um túnel de vento comercial, além da necessidade de proteção do nó sensor caso a velocidade máxima seja maior. Na forma como a aplicação foi desenvolvida, o nó sensor tem alcance máximo de 12 m, medido experimentalmente. No entanto, esse alcance pode ser melhorado amplificando-se o sinal do transceptor, utilizando energia a ser previamente economizada ao se reduzir o ciclo de trabalho do transceptor. A precisão também pode ser melhorada reajustando os coeficientes da curva característica da microturbina utilizada nos testes experimentais, além da utilização de instrumentos certificados (anemômetro e túnel de vento) na obtenção de novas curvas. O sistema necessita de no mínimo 3,4 m/s de velocidade do vento durante 10 s para iniciar seu funcionamento. O consumo médio de 6 mW foi totalmente atendido pela capacidade de geração da microturbina com o auxílio de um capacitor para armazenamento de energia e ainda sobraram 2 mW.
Baseando-se nos resultados experimentais apresentados neste trabalho, pode-se concluir que o sistema desenvolvido está apto a estimar o potencial de energia eólica de uma determinada localidade. Tendo-se em vista o tempo de inicialização no valor mínimo da velocidade do vento (3,5 m/s), pode se prever no tratamento estatístico dos dados que na ausência de dados por um período de 10 s, a velocidade do vento é inferior a 3,4 m/s. O sistema está configurado para um alcance de 12 m, podendo ser expandido. As soluções encontradas para viabilizar a autonomia energética do sistema foram de baixo custo, com exceção do circuito conversor e elevador C.C., que por uma questão de tempo e praticidade foi adquirido em uma placa de demonstração. No entanto este circuito pode ser implementado numa placa de circuito integrado (PCI) específica, visando atender a especificações exatas do projeto. A medição indireta da velocidade do vento por meio de uma microturbina eólica mostrou-se adequada à aplicação com baixo custo vislumbrada, e nós sensores podem ser colocados em qualquer lugar sem necessidade de baterias, desde que atendam os limites de alcance.
Os principais resultados deste trabalho de pesquisa foram sintetizados em um artigo científico, submetido e aceito para apresentação oral no 2014 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference: J. E. P. Braquehais, A. A. L. Souza, “Energy-autonomous Wind Speed Smart Sensor”.
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