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ANÁLISE, SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA MECÂNICO PARA
TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA EM UM CONVERSOR DE ENERGIA DE ONDAS
OCEÂNICAS
Sudá de Andrade Neto
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
Orientador: David Alves Castelo Branco
Coorientador: Eliab Ricarte Beserra
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2017
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ANÁLISE, SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA MECÂNICO PARA
TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA EM UM CONVERSOR DE ENERGIA DE ONDAS
OCEÂNICAS
Sudá de Andrade Neto
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. David Alves Castelo Branco, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Eliab Ricarte Beserra, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Luiz Antonio Vaz, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz D.Sc.
________________________________________________
Prof. Rodrigo Klim M.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2017
Neto, Sudá de Andrade
Análise, seleção e dimensionamento de sistema mecânico para transmissão de potência em um conversor de energia de ondas oceânicas
– Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.
VII, p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: David Alves Castelo Branco
Coorientador: Eliab Ricarte Beserra
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2017.
ii
CITAÇÃO
“Só há felicidade se não exigirmos nada do amanhã e aceitarmos do hoje, com
gratidão, o que nos trouxer. A hora mágica chega sempre.”
Hermann Hesse
“O mistério da existência humana não reside apenas em permanecer vivo, mas
em encontrar algo pelo qual valha a pena viver. “
Fiódor Dostoievski
“Everything should be as simple as it can be, but not simpler”
Albert Einstein
iii
AGRADECIMENTOS
Dedico este trabalho aos meus familiares e amigos. Primeiramente, às
minhas imensamente amadas Mãe e irmã. Mãe, você sempre me diz que na vida
a gente precisa de sorte “até pra nascer”. Essa sorte, algo difícil de explicar e
que ás vezes foge da razão, eu agradeço diariamente por ter tido. O convivío traz
momentos nem sempre harmoniosos, mas tanto em nossas diferenças quanto
em nossas afinidades e semelhanças o amor sempre se faz presente. Na
elaboração deste trabalho, vocês duas foram incansáveis em me dar suporte
intelectual, emocional, mental e qualquer outra forma de apoio. O resultado
deste projeto não seria o mesmo, caso não pudesse contar com vocês. Amo
vocês, mesmo com minhas limitações, com o maior amor que sou capaz de dar.
Ao meu pai, in memoriam, não sei se algum dia imaginou um filho engenheiro,
mas acredito que estaria ou está orgulhoso neste momento. Se nosso tempo
juntos aqui foi curto, foi também intenso. Obrigado pelos ensinamentos e, caso
exista algo além da morte, espero encontrá-lo para mais algumas conversas
sobre história, política, filosofia e, é claro, também para algo mais leve como
assistirmos juntos as partidas de futebol do Vasco e do Fluminense.
Aos meus amigos Gabriel Saramago e José Ururahy, presentes na minha
vida há mais de 13 anos, devo a vocês um agradecimento por todos os momentos
de felicidades e tristezas compartilhados. Neste trabalho, em especial, serei
eternamente grato pela motivação que me deram e por acreditarem em mim
mesmo quando eu duvidei. Sinto que sou parte de vocês e vocês de mim. Juntos
somos mais fortes. Mais uma vez obrigado.
Aos meus grandes amigos da graduação, em especial Rodrigo Metne,
Rafaell Caldas, Pedro Gruzman, Júlio Lobo, João Barreto, Rodrigo Sudá, Daniel
Cipriano, Pedro Caetano e Bernardo Cassar. As incontáveis horas que passamos
juntos, tanto dentro quanto fora da universidade, me tornaram o engenheiro
que sou hoje e uma pessoa melhor. Respeitando nossas peculiaridades, pontos
fortes e fracos de cada um, nos unimos não apenas em torno da Engenharia
Mecânica, mas também, e principalmente, pelos momentos de dificuldades que
enfrentamos juntos ao trilhar um objetivo comum.
Aos meus queridos amigos do intercâmbio. Obrigado pelo melhor ano de
nossas vidas. Conhecê-los e conviver com vocês em Liverpool foi uma das
melhores coisas que já me aconteceu. Marcos Magnus, Arthur Távora, Vinicius
iv
Oliveira, Pedro Barros, Clóvis Bona, Rafael Nunes, Pedro Victor, Gilberto de
Martin, George Hambling entre muitos outros, deixo registrado aqui meu muito
obrigado.
Aos meus queridos amigos da Petrobrás, especialmente ao meu
supervisor Ernani, ao meu gestor Meyrelles e aos meus tutores e agora colegas
engenheiros Bianco, Pedro, Fabiana, Isabela, Igor, Thiago Maioli, Thiago Moura,
Toscano, Quintierie e Aline. Depois de um ano e meio de convívio e aprendizado,
sinto um enorme orgulho e privilégio ter feito parte desta equipe e levarei um
pouco de cada um comigo a partir de agora para minha vida profissional e
pessoal.
Ao meu orientador Prof. David Branco e ao meu coorientador Prof. Eliab
Ricarte. Obrigado por terem me dado a oportunidade de trabalhar com vocês e
a liberdade de explorar este tema. Suas dicas foram sempre valiosas e sempre
tiveram paciência comigo mesmo nas fases em que eu não conseguia avançar.
Deixo também meus agradecimentos ao resto da equipe do projeto, em especial
para o Prof. Luiz Vaz e para o Rodrigo Klim, que compuseram minha banca, e
para os graduandos Bernardo Kahn e Alexander Kataoka. Nossas diversas
discussões ao longo do tempo de elaboração do trabalho enriqueceram e muito
este projeto.
Finalmente, à UFRJ e a todo o corpo técnico e administrativo, aos
professores do departamento da mecânica, ao coordenador Prof. Flávio Filho e
ao Tito José, responsável administrativo. Carrego comigo agora, de forma
definitiva, o nome desta instituição que me orgulho tanto de ter feito parte.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro
Mecânico.
Análise, seleção e dimensionamento de sistema mecânico para transmissão de
potência em um conversor de energia de ondas oceânicas
Sudá de Andrade Neto
Fevereiro/2017
Orientador: David Alves Castelo Branco
Curso: Engenharia Mecânica
Este projeto final de graduação apresenta uma análise dos principais sistemas
de transmissão de potência para conversão de energia das ondas ocêanicas com
fins de gerar eletricidade a partir deste recurso. Fundamentada nesta análise, é
feita a seleção por um sistema hidráulico em circuito fechado para um modelo
específico de conversor desenvolvido pela COPPE/UFRJ, do tipo ponto
absorvedor para águas de profundidade médias e rasas. O conversor é
constituído por um flutuador que oscila verticalmente com a passagem das
ondas, suportado por uma estrutura fixa. A escolha por um sistema hidráulico
é baseada em critérios como custo, peso, facilidade de fabricação, eficiência,
adaptabilidade ao ambiente marinho entre outros. Após definição do sistema, é
realizado o dimensionamento dos componentes de acordo com resultados
computacionais premilinares e a Teoria Linear de Ondas. O dimensionamento é
proposto em escala real e em 1:10, correspondentes, respectivamente, ao
protótipo e ao modelo experimental.
Palavras-chave: energia das ondas, ponto absorvedor, sistema mecânico, sistema
hidráulico
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfilment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
Analysis, selection and sizing of mechanical system for power-take-off system
in an ocean wave energy converter
Sudá de Andrade Neto
February/2017
Advisor: David Alves Castelo Branco
Course: Mechanical Engineering
This undergraduate project presents an analysis of the main power
transmission systems for the conversion of energy from ocean waves in order to
generate electricity from this resource. Based on this analysis, a closed circuit
hydraulic system is selected for a specific converter model developed by
COPPE/UFRJ, a point absorber type for medium and shallow depth waters. The
WEC consists of a float which oscillates vertically with the passage of the waves
while supported by a fixed structure. The choice for a hydraulic system is based
on criteria such as cost, weight, ease of manufacturing, efficiency, adaptability
to the marine environment among others. After defining the system, sizing of
the components is developed from premillary computational results and the
Linear Wave Theory. Designs are proposed in real scale and in 1:10, respectively,
prototype and experimental model.
Key-words: WEC, wave energy, point absorber, mechanical system, hydraulic
system
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1-1. Participação de renováveis na geração elétrica - matriz nacional e global (Ano
Base 2015)
Figura 1-2. A oferta interna de energia (Ano Base 2015)
Figura 1-3. Mapa global das iniciativas e inovações no setor de energia de ondas, de acordo
com o European Marine Energy Center (EMEC)
Figura 1-4. Modelo em escala 1:10 do conversor do tipo Ponto Absorvedor. O flutuador à
esquerda movimenta-se devido às forças de excitação das ondas, gerando potência e
oscilando verticalmente em relação a uma estrutura fixa parcialmente submersa, mostrada
à direita.
Figura 1-5. Parques de Energia offshore com fontes híbridas podem ser a solução para dar
a energia das ondas maior viabilidade econômica
Figura 1-6. Movimento das partículas da água em uma onda
Figura 2-1. Grandezas básicas das ondas
Figura 2-2. O surgimento das ondas através dos ventos
Figura 2-3. Classificação dos conversores a partir de sua localização
Figura 2-4. Comparativo entre localidades e energia disponível
Figura 2-5. Tipos de Conversores classificados devido à interação com a onda incidente
Figura 2-6. AWS usa o princípio de diferenciais de pressão para extrair energia das ondas
Figura 2-7. Conceito do conversor Wavegen's Limpet, em Islay, Escócia.
Figura 2-8. Estruturas flutuantes e os diferentes graus de liberdade
Figura 2-9. O conceito do Wave Dragon se baseia no "overtopping" -
Figura 2-10. As diversas categorias de conversores de onda
Figura 2-11. Estágios para conversão de energia de ondas oceânicas
Figura 2-12. Princípio de Operação de Pelamis
Figura 2-13. Sistemas Hidráulicos no WaveStar
Figura 2-14. Configuração de sistema PTO hidráulico básico sugerido por Ferri et al []:
circuito fechado com pistão de duplo efeito, válvulas de controle, acumuladores, motor
hidráulico e gerador.
Figura 2-15. Technologia usada em sitemas hidráulicos para produzir energia das ondas
Figura 2-16. Representação esquemática de um motor hidráulico de deslocamento variável
com pistão axial e eixo curvado
viii
Figura 2-17. Vista cortada mostra características-chave de um cilindro hidraulico típico,
neste caso, de duplo efeito com construção padrão tie-rod tirante
Figura 2-18. Modelo de um Gerador Linear
Figura 2-19. Princípio de Operação de AWS
Figura 2-20. Gerador linear do AWS durante montagem
Figura 2-21. Tecnologia usada em sistemas de conversão direta para gerar eletricidade
através das ondas
Figura 2-22. Esquema e projeto conceitual de conversão de energia das ondas por geradores
lineares
Figura 2-23. Conversor de Lysekil (dir.) e da Universidade de Oregon (esq.)
Figura 2-24. Esboço de Conversor de Ondas com gerador Linear
Figura 2-25. Circuito equivalente de Gerador Linear
Figura 2-26. Gerador Linear Tubular air-cored é uma solução para reduzir peso
Figura 2-27. Sistemas de Transmissão mecânicos por cremalheira e pinhão: À esq.
cremalheira dupla com pinhão único, ao centr. e à dir. sistema com pinhão duplo e dois
geradores da OPT.
Figura 2-28. OPT PowerBuoy
Figura 2-29. Conversor Mecânico por Cremalheira-Pinhão
Figura 2-30. Testes no laboratório e no mar acionam uma lâmpada de 3W
Figura 2-31. Conversor de Ondas com sistema mecânico da CorPower
Figura 2-32. Conversor Mecânico de Singapura, com trava para os dentes e rotacionamento
unidirecional
Figura 2-33. Sistema Cursor Manivela para Energia das ondas
Figura 2-34. Volante de inércia para diminuir a flutuação de velocidade no eixo
Figura 2-35. Esquema do Projeto de Pico OWC Plant.
Figura 2-36. Turbina Wells na versão com palhetas-guia na esq. e turbina de impulso na dir.
Figura 2-37. Turbina a ar Denniss-Auld. As pás do rotor pivotam rapidamente entre as
posições extremas quando o fluxo de ar é revertido
Figura 2-38. Turbinas hidráulicas para conversores de ondas. Turbina Pelton na esq. Turbina
Kaplan no meio e Turbina Francis na dir.
Figura 2-39. Oyster da Aquamarine Power envia água pressurizada para rotacionar uma
turbina tipo Pelton localizada na costa
ix
Figura 2-40. Esquema de Sistema com Turbina Pelton, volante de inércia e multiplicador
de velocidade transmitido por correia para conexão com o gerador elétrico
Figura 2-41. Atuador Pneumático Linear. Componentes principais e principio de
funcionamento
Figura 2-42. Conversor de Onda com Sistema Pneumático fechado
Figura 2-43. Componentes do Sistema Pneumático
Figura 2-44. Turbo-Gerador e Gerador Elétrico de Indução
Figura 2-45. Diagrama elétrico de um parque de ondas
Figura 2-46. Caso real: diagrama de conversão terciária. Parque Wave Hub
Figura 2-47. Topologias de sistema de potência comumente usadas em conversores de onda
Figura 2-48. Sistema HVAC típico
Figura 2-49. Cabos de polietileno e XLPE com núcleo triplo (esq.) e núcleo único (cent.) e
STATCOM da Jema Energy (dir.)
Figura 2-50. Arranjo dos módulos em clusters de estrela e de cadeia
Figura 3-1. Princípio de funcionamento verificado para o modelo 1:40
Figura 3-2 . Em cima: de Construção do modelo 1:10. Embaixo: Representação em CAD e
início dos testes, modelo instalado no tanque de ondas
Figura 3-3. Á esquerda, flutuador em escala 1:40, com largura aproximada de 15 cm. Á
direita, flutuador em escala 1:10 com 80 cm de largura máxima
Figura 3-4. Estrutura Guia e Abas que canalizam as ondas em direção ao flutuante
Figura 3-5. Esquema de flutuador em Oscilação vertical – movimento heave
Figura 3-6. Idealização do sistema PTO linear
Figura 3-7. Modelo 1:10 e seu sistema de rolamento e estrutura guia. A estrutura limita
fisicamene a amplitude do movimento e suporta as tensões exercidas pelas ondas.
Figura 0-8. Estruturas de Suporte para Ponto Absorvedores Lineares Verticais
Figura 3-9. Haste guia e Cilindro Hidráulico em Projeto da Ocean University of China
Figura 3-10. Acelerômetro Capacitvo utilizado no experimento e princípio de
funcionamento
Figura 3-11. À esq: Sensor de Nível da água da DHL. À direita: Visão traseira do equipamento
e posicionamento dos sensores.
Figura 0-12. Mecanismo gerador de ondas acionado por motor elétrico e software
responsável por fornecer o input de estado de mar ao batedor
x
Figura 4-1. Potência instantânea e Média ao longo do tempo: Amortecimento Linear e
Controle Reativo
Figura 4-2. Conceito C1 para Sistema PTO
Figura 4-3. Micro Turbina Pelton de 3.5 W à esq. e de 10W à dir.
Figura 4-4. Aplicação de Micro Turbina Pelton ligada à mangueira
Figura 4-5. Bomba linear manual sugerida como referência para o modelo experimental
Figura 4-6. Cilindro Hidráulico de Simples efeito – Curso de 25 cm – Pressão máxima 1.7
MPa
Figura 4-7. Válvulas de Retenção para sistemas domésticos. Princípio de funcionamento e
opções em aço inox com o diâmetro de bocal da turbina, ½” ou 12/7 mm.
Figura 4-8. Acumulador tipo diafragma com pressão de pré-carga de 0.08 MPa, conexão de
½” e capacidade para 8 litros
Figura 4-9. Sistema Hidráulico Modelo Experimental
Figura 4-10. Catálago de Cilindros Hidráulicos Parker
Figura 4-11. Catálago de Cilindros Hidráulicos Hydropa e eficiência da transmissão
Figura 4-12. Catálago de Válvulas Hidráulicas Parker
Figura 4-13. Acumuladores Hidráulicos Hidropneumáticos. Embaixo: À esquerda tipo
bexiga, ao centro tipo pistão e à direita tipo diafragma.
Figura 4-14. Acumuladores Hidráulicos de Bexiga HYDAC. Valores de pressão operacionais
e volumes nominais.
Figura 4-15. Acumuladores Hidráulicos de Bexiga Parker. Valores de pressão operacional,
volume nominal, dimensões e peso
Figura 4-16. Motores Hidráulicos tipo Bent-Axis da HYDRO LEDUC, série M
Figura 4-17. PTO Hidráulicos com Plataforma Suspensa
Figura 4-18. Esquema para torre-guia em escala real com sistema PTO submerso
Figura 5-1. Circuito hidráulico com cilindro de duplo efeito
LISTA DE TABELAS
Tabela 2-1. Componentes típicos de um Sistema pneumático
Tabela 2-2. Tipos de Geradores Rotativos em alguns dos Protótipos mais avançados
Tabela 2-3. Voltagem de Saída e Potência Máxima de alguns conversores de onda
Tabela 1-1. Fatores de Escala do Conversor pela Similaridade de Froude
xi
Tabela 3-2. Fatores de Escala do PTO linear pela Similaridade de Froude
Tabela 4-1. Escala Experimental – Potência disponível 25-137 W/ Nominal 55W
Tabela 4-2. Escala Real – Potência máxima 435 kW/ Nominal 60 kW
Tabela 4-3. Pressão Máxima por Ciclo com cilindro hidráulico da Parker
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 2-1: FEM (volts) x Tempo (s)
Gráfico 2-2: Potência x Eficiência para Cremalheira-Pinhão no OPT PowerBuoy
Gráfico 4-1. Posição do Flutuador (m) x Posição da Onda (m) - Escala Modelo 1:10 - Período
1.9s
Gráfico 4.2 Força Resultante [N] x Tempo (s) - Escala Real
Gráfico 4.3 Potência [W] x Tempo (s) - Escala Real
Gráfico 4.4 Relação entre Força, Pressão do óleo e diâmetro do pistão
xii
NOMENCLATURA DOS SÍMBOLOS
m = massa do flutuador
mad = massa adicionada
t= tempo
z(t) = Posição
v(t) = Velocidade
a(t) = Aceleração
Fh(t) = Forças Hidrodinâmicas
Fr(t) = Força de Radiação
Rd = Coeficiente de Amortecimento de Radiação
Fe(t) = Força de Excitação Vertical
Fe = Amplitude da Força de Excitação Vertical
Fhs(t) = Força Hidrostática
ω = Frequência
H= Altura da Onda
α= Fase entre onda Incidente e a onda Radiada
ρ = Peso específico da água do mar
g = aceleração da gravidade
S = Área da Secção Tranversal livre do flutuante
Fpto(t) = Força Aplicada pelo PTO
mpto= Massa do sistema PTO
kpto = Constante elástica do sistema PTO
bpto = Constante de amortecimento do sistema PTO
L = Largura de Captura
Xo = Amplitude complexa da Velocidade
P ̅ex = Potencia Média Extraída
zp(t) = Posição do Pistão
xiii
v(t) = Velocidade do Pistão
ρoleo = Peso específico do óleo
Bo = Bulk Modulus do óleo
Fpto(t) = Força do Sistema PTO
Vcil(t)= Volume de óleo no cilindro
P1(t) = Pressão na Câmara do Cilindro
Ap = Área do Pistão Ah = Área da Haste
l = curso do pistão
mcil = massa do cilindro
Qcil(t) = Vazão volumétrica no cilindro
Kv = Coeficiente de Fluxo da Válvula
PB(t) = Pressão no Acumulador de baixa
PA(t)= Pressão no Acumulador de alta
QA(t) = Vazão para o Acumulador de alta
QB(t) = Vazão para o Acumulador de alta
Qm(t) = Vazão para o Motor
mA = massa de gás no acumulador de alta
mB = massa de gás no acumulador de baixa
mpto= Massa do sistema PTO
xiv
ÍNDICE
1 Introdução ...................................................................................... 17
1.1 Energias renováveis – Setor e Conceitos 17
1.2 Energias das ondas e seu histórico 19
1.3 Motivação do trabalho 22
1.4 Aplicações da energia das ondas 24
1.5 O recurso das ondas oceânicas 25
1.6 Escopo do Trabalho 31
2 Revisão bibliográfica ....................................................................... 33
2.1 Elementos básicos das ondas 33
2.1.1 Parâmetros de interesse nas ondas ................................................ 33
2.1.2 A energia contida em uma onda ..................................................... 35
2.1.3 Os espectros de onda ..................................................................... 36
2.1.4 Ângulo de Incidência e Perda de Energia........................................ 36
2.2 Conversores de Onda 37
2.2.1 Local .............................................................................................. 37
2.2.2 Interação com a onda incidente ..................................................... 39
2.2.3 Modo de Operação ......................................................................... 40
2.3 Sistemas de potência em conversores de onda
45
2.3.1 Aspectos Gerais ............................................................................. 45
2.3.2 Conversão Primária ....................................................................... 47
2.3.3 Conversão Secundária – Sistemas PTO ........................................ 48
2.3.4 Geradores elétricos rotativos ......................................................... 89
2.3.5 Conversão Terciária ................................................................... 93
2.3.6 Controle e Subsistemas Auxiliares ........................................... 100
3 Modelo Proposto ........................................................................ 102
3.1 Princípio de funcionamento 102
xv
3.1.1 Modelo em escala 1:40 ................................................................. 102
3.1.2 Modelo em escala 1:10 ................................................................. 103
3.2 Geometria do flutuador 104
3.3 Localização 105
3.4 Modelagem dinâmica do Modelo 106
3.4.1 Princípios da Extração ................................................................. 106
3.4.2 Sistema linear em ondas regulares: análise no domínio do tempo 107
3.4.3 Forças Atuantes no Flutuador ..................................................... 108
3.4.4 Sistema linear em ondas regulares: análise no domínio da frequência
111
3.5 Conversão de Escala em Energia das Ondas 114
3.6 Estrutura de Suporte e Rolamento 117
3.7 Experimento 119
3.7.1 Objetivos do experimento ............................................................. 119
3.7.3 Medição e Instrumentação ........................................................... 119
3.7.4 Geração de ondas no tanque ........................................................ 122
3.8 Simulação Computacional 123
3.9 Resultados Computacionais 124
4 Projeto do Sistema PTO ................................................................ 129
4.1 Requisitos do sistema de geração 129
4.2 Análise de Conceitos 132
4.2.1 Conceitos Propostos ..................................................................... 132
4.2.2 Matriz de Decisão ........................................................................ 134
4.3 Sistema Hidráulico Escala Experimental 137
4.3.1 Componentes ............................................................................... 137
4.3.2 Características Gerais do Sistema ................................................ 143
4.4 Sistema Hidráulico em Escala 1:1 144
4.4.1 Componentes ........................................................................... 144
xvi
4.4.2 Perdas no Sistema Hidráulico ...................................................... 158
4.4.3 Integração do PTO aos outros sistemas ........................................ 160
5 Conclusões ................................................................................... 162
5.1 Síntese dos resultados 163
5.2 Contribuições e possíveis melhorias 164
5.3 Sugestões para trabalhos futuros 166
6. Referências Bibliográficas ............................................................ 168
Anexos ............................................................................................ 182
Anexo I 182
Anexo II 184
Anexo III 186
Anexo IV 187
Anexo V 1871
17
1 Introdução
1.1 Energias renováveis – Setor e Conceitos
Muito já se discutiu a respeito da necessidade da sociedade explorar fontes
alternativas e renováveis de energia. Seja para se adequar a uma realidade futura na
qual o petróleo talvez não exista nas proporções atuais, seja para minimizar o
impacto ao meio-ambiente e reduzir emissões de gases de efeito estufa oriundas da
exploração do óleo e gás, o uso de novas fontes se apresenta como uma tendência
definitiva para que haja equilíbrio e sustentabilidade no setor energético.
Figura 1-1. Participação de renováveis na geração elétrica - matriz nacional e global (Ano Base 2015)
Fonte: Balanço Energético Nacional, 2015 [1].
Além disso, diversificar a matriz energética diminui riscos e dependência de
fatores climatológicos ou volatilidade de preços de mercado de commodities, o que
torna a questão energética ponto estratégico para todos os países no que diz respeito
à soberania e ao crescimento econômico. No Brasil, segundo o balanço energético
nacional [1], o ano de 2015 registrou 41,2% de participação de fontes renováveis na
oferta interna total de energia sendo 75,5% se considerado apenas a matriz elétrica.
18
A participação de fontes renováveis na matriz energética brasileira é por um
lado significativa, especialmente quando comparada à média global (em torno de 21%
do fornecimento elétrico e 14% da energia primária) [2]. Por outro, a geração nacional
renovável está baseada principalmente em hidroelétricas e biomassa de cana (
também significativamente em lenha e carvão vegetal), e alternativas renováveis
como energia fotovoltaica e eólica (a energia das ondas e das marés não somam 1%),
representaram apenas 4,7% do total ofertado internamente, como mostra a figura
abaixo, retirada do relatório de 2016 do Balanço Energético Nacional [1].
Esta parcela é pequena se considerado o potencial do país em diversas das
fontes não convencionais. Na Espanha, por exemplo, impulsionada por diretrizes de
autoridades europeias comprometidas em mitigar os efeitos de emissões de carbono,
somente energia eólica e solar correspondem juntas a 27% da matriz elétrica, já na
Alemanha, esse índice fica por volta de 20% [2].
O caso brasileiro mostra uma forte dependência das hidroelétricas no sistema
de geração de eletricidade, o que devido a longos períodos de estiagem vem trazendo
problemas no fornecimento à rede nos últimos anos, com ocorrência de eventos de
instabilidade, paralisações no fornecimento e uma maior utilização de termoelétricas
para fazer a geração de ponta e suprir os baixos níveis nos reservatórios hídricos, o
que eleva os custos totais da energia.
Figura 1-2. A oferta interna de energia (Ano Base 2015)
Fonte: Balanço Energético Nacional, 2015 [1].
19
Com o crescimento na demanda nacional previsto em cerca de 3 a 4% por
ano até 2040 [1], deve-se estar consciente que interrupções geram consequências
graves para toda a economia conectada à rede e afetam diretamente a vida dos
indivíduos. É consenso que o crescimento constante da oferta de energia equilibrado
com a sua demanda é um dos indicadores mais simples para mensurar o progresso
e o bem-estar de uma sociedade.
Fontes Renováveis e Fontes Alternativas
Ao abordar a energia das ondas, o entendimento desses dois conceitos é
fundamental. Define-se fonte renovável como aquele recurso considerado inesgotável
em uma perspectiva de tempo humana. Destaca-se que fontes renováveis podem ser
tanto convencionais (hídrica, por exemplo) quanto alternativas (eólica, solar, das
ondas, das marés, dentre outras). O conceito de fonte alternativa diz respeito às
tecnologias que não são competitivas no mercado quando comparadas às fontes
convencionais (notadamente petróleo, gás natural, hídrica e carvão mineral), seja
devido a questões técnicas ou econômicas. Este mercado diz respeito a fronteira da
análise, sendo um contexto específico no tempo e no espaço, de forma que uma
energia considerada alternativa em um país, pode ser considerada fonte
convencional em outro [3].
Em geral, fontes alternativas possuem um ou mais dos seguintes atributos:
custo de exploração elevado, intermitência, imprevisibilidade e não-estocabilidade.
Ressalta-se que as fontes alternativas podem ser renováveis, como as supracitadas,
ou não renováveis, a exemplo do xisto betuminoso, de difícil exploração. [3]
1.2 Energias das ondas e seu histórico
Dentre as possibilidades de diversificar a matriz energética e ampliar a
capacidade de produção, a energia das ondas oceânicas desponta como uma das
soluções para uma energia alternativa limpa e renovável, com um potencial teórico
global estimado entre 1-2 TW [4,5,6]. No Brasil, o potencial máximo seria próximo a
40 GW [6]. Levando em conta que o país contou com uma capacidade instalada de
134 GW em 2014 [1], a energia dos oceanos tem potencial teórico para suprir boa
parte da demanda nacional nos próximos anos.
Uma visão mais realista, porém, poderia argumentar que as ondas oceânicas
podem, no mínimo, contribuir juntamente a outras fontes renováveis para uma
matriz energética mais diversificada, mais limpa e menos dependente de fontes
fósseis. Deve-se levar em consideração as características da fonte de ondas
20
oceânicas, como o potencial econômico atual frente a outras fontes, a intermitência,
a capacidade de previsão do recurso e ainda grandes desafios técnicos em questões
como manutenção de equipamentos em ambiente offshore e custo da transmissão
da energia através de cabos submarinos.
Enquanto nas últimas três décadas grandes esforços foram direcionados para
o desenvolvimento da geração de energia proveniente do Sol e dos ventos, apenas
recentemente a energia das ondas começou a se estabelecer como uma realidade no
meio científico e gerar interesse de pesquisadores e de setores da indústria de
energia. Mesmo sendo uma tecnologia recente e imatura do ponto de vista
tecnológico, a ideia de converter a energia associada ao movimento das ondas
oceânicas em energia útil ao ser humano é antiga e vem sendo discutida há séculos,
mesmo que pouco investimento financeiro tivesse sido disponibilizado para este fim
até então.
Sabe-se que a primeira patente para um mecanismo conversor de ondas data
de 1799, graças ao francês Monsieur Girard, em Paris [4]. Outro francês, Praceique-
Bochaux, desenvolveu em 1910 uma das primeiras aplicações dessa fonte ao suprir
com eletricidade sua residência em Royan, próximo a Bordeaux. [5]
Embora a intenção em usar as ondas oceânicas para propósitos humanos
tenha surgido há mais de dois séculos (e desde então outras 340 patentes foram
criadas entre 1800 e 1973) [7], os maiores avanços na tecnologia são relativamente
recentes e certamente impulsionados pela crise energética do petróleo, deflagrada
em 1973. A partir desse ponto, pesquisadores e inventores como Stephen Salter, Kjell
Budal, Johannes Falnes e Michael E. McCormick iniciaram o que seriam as diretrizes
de estudo sobre o assunto. Na mesma época, subsídios governamentais à P&D no
setor de energia foram concedidos em países como Reino Unido, Suécia e Noruega,
o que possibilitou a construção dos primeiros equipamentos. Até 1980, mais de mil
patentes já haviam sido registradas em torno deste tema. [5]
Todavia, apenas poucos protótipos haviam sido testados no mar quando a
queda nos preços dos barris na década seguinte desacelerou o setor. Mais
recentemente, a partir do inicío dos anos 2000, tratados firmados
internacionalmente para redução de emissões reativaram o interesse de muitas
nações na área. Em dezembro de 2015, a 21ª Conferência das Partes (COP-21) da
Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima, realizada em Paris,
também sinalizou a importância de tornar a economia global menos intensiva em
carbono, o que pode manter o setor aquecido.
21
Atualmente, instalações e equipamentos continuam sendo construídos e
desenvolvidos em um grande número de países, com destaque para o Reino Unido,
EUA, e Noruega, como mostra a Figura 1-3 abaixo [5]. Tem-se hoje, novamente, uma
conjuntura favorável ao desenvolvimento do setor no médio e longo prazo. No Brasil,
são esperados mais incentivos para encorajar pequenos sistemas de energia
renovável. Novas regras, como o aprimoramento da resolução normativa 482 da
ANEEL de microgeração, passaram a valer a partir de março de 2016 e permitem que
o consumidor instale sistemas e comercialize sua própria energia com a distribuidora
local, o que pode incentivar projetos independentes. [8]
Figura 1-3. Mapa global das iniciativas e inovações no setor de energia de ondas, de acordo com o
European Marine Energy Center (EMEC)
Fonte: EMEC: European Marine Energy Center, 2014 [5].
22
1.3 Motivação do trabalho
Pensando nesse cenário, faz-se necessário que a tecnologia associada a essa
fonte de energia seja estudada e desenvolvida nacionalmente para que não haja no
futuro dependência de tecnologias estrangeiras, o que já ocorre em outros segmentos
do setor energético. É fato que a exploração da energia das ondas do mar ainda não
atingiu sua maturidade tecnológica, não havendo até hoje, unanimidade sobre qual
seria o mecanismo ou princípio de funcionamento mais eficaz para transformação
desta energia, diferentemente do que ocorre com mercados mais estabelecidos como
os de energia eólica e solar.
No processo de desenvolvimento de um conversor, a escolha do melhor
conceito para o sistema gerador de potência, o chamado power-take-off system ou
simplesmente PTO é fundamental para garantir utilidade à energia explorada. Este
sistema é o responsável por converter potência na forma de energia elétrica, a forma
que a energia é convertida e o número de conversões necessárias até a transformação
final dependerá do princípio de funcionamento escolhido.
O sistema de potência atua invariavelmente como um amortecimento aos
movimentos do conversor e, portanto, não só tem função na produção e transmissão
de energia para o consumidor final, mas também na hidrodinâmica da transferência
primária de energia ao corpo oscilante.
A escolha do melhor sistema é o ponto chave deste projeto final. Serão
analisadas aqui as possibilidades para exploração e conversão da energia e as
vantagens e desvantagens dos sistemas de potência considerados hoje como o estado
da arte. Serão comparados atributos como eficiência, princípio de operação,
complexidade, estágio de desenvolvimento do conceito, custo, volume, peso,
disponibilidade de componentes etc, com o intuito de definir a melhor solução
tecnológica para o sítio e os estados de mar predominantes do estudo de caso. A
partir da definição pelo sistema, o trabalho propõe um dimensionamento e iniciar o
projeto básico do sistema de conversão do modelo proposto, um conversor do tipo
ponto absorvedor em oscilação linear vertical, a ser instalado em águas médias ou
rasas.
23
Pontos absorvedores são definidos como estruturas flutuantes cujas
dimensões são pequenas quando comparadas à largura das frentes de onda. Desta
forma, este tipo de conversor consegue absorver energia independentemente da
direção da frente de onda, aproveitando-se de sua axissimetria. O ponto absorvedor
do modelo estudado foi desenvolvido para aproveitar energia mecânica cinética e
potencial das ondas através de um flutuador em movimento restrito de arfagem, ou
em inglês heave, sendo o absorvedor suportado por estrutura-guia que garante a
restrição de movimento em outros graus de liberdade.
O formato geométrico do absorvedor e a estrutura guia, dotada de abas de
captação de ondas, são inovações no segmento das ondas. Os resultados
preliminares experimentais e computacionais (em tanque de ondas e no software de
hidrodinâmica WAMIT) indicam alto potencial de absorção de energia quando
comparado a outras geometrias mais usuais, como esférica ou cilíndrica.
O projeto e o protótipo acima, em fase de desenvolvimento, vem tendo sua
pesquisa conduzida pelo PPE - Programa de Planejamento Energético da COPPE-
UFRJ, por um grupo de pesquisadores. O grupo conta com a participação de diversos
professores e alunos de graduação em engenharia de variados cursos, sendo o
projeto liderado pelo pesquisador Eliab Ricarte, Pós-Doc pelo PPE/UFRJ.
A extração de energia a partir das ondas oceânicas não é uma tarefa fácil,
necessitando de conhecimentos multidisciplinares, esforço cooperativo entre equipes
de pesquisadores e visão holística do tema. Para sucesso da tecnolgia, investimentos
Figura 1-4. Modelo em escala 1:10 do conversor do tipo Ponto Absorvedor. O flutuador à
esquerda movimenta-se devido às forças de excitação das ondas, gerando potência e oscilando
verticalmente em relação a uma estrutura fixa parcialmente submersa, mostrada à direita.
Fonte: Arquivo Pessoal
24
da iniciativa privada e dos governos dos países serão essenciais para ganhos de
escala e desenvolvimento de componentes específicos.
Integrados à máquina de conversão existirão diversos subsistemas além do
sistema de potência, como o sistema hidrodinâmico entre conversor e onda, a
estrutura de suporte, sistema elétrico, sistema de ancoragem entre outros, de forma
que a interface da engenharia mecânica com a naval, elétrica, civil, ambiental,
materiais entre outras é constante e imprescindível para uma boa execução do
projeto.
1.4 Aplicações da energia das ondas
As aplicações para a energia de fonte oceânica são as mais variadas. O
primeiro uso que vem à mente é a geração de energia elétrica, sendo este o objetivo
do trabalho, seja para uso residencial ou industrial, conectada à rede interligada ou
abastecendo áreas remotas, tais como ilhas e zonas rurais. O uso para fins elétricos
dependerá de soluções na área de eletrônica de potência, com o objetivo de regular o
sinal de saída, atendendo a critérios específicos do grid, como frequência e voltagem.
Devido à existência da mesma necessidade em regular a corrente elétrica ao
grid em outros segmentos do setor energético, como por exemplo, em energia eólica,
pode-se dizer que este aspecto está amplamente desenvolvido pela indústria.
Soluções tecnológicas similares podem, portanto, ser empregadas na energia das
ondas a custos também similares, contanto que o caminho de conversão entre a onda
e a geração de eletricidade seja feita a um custo competitivo.
Além da energia elétrica como uso final, justificada pela flexibilidade de
transmissão por longas distâncias, há várias outras oportunidades de se usar a
fonte, tais como: bombeamento de água, força motriz para o acionamento de
máquinas, processos de filtração e ainda dessalinização da água do mar. [6]
No Brasil, pode-se pensar na utilização da energia das ondas em zonas
remotas no Nordeste do país, seja para fornecimento elétrico, seja como força de
pressão para máquinas de dessalinização. No estado do Rio de Janeiro, o forte setor
de óleo em gás poderia se beneficiar do desenvolvimento da energia das ondas através
de conversores de onda fornecendo energia a plataformas de exploração e produção
offshore, que enfrentam limites restritos de peso, espaço e capacidade de geração de
energia.
25
Outra possível aplicação seriam parques offshore integrados, que combinem
a energia das ondas com uma ou mais fontes, como a eólica, a solar e a das marés,
a fim de aumentar a viabilidade econômica dos projetos e ao mesmo tempo diminuir
flutuações na potência de saída causada pela intermitência dos recursos. A Figura
1-5 abaixo mostra um sistema integrado de energia eólica e de ondas, criado pela
W2Power, chamado Pelagic Power [9].
1.5 O recurso das ondas oceânicas
Formação e Potencial Global
As ondas de gravidade ocorrem na superfície oceânica e se formam pela ação
dos ventos, que por sua vez se originam através do aquecimento desigual da
superfície terrestre proveniente da energia solar. Os oceanos são então,
acumuladores de energia eólica e solar. Portanto, devido às perdas nas etapas de
conversão, ondas de gravidade têm um potencial global menor que as fontes de
energia que a originam. No entanto, esse valor energético é ainda altíssimo sendo
capaz de produzir algo entre 50.000 e 80.000 TWH/ano considerando os atuais
equipamentos, suficiente para atender parte considerável da demanda global de
energia elétrica [4,6]. A Figura 1-6 a seguir [10], define alguns conceitos básicos das
ondas e esquematiza o movimento das partículas de água.
Figura 1-5. Parques de Energia offshore com fontes híbridas podem ser a solução
para dar a energia das ondas maior viabilidade econômica
Fonte: W2Power | Pelagic Power, 2010 [9].
26
Densidade Energética
As ondas oceânicas concentra a energia solar e eólica e possuem uma das
maiores densidades energéticas entre as fontes renováveis, o que se deve
basicamente ao peso específico elevado da água do mar. Para efeito de comparação,
a intensidade da energia solar, que fica tipicamente entre 0,1 e 0,3 ��/�� em uma
superfície horizontal, é convertida para um fluxo de intensidade médio de 2-3 ��/��
nas ondas, considerando um plano vertical perpendicular à direção da propagação
da onda, logo abaixo da superfície da água [4].
A densidade energética elevada, aproximadamente dez vezes superior à solar,
pode se converter em uma vantagem em termos de impacto visual no ambiente
dependendo, das dimensões dos conversores e dos parques de onda. Como a energia
está mais concentrada, esta fonte teria a capacidade de produzir mais energia por
menor área ocupada em comparação com parques eólicos e solares, uma das críticas
recorrentes a esses dois recursos. [4]
Fator de Capacidade
Com relação ao fator de capacidade, parâmetro que mede em média quanto
do potencial nominal do equipamento é utilizado durante a operação, experimentos
revelam que os mecanismos de conversão das ondas podem, em determinadas
circunstâncias, gerar potência em até 90% [5] do tempo, sendo o fator de capacidade
médio em torno de 55% [11], superior em comparação com os índices de plantas
eólicas 25-40% [6,12] e solares 10-25% [6,12]. Quando comparado a essas duas
fontes, o recurso das ondas é não só uma fonte mais constante, mas também é mais
fácil de prever, o que torna menos complicado alinhar oferta e demanda.
Figura 1-6. Movimento das partículas da água em uma onda
A=Movimento orbital em águas profundas
B=Movimento orbital elíptico em águas rasas
1= Direção de propagação da onda
2=Crista
3=Vale
4=Leito Marinho
Fonte: EN.WIKIPEDIA, 2007 [10].
4-Leito Marinho
27
Sítio de Instalação
Apesar de abundante e largamente disponível pelo planeta, este recurso
precisa de condições mínimas para que sua exploração seja possível. Embora a fonte
esteja presente em toda a área do planeta ocupada pelos oceanos, cerca de 2/3 da
superfície terrestre, nem todos esses locais serão viáveis do ponto de vista técnico-
econômico.
Assim como ocorre com outras renováveis, o desempenho de um conversor
será fortemente dependente do sítio de instalação, sendo provável que um conversor
projetado para certo local, com seus respectivos estados de mares, não opere com a
mesma eficácia caso transferido para outras localidades, com diferentes condições
de amplitude, período e direcionalidade das ondas.
Os estudos da oceanografia, que se concentram, entre outros temas, na
formação das ondas e nas condições de mar, será essencial para definir os locais
proeminentes para instalação dos conversores. Estudos disponibilizados pelos
oceanógrafos possuem atualmente modelos matemáticos globais, regionais e locais
na forma de padrões espectrais semi-empíricos, que descrevem o comportamento
das ondas em praticamente qualquer posição do globo.
Os padrões espectrais oferecem uma visão geral do comportamento das ondas
em determinadas regiões do planeta. Obter dados de uma localidade específica exige,
no mínimo, um ano de medições em diferentes escalas de tempo - variações diárias,
mensais, sazonais etc. - o que em muitas das vezes pode inviabilizar o projeto. Dessa
forma, utilizar-se de dados já disponíveis é uma alternativa razoável a ser
considerada pelas equipes de desenvolvimento na avaliação dos sítios.
Uma análise prévia e criteriosa de potenciais locais em que se planeja instalar
um mecanismo de conversão de energia das ondas, aliado a um conhecimento sólido
dos estados de mar a serem explorados, será fundamental para o sucesso
operacional de qualquer projeto de conversor.
Variabilidade Energética
Independentemente do sítio escolhido para instalação, ondas do mar possuem
grande variação em altura, período e energia ofertada. Pensando na eletricidade como
energia final, os picos de potência gerados apresentariam grandes flutuações no
fornecimento à rede, o que prejudicaria severamente a qualidade e o valor da energia
do ponto de vista do grid. Para alcançar um sinal elétrico confiável, sem grandes
28
flutuações e pulsações, o mecanismo conversor dependerá de sistema de
armazenamento de energia e controle ou amortecimento para compensar a
variabilidade e regular a energia de saída. [4]
Após a formação, as ondas percorrem quilômetros e viajam grandes distâncias
com pouca perda de energia até atingir zonas costeiras, onde a perda de energia por
atrito é proporcional à profundidade do leito marinho. Múltiplos fatores além do
vento influenciam o movimento e a energia das ondas, como a geografia da costa, a
profundidade do leito e os fenômenos de refração e difração, sendo o estado real do
mar uma função complexa de ser modelada. Grupos de ondas, ou séries, podem
variar significativamente a energia disponível em questão de minutos.
Considerando outras escalas de tempo, sejam segundos, horas, dias ou
meses, as variações de energia são também significativas. Lidar com essa
variabilidade energética ainda é um dos grandes obstáculos a ser transposto pelos
engenheiros projetistas, juntando-se a isto a resistência do equipamento a climas
extremos de tempestades.
Somando-se ao desafio de lidar com a alta variabilidade energética das ondas
em diferentes escalas de tempo, surge também a questão envolvendo a conversão do
movimento oscilatório, aleatório e de baixa frequências das ondas oceânicas,
tipicamente próximas a 1 Hz, em trabalho útil, que acione geradores elétricos de
50Hz ou 60Hz e forneça energia elétrica de qualidade à rede, atendendo a critérios
específicos.
Hidrodinâmica e Ambiente Marinho
Pelo lado do projeto dos conversores, o contato com as ondas do mar e a
absorção de energia das ondas é um processo hidrodinâmico de considerável
complexidade teórica, para o qual, por exemplo, forças que representem os
fenômenos de a difração e radiação, serão variáveis importantes. Softwares de
hidrodinâmica como o WAMIT serão necessários para realizar cálculos numéricos na
avaliação de forças sobre os mecanismos em alto mar.
A água do mar é corrosiva, o que aumenta os custos com os materiais em
contato empregados. O projeto ainda incorpora desafios técnicos como sistemas
mecânicos e elétricos submersos, suporte estrutural robusto para suportar
condições extremas de onda, especificação de ancoragem e outros desafios típicos do
29
ambiente offshore, como o biofouling ou incrustação marinha. Aspectos como a
corrosividade do ambiente e o biofouling podem gerar problemas na operação e
manutenção e necessitam de atenção especial.
Questão Ambiental
Precauções também devem ser tomadas no que diz respeito ao ambiente
marinho e à legislação ambiental. Caso sejam utilizados fluidos como óleos em
sistemas hidráulicos ou em lubrificação de sistemas mecânicos, é necessário avaliar
a qualidade da selagem e níveis de vazamento aceitáveis. A poluição sonora causada
por possíveis turbinas e geradores também pode interferir negativamente no meio.
Deve-se assegurar que as plantas de conversores alterem o mínimo possível o
ecossistema em que estejam instaladas, não modificando a rota migratória de
espécies ou alterando correntes oceânicas.
De forma preliminar, é possível dizer que o impacto ao ambiente causado pela
exploração da energia das ondas é relativamente baixo, principalmente quando
comparado ao das demais fontes. Os pesquisadores, porém, ainda não chegaram a
conclusões definitivas sobre o tema. Possibilidades são levantadas quanto a parques
de energia das ondas alterando a configuração costeira de determinada praia. Com
isso, podem também torná-la apta para esportes, como o surf, sendo assim uma
possível fonte de receita futura para o turismo e o entretenimento de regiões de
instalação. Além, é claro, do desenvolvimento econômico gerado pelos empregos
criados no desenvolvimento, construção, manutenção e operação dos equipamentos
[4].
Custo e Ganhos de Escala
Para que a utilização do recurso das ondas se intensifique no meio energético
será necessário que o custo associado à extração da energia diminua
significativamente para competir com outros setores já estabelecidos. De acordo com
Ricarte, E. B., 2007 [11], o custo para implementação de uma usina energia das
ondas é um pouco superior ao de uma planta eólica e inferior ao de uma instalação
fotovoltaica. Se há um motivo para ser pessimista a respeito da energia das ondas é
que, caso as desvantagens de custo não possam ser transpostas, não fará sentido
construir parques de energia das ondas, pois mais energia eólica ou solar poderá ser
instalada no mesmo espaço por valores menores.
30
Até o presente momento, nenhum protótipo atingiu escala comercial
significativa e não há consenso no meio cientifico sobre a melhor forma de explorar
esse recurso. Mesmo que algumas máquinas tenham sido conectadas ao grid com
relativo sucesso, projetos em estágios mais avançados de desenvolvimento foram
recentemente desativados devido a dificuldades em captação de novos recursos para
experimentos no mar e fabricação em maior escala.
Características do Recurso
A onda é uma fonte intermitente e de fluxo1, sendo não
estocável/armazenável. A vantagem das ondas é que tanto a intermitência como a
imprevisibilidade são menores do que em fontes tecnologicamente mais maduras,
como a eólica e a solar. A energia das marés é outra fonte oceânica que possui uma
excelente previsibilidade, inclusive superior à das ondas, sendo esta fonte mais uma
que poderia ser associada à das ondas para geração conjunta em parques de energia
híbrida offshore.
No cenário brasileiro, as termoelétricas, que funcionam pela queima de
combustível fóssil, entram em operação quando há queda nos níveis dos
reservatórios hidráulicos das hidroelétricas (uma das principais fontes do sistema
elétrico nacional). As convencionais fontes fósseis possuem características de alta
estocabilidade e elevada disponibilidade, o que significa que podem ser armazenadas
por relativamente longo tempo em gasodutos, oleodutos, tanques etc., e
posteriormente usadas de acordo com a demanda do sistema que alimentam.
A realidade da energia das ondas é diferente, pois sua geração está ligada a
complexos fatores climatológicos e à logística de sua produção, armazenamento,
transmissão e utilização se assemelha a de outras fontes renováveis como a eólica,
a hidráulica e a solar, onde uma vez gerada a energia, deve ser o mais rapidamente
encaminhada para seu destino ou consumidor final.
Como a disponibilidade do recurso está vinculada a fatores climáticos, o
armazenamento é dependente de algum sistema de acúmulo, portanto componentes
como baterias, volantes de inércia, reservatórios e acumuladores de alta pressão
1 Ondas do mar são fontes de fluxo, isso significa dizer que a sua geração, o seu transporte e a sua utilização
precisam ocorrer smultaneamente. A esse conceito se opõe as chamadas fontes de estoque, como carvão e os
combustíveis derivados do óleo e gás, que podem ser armazenados em grandes quantidades.
31
podem, em teoria, ser usados. Esses sistemas possuem obviamente algumas
limitações práticas e sua implementação gera custos adicionais ao conversor. Lidar
com a intermitência das fontes é um dos desafios enfrentados com as energias
renováveis para que estas se consolidem de vez na matriz energética mundial. No
entanto, os rápidos e recentes avanços nos setores eólico e solar, com expansão, ano
a após ano, em potência instalada, sugerem que algo similar possa acontecer em
breve com conversores de onda.
1.6 Escopo do Trabalho
Neste primeiro capítulo introdutório foi apresentado o tema central do
trabalho e discutidos aspectos gerais da energia das ondas, aplicações, histórico, os
principais desafios e a motivação do estudo. No capítulo 2, é realizada uma revisão
bibliográfica sobre conversores de onda onde são abordados: os parâmetros que
definem o potencial energético do recurso; as principais tecnologias em conversores
de onda e suas classificações; e os principais sistemas de potência empregados
nesses conversores. Esta última seção descreve as principais tendências tecnológicas
para sistemas de geração existentes, levando em consideração vantagens e
desvantagens técnicas e econômicas de cada método e características de seus
componentes, como turbinas, pistões hidráulicos, cremalheira, volantes de inércia,
engrenagens, geradores lineares e geradores rotativos. No fim do capítulo 2, são
abordados os equipamentos necessários na eletrônica de potência para que seja
obtido ao final da conversão um sinal elétrico de qualidade e confiável, para conexão
com a rede. É também ressaltada ao final a importância de sistemas de controle e
sistemas auxiliares para maior absorção de energia.
No capítulo 3, o modelo proposto é apresentado baseado em seu princípio de
funcionamento, aspectos construtitvos, condições de mar e do sítio de instalação,
modelagem dinâmica, experimento em tanque gerador de ondas e simulação
computacional. São feitas descrições dos modelos em escalas 1:40 e 1:10, ambos
levados para testes controlados nos tanques. Os resultados desses testes, no
entanto, não foram utilizados neste trabalho e, por este motivo, apenas os resultados
computacionais são usados para o dimensionamento.
O capítulo 4 inicia avaliando os requisitos do sistema de geração do modelo,
e a partir disso são propostos alguns conceitos para o sistema de transmissão. Esses
conceitos são técnica e economicamente analisados através de uma variação da
Matriz de decisão de Pugh, e a escolha por um sistema hidráulico fechado em alta
32
pressão, (sendo água o fluido para o modelo 1:10 e óleo hidráulico o fluido para o
modelo 1:1) estará fundamentada por diversos atributos, tais como: menor peso,
componentes padronizados, resistência a sobrecargas e a possiblidade de alcançar
grandes potências. A partir da seleção dos sistemas é feito um dimensionamento dos
componentes para as duas escalas, sendo sugeridos componentes de alguns modelos
de catálagos de fabricantes. O modelo em escala real é investigado em maior detalhe,
com atenção à eficiência da conversão e cálculo de perdas. Finalmente, o capítulo 5
trará as conclusões do trabalho e sugestões para trabalhos futuros.
33
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Elementos básicos das ondas
2.1.1 Parâmetros de interesse nas ondas
Ondas de gravidade ocorrem na superfície das águas oceânicas geradas por
diferenciais de pressão causados pelos ventos. A energia contida nelas depende,
entre outros fatores, da intensidade e do tempo de atuação desses ventos na zona de
geração, conhecida como zona de tempestade.
Independentemente do potencial energético, as ondas são definidas a partir
de algumas grandezas básicas, como pode ser observado na Figura 2-1 abaixo em
uma simplificação bidimensional de uma onda: uma altura H corresponde à
distância vertical entre um vale (ou cava) e uma crista; chama-se amplitude a altura
correspondente à metade deste valor, ou a distância entre a linha de superfície
(considerando mar calmo) e a crista; um período � é o tempo de passagem entre
duas cristas; e o comprimento de onda �, a distância horizontal entre duas cristas
ou dois vales.
Dois parâmetros fundamentais para descrever um estado de mar são
tradicionalmente a altura de onda significativa � e o período de energia da onda �.
A altura � representa a média da distância entre crista e vale da terça parte de
maior valor em uma série de ondas. Enquanto � é o período médio correspondente
ao de uma onda significativa �. Para efeito de cálculos de potência, o Hm, ou altura
média, resultará em valores mais próximos de geração de energia ao longo do tempo.
Figura 2-1. Grandezas básicas das ondas
Fonte: Monteiro, T. M. , 2009 [13].
34
No que diz respeito à origem das ondas, swell é o termo usado para descrever
ondas de grande período que se deslocaram a partir das regiões de tempestades onde
foram criadas. Todo swell foi anteriormente uma onda de vento, aquelas que se
formam devido à ação de um vento local (ver Figura 2-2) [11]. Em relação ao
comprimento de onda, swells produzirão comprimentos de ondas da ordem de 100-
500 metros em águas profundas [4], enquanto comprimentos de onda das chamadas
ondas de vento variarão entre apenas alguns metros até algumas centenas de metros,
dependendo da velocidade e intensidade do vento. As ondas de vento se deslocam a
partir da região onde foram criadas. Esses dois tipos podem coexistir, o que contribui
para tornar um estado real de mar uma composição complexa de várias ondas
elementares, com diferentes origens, frequências e direções.
Figura 2-2. O surgimento das ondas através dos ventos
Fonte: Adaptado do livro “Physical Oceanography", 2001 [14]
35
2.1.2 A energia contida em uma onda
A energia média armazenada por unidade de área, isto é, ��/�� em uma
superficíe do mar, pode ser descrita para águas profundas como [4,6]:
� = ����� 16⁄ = �� � �������� � ��
!" �2.1�
Onde � é o peso específico da água do mar, � é a aceleração da gravidade,
logicamente, ao nível do mar e ��, definido como a altura significativa de onda,
representa a média da terça parte das ondas com maior altura registadas durante
determinado tempo. Essa energia é dividida entre cinética, devido ao movimento da
água, e potencial, devido ao trabalho mecânico realizado para levantar a água do vale
até a crista contra a força da gravidade.
Usando a teoria linear de onda, justificável para pequenas alturas e do ponto
de vista de engenharia, tem-se que o fluxo de potência de uma onda senoidal regular,
por unidade de frente de onda, em águas profundas é dado por [4,6]:
% = ������ 32'⁄ (��� ) �2.2�
Onde T é o período de ondas, já a potência contida em um estado de mar real,
com ondas irregulares, pode ser estimado a partir da seguinte relação [4,6]:
% = �������64' = 0,49���� (��
� ) �2.3�
Como mencionado no capítulo 1, a energia das ondas apresenta grandes
variações entre grupos de onda, e estes podem diferir em até cinquenta vezes o nível
de energia. Tempestades contêm extrema quantidade de energia e contribuem
significativamente para os valores médios anuais registrados. A capacidade nominal
de um conversor de onda obviamente limita a utilidade energética desses estados
extremos. Pode ser dito que os conversores em geral devem ser projetados para as
ondas moderadas e de maior prevalência, enquanto ondas extremas devem ser
suportadas pela estrutura do conversor para evitar a destruição do equipamento.
36
2.1.3 Os espectros de onda
Na década de 50, cientistas e pesquisadores entenderam que o processo de
formação de ondas era mais bem descrito como sendo um fenômeno espectral, logo,
na equação (1) acima, ���� corresponde ao espectro de ondas, com unidade em �� �.⁄
e descreve quantativamente como as diferentes frequencias de onda � contribuem
para a energia total. Em cálculos práticos, a integral da equação (1) é substituída por
um somatório finito de frequências de onda. Já para medições ao longo de períodos,
um valor aproximado para o espectro de ondas ���� pode ser estimado através de
transformadas de Fourier. Para um valor típico de altura de onda significativa � =
2m a e n nergia por onda gerada será um valor próximo a 5 kJ/m². [4, 15]
Denomina-se mar completamente desenvolvido quando um vento constante
atua tempo suficiente nas grandes superfícies oceânicas, ou fetchs, de forma que o
estado de mar atinge um equilíbrio e desenvolve alturas máximas correspondentes
ao vento atuante. Para estados de mar com essas características há uma relação
semi-empírica para o espectro chamada de PM, validada experimentalmente e
creditada a Pierson-Moskowitz. Para situações onde a zona de geração é limitada, ou
seja, o vento não atua pelo tempo necessário para desenvolver um estado de mar
específico, o espectro de JONSWAP é mais indicado e comumente usado. [4]
2.1.4 Ângulo de Incidência e Perda de Energia
A energia de um estado real de mar em águas profundas, com frequências e
direções diversas, pode ser representado pela equação abaixo:
� = ����� 16⁄ = �� / / ��, 0��� �2.4�12
1!
�
�
Onde ��, 0� representa a função do espectro de ondas e suas direções, sendo
0 o ângulo de incidência em relação a um eixo de referência vertical. [4]
À medida que a onda se aproxima da costa e a profundidade do leito marinho
diminui, observa-se uma redução no comprimento de onda e um aumento de sua
velocidade. Na aproximação com a costa, as ondas se propagam com maiores perdas
de energia, principalmente devido ao atrito com o solo. No entanto, próximo à costa
o estado de mar pode se tornar mais regular dependendo da geografia do litoral, com
frentes de onda mais bem definidas e com menos divergência no fator de
37
direcionalidade. Fator este que será explorado na escolha do sítio e no cálculo para
ondas regulares utilizado no projeto.
2.2 Conversores de Onda
Existe uma enorme quantidade de conceitos e técnicas associadas à conversão
de energia das ondas. Embora os projetos existentes variem largamente em
concepção e design, tecnologia aplicada e estágio de maturidade, os conversores de
onda são geralmente categorizados pelo local, interação com a onda incidente e o
modo de operação.
2.2.1 Local
Quanto ao local, os conversores de onda podem ser classificada em três tipos,
como ilustra a Figura 2-3 abaixo:
Shoreline ou Onshore – Conversores de costa ou águas rasas: Mecanismos
localizados na costa ou shoreline têm a vantagem de estar mais perto da rede de
distribuição, terem menores custos estruturais e maior facilidade com manutenção,
transmissão e instalação. São também menores as probabilidades de danos
causados por condições extremas, já que a energia das ondas nessa faixa é menor.
Em contrapartida, esta é também a maior desvantagem dessa faixa de locação, já
que quanto menor for a energia disponível, menor será a potência máxima gerada.
Essa desvantagem pode ser parcialmente compensada pela concentração natural de
energia em determinadas localidades da costa, os chamados “hot spots”. Dependendo
da localização na costa, a formação das frentes de onda pode ter dinâmica diferente,
Figura 2-3. Classificação dos conversores a partir de sua localização
Fonte: Titah-Benbouzid, H.; Benbouzid, M, 2014 [16]
> 40m de profundidade 10-25m de profundidade
38
sendo mais regular e sinusoidal, ou seja, atuando em menos direções do que em
águas mais profundas. Mecanismos onshore podem ser instalados fixos ao leito
marinho, dando estabilidade para o corpo oscilatório, ou, acoplados a um quebra
mar, uma barragem ou um rochedo [5, 15] O efeito das marés deve ser previamente
levado em consideração. É um fenômeno lento e dependente do local.
Nearshore – Conversores de águas médias: Estão localizados em águas
relativamente rasas, a algumas centenas de metros da costa, geralmente em
profundidades inferiores a um quarto do comprimento da onda, o que seria algo entre
10 e 25 metros [16]. Mecanismos nessa faixa do mar geralmente ficam ancorados ao
leito marinho se utilizando de uma base inercial ou heave plate, que mantém o corpo
fixo. A base inercial fica em uma profundidade onde o movimento das ondas não
interfere na estrutura, garantindo que esta permaneça estática e forneça as forças
de reação para o flutuador. Também há casos de conversores presos ao leito
marinho. A desvantagem é a mesma dos dispositivos de costa, o contato com o leito
marinho gera ondas com energia reduzida, o que limita o potencial energético. [5,15]
Offshore – Conversores de águas profundas: Localizados em grandes
profundidades, esses dispositivos têm como vantagem a disponibilidade de maiores
quantidades de energia. No entanto, mecanismos offshore são mais difíceis de
instalar, operar e obter acesso para manutenção. Mais energia é perdida na
transmissão via cabos marinhos devido à distância até a estação elétrica. Além
disso, os conversores precisam ser projetados para suportar condições mais
extremas, o que aumenta os custos de fabricação. Embora alguns dos custos possam
aumentar, alguns especialistas argumentam que maior potência também
possibilitaria maior estrutura econômica para o projeto. [5, 15]
O figura 2-4 abaixo, elaborada pela empresa AW, criadora do mecanismo
WaveRoller, ilustra a diferença entre as localidades de instalação e a respectiva
energia disponível. Nota-se pela figura que não é substancial a diferença entre a
energia considerada tecnicamente explorável, quando comparados os ambientes
nearshore e offshore.
39
2.2.2 Interação com a onda incidente
Quanto a onda incidente, os conversores de onda pode ser classificada em três
tipos, como ilustra a Figura 2-5 abaixo:
Figura 2-5. Tipos de Conversores classificados devido à interação com a onda incidente
Fonte: Adaptado de Artigo - FITZGERALD, J., 2009, [18]
Atenuador Terminador Ponto-
Absorvedor Ondas
Incidentes
Figura 2-4. Comparativo entre localidades e energia disponível
Fonte: Adaptado de Site da AWS, 2012 [17]
Máxima
Média
Explorável
Potência
40
Atenuadores: Atenuadores se posicionam com seu maior comprimento
em paralelo à direção da onda incidente, como se as “montassem”. O efeito
pretendido é de atenuar a energia das ondas ao longo do corpo flutuante. Um
exemplo deste tipo de conversor é o Pelamis UK, desenvolvido pela empresa britânica
Pelamis Wave Power. [5,15]
Terminadores: Os terminadores possuem a maior dimensão
perpendicular à direção da onda, e as interceptam, com o objetivo de “terminá-las”.
Salter’s Duck, conversor desenvolvido pela Universidade de Edimburgo é um dos
exemplos deste tipo. [5,15]
Ponto-absorvedores: O conversor estudado e desenvolvido neste
trabalho pode ser definido como um ponto absorvedor. Ponto-absorvedores são
mecanismos com dimensões relativamente pequenas quando comparadas às da
frente de onda, podendo ser matematicamente vistos como “pontos” no oceano.
Podem ser estruturas flutuantes que oscilam em um ou mais graus de liberdade (por
exemplo, a oscilação vertical conhecida como arfagem ou heave) ou uma estrutura
submersa que oscila devido aos diferenciais de pressão das ondas na superfície.
Geralmente, os sistemas deste tipo são projetados para terem a faixa de ressonância
do grau de liberdade útil na mesma faixa de frequência das ondas incidentes, para
maximização da energia. Um arranjo de conversores point absorbers altera as
condições de mar de forma similar aos atenuadores e terminadores. Um exemplo
desse tipo é a Powerbuoy da Ocean Power Technology’s. [5, 15] Possuem a vantagem
de absorver energia independentemente da direção das ondas incidentes. Estratégias
de controle idealizadas para pontos absorvedores variam dependendo do sistema de
potência do conversor. Sistemas hidráulicos ou equipados com geradores lineares de
imãs permanentes são, no entanto, os mais comuns.
2.2.3 Modo de Operação
Outra classificação se baseia no princípio básico de funcionamento, os principais
conceitos são brevemente explicados abaixo:
Diferenciais de pressão: Máquinas que seguem esse princípio são geralmente
pontos absorvedores submersos com parte da estrutura estática, fixada ou ancorada
ao leito marinho. O movimento da estrutura é baseado na diferença de pressão
provocada pelo movimento dos vales e cristas de onda sobre o mecanismo.
41
Quando acima do conversor a onda está em crista, a massa de água comprime
o mecanismo e o movimenta, e, neste caso, o ar, a água ou o fluido dentro dele pode
ser usado para obtenção de energia, através de geração elétrica linear. Assim que a
frente de onda avança e o vale fica acima do mecanismo, a pressão é reduzida e o
conjunto sobe. Geralmente localizados próximos à costa, o Archimedes Wave Swing
(AWS), mostrado na Figura 2-6 abaixo, é um clássico exemplo desse modo de
operação.
Seguindo um princípio similar, os mecanismos chamados de Oscilating Water
Columns, e mais conhecidos pela sigla OWCs, são osciladores de colunas de água,
que se baseiam em câmaras semi-submersas onde o nível de água varia com a
oscilação das ondas. O movimento oscilante das águas causa simultaneamente a
movimentação de ar na câmara, que é direcionado e aciona uma turbina,
normalmente do tipo Wells (a mais comum entre este tipo de conversor), Denniss-
Auld ou de impulso, versões de turbina que rotacionam sempre para a mesma
direção, independentemente da direção do fluxo [5,15]. A figura 2-7 abaixo mostra o
princípio de operação da máquina de origem escocesa Wavegen’s Limpet.
Figura 2-6. AWS usa diferenciais de pressão para extrair energia das
ondas
Fonte: AWS Ocean Energy Ltd - Energy - Research - European Commission, 2006 [19]
42
Estruturas Flutuantes: Conversores deste tipo se baseiam em corpos rígidos
flutuantes que são movidos pela ação das ondas. O estudo de caso discutido nos
tópicos posteriores se apoia neste princípio. A grande vantagem de corpos oscilantes
é que o conversor de ondas pode ser projetado para operar com uma resposta
ressonante associada à frequência dominante do estado de ondas do sítio de
instalação, assim, podem-se minimizar as cargas necessárias de potência reativa e
maximizar a absorção de energia.
O movimento útil a ser captado pode ser vertical, horizontal, rotacional ou
uma combinação destes (ver figura 2-8). Geralmente, a conversão é por circuito
hidráulico fechado e uma estrutura externa fixa ao leito marinho é utilizada como
suporte e pode ser considerada como um referencial inercial. Alguns conversores
flutuantes são formados por dois ou mais corpos que se movem conjuntamente.
PowerBuoy da OPT (EUA), WaveStar da Wave Star (Dinamarca) e Pelamis da PWP
(Reino Unido) são alguns exemplos de protótipos de conversores flutuantes. [5, 15]
Figura 2-8. Estruturas flutuantes e os diferentes graus de liberdade
Fonte: Adaptado de Artigo - Rico H. Hansen et al, 2013 [21]
Ponto-Absorvedor
Primeira parte do sistema PTO, absorvendo a energia em movimento de oscilação.
Terminador Atenuador Absorvedor Múltiplo
Turbina
Figura 2-7. Conceito do conversor Wavegen's Limpet, em Islay, Escócia.
Fonte: Adaptado de Cargo, C., 2012 [20]
Ar é comprimido dentro da câmara
Câmara de
Captura
Ondas
43
Mecanismos “Overtopping”: Esses conversores capturam a água das ondas,
forçando-a a passar por cima da estrutura, por esse motivo o nome “overtopping”,
em tradução livre “sobre o topo”, criando um reservatório acima do nível do mar que
concentra a massa de água em determinada altura, como energia potencial. Essa
energia potencial é aproveitada como energia útil quando a água tem sua pressão
aumentada e rotaciona uma turbina hidráulica (Pelton, Kaplan ou Francis
dependendo da vazão e do Head). Exemplos típicos deste tipo de conversor são o
Wave Dragon (ver figura 2-9) e o SSG WAVE energy, respectivamente modelos
dinamarquês e norueguês. [5, 15]
Figura 2-9. O conceito do Wave Dragon se baseia no "overtopping"
Fonte: KOFOED, J. P. et al, 2006 [22]
RESERVATÓRIO
DESCARGA DA TURBINA
44
Em suma, os princípios de funcionamento se baseiam no movimento relativo
de um corpo em relação às ondas, a outros corpos ou em relação a um referencial
inercial, geralmente o leito marinho ou uma estrutura fixada ao leito. A extração da
energia geralmente se dá quando há controle e/ou amortecimento desse movimento
relativo. Para melhor compreensão, a Figura 2-10 abaixo, retirada do artigo de López
et al, 2013 [15], dispõe diversos conversores de onda divididos nas três principais
classificações discutidas em um mesmo quadro esquemático.
Figura 2-10. As diversas categorias de conversores de onda
Fonte: Adaptado de Iraide López et al, 2013 [15]
Atenuador Ponto-Absorvedor
Terminador
Loca
liza
ção
Diferencial de Pressão Impacto/Surge Estruturas Flutuantes
Princípio de Funcionamento
45
2.3 Sistemas de potência em conversores de onda
2.3.1 Aspectos Gerais
O conjunto dos equipamentos de geração de potência é dos elementos mais
importantes na tecnologia de energia das ondas, sendo esses sistemas os
responsáveis pela maioria das falhas e disfunções registradas nos conversores
desenvolvidos até a presente data.
O sistema gerador, conhecido também como power-take-off system ou
simplesmente PTO tem como papel, segundo Jochen Bard et al, 2013 [23], prover ao
menos duas funcionalidades ao conversor de ondas: converter a energia cinética e
potencial do mar para energia elétrica e fornecer os meios para controlar o
mecanismo (e a partir disso optimizar a transferência de energia da onda para o
conversor). Além disso, o sistema PTO é diretamente responsável pela produção de
energia, da onde provém toda a fonte de receita do equipamento.
De acordo com Agência Internacional de Energias renováveis – IRENA
(International Renewable Energy Agency), entre os conceitos para conversores de
onda desenvolvidos até 2014, 42% usaram ou usam sistemas hidráulicos, 30% drive
direto (majoritariamente geradores lineares), 11% turbinas hidráulicas e outros 11%
sistemas pneumáticos [24].
No caso de pontos absorvedores, objeto de estudo deste trabalho, os dois
métodos mais comuns para geração de energia elétrica são: sistemas hidráulicos
fechados em alta pressão ou conversão direta através de geradores elétricos lineares
(máquinas elétricas que respondem com força eletromagnética ao movimento de
translação através de um conjunto estator/rotor) [5,15]. Esses dois sistemas são
usados, por exemplo, nos projetos WaveStar, Searaser (hidráulicos) e AWS (gerador
linear) – mostrados no quadro da Figura 2-10.
Outros conceitos ainda menos explorados pela indústria se baseiam em
transmissão mecânica, através de elementos como engrenagens e cremalheiras,
polias, cabos, ou algum outro atuador mecânico linear [23]. Será também avaliada a
possibilidade de sistemas pneumáticos, que possuem limitações de potência inferior,
porém são leves, compactos, mais baratos, sendo ideal para experimentos. [5, 15]
46
Geradores Elétricos
Seja pneumática, hidráulica ou mecanicamente, existem diversas maneiras
de se converter e aproveitar a energia das ondas. Se o objetivo final é eletricidade,
com exceção dos geradores lineares cuja conversão em eletricidade é direta, a etapa
que converte a energia mecânica de um eixo rotativo em energia elétrica é realizada
através de convencionais geradores elétricos rotativos de alta velocidade.
Frequências
As ondas incidentes são caracterizadas por baixas frequências e grandes
forças. Um dos objetivos do sistema de geração é a conversão da frequência
oscilatória do deslocamento das ondas, da ordem de 1 Hz, em uma frequência
elevada, próxima ou igual a 60 Hz, frequência esta padrão do sistema elétrico
brasileiro.
Armazenamento
Pela característica intermitente das ondas e para regular variações de
frequência e amplitude, a capacidade de estocar ou armazenar energia por alguns
ciclos é função altamente desejável em um conversor de ondas. Esta função pode ser
solucionada através de uma ou mais das seguintes práticas: instalação de volante
de inércia em sistemas de eixo (acionados por turbinas ou motores, e acoplados ao
gerador diretamente ou através de caixas de engrenagens), reservatório elevado de
água em mecanismos overtopping, instalação de tanques e vasos de pressão nas
linhas de tubulação de sistemas que trabalhem com fluido pressurizado (como gás,
óleo, ar etc.) e, após geração de corrente elétrica, baterias e capacitores fazem a
mesma função na etapa final de conversão.
Seleção do melhor sistema
Uma análise de sensibilidade pode ser útil para definir o melhor sistema de
potência que atenda atributos de interesse para determinado caso e local específicos.
De acordo com Edwards et al, 2014 [25], alguns dos valores métricos e qualitativos
associados aos conversores e outras virtudes que podem contribuir para a escolha
são: CAPEX e OPEX, potência gerada, peso, volume, eficiência, modularidade,
escalabilidade, confiabilidade/autonomia, facilidade de fabricação, simplicidade e
integração com o resto do sistema.
A conversão de energia pode ser dividida em até três estágios, a depender das
diferentes etapas que serão realizadas até que seja obtida a corrente elétrica que
47
permita conectar a máquina ao grid ou ao sistema isolado. Esses estágios são
usualmente definidos como conversão primária, secundária e terciária (ver figura 2-
11).
2.3.2 Conversão Primária
A conversão primária é primordial na definição do princípio de funcionamento.
Absorver as forças produzidas pelas ondas com estruturas que se movimentem em
um ou mais graus de liberdade (como as iniciativas Pelamis e OPT Powebuoy),
controlar a vazão e pressão de fluidos como água a do mar, água industrial, ar, gás
e/ou óleo usando reservatórios e câmaras semi-submersas (como Limpet e SSG); ou
ainda explorar as variações de pressão abaixo da superfície com uma estrutura
submersa como os projeto CETO e AWS são algumas das soluções mais usadas. [15]
Figura 2-11. Estágios para conversão de energia de ondas oceânicas
Fonte: Adaptado de Artigo – Iraide López et al, 2013 [15]
Onda
Frequência
Baixa ~1Hz
Onda
Conversão Conversão
Conversão Direta
Fluxo de Ar
Fluxo de Água
Fluxo de
Óleo
Força
Eletromagnética
Extração Pneumática
Extração Hidráulica
Extração Hidráulica
Gerador Linear
Motor Hidráulico
Turbina Hidráulica
Extração Direta
Turbina a Ar Gerador Rotativo
Gerador Rotativo
Gerador Rotativo
Transformador Conversor de
Potencia
Conversão
48
2.3.3 Conversão Secundária – Sistemas PTO
Este estágio envolve a conversão da energia absorvida na fase anterior para
energia útil na forma de eletricidade. Em pontos absorvedores lineares, os
movimentos bidirecionais do flutuador devem ser convertidos em rotação mecânica
que forneça torque e potência ao gerador elétrico [15]. Nos próximos tópicos esses
esses sistemas de transmissão de potência serão descritos com mais detalhes.
2.3.3.1 Sistema hidráulico
Sistemas hidráulicos em alta pressão vêm sendo empregados em diversos
protótipos de conversores e são considerados particularmente apropriados para
converter energia de corpos oscilantes em energia elétrica. Sistemas hidráulicos têm
como características principais: capacidade de grande transmissão de potência para
ciclos de baixa frequência, resposta rápida às variações de frequência e força e
proteção hidráulica contra sobrecargas. Por esses e outros motivos, essa alternativa
pode ser considerada uma solução tecnológica proeminente para absorção de energia
de ondas do mar, que se comportam na maior parte do tempo aplicando grandes
forças em baixas velocidades. Segundo Du Plessis, 2012 [26], o uso de componentes
hidráulicos deve ser preferivel sobre outras tecnologias, pois seriam, segundo sua
visão, comprovadamente mais compactos e de menor custo.
Demostram ser vantajosos quanto a tamanho e a peso em relação a outros
métodos já experimentados, fatores que reduzem custos e facilitam o
comissionamento da máquina. Os componentes do sistema hidráulico, (entre eles
cilindros, acumuladores, tubulação, motor, gerador, válvulas etc.) podem ser
encontrados em catálagos no mercado, para diversas faixas de aplicações
industriais, reduzindo assim custos de CAPEX.
Além disso, a considerável autonomia desses sistemas e durabilidade das
peças, em teoria garantiria OPEX relativamente inferior a outros métodos. Fato é
que, considerando peso e volume similares, os limites para as forças criadas em um
sistema hidráulico são consideravelmente superiores às máquinas elétricas [15].
Esse tipo de sistema de tomada de potência é o que equipa, por exemplo,
os conversores Pelamis, um dos protótipos a atingir estágios mais avançados de
desenvolvimento (até ser decomissionado em 2014 por falta de investidores). Esse
tipo de PTO é usado também nos modelos da WaveStar (que encontra dificuldades
49
em buscar parceiros para um lançamento comercial), e outros projetos de destaque
como o SEAREV, Wavebob, WaveRoller etc. [27,28]. Experiências e erros cometidos
com esses modelos podem ajudar novos projetos e pesquisas.
Pelamis
O protótipo Pelamis funciona como um atenuador de ondas. Seu formato
cilíndrico bastante longo e formado por segmentos separados por juntas, onde ocorre
a conversão. Cada junta “monta” a onda durante sua passagem e move um braço
articulado, acionando simultaneamente dois cilindros hidráulicos de duplo efeito que
fornecessem a energia em forma de pressão de fluido para um circuito hidráulico que
aciona o motor. O circuito é fechado e o sistema funciona com um tipo de óleo
biodegradável, e assim eventuais vazamentos mitigam possíveis danos ambientais.
Acumuladores, válvulas de retenção, filtro de óleo, motor hidráulico e gerador
completam o circuito [29]. A Figura 2-12 a seguir mostra detalhes do sistema de
geração de potência.
Figura 2-12. Princípio de Operação de Pelamis
Fonte: Adaptado de Lin, Y. et al 2015 [29]
50
WaveStar
O projeto da WaveStar funciona com um sistema de transmissão similar, mas,
ao invés do longo cilindro flutuante, neste conversor é construída uma plataforma
onde são conectados diversos ponto-absorvedores, flutuadores com braços
articulados individuais que acionam um sistema hidráulico fechado. Assim como o
Pelamis, o WaveStar possui um controle de nível para diferentes pressões, através de
cilindros com multi-câmaras, de forma a acionar determinada câmara para
diferentes potênciais de estados de mar. Ambos usam cilindros de duplo efeito, que
pressurizam fluido tanto na subida quanto descida do pistão. Mais sobre o WaveStar
é discutido em [21] e [30].
Fluxo Energético
Muitos sistemas e configurações usando energia hidráulica são possíveis.
Sistemas típicos conectam a estrutura flutuante ao conjunto cilindro e pistão
hidráulico, que funciona como bomba linear de deslocamento positivo. Essa ligação
pode ser via acoplamento com braço mecânico ou acoplamento direto por rótula. A
bomba linear responde ao movimento do flutuador ao pressurizar o fluido de
trabalho, geralmente óleo ou água, devido ao comportamento incompressível, ideal
para a transmissão. O fluido em alta pressão é estocado/armazenado por alguns
ciclos de onda em acumuladores de alta pressão, a fim de regular a potência de saída,
absorver choques e manter a pressão e fluxo do sistema. Através da tubulação e das
válvulas de retenção é garantido o sentido e direção do fluxo do sistema.
Figura 2-13. Sistemas Hidráulicos no WaveStar
Fonte: Gaspar, J. F. et al, 2016 [30]
Sistema de Pressão Permanente Controle Digital
Cilin
dros
de
Mul
ti-Câ
mar
as
51
Os componentes se conectam e o fluido pressurizado aciona um motor
hidráulico ou turbina, que converte a pressão e vazão para rotação mecânica e aciona
um gerador elétrico rotativo, produzindo corrente elétrica. Após passagem pela
turbina/motor o fluido sofre uma queda na pressão e velocidade e pode ser
armazenado em um reservatório ou acumulador de baixa pressão, onde espera a
abertura da válvula de retenção para voltar à câmara do cilindro e ser novamente
bombeada, iniciando-se novamente o circuito. O esquema da figura 2-14 abaixo,
desenvolvido por Ferri, F. et al, 2013 [31], é mais elaborado e adiciona pré-
acumuladores extras e outras válvulas para controle ativo da pressão e vazão no
sistema.
Finalmente, a corrente elétrica produzida é transportada à rede, passando
antes por conversores de frequência e transformadores que elevam a voltagem e
adequam o sinal elétrico a parâmetros específicos de frequência e voltagem. A
sequência completa do fluxo de energia pode ser acompanhada na figura 2-15 a
seguir.
Figura 2-14. Configuração de sistema PTO hidráulico do tipo circuito fechado com pistão de
duplo efeito, válvulas de retenção, acumuladores, motor hidráulico e gerador.
Fonte: Ferri, F., et al, 2013 [31]
52
Componentes
Motor ou Turbina
Os motores hidráulicos existem em diversos tamanhos, faixas de operação e
aparecem em diferentes princípios de funcionamento, entre os quais os principais
são: motor de engrenagens, motor de palhetas e motores de pistão radial ou axial
[33].
Todos os tipos de motores hidráulicos têm em comum os seguintes atributos
de projeto: uma superfície de condução do fluido sujeita a um diferencial de pressão;
uma forma de controlar a passagem de fluido pressurizado para a superfície de
condução de modo a atingir rotação contínua, além de uma conexão mecânica entre
a superfície de condução e o eixo de saída. Pode ter um volume fixo ou variável, sendo
que o variável permite maior flexibilidade na operação [34].
Dependendo do fluido (água ou óleo), vazão e pressão disponíveis o motor pode
ser substituído por uma turbina de impulso de alto head do tipo Pelton, geralmente
operado com água (mais sobre turbinas hidráulicas será visto na seção 2.3.3.5). É
possível que tanto motores quanto turbinas necessitem de caixa de transmissão para
atingir rotação de eixo apropriada para os geradores elétricos padrões. Pelas
características construtivas, é mais provável que motores dependam de multiplicador
de velocidade e turbinas de um redutor de velocidade. No entanto, dependendo do
caso e do dimensionamento dos componentes, acoplamento direto é possível.
Figura 2-15. Technologia usada em sitemas hidráulicos para produzir energia das ondas
Fonte: Hong, Y. et al 2014 [32]
Onda Embolo-Pistão (Cilindro Hidráulico)
AcumuladorGerador por
Indução gaiola de esquilo
Transformador Grid Motor Hidráulico
Energia Hidráulica
Energia Mecânica Energia Elétrica
53
Para aplicação em energia das ondas, segundo Falcão, A. F. et al, 2009 [35],
o tipo mais frequentemente usado de motor hidráulico é o de deslocamento variável
com pistão axial e eixo curvado. É uma máquina padrão e disponível no mercado
em diversos fornecedores, atendendo faixa apropriada para conversão de ondas, com
potência nominal variando entre alguns kW até algo em torno de 1 MW [35,36]. As
pressões de operação chegam a 350 bar [35,36] em alguns modelos. Seu princípio de
funcionamento baseia-se em pistões em um bloco de cilindro que quando recebem o
óleo pressurizado empurram e giram sobre um flange, fazendo rotacionar todo o
conjunto do eixo de transmissão (ver figura 2-16).
Cilindros e válvulas
Cilindros hidráulicos podem atuar tanto em duplo ou simples efeito, ou seja,
podem gerar pressão hidráulica na ida e na volta do pistão (duplo efeito e quatro
válvulas), quanto apenas em um sentido (simples efeito, onde nesse caso duas
válvulas são suficientes) As válvulas, geralmente de retenção, garantem passagem
de fluxo em sentido único. Essas válvulas podem, em certos casos, ser ajustadas
para valores de pressão específicos, e, quando atingida esta pressão, o orifício da
válvula abre e aumenta gradualmente até uma pressão e vazão máxima.
Figura 2-16. Representação esquemática de um motor hidráulico de deslocamento variável
com pistão axial e eixo curvado
Fonte Fonte: Falcão, A. F. de O., 2010 [35]
Eixo de Transmissão Flange do eixo
Bloco do Cilindro
Pistão
54
Acumuladores
Um acumulador hidráulico é um reservatório onde um fluido não compressível
é mantido sob pressão. A pressão é aplicada por uma fonte externa, que pode ser
uma mola, um peso ou gás comprimido inerte (sendo o nitrogênio um dos mais
utilizados). Gás inerte deve ser usado porque oxigênio e óleo podem formar uma
mistura explosiva em alta pressão.
Ao funcionar como um estabilizador de energia e absorvedor de choques e
sobrecargas, este equipamento torna a produção de eletricidade comercialmente
mais competitiva. Os efeitos indesejados da variação de potência das ondas serão
mais atenuados quanto maiores forem os volumes de armazenamento dos
acumuladores.
Quando a potência entregue ao sistema pela onda é próxima ou igual à
potência de operação do gerador elétrico, o acumulador mantém a pressão do
sistema através da pressão de pré-carga dos acumuladores, já quando ela é menor
que a potência de operação, a geração intermitente fica disponível. Por fim, quando
o input de potência é maior do que a capacidade do gerador, uma válvula de alívio
pode ser ativada para lidar com a energia extra [15, 36].
Acumuladores são vasos de pressão, e como tais, são fabricados, testados e
certificados de acordo com normas padronizadas. No Brasil e nos EUA, por exemplo
a norma de maior relevância é a ASME Código VIII, Divisão 1 – Boiler and Pressure
Vessel Code. Pelo número de ciclos experimentados, a vida útil típica para um
acumulador hidráulico é de 12 anos.
Figura 2-17. Vista cortada mostra características-chave de um cilindro hidraulico típico,
neste caso, de duplo efeito com construção padrão tie-rod tirante
Fonte: A. STAFF REPORT - Engineering Essentials, 2012 [37]
Pistão Casco/Carcaça
Haste do Pistão
Saída pelo lado da Haste
Pistão
Saída pelo lado do Pistão
55
Em conversores de escalas maiores, esses acumuladores devem ser instalados
conectados em paralelo, representando parte significativa do CAPEX, volume e peso
do sistema. Parâmetros particularmente importantes para o dimensionamento são a
máxima pressão permitida no circuito e a razão de compressão de volume nos
acumuladores [15, 36].
Óleo hidráulico x Água
Todos os fluidos possuem algum grau de compressibilidade, ou seja, redução
de volume sob aumento de pressão. Parte da energia que poderia ser usada para
produzir eletricidade é de certa forma perdida para que o fluido seja comprimido.
Portanto, quanto mais baixa a compressibilidade do fluido, melhor para transmissão
de potência. Nos sistemas hidráulicos, dado o baixo nível de compressão sofrida
quando comparados com gases ou ar, os fluidos podem, dependendo do rigor
necessário da operação e dos cálculos, serem considerados incompressíveis.
Mesmo que o termo hidráulico se refira originariamente à água, o uso de óleos
para sistemas hidráulicos se sobrepôs e se estabeleceu na maior parte das aplicações
industriais, inclusive conversores de onda. Apesar da água cumprir o requisito de
baixa compressibilidade, ter custo mais baixo que o óleo e possíveis vazamentos para
o ambiente marinho serem consideravelmente menos danosos, outras considerações
como ponto de ebulição, pressão de vapor, ponto de congelamento, viscosidade e
eficácia na lubrificação deixam a desejar em relação aos óleos de origem mineral [38]
[39] [40].
A maior viscosidade do óleo é responsável direta pela capacidade de lubrificar
as partes mecânicas móveis. Dessa forma, não exige tolerâncias tão baixas dos
componentes como a água, reduzindo o custo do restante do sistema. Considerando
as características térmicas, como as variações de pressão e temperatura sofridas
durante o ciclo, podem alterar o estado da água e levar a perda significativa de
eficiência na transmissão. Soma-se a isso, a formação de bolhas que causam
cavitação, danificando severamente o equipamento. Termicamente, os óleos são mais
estáveis e ainda conseguem resfriar os componentes móveis, garantindo maior
eficiência total [38] [39] [40].
A água, sendo um eletrólito, é mais agressiva aos componentes industriais,
que, por este motivo, devem ser fabricados com materiais anticorrosivos, como aço
inox, sob pena de causar oxidação das linhas internas caso ar vaze para dentro do
sistema através da selagem (o que é bem provável que ocorra ao longo do tempo).
56
Considerando a água do mar, os problemas de corrosão e possíveis danos ao
equipamento são ainda maiores pela salinidade e presença de partículas abrasivas.
Caso a água não seja perfeitamente destilada em sistema fechado, pode haver
crescimento orgânico no sistema, causando problemas de operação. Para combater
esses efeitos, sistemas com água usam aditivos anticorrosivos e anorgânicos. Óleos,
por outros lado, são menos propensos a crescimento orgânico [38, 39, 40].
Em contrapartida, por serem mais viscosos, os óleos têm maior perda de carga
na transmissão via tubulação, que por esta razão deve ser a mais curta possível. A
menor viscosidade da água a torna mais propensa a vazamentos.
Lin et al, 2015 [29], sugere água ou água do mar como meio de transmissão
de potência para resolver o problema da poluição por vazamentos de óleo. Mas
pondera que sistemas hidráulicos com água são caros e a pressão de operação
nominal máxima obtida é de aproximadamente 10 MPa, devido à viscosidade e à
instabilidade térmica da água, contra os 30-35 MPa alcançados pelos óleos. Portanto,
o volume do sistema com água teria que ser bem maior para resultar na mesma
potência de saída.
No fim, ambos os fluidos possuem vantagens e limitações, sendo os objetivos
da aplicação decisivos para a escolha. Se autonomia do sistema for mais importante,
os óleos devem ser usados. Se a preocupação com o ambiente e vazamentos se
sobrepor, a água deve ser a escolha. Caso o custo seja a principal variável, deve-se
ter em mente que, apesar da água ser um fluido mais barato, os componentes do
sistema serão mais caros devido aos materiais anticorrosivos internos e às
tolerâncias menores [38, 39, 40].
Drew et al, 2009 [5], consideram o vazamento de fluido uma importante
questão por razões tanto de performance como ambientais e recomenda investigação
no desenvolvimento de sistemas hidráulicos baseados em água ou outro fluido
menos nocivo. Entre os diversos fluidos biodegradáveis disponíveis, cada um têm
benefícios e desvantagens. Adicionalmente, compatibilidade entre os fluidos e
componentes e selos deve ser garantida.
Controle
Um possível controle de capacidade pode ser realizado com medições de
vazões dentro do sistema, em tempo real. Uma válvula de estrangulamento pode ser
57
usada para controlar a vazão que vai para o motor, enquanto os acumuladores
ajudariam a manter o fluxo na pressão adequada.
Em um sistema de controle mais sofisticado, podem atuar automaticamente
válvulas de controle cuja abertura e fechamento estejam ligadas a sinais de sensores
de velocidade do flutuador e de níveis de pressão, maximizando energia extraída.
De acordo com Cargo, C., 2012 [20], o torque produzido por um PTO
hidráulico pode ser regulado de três formas: variando o deslocamento angular do
motor; variando a área do pistão (através de níveis de pressão com multi cilindros e
câmaras); ou variando o torque do gerador elétrico. Todas as técnicas para maior
aproveitamento de energia são dependentes da condição de onda instantânea, e com
isso, da estratégia de controle implementada.
No início das pesquisas, apenas circuitos hidráulicos básicos foram
investigados e muitas premissas simplificadoras foram feitas. Estudos mais recentes
têm feito premissas mais realistas, com modelos que incluem mais perdas e
dimensionamento de componentes específicos.
Desafios
Desafios do projeto estão relacionados à eficiência baixa fora do ponto de
operação projetado, confiabilidade devido ao número de componentes, contaminação
de fluidos, selagem, manutenção e sistema de parada. Ganhos de escala e pesquisa
em equipamentos hidráulicos específicos para aplicações em energia das ondas
poderão tornar essa alternativa comercialmente rentável.
Sistema de Parada
O problema surge da oscilação do pistão excedendo o cursor. Se altas forças
forem abruptamente absorvidas pelo extremo do curso do cilindro, podem danificar
permanentemente o sistema. A tentativa de mitigar esse efeito pelo emprego de
atuadores de longo curso fica comprometida pelo peso, custo e pelo fato do curso
longo não ser aproveitado na maior parte do tempo. Flambagem de atuadores
extensos também pode ser um problema, particularmente se carregamentos laterais
estiverem presentes durante a extensão máxima. Designs específicos que limitem o
curso, como molas, acopladas para dissipar a energia extra são opções a serem
investigadas [5].
58
Selagem
O problema da selagem está ligado ao problema de contaminação pelo óleo.
No projeto Pelamis, foi usado óleo biodegradável, mas há limitações na eficiência da
transmissão e na estabilidade térmica. Deve-se garantir, portanto, que os selos
dinâmicos de vedação possam operar nas velocidades dos conversores. Opções até
1m/s são relativamente fáceis de encontrar, como em [37], a partir desse valor os
selos se tornam mais caros e fabricados sob demanda.
Eficiência
De acordo com os autores [5, 15, 35, 36, 41], a eficiência do sistema pode
variar entre 60-90% para carregamento total, mas cai para um máximo de 80% em
carregamentos parciais, com rápida queda em pontos distantes do ponto óptimo de
operação, devido a perdas parciais (fricções de Coulomb e viscosas, perda de carga
vazamentos e compressibilidade).
É razoável supor que o mecanismo irá gastar a maior parte do tempo operando
com uma fração do seu ponto ideal, e dessa forma, deve ter alta eficiência em carga
parcial. O desenvolvimento de motores hidráulicos com baixas perdas em
carregamentos parciais é fundamental. Além disso, válvulas de retenção usadas para
retificar o fluxo ou outras válvulas de controle de fluxo possuem perdas de cargas
associadas aos seus orifícios, assim como a passagem do fluido nos trechos de
tubulação.
Por fim, sistemas hidráulicos têm poucas partes móveis, os acumuladores
absorvem os picos de potência e os custos de manutenção e de operação são baixos.
Contanto que o fluido esteja livre de contaminação, o sistema pode operar com
grande autonomia por cerca de 20 anos [26].
59
2.3.3.2 Conversão Direta – Geradores elétricos Lineares
É argumentado por pesquisadores como Drew et al, 2009 [5], que a
complexidade de sistemas com turbinas ou motores hidráulicos introduzem, além de
perdas de energia a cada etapa de conversão, problemas de confiabilidade e
manutenção - dois fatores fundamentais a serem minimizados em ambientes
offshore. Na teoria, a conversão direta por geradores lineares promete maior
eficiência, mais simplicidade e mais autonomia e confiabilidade que outros sistemas
(devido a menos partes móveis e modos de falha). Desde a década de 80, a
possibilidade de usar máquinas elétricas lineares para energia das ondas foi
vislumbrada e investigada. As conclusões feitas à época foram que essas máquinas
seriam pesadas demais, ineficientes e dispendiosas.
O conceito de um gerador linear em geral envolve um translador magnético (o
equivalente a um rotor em uma máquina rotativa, com a diferença que o translador
executa movimentos de translação) onde ímãs são montados com polaridade
alternada. À medida que o translador oscila, uma corrente elétrica alternada é
induzida no estator. O estator contém enrolamento bobinado e deve ser montado em
uma estrutura estática em relação ao translador [42] (ver figura 2-18).
O enorme tamanho desses mecanismos para gerar eletricidade pôde ser
exemplificado pelos primeiros experimentos conduzidos com o conversor submerso
AWS, sigla para Archimedes Wave Swing, da AWS Ocean Energy, que usa a diferença
de pressão, induzida pela passagem da onda, para mover geradores lineares de imãs
permanentes em uma estrutura fixa ao leito marinho (ver figura 2-19).
Figura 2-18. Modelo de um Gerador Linear
Fonte: Adaptado de ZHENG, Z.-Q. et al, 2015 [42]
Translador
Estator
Ímã
Enrolamento Bobinado
Air Gap
60
O gerador tem 7 metros de curso, 1 MN de força máxima, 2 m/s de velocidade
máxima, uma massa total de 400 toneladas e uma potência nominal de 2 MW,
gerando potência média elétrica de saída entre 200-400 kW estimada pelos
resultados iniciais [20]. A figura 2-20 abaixo mostra operadores durante montagem
da máquina.
Figura 2-20. Gerador linear do AWS durante montagem
Fonte: POLINDER, H. et al. 2007 [7]
Figura 2-19. Princípio de Operação de AWS
Fonte: Adaptado de Cargo, C., 2012 [20]
A Pressão
aumenta em
cima na
passagem da
crista
Acesso para
componentes
que exigem
manutenção
AWS é fixado ao
leito marinho por
uma torre tipo
tension leg com
uma conexão
vertical flexível a
um amparo
Dentro do AWS
o movimento é
convertido em
eletricidade por
um gerador
linear
O AWS expande e
contrai em
resposta às
diferenças de
pressão. O curso é
de 9m e no limite
inferior o AWS fica
17m abaixo da
superfície, onde os
carregamentos de
tempestades são
bem mais fracos Cabos
Submarinos
conectam o
mecanismo em
um arranjo ou
parque e
transmitem
potência ao grid
A Pressão é
reduzida no
vale
61
No entanto, descobertas recentes em materiais magnéticos e custos reduzidos
em conversores eletrônicos de frequência e voltagem mostram melhorias para a
tecnologia. O desenvolvimento de ímãs permanentes com materiais de alta densidade
energética como Neodímio-Ferro-Boro (Nd-Fe-B), que podem gerar altas forças
magneto motrizes para ímãs e estruturas relativamente menores, tem melhorado
significativamente a densidade energética dessas máquinas [42, 43].
Como mostra o fluxo energético abaixo (figura 2-21), na conversão direta a
energia do flutuador é diretamente transformada em energia eletromagnética com
um gerador linear (geralmente do tipo síncrono com ímãs permanentes) diretamente
acoplado à estrutura de conversão primária (prime mover) através de uma haste
vertical. O cilindro ou haste move para cima e para baixo com o movimento da onda
incidente. Essa topologia é mais simples que em sistemas hidráulicos, já que não
exige intervenção de sistemas mecânicos como caixas de engrenagens e etapas
intermediárias entre a interface primária com a onda e a máquina elétrica.
O conceito básico de um gerador linear aplicado à energia das ondas é
apresentado na figura 2-22 seguir. A figura à direita mostra que o estator pode ser
mantido estático através de fixação ao leito marinho, como no projeto de Lysekil,
desenvolvido pela Universidade de Uppsala, na Suécia. Molas conectando o fundo do
translador à fundação servem de força de reação e armazenamento de energia.
Também pode ser utilizada uma placa de arrasto, mostrada à esquerda, (placa com
grande inércia que se mantém estática em relação ao translador do sistema), nesse
caso não há necessidade de usar o leito marinho.
Figura 2-21. Tecnologia usada em sistemas de conversão direta para gerar eletricidade através das ondas
Fonte: Adaptado de Hong, Y. et al, 2014 [32]
Onda
Energia Mecânica Energia Elétrica
Conversor Eletrônico de Potência
Gerador Linear PM Grid
62
Se o primeiro protótipo equipado com gerador elétrico linear foi o Archimedes
Wave Swing (AWS), testado no mar em 2004, outros projetos ganharam destaque
mais recentemente. Em 2007, o projeto Lysekil iniciou seus testes no mar. Em 2014,
contou com nove protótipos de conversores entre 10 e 40 KW instalados na costa
oeste da Suécia [32]. Nesse conversor, enquanto uma estrutura cilíndrica robusta
engloba o gerador linear e fica posicionada fixa ao leito marinho, a estrutura
flutuante oscila na superfície tensionada por um cabo de aço que excita e move o
translador verticalmente. [5] Outras estruturas oscilatórias verticais equipadas com
geradores lineares também foram testadas no mar pela Universidade de Oregon, nos
EUA (ver figura 2-23). Neste projeto, ao contrário do Lysekil, o eixo magnético com
os imãs permanece fixo, ancorado ao leito marinho, enquanto uma estrutura
flutuante contendo a bobina elétrica se movimenta verticalmente em relação ao eixo.
Figura 2-22. Esquema e projeto conceitual de conversão de energia das ondas por geradores lineares
Fontes: Esq: Adaptado de Hong, Y. et al, 2014 [32]
Dir: Adaptado de Artigo - Drew, B., et al, 2009 [5]
Ímas Permanentes
Estator
Flutuante
Translador
Bobina
Placa de Arrasto
Flutuador
Cabo
Estator
Molas
Parada Final
Translador
63
Chen et al., 2014 [45], justifica a escolha por geradores lineares pela alta
eficiência operacional e os qualifica como candidatos competitivos em sistemas PTO
de energia das ondas. No entanto, admite que ainda não foi atingido o nível
necessário de testes de protótipos em grande escala. Em sua pesquisa, é proposto
um gerador linear do tipo ímã permanente trifásico tubular, o qual é abreviado para
PMTLG, de forma a conseguir potência de saída mais contínua. O mecanismo
também é acoplado diretamente a um flutuador em arfagem ou heave como mostra
a figura 2-24 abaixo:
Figura 2-24. Esboço de Conversor de Ondas com gerador Linear
Fonte: Adaptado de CHEN, Z. et al, 2014 [45]
Pistão
Estator
Suporte
Leito Marinho
Onda Estrutura Oscilante
Ímãs Permanentes
Pontos Finais Rolamento Bobinado
Figura 2-23. Conversor de Lysekil (dir.) e da Universidade de Oregon (esq.)
Fonte: Á esq: HONG, Y. et al, 2016 [44]
Eixo Magnético ancorado ao leito
marinho
Universidade do Estado de Oregon Parque de Ondas Conceitual
Bobina Elétrica Presa a Estrutura
Flutuante
Absorvedor com Gerador Linear de ímãs Permanentes
64
O gerador PMTLG é fixado em uma plataforma de suporte acima da superfície
onde o translador é diretamente conectado ao flutuador. O pistão com o translador
é acionado diretamente pela força vertical da onda através do movimento da
estrutura oscilante. O pistão se move na parte interna do estator, produzindo
variação de fluxo magnético e corrente induzida nas bobinas do estator. Limites de
parada são definidos para prevenir choques em condições extremas e manter o
movimento do pistão dentro de limites pré-determinados [45].
Força Eletromagnética e Parâmetros de Interesse
A força eletromagnética e a voltagem produzida por um gerador linear são
investigadas em [42] e [40]. A força pode ser representada por:
3��4� = 5. .6�4� 2.5
Onde C é o coeficiente de amortecimento do gerador e .6�4� representa a
velocidade do translador, associada com a do flutuador. Pode ser adicionado um
termo elástico caso haja uma mola agindo conjuntamente com o sistema PTO (ver
figura 2-25).
A voltagem fornecida pelo gerador é representada pela equação acima, que
destaca os principais parâmetros na construção do gerador. Sendo 89 o campo
magnético no dente do estator; :9 a largura do dente do estator; d a largura da pilha
do estator; p o número de pólos; q o numero de aberturas por pólo e fase; :; a largura
do pólo; c o número de cabos em uma abertura e m o ângulo de carregamento.
Circuito equivalente de Gerador Linear
Figura 2-25. Circuito equivalente de Gerador Linear
Fonte: ZHENG, Z.-Q. et al. 2015 [42]
�2.6�
65
Tipos de Geradores Lineares
A pesquisa de Polinder et al., 2004 [46], projetistas do AWS, garante que para
aplicação em conversores de onda os geradores lineares de indução não competem
técnica e economicamente com máquinas síncronas de ímãs permanentes de baixa
velocidade, escolhida para o projeto [5]. A exigência de baixa manutenção no
ambiente marinho implica no uso de geradores sem escovas. Máquinas de
relutância2 variável ou fluxo transverso (TFPM) foram também exploradas como
possibilidade, mas devido a seus limitadíssimos airgaps (espaço entre translador e
estator), enfrentam problemas de fabricação.
Máquinas de indução também foram descartadas por Baker e Mueller, 2001
[47], por necessitarem de grandes distâncias entre polos adjacentes para atingir
densidade de fluxo energético suficientemente alto, o que as tornariam mais pesadas
e extensas que outros modelos.
Como resultado disso, três máquinas lineares diferentes puderam ser pré-
selecionadas para aplicação em conversores de ondas:
• Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes e Núcleo Ferroso - iron-cored (também
chamado de LFPM - Gerador de Ímã Permanente e Fluxo Longitudinal)
• Geradores Síncronos Tubulares de Ímãs Permanentes e Núcleo de Ar -air-
cored
• Gerador com Relutância Variável - TFPM – Gerador de Ímã Permanente e
Fluxo Transverso
Entre os aparelhos citados acima, o TFPM é menor em tamanho e peso para
uma mesma potência nominal. Seu desempenho foi examinado por Mueller et al,
2002 [43], que comparou máquinas de fluxo longitudinal LFPM com máquinas de
fluxo transversal TFPM, identificando que este último garante maior densidade de
potência [43,44].
2 Relutância Magnética, ou Resistência Magnética, é um conceito usado na análise de circuitos
magnéticos. É o análogo a resistência em circuitos elétricos, mas ao invés da dissipação de energia
elétrica, há armazenamento de energia magnética. Um fluxo magnético percorre o caminho de menor
relutância magnética. É uma medida escalar e extensiva. A unidade para relutância magnética é o
inverso de henry, H−1 [48].
66
As tensões cisalhantes geradas pelas máquinas transversais da ordem de 200
kN/m², são superiores às topologias convencionais, próximas a 20-25 kN/m². A
tensão cisalhante é um dos parâmetros interessantes para avaliar os geradores, pois
é proporcional ao carregamento elétrico. A topologia TFPM requer suporte estrutural
robusto e ainda enfrenta problemas de baixo fator de potência3, necessitando de
potência reativa de compensação, o que não ocorre com a LFPM, mais convencional.
[41,43,44,46]
Novas Máquinas Lineares
Alta Força e Densidade
Baker et al, 2001 [47], discutem sobre a máquina híbrida vernier com ímã
permanente, um tipo de TFPM, para resolver desvantagens da máquina convencional
LFPM. Embora a máquina híbrida vernier ofereça alta tensão de cisalhamento, sofre
de baixo fator de potência, o que aumenta a necessidade de conversores eletrônicos
de potência de alto rating, e traz problemas com rolamentos e mancais devido a
maiores forças magnéticas de atração.
Baixa Força e Densidade
Já a máquina tubular air-cored, desenvolvida na Universidade de Durhaam
(ver figura 2-26), não possui forças magnéticas de atração, o que implica em
estrutura de suporte mais simples e possui baixa indutância, o que resulta em maior
fator de potência. Logo, necessita de conversores eletrônicos de potência menos
caros. Porém, lida com o fato de ter uma tensão cisalhante significativamente baixa.
3 O fator de potência é definido pela razão da potência ativa pela potência total ou potência aparente,
em circuitos de corrente alternada AC. A potência ativa é a capacidade do circuito de produzir trabalho
em um determinado período de tempo. Devido aos elementos reativos da carga, como indutores e
capacitores, a potência aparente, que é o produto da tensão pela corrente do circuito, será igual ou
maior do que a potência ativa. Uma vez que a energia armazenada retorna para a fonte e não produz
trabalho útil, um circuito com baixo fator de potência terá correntes elétricas maiores para realizar o
mesmo trabalho do que um circuito com alto fator de potência.
Figura 2-26. Gerador Linear Tubular air-cored é uma solução para reduzir peso
Fonte: Mueller, M. A. et al, 2007 [41]
67
Por fim, segundo Mueller et al, 2007 [41], a escolha do tipo de gerador linear
para o conversor dependerá da topologia do mecanismo marinho em questão. Uma
abordagem integrada, que leve em conta aspectos como o tipo de conversor, o suporte
estrutural e o projeto dos mancais e rolamentos é necessária. Essa análise integrada
deve ser o próximo estágio de desenvolvimento das soluções com drive direto. Em
Rhinefrank et al, 2012 [49], é feita uma análise do melhor gerador linear para
estruturas flutuantes em oscilação linear de 100 kW de capacidade. O gerador LFPM
é selecionado por matriz de decisão baseada no método de Pugh.
Velocidade dos Geradores
Uma das principais questões envolvendo geradores lineares se deve às
velocidades relativamente lentas das ondas. No movimento oscilatório linear de um
flutuante, esperam-se velocidades de 0,5 a 2 m/s. Em contrapartida, os atuais
geradores lineares do mercado necessitam de velocidades de operação de pelo menos
5 a 6 m/s. Isso faz com os geradores lineares em energia das ondas tenham
fabricação específica, o que eleva os custos e traz novos riscos ao projeto. O
desenvolvimento de máquinas elétricas de baixa velocidade requer pesquisa
contínua. A expansão da indústria eólica tem tornado a utilização de geradores
lineares lugar comum para substituir as caixas de engrenagens, consideradas
pesadas e de baixa confiabilidade. Porém, para esta aplicação as velocidades são
significativamente maiores, entre 6 e 10 m/s. [5, 47]
Processamento de Sinal
Outra questão a respeito dos geradores lineares, apontada por Drew, 2009 [5]
e Baker, 2001 [47], é a conversão do sinal elétrico de forma a torná-lo apropriado
para a conexão com o grid. Se o movimento do flutuador pode ser aproximado como
sinusoidal, a força eletro motiva induzida varia em amplitude e frequência durante
um ciclo de onda. Como o translador faz um movimento recíproco alternativo, a
velocidade está constantemente mudando, o que resulta em variação de frequência
da voltagem induzida.
O gráfico 2-1 abaixo mostra a força eletromotriz, ou FEM, (gerada por uma
máquina de imã permanente com relutância variável) ao longo do tempo de passagem
de uma onda sinusoidal. Para conexão com o grid, esse formato de onda, que é
variável em frequência e amplitude, precisa ser retificado antes da conversão em um
sinal sinusoidal de voltagem e frequência fixas, usando eletrônica de potência.
68
A retificação pode ser passiva ou ativa. Um típico retificador passivo pode ser
uma simples ponte retificadora com diodos, que permite ou não a passagem da
corrente e é caracterizada por um fator de potência de uma unidade. A potência ativa
pode ser aumentada com um retificador ativo se o fator de potência for menor do que
um [5]. Conversão da corrente através de eletrônica de potência é visto em mais
detalhes na seção 2.3.5.
Eficiência do Sistema
A eficiência dos sistemas com geradores lineares fica em geral próxima a
90% em uma ampla faixa de amplitudes de onda e períodos. [42, 43, 44]
Estágio Atual
No setor de energias renováveis marinhas, os geradores lineares são uma
opção atrativa em termos de aumento de confiabilidade, robustez e eficiência. Os
resultados obtidos com o AWS dão em parte suporte a esses argumentos. No entanto,
existe pouca experiência prática com esses conversores, que estão em fase contínua
de desenvolvimento; assim, ainda estão sendo buscadas novas soluções em
pesquisas lideradas por países como Reino Unido, Suécia e EUA.
Este último anunciou, em agosto de 2015, aportes de milhões de dólares para
a organização de P&D Dehlsen Associates [50], que, em colaboração com outras
empresas, associações e a Agência Nacional de Energia Renovável americana irá
desenvolver um novo gerador linear para fornecer energia em um conversor de ondas.
Gráfico 2-1: FEM (volts) x Tempo (s)
Fonte: N. J. BAKER; e M. A. MUELLER, 2001 [47]
Tempo (s)
FEM
(v)
69
O projeto estudará a implementação de controles avançados para otimização, através
de controle ativo do tempo entre força e velocidade do mecanismo.
70
2.3.3.3 Transmissão mecânica
Sistemas mecânicos de transmissão talvez sejam uma das tecnologias mais
conhecidas na engenharia mecânica devido a sua aplicação bem estabelecida há
décadas em diversos setores da indústria, como no setor automotivo.
A conversão de energia e transmissão de potência do movimento das ondas
em energia útil através de sistemas mecânicos é explorada há tempos. Cremalheiras-
pinhão, acionamento por corrente-correia-polia, cursor-manivelas e acionamento por
parafuso são algumas das possibilidades para transformar movimento linear em
rotação mecânica, de acordo com PENALBA et al, 2016 [51]. O movimento periódico
e vertical das ondas faz com que seja natural pensar em um sistema PTO baseado
nesses tradicionais mecanismos.
Cremalheira e Pinhão
Sistemas de cremalheira e pinhão são os mais empregados. Há uma enorme
quantidade de patentes disponíveis, entre eles o sistema de simples cremalheira
dupla e pinhão móvel, de 1978 [52], e o sistema de transmissão da máquina da OPT,
recentemente desenvolvido [53]. Detalhes das patentes são mostrados na figura 2-
27 abaixo.
Figura 2-27. Sistemas de Transmissão mecânicos por cremalheira e pinhão: À esq.
cremalheira dupla com pinhão único, ao centr. e à dir. sistema com pinhão duplo e dois
geradores da OPT.
Fontes: Esq.: COREY, G, 1978 [52]
Centr. e Dir.: OPT POWERBUOY, 2010 [53]
71
A concepção desses sistemas é similar, a engrenagem principal é de dentes
retos e o que varia é principalmente a forma como é feita a retificação do movimento
bidirecional da onda para movimento rotacional de sentido único [51].
Em inicio de produção em escala comercial, com experiência de operação no
mar e protótipos conectados à rede desde 2010 [54], o projeto OPT Powerbuoy da
Ocean Power Technologies é provavelmente o exemplo mais bem sucedido de
transmissão mecânica em conversores de onda.
Seus desenvolvedores usaram na abordagem técnica para definição do PTO o
princípio de que o rápido aumento de velocidade e frequência do sistema através de
rotação mecânica permite redução de tamanho e peso do PTO, pois esses
parâmetros, tanto para geradores elétricos quanto para atuadores mecânicos, são
inversamente proporcionais à velocidade e à frequência, o que contribui para o
aumento de eficiência na conversão e para a utilização de componentes mecânicos e
elétricos padronizados ou de “prateleira”, diminuindo o custo [55].
Durante a fase de concepção, a equipe de projeto do OPT PowerBuoy [25],
analisou e comparou dois candidatos principais para os atuadores mecânicos
lineares: um conjunto cremalheira-pinhão e um conjunto polia-cabo de
acionamento. Após pesquisa com fornecedores de elementos de máquinas e
comparação técnica entre cada componente, as conclusões foram que o conjunto
cremalheira-pinhão se adaptaria melhor aos outros sistemas do conversor.
Concluíram também que este sistema deve estar preferencialmente localizado
interno ao eixo vertical fixo (spar), selado e isolado da corrosividade da água; uma
caixa de engrenagens atuaria como multiplicador de velocidade para conectar o eixo
Figura 2-28. OPT PowerBuoy
Fonte: Adaptado de OPT, 2010 [54]
Flutuador
Eixo Vertical Fixo
Placa de Inercia
Leito Marinho
Cabos de Outros Dispositivos
Cabo para a Costa
Estação Sub Marina
72
rotativo ao gerador elétrico rotativo, sendo a opção econômica e tecnicamente mais
vantajosa frente a conjuntos de polia e cabos de aço, correntes e correias; e, por
último, que o padrão do gerador deveria ser do tipo PMG. Mais sobre esta análise
pode ser visto na referência [55].
Dessa forma, o sistema com cremalheira e pinhão foi construído, testado e
validado para comissioname nto no oceano. O protótipo produz cerca de 150 kW e
pesa 200 toneladas [25]. Resultados de laboratório do OPT para a eficiência do
sistema em diversas potências de saída (referentes a diversos estados de mar) são
dispostos no gráfico 2-2 abaixo:
Youssef et al, 2016 [56], testam em laboratório e no mar outro sistema com
cremalheira e engrenagem-pinhão para ponto absorvedores lineares. O mecanismo
utiliza uma estrutura flutuante conectada diretamente a uma cremalheira, onde o
movimento de vai e vem vertical é convertido em rotação por engrenagens de dentes
retos (ver figura 2-29). O PTO é montado acima do ponto-absorvedor e da superfície
do mar, em uma plataforma que sustenta dois eixos, o dos pinhões, motor e mais
lento, e o do alternador, 10 vezes mais rápido. A transmissão é feita por polias e um
volante de inércia é usado para armazenar energia rotativa. O alternador é um
dispositivo elétrico que transforma energia de rotação mecânica em eletricidade,
utilizado em geradores de energia portáteis.
Potência
Efic
iênc
ia
Gráfico 2-2: Potência x Eficiência para Cremalheira-Pinhão no OPT PowerBuoy
Fonte: Edwards, K., & Mekhiche, M., 2014 [25]
73
O aparato é projetado para águas rasas com amplitudes entre 1 e 5 m. Para
aproveitar a energia nos dois movimentos, são instaladas duas vigas dentadas, cada
uma conectada a uma engrenagem principal diferente. Os pinhões são engrenagens
de dentes retos para transmitir apenas as forças radiais e são montados em direções
opostas, se conectando ao eixo através de rolamentos de sentido único.
Dessa forma, uma das engrenagens fica travada na descida, enquanto a outra
rotaciona, acontecendo o oposto na descida, mantendo-se, assim, sentido único de
rotação no eixo. A viga dentada tem comprimento de 0.75 m e as engrenagens, raio
de 0.02 m. Um volante de inércia mantém a energia de rotação e suaviza os picos de
potência. Um multiplicador de velocidade de 10:1 ajusta a velocidade do eixo para
acionar o gerador de alta velocidade. As imagens da figura 2-30 abaixo mostram a
configuração empregada nos testes, que teve como objetivo acionar uma lâmpada de
3W.
Figura 2-30. Testes no laboratório e no mar acionam uma lâmpada de 3W
Fonte: Youssef, J. et al, 2016 [56]
Figura 2-29. Conversor Mecânico por Cremalheira-Pinhão
Fonte: Youssef, J. et al, 2016 [56]
Eixo Lento (Input)
Eixo Rápido
Cremalheira-Pinhão Volante de inércia
Embreagem
Alternador
Engrenagem 1
Engrenagem 2
74
No entanto, nessa configuração a cremalheira e pinhão enfrentaram altas
forças de fricção, afetando a eficiência geral do sistema. Para este caso, a eficiência
da conversão foi estimada em apenas 11%.
Além de melhorias na redução da fricção entre viga dentada e engrenagem
serem necessárias, as forças laterais exercidas pelas ondas no flutuador e na
cremalheira vertical criam momentos fletores altos nas engrenagens, o que também
contribui para diminuir a eficiência. Youssef et al, 2016 [56], argumenta que, para
ganho de eficiência, é essencial garantir que apenas forças verticais devem ser
exercidas na estrutura flutuante e sugere que uma carcaça cilíndrica cubra a
cremalheira vertical. Sugere também que, apesar de o aço ter sido empregado como
material para os componentes mecânicos, visando produção em massa, materiais
não corrosivos ou até compósitos devem ser escolhidos. O flutuador, que terá contato
direto com a água do mar, deve receber revestimento anti-corrosão regularmente.
A empresa CorPower [57], criada em 2012, sugere um ponto absorvedor que
converte o movimento linear em rotação através de uma caixa de engrenagens em
cascata (ver figura 2-31), também baseada em um sistema de cremalheira-pinhão.
Um protótipo desse sistema é apresentado e testado no laboratório em [58], onde a
caixa de engrenagens é composta de uma única viga com dois lados dentados e
quatro pinhões principais, dois de cada lado da viga. As engrenagens principais,
maiores, colaboram em par para rotacionar um único eixo. Problemas no laboratório
Figura 2-31. Conversor de Ondas com sistema mecânico da CorPower
Fontes: Em cima: The CorPower Wave Energy Converter. CorPower Ocean, 2015 [57]
Em baixo: ALBADY, D.; ÖHMAN, C. 2015 [58]
Parque de Ondas Flutuador PTO Cremalheira Dupla
75
para sincronismo das engrenagens sugerem dificuldades para aplicação no mar. As
imagens abaixo ilustram o conceito do sistema.
LamTengChoy, 2012 [59], empresa de Singapura, propõe diversos conceitos
para transmissão mecânica linear em energia das ondas. Entre eles, o conceito
destacado na figura 2-32 abaixo, onde uma viga dupla movimenta um tipo especial
de engrenagem. O lado direito da viga dentada é travado pela engrenagem na subida,
enquanto o lado esquerdo movimenta a engrenagem no sentido horário. O oposto
ocorre na descida, quando o lado esquerdo é travado e o lado direito rotaciona a
engrenagem para o mesmo sentido. Não há detalhamento técnico dos aparatos
mostrados ou resultados experimentais, mas preocupações com a vida útil dos
elementos e com o nível das tensões, principalmente no momento da mudança de
sentido da viga dentada, são facilmente identificáveis
Figura 2-32. Conversor Mecânico de Singapura, com trava para os dentes e rotacionamento
unidirecional
Fonte: Adaptado de Design A-1 Vertical Rack Ocean Wave Converter-Ocean Wave Energy (RRW), 2012 [59]
Dupla Cremalheira
Casa de Máquinas
Dente Travado
Flutuador
Dente Rotacionado
Engrenagem Especial
Onda do Mar
Engrenagem Especial
Dente Travado
Dupla Cremalheira
Dente Rotacionado
76
Cursor-Manivela
Um cursor manivela conectado a um flutuador pode converter a energia da
onda em eletricidade com eficiência relativamente alta e com uma estrutura simples,
de acordo com [60]. Nesta pesquisa, é desenvolvido um mecanismo que utiliza a
frequência de 1/6 Hz a 1/10 Hz dos oceanos para rotacionar uma manivela entre 6
rpm e 10 rpm (ver figura 2-33). Como rotacionar um gerador elétrico com esses
valores produziria pouca potência, uma caixa de engrenagens é utilizada entre o
cursor manivela e o gerador empregado, de 1,194 RPM. Em Sang, Y. et al, 2015 [61],
são propostas melhorias ao sistema de controle, para manter sincronismo entre as
peças. Variações na força e potência trazem problemas de atrito.
Polia e Cabos ou Correias
Apesar de pouco explorados, cabos e polias de acionamento para conversão
de movimento linear para rotativo de ondas também são, pelo menos em teoria,
possíveis. O cabo deve estar conectado ao flutuador em um lado e envolto na polia
ou correia, acionando um multiplicador de velocidade no outro. Em geral, cabos e
correias transferem força quando estão tensionados e podem “afrouxar” quando são
comprimidos. Para solucionar esse problema, atenção extra é necessária para
garantir que durante a subida do flutuador (compressão) o cabo se manterá em
tensão. Mais detalhes sobre esses sistemas podem ser vistos em [51].
Figura 2-33. Sistema Cursor Manivela para Energia das ondas
Fonte: SANG, Y. et al, 2015 [61]
Manivela Gerador e Drives Mecânicos
Volante de Inércia
Carcaça Fixa
Plataforma Offshore
Água
Flutuante Pistão ou Cursor Cilindro
77
Desafios
Esses sistemas são em geral mais pesados que sistemas hidráulicos e
necessitam de altas relações de transmissão (por volta de dez vezes maiores que em
turbinas eólicas [26]) para atingir rotações compatíveis com geradores elétricos. Une-
se a isso o desafio de lidar com um movimento bidirecional e as altas tensões de
fricção geradas nos componentes mecânicos, principalmente nos momentos de
mudança de direção, que acabam trazendo eficiências abaixo do esperado, eficiência
baixa associada também com as engrenagens múltiplas.
Para maior vida útil das peças, é necessário que o contato mecânico esteja
sempre lubrificado. Por este motivo, o ideal é que um sistema auxiliar lubrificante
seja instalado. Em um hipotético conversor comercial, haveria dificuldades para
manter a lubrificação e fazer a manutenção da máquina em um ambiente marinho.
Outras preocupações dizem respeito à confiabilidade, devido ao maior número
de modos de falha possíveis aliado à curta vida útil de alguns elementos mecânicos,
principalmente porque transmissões mecânicas não são, em geral, projetadas para
lidar com variações altas de carga e tensão, e sim aplicações onde há sincronismo,
correto alinhamento dos eixos e ajuste milimétrico dos componentes.
De acordo com Zhong et al, 2012 [62], o conversor de ondas com transmissão
mecânica encontra altos índices de falha, alto custo de manutenção e de reparo, e a
estrutura mecânica tem considerável volume e peso, criando dificuldades para sua
instalação. Para a empresa norueguesa Intentium AS [63], o uso desses componentes
esbarra nas altas tensões geradas e nas constantes mudanças na carga, sendo falhas
por fadiga um resultado provável.
Variações no movimento e na força já são um desafio conhecido da indústria
eólica, porém, no caso das ondas do mar, as flutuações são maiores. Para Du Plessis,
2012 [26], o sistema mecânico tem alta complexidade e baixa capacidade de
fabricação, já que o projeto de componentes especiais é necessário para construir o
mecanismo, o que elevaria os custos para serem fabricados de forma customizada
para cada sítio.
Como o sistema enfrenta milhões de carregamentos cíclicos ao longo de um
ano de operação, a inspeção e manutenção de peças devem ser acompanhadas de
forma frequente por operadores, como ocorre para equipamentos semelhantes em
fábricas. No entanto, a princípio não haveria essa disponibilidade no ambiente
78
marinho, e, portanto, uma solução que dê mais autonomia à geração de energia seria
preferível. Finalmente, há poucos testes práticos e resultados de longo prazo
disponíveis na literatura. Mais informações a respeito de transmissões mecânicas
em conversores de onda são discutidas na referência [25, 64].
Armazenamento
O armazenamento e regularização da potência de saída em sistemas de
transmissão mecânica é feito geralmente através do uso de volantes de inércia, discos
rígidos que permitem velocidade de rotação constante no eixo. Os principais
parâmetros a serem dimensionados em um volante de inércia são um coeficiente de
flutuação das velocidades, o momento de inércia, peso, geometria (raio interno,
externo, espessura) e a seleção do material. A figura 2-34 abaixo ilustra esse
componente.
Eficiência
Transmissões mecânicas por engrenagens são em geral bem eficientes se
corretamente projetadas e operadas, chegando a valores próximos a 97% [66]. No
entanto, em conversores de onda esse tipo de transmissão ve m encontrando
eficiência muito aquém desses valores. Isso se deve aos fatores a anteriormente
mencionados, como perdas por transmissões múltiplas para atingir velocidade nos
geradores, atrito no movimento bidirecional, dificuldade em manter a estrutura na
vertical etc. A máquina da OPT, em estágio de desenvolvimento superior a outros
projetos, atinge eficiência de operação entre 66% e 87%, como mostra o gráfico 2-2.
Figura 2-34. Volante de inércia diminui a flutuação de velocidade no eixo e regula a transmissão
Fonte: Flywheel Design Calculation, [65]
79
2.3.3.4 Turbinas a Ar Turbinas a ar equiparam grande parte dos conversores de onda ao longo
da história e ainda são uma das alternativas de sistema PTO preferidas entre as
equipes de desenvolvimento. A utilização do ar como o fluido de trabalho tem o
objetivo de transformar as lentas velocidades das ondas em altas vazões de ar, e,
consequentemente, em altas rotações da turbina [5]. Os conversores que mais
utilizam esse equipamento são os do tipo coluna oscilatória de água (OWC, ver figura
2-35). Pode-se dizer que nesses conversores, devido a diversos fatores como o fluxo
bidirecional e o ambiente offshore, essas turbinas estão submetidas a condições mais
rigorosas do que na maioria das aplicações, inclusive turbinas eólicas.
Dado que as turbinas a ar convencionais não eram apropriadas para fluxos
bidirecionais, novos modelos de turbina tiveram de ser idealizados e desenvolvidos.
Surgiram versões de turbinas a ar autorretificadoras, cujo sentido do torque no rotor
é único e independente da direção do fluxo [5, 35, 36].
Wells
O design mais popular para turbinas autorretificadoras é o tipo Wells, um
tipo de turbina axial criada em meados da década de 1970 pelo engenheiro Allan
Wells [35]. Entre as diferentes versões das turbinas Wells, estão: com rotor único
Figura 2-35. Esquema do Projeto de Pico OWC Plant.
Fonte: Pico OWC. [67]
80
(com ou sem palhetas guia); com rotores “gêmeos” em série; ou ainda de rotor duplo
com rotações opostas – counter-rotating turbine (ver figura 2-36).
Desvantagens inerentes a esses modelos incluem: eficiência média (na faixa
de 60-65%) [5, 35, 36]; dificuldades para arranque; ruído elevado e diâmetro de
turbina extenso para a energia produzida (exemplo: 2,3 m para turbina de rotor
único da Pico OWC de 400 kW de potência); Deve-se estar atento também a torque
negativo em baixas vazões; queda aguda em performance devido às perdas
aerodinâmicas em vazões que excedam o ponto de operação (devido ao descolamento
da camada limite) e, por fim, um alto empuxo axial quando comparado às turbinas
tradicionais.
Entre as características favoráveis, a alta velocidade rotativa para baixa
velocidade do ar permite o uso de geradores elétricos padronizados e mais
econômicos. Esse tipo de sistema pode ser usado com volantes de inércia para
armazenar energia. As eficiências de pico estão entre 70 e 80% [5, 35, 36]. Caso
adicionada função para controle dos passos das pás, maiores eficiências são
alcançadas.
Turbinas de Impulso
Outras turbinas a ar também bastante utilizadas são as turbinas de impulso.
Como é necessário que a turbina seja autorretificadora, são colocadas duas fileiras
de palhetas guias ao invés de apenas uma, e estas ficam posicionadas
simetricamente nos dois lados do rotor, como é possível ver na figura 2.36 abaixo.
Figura 2-36. Turbina Wells na versão com palhetas-guia na esq. e turbina de impulso na dir.
Fonte: António F. de O. Falcão, 2009 [35]
81
Quando colocada em comparação com a turbina Wells, pode-se dizer que é
caracterizada por velocidades rotacionais consideravelmente mais altas, o que
amplifica o armazenamento de energia através de volante de inércia, resultando em
uma suavização da potência entregue ao grid. Com isso, são esperados menores
custos com o gerador elétrico (menor número de pólos) e com conversores de potência
na conversão terciária.
Dennis-Auld
A turbina Dennis-Auld é outra candidata para uso em conversores de onda.
Tem como característica variação maior dos passos das pás quando comparada com
a turbina Wells. Isso exige que a turbina Dennis-Auld seja mais robusta e faz com
que tenha maior razão de área total de pá dividida pela área de varredura, o que
aumenta a eficiência do mecanismo (ver figura 2-37). Deve-se notar também que,
enquanto as pás da turbina Denniss-Auld pivotam de forma praticamente
instantânea entre as posições extremas quando há mudança na direção do fluido, a
turbina Wells faz essa mudança na angulação das pás de forma mais lenta, mais
suave e com menor variação total.
Figura 2-37. Turbina a ar Denniss-Auld. As pás do rotor pivotam rapidamente entre as
posições extremas quando o fluxo de ar é revertido
Fonte António F. de O. Falcão, 2009 [35]
Fluxo de Ar
Fluxo de Ar
Mo
vim
en
to d
a P
á
Mo
vim
en
to d
a P
á
82
De modo geral, as turbinas autorretificadoras, em especial as de geometria
fixa, isto é, sem passo variável, são máquinas mecanicamente simples e confiáveis.
A eficiência média dessas turbinas ao longo do tempo é modesta e raramente excede
algo entre 50% e 60%, mesmo que a velocidade rotacional seja controlada para
corresponder ao estado de mar vigente.
2.3.3.5 Turbinas Hidráulicas
Turbinas hidráulicas de baixo head4 são as mais empregadas em mec anismos
overtopping, com algumas adaptações em relação ao padrão do mercado. Turbinas
de alto head, geralmente do tipo Pelton, são, por outro lado, uma alternativa aos
motores hidráulicos em conversores de estrutura flutuante, com circuito fechado ou
aberto. Os principais tipos de turbinas hidráulicas empregados em conversores são
na figura 2.38 abaixo, sendo divididas em turbinas de reação (Kaplan e Francis) e de
impulso (Pelton).
A tecnologia das turbinas hidráulicas é já bem estabelecida no mundo da
engenharia e tem sido colocada em uso há bastante tempo para gerar potência em
hidroelétricas. Turbinas são classificadas em máquinas de baixo, médio e alto head,
em função da coluna de pressão disponível, do trabalho realizado e da dimensão da
4 O head é uma medida de energia na forma de altura de carga, ou de pressão de coluna de líquido disponível no sistema, a ser usada como fluxo de energia pelo conjunto rotativo. É representada geralmente em metros para as turbinas e bombas e em kJ/kg para compressores.
Figura 2-38. Turbinas hidráulicas para conversores de ondas. Turbina Pelton na esq. Turbina Kaplan no meio e Turbina Francis na dir.
Fonte: Iraide López et al, 2013 [15]
83
turbina. A vantagem mais significativa de usar turbinas operando com água do mar
em conversores de onda é que o vazamento de fluido não causa danos ambientais.
Por outro lado, a principal desvantagem é justamente lidar com a água do
mar, um fluido de composição variada, baixa viscosidade e altamente corrosivo.
Somado a isso, partículas abrasivas contidas no mar podem danificar selos, válvulas
e pás, exigindo maiores gastos com manutenção [5].
Nas turbinas de reação, diferentemente das turbinas de impulso, o bocal de
descarga é diretamente acoplado ao rotor. A aceleração do fluido deixando o bocal
produz uma força de reação, fazendo com que o rotor se mova na direção contrária
ao movimento do fluido. A pressão no fluido varia ao longo da passagem pelas pás
da turbina. Os dois modelos mais comuns de turbinas de reação são os tipos Kaplan
e Francis. A Kaplan é apropriada para heads mais baixos (mais comuns na conversão
de energia das ondas), enquanto a Francis é usada em aplicações com heads mais
elevados.
Bem como em pequenas plantas hidroelétricas de baixo head, turbinas axiais
de reação são usadas em mecanismos overtopping, convertendo o head disponível
entre o reservatório e o nível do mar em energia de rotação mecânica. O fluxo pode
ser controlável usando palhetas-móveis ajustáveis na sucção. Na turbina Kaplan,
pás variáveis aumentam significativamente a eficiência para diversas vazões. Essa
função extra, entretanto, traz impacto no custo e por essa razão geralmente não é
utilizada em turbinas menores, típicas de aplicações em energia das ondas.
A turbina de impulso é acionada por velozes jatos d'água direcionados a pás
curvadas montadas ao redor de um rotor. O momentum do jato d'água é transferido
ao eixo da turbina, que rotaciona. O modelo mais comum de turbina de impulso
utilizada é a Pelton, usada no conversor Oyster da Aquamarine.
A máquina Oyster da Aquamarine, que se movimenta rotacionando através
de impacto/surge, bombeia água pressurizada por pistão hidráulico para uma
turbina Pelton, localizada na costa. O circuito hidráulico também inclui tubulação e
acumuladores. Porém, a restrição de instalação a locais próximos à costa, e, a perda
de carga da água até atingir o bocal de entrada da turbina, são problemas desse
mecanismo. O esquema do mecanismo é mostrado a seguir, na figura 2-39.
84
Turbinas Pelton são eficientes em heads altos com baixas vazões, no entanto,
não são indicados para aplicações de overtopping, onde o head do sistema geralmente
é baixo. São apropriadas para conversores de onda que tenham algum bombeamento
de fluido hidráulico, tais como aqueles se baseiam em corpos oscilatórios. Alcançam
valores de pico de eficiência em torno de 90% [35]. A eficiência, no entanto, é bastante
sensível à razão entre head disponível e a velocidade de rotação. Essa característica
torna o uso de geradores elétricos de velocidade variáveis mais vantajosos do ponto
de vista da eficiência e controle. A figura 2-40 a seguir mostra uma configuração
possível para o sistema de conversão, funcionando a partir da água pressurizada e
da turbina Pelton, onde o volante de inércia e um multiplicador de velocidade via
polia transmitem torque e potência ao gerador elétrico.
Figura 2-39. Oyster da Aquamarine Power envia água pressurizada para rotacionar uma turbina
t ipo Pelton localizada na costa
Fonte: How Oyster wave power works, [68]
Cilindro Hidráulico
Figura 2-40. Esquema de Sistema com Turbina Pelton, volante de inércia e multiplicador de
velocidade transmitido por correia para conexão com o gerador elétrico
Fonte: Dynamics of the turbine/generator/consumer system, [69]
85
2.3.3.6 Sistema Pneumático Visão Geral
Sistemas pneumáticos para conversores de onda são similares aos sistemas
hidráulicos em concepção e em seus componentes. Seu uso traz algumas vantagens,
principalmente menor CAPEX, simplicidade de design e menor peso e volume quando
comparado com os outros sistemas, inclusive hidráulicos [70,71].
O uso do ar como fluido de trabalho em detrimento de líquido (nitrogênio e
outros gases inertes são alternativas), faz com que o sistema não precise ser tão
rígido e robusto e os componentes podem ser fabricados com materiais menos
nobres. Além disso, por terem componentes duráveis, requerem manutenção
mínima. A tabela abaixo mostra componentes típicos de um sistema pneumático,
sendo os principais o pistão pneumático, acumulador e motor pneumático [70,71].
A tabela 2-2 abaixo descreve os principais componentes.
# Componenentes Típicos Exemplo e Descrição 1
Válvulas
Controle da vazão, pressão e direção. Ex: Válvulas redutoras e de retenção.
2
Motor
Converte energia em forma de pressão pneumática para energia de rotação mecânica. Ex: Turbina a ar ou motor de palhetas rotativas.
3
Compressor/Atuador linear
Converte potência linear em potência pneumática. Ex: Compressores de duplo estágio, de parafuso ou lineares.
4
Condicionadores de Fluido
Condiciona características do ar: filtros, secadores, lubrificadores, silenciadores etc.
5
Conectores de Fluido
Conecta os diferentes componentes pneumáticos. Ex. Tubulação, distribuidor de entrada (manifold), mangueira e conectores hidráulicos.
6
Fluido
Usualmente o meio é o ar mas em alguns casos pode ser nitrogênio puro ou outro gás
7
Reservatório de Ar
Armazena energia potencial pneumática.
Tabela 2-2: Componentes típicos de um Sistema pneumático
86
Atuador Pneumático Linear
Um atuador pneumático linear consiste de um pistão interno, movendo-se em
um cilindro. A pressão na câmara de ar é resultado da força externa exercida pela
onda. Para controle do movimento, podem ser usadas molas e a própria diferença de
pressão do fluido fornecido nas câmaras (lado da haste e lado do pistão). A figura 2-
41 abaixo ilustra um típico atuador linear e seu princípio de operação, as molas
acopladas evitam dano por sobrecarga [72].
Características de Operação
Atuadores pneumáticos convencionais de aluminio suportam pressão máxima
de operação de 1 MPa com diametro de pistão variando entre 0,1 m e 0,2 m e forças
variando entre 0,1 kN a 33 kN [72]. Já atuadores de aço operam com pressão máxima
próxima a 1,7 MPa com diâmetros de pistão se estendendo entre 0,1 e 0,35m e
gerando forças entre 0,2 e 170 kN. A maior parte dos sistemas pneumáticos funciona
com baixas potências, algo entre 1,5 a 2,5 kW [72].
Atuadores pneumáticos garantem precisão dentro de 0,02 m e repetibilidade
de 0,02 mm. Sendo ótimos para processos industrais nos setores de embalagens,
alimentício e de bebidas. Podem atuar em grande amplitude de temperaturas (-40°C
a 120°C). Em termos de segurança e inspeção, o uso do ar evita o emprego de
materiais tóxicos ao ambiente e perigosos aos operadores [72].
Figura 2-41. Atuador Pneumático Linear. Componentes principais e principio de
funcionamento
Fonte: Elementos de Trabalho Pneumático, [73]
87
Desvantagens
Perdas de pressão por vazamentos ou bypass, compressibilidade do ar e
perdas térmicas tornam sistemas pneumáticos menos eficientes que outros métodos
de atuadores lineares. Por ser menos robusto, está mais sujeito a vibrações.
Motores pneumáticos, responsáveis por transformar a pressão pneumática
em rotação mecânica, componentes de baixa eficiência energética, entre 10 e 30%,
de acordo com Zhong et al, 2012 [62].
Mesmo o ar estando amplamente disponível, pode ser facilmente contaminado
por diversos agentes, como óleo, lubrificantes e a própria água do mar. Em um
eventual conversor, essa contaminação exigiria paradas não programadas para
manutenção. Filtros são necessários em circuitos abertos. Já circuitos fechados,
similares aos hidráulicos, usariam ar tratado industrial e são uma boa alternativa
para evitar contaminação.
Conversores de Onda
Transmissões pneumáticas em conversores de onda são encontradas em
mecanismos do tipo colunas oscilatória de água (OWC), no entanto, em pressões
menores e maiores vazões. Nesses casos, turbinas a ar autorretificadoras são usadas.
Liermann et al, 2016 [74], explora analítica e experimentalmente o uso de um
sistema pneumático para um conversor de onda com uma estrutura flutuante e
alavanca (ver figura 2-42), que oscila fixada à costa e transfere energia através do
movimento do braço mecânico ligado a um cilindro pneumático. O objetivo da
pesquisa é armazenar 20W de energia elétrica em condições médias de onda. Na
Figura 2-42. Conversor de Onda com Sistema Pneumático fechado
Fonte: Adaptado de Liermann et al, 2016 [74].
Água
Flutuador
Alavanca
Cilindro
Pneumático
Acumulador
Armação
Plataforma
Terresre
Para
Motor a
Palhetas
88
praia de Beirute as condições de mar típicas tem altura média Hm= 0.6m e período
de pico Ts = 7s.
O pistão tem um deslocamento máximo de 0,92 L e um curso de 0,125 m de
comprimento. O cilindro opera em simples efeito, com duas válvulas de retenção,
como uma bomba de ar linear de estágio único. Portanto, somente o movimento de
subida da onda é realisticamente armazenado. O ar é estocado em um acumulador
de 5 L. O tamanho do acumulador é escolhido em razão ao tamanho do cilindro,
aproximadamente 5 vezes maior. As outras dimensões do sistema foram baseadas
na premissa de que a eficiência total seria por volta de 5% para proporcionar os 20W
na saída do gerador.
A modelagem usada por Liermann et al, 2016 [74] para calcular as perdas e
eficiência total do sistema também pode ser aplicada a sistemas hidráulicos, com às
devidas adaptações ao tipo de fluido. As maiores perdas estão no sistema motor-
gerador (onde, no experimento, foi necessário um multiplicador de velocidade por
correia para atingir a rotação do gerador CC de 24 V), seguida das perdas no pistão
pneumático. O motor pneumático é de longe o componente de menor eficiência
(apenas 18%) e maior custo. O esquema da figura 2-43 a seguir resume os principais
componentes.
Figura 2-43. Componentes do Sistema Pneumático
Fonte: Liermann et al, 2016 [74]
89
A eficiência do sistema no experimento se mostrou mais baixa que a previsão,
próxima a 2%, e o gerador elétrico não atingiu operação contínua. Para isso, um
maior número de cilindros seria necessário. Liermann et al, 2016 [74] justifica a
escolha de sistemas pneumáticos pelo baixo custo e apenas para baixas potências,
que tornariam mais difícil o uso de sistemas hidráulicos. É, por fim, útil como
ferramenta de demonstração da capacidade de armazenamento da energia das ondas
para geração de eletricidade.
2.3.4 Geradores elétricos rotativos
Geradores elétricos são parte fundamental da conversão secundária e fazem
o último elo com a conversão terciária. São elementos comuns em aplicações de
conversão de energia das ondas por converter a energia mecânica produzida por
motor ou turbina em movimento do rotor do gerador, o qual induz uma tensão nos
terminais dos enrolamentos [15].
Com o movimento do rotor, há circulação de correntes elétricas pelos
enrolamentos da bobina e indução de carga, a chamada indução eletromagnética.
Junto ao rotor, atua nos geradores o estator, onde ficam os enrolamentos bobinados.
O estator constitui a parte estática e o rotor a parte móvel. A figura 2-44 a seguir
mostra desenhos das principais peças constituintes.
Pesquisas e experimentos realizados por O’Sullivan et al, 2011 [77],
comparam diferentes máquinas rotativas elétricas diretamente acopladas a turbinas.
Figura 2-44. Turbo-Gerador e Gerador Elétrico de Indução
Fonte: Á esq.- Adaptado de Hydroelectric Power, [75] Á dir.- Portal Eletricista, [76]
Estator
Turbina
Gerador
Pás da Turbina
Eixo da Turbina-
gerador
Fluxo
d’água
90
Esses trabalhos foram baseados em conversores do tipo OWC (coluna oscilatória de
água), que apesar de operarem com pressões e vazões diferentes de sistemas
fechados, também lidam com velocidades variáveis e podem ser usadas como
referência para outros conversores de onda. Em energia éolica, existem turbinas de
diferentes tamanhos e potências e há similaridades quanto à aplicação de geradores
rotativos. Assim, o conhecimento adquirido pode ser usado para seleção de geradores
em conversores de ondas [5, 15]. A tabela 3-2 abaixo mostra a seleção do gerador
elétrico para alguns dos principais conversores.
Equipamento PTO Tipo de Gerador Velocidade
LIMPET OWC e Turbina Wells Indução Variável
PELAMIS Hidráulico Indução Fixa
WAVEDRAGON Turbina Hidráulica
(água do mar)
PM síncrono Variável
PICO OWC e Turbina Wells
com passo variável
DFIG (indução) Variável
WAVESTAR Hidráulico Indução Variável
POWERBUOY Transmissão Mecânica PM síncrono Variável
Tabela 3-2. Tipos de Geradores Rotativos em alguns dos Protótipos mais avançados
Fonte: Adaptado de Mueller, M. A. et al, 2007 [41]
Para aplicação em ondas oceânicas, quatro tipos de geradores rotativos são
identificados por López et al, 2013 [15]: geradores de indução duplamente
alimentados ou doubly fed induction generators (DFIG); gerador de indução gaiola de
esquilo ou squirrel cage induction generators (SCIG); gerador síncrono com imã
permanente ou permanent magnet synchronous generator (PMG) e gerador síncrono
com campo bobinado ou field wound synchronous generator (SG).
Turbinas eólicas resolveram o problema da velocidade variável dos ventos de
duas formas: usando geradores de indução do tipo DFIG precedidos por arranjo de
caixa de engrenagens ou através de geradores de drive direto síncronos SG, com
conversores eletrônicos de potência. Neste último, a corrente alternada de frequência
91
variável produzida é convertida para corrente direta DC e posteriormente novamente
para AC antes de se alinhar com a frequência e voltagem do grid.
De acordo com Cargo, C., 2012 [20], esses equipamentos de conversão de
potência são extremamente custosos e introduzem perdas de potência a se
considerar. Em contrapartida, permitem maior amplitude de captura dos estados de
mar.
Estações de geração de potência tradicionais, acionadas, por exemplo, em
hidroelétricas por turbinas hidráulicas, utilizam geralmente geradores síncronos
(SGs). O nome síncrono se deve ao fato desta máquina operar com uma velocidade
de rotação virtualmente constante e sincronizada com a frequência da tensão elétrica
alternada aplicada aos terminais da mesma, ou seja, alinhada à frequência do grid.
Devido ao movimento igual de rotação entre o campo girante e o rotor, é chamada de
máquina síncrona.
Na maioria das vezes, os geradores elétricos empregados em energia das ondas
terão que lidar com velocidades de rotação variáveis. Caso sejam escolhidos
geradores síncronos, será também requerido um inversor de frequência entre o
gerador e o grid. Mas nada impede que também possam ser utilizados geradores
assíncronos ou de indução, desde que seja garantida velocidade constante de rotação
[5, 15].
A seleção dos geradores pode ser avaliada de acordo com os critérios abaixo:
Adequação ao ambiente marítimo: uma questão a ser abordada é a
viabilidade de usar ou não máquinas com escovas neste tipo de ambiente, devido à
manutenção requerida pelo ambiente corrosivo e a necessidade de substituir as
escovas aproximadamente duas vezes ao ano [15]. Deve se considerar que o ambiente
de trabalho marítimo é instável e dependente de condições meteorológicas. O gerador
de indução duplamente alimentado (DFIG) e algumas versões do gerador síncrono
com campo bobinado (SG) possuem escovas, e por esse motivo podem ser preteridos
por outros, mesmo possuindo vantagens em termos de tamanho, custo e eficiência
[15]. Dependendo da localização, o gerador poderá ficar exposto frequentemente às
correntes com altas concentrações de sal marinho. Esse efeito pode ser bastante
prejudicial em geradores do de imãs permanentes PMG, que possuem o composto
NdFeB, bastante sensível à corrosão.
92
Eficiência Energética: Considerando um estado energético médio de mar, e
retirando de comparação, pela presença de escovas, os geradores DFIG, sabe-se que
a diferença de eficiência energética entre geradores PMG e SG é desprezível e os dois
demonstram eficiência superior em 6-7% [5,15] ao gerador do tipo SCIG.
Networking: Os geradores PMG, SG e SCIG são instalados com inversores de
frequência entre o estator e o grid, o que garante desacoplamento entre as duas
partes. Os inversores transformam a corrente contínua CC em corrente alternada
CA. Isso pode ser positivo, porque as corrente elétricas de pico durante a partida da
máquina não são diretamente suportadas pelo grid e o gerador é menos influenciado
por falhas ou problemas na rede.
Custo: Entre os geradores SCIG e SG existe uma distinção no custo, de acordo
com a potência fornecida. Para níveis de potência abaixo de 800 kW, o tipo SG tem
custo maior, porém, a partir desse valor, as máquinas SCIG se tornam mais caras.
Já para o tipo PMG é mais difícil de estabelecer o custo para potências maiores, já
que a maioria deles não é fabricada em grande escala para níveis de potência entre
100 kW e 1 MW [15].
O estudo de O’Sullivan et al, 2011 [77] conclui que o gerador síncrono, versão
sem escovas, apesar da necessidade de um conversor de frequência, é, a princípio a
opção mais apropriada para conversores de ondas em virtude da maior capacidade
de controle e amplitude de captura, menor peso e maior densidade energética. A
pesquisa de Rhinefrank et al, 2012 [49], sugere o uso de gerador síncrono com ímãs
permanentes PMG para situações em que ocorra mudança de sentido do fluxo
energético.
93
2.3.5 Conversão Terciária
Nesse estágio de conversão é definida a interface entre os terminais do
conversor de ondas e a rede interligada, com um sistema que transforma a energia
elétrica fornecida pelo gerador antes de lançá-la no grid. O uso da eletrônica de
potência, ramo da ciência que trata da conversão e do controle de energia elétrica a
partir da aplicação de dispositivos semicondutores, será fundamental em níveis altos
e médios de potência. Inversores são usados para conversão de corrente alternada
CA/AC para corrente contínua CC/DC e vice-versa, e entre os parâmetros
controlados estão tensão, corrente e frequência. A tabela 2-3 a seguir mostra
potência instalada e voltagem de saída nos principais conversores discutidos ao
longo deste capítulo.
A principal exigência em um sistema de transmissão de energia é o controle
preciso dos fluxos de potência ativas e reativas para manter a voltagem do sistema
estável. Isso é atingido através de um conversor de potência eletrônica que
Conversor de Onda Potência Voltagem de Saída
Pelamis (2009) [15] 750kW 415 V/50Hz, 690 V/60Hz
Wavestar (2010) [21] 110 kW/ 600 kW -
Oyster (2012) [78] 800kW -
PowerBuoy (2011) [15] 150 kW 600 V/60Hz, 575 V/ 50Hz
Wave Dragon (2003) [15,32]
1.5 MW/ 7 MW 690 V/ 50 Hz
Limpet OWC (2001) [15] 2 kW 400 V/50 Hz
AWS [32] 2 MW/ 3 MW -
Lysekil Project [32] 10 kW -
Oregon L10 [32] 10 kW -
Pico Plant [32,67] 100 kW/ 400 kW -
Tabela 2-3. Voltagem de Saída e Potência Nominal de alguns conversores de onda
94
geralmente fica localizado dentro ou fisicamente próximo da interface primária de
conversão elétrica. Esse elemento proporciona a primeira conversão de voltagem,
comandando e atenuando as variações na velocidade do gerador causadas pela
irregularidade das ondas.
De acordo com Hong, Y. et al, 2014 [32] e Iraide López et al, 2013 [15], em
aplicações de média e alta potência, a classe mais comum de conversores eletrônicos
é o VSC (Voltage Source Converter) graças à sua maior controlabilidade, seu design
modular e compacto, a facilidade de operação do sistema e o baixo impacto
ambiental. Atualmente, existe uma tendência maior entre os conversores de onda em
se usar um conversor de voltagem VSC de dois níveis, ou 2L-VSC com estrutura
back-to-back e AC-DC. A voltagem de saída típica dos mecanismos de energia das
ondas não é significativamente alta, o que justifica a utilização desse tipo de
conversor de frequência [79].
Os transformadores, os geradores e as linhas de transmissão do sistema
possuem um caráter predominantemente indutivo. A indutância atrasa a resposta
da corrente em relação à tensão, e com este efeito ocorre defasagem da onda da
corrente em relação à tensão, causando perda de eficiência do sistema.
Normalmente, conversores de onda possuem pelo menos um transformador
step-up, para elevar a voltagem, conectado à saída do gerador. Isso é feito
simultaneamente por dois motivos: primeiramente, transformadores protegem o
dispositivo de possíveis falhas que possam ocorrer nas linhas de transmissão ou no
grid; segundamente, elevam a voltagem a um nível apropriado para o transporte e
conexão ao sistema interligado.
Caso a linha de transmissão e o ponto de entrada do grid estejam no mesmo
nível de voltagem, o transformador não é necessário. Isso pode ocorrer para pequenos
parques, com voltagem de saída por volta de 30–36 kV. Em grandes parques de ondas
ou naqueles onde a distância até a costa for grande, uma subestação é necessária
para elevar a o nível de voltagem a pelo menos 132 kV ou 220 kV [15,32].
O esquema da figura 2-45 abaixo, mostra um parque de energia das ondas
offshore, onde duas conversões de voltagem são realizadas em um circuito de
corrente alternada de alta voltagem ou, como comumente chamado na indústria, um
circuito HVAC. Nessa configuração, os transformadores elevam a voltagem de saída
dos módulos dos conversores para conectá-los a uma primeira subestação, que, por
95
sua vez, eleva novamente a voltagem através de novos transformadores para outra
subestação localizada na costa.
Já a figura 2-46 a seguir mostra um caso real, o sítio de experimentação Wave
Hub, utilizado como local de teste para diversos modelos de conversores. Os dois
diagramas são similares, exceto que neste segundo não há uma subestação na costa.
Isso ocorre porque o nível de voltagem de entrada (feed-in) do grid e da linha de
transmissão após o primeiro transformador já são iguais ou compatíveis. O sistema
é configurado para corrente alternada AC.
Figura 2-45. Diagrama elétrico de um parque de ondas
Fonte: Adaptado de Iraide López et al, 2013 [15]
Interface c/ eletrônica de
potência
Interface c/ eletrônica de
potência
Interface c/ eletrônica de
potência
Interface c/ eletrônica de
potência
Transformador step-up
Transformador step-up
Transformador step-up
Transformador step-up
Baixa Voltagem Média Voltagem Alta Voltagem
Transmissão HVAC
Subestação offshore Subestação onshore
96
Duas topologias típicas empregadas em conversores de onda são mostradas e
descritas na figura 2-47 a seguir.
A configuração à esquerda foi empregada no projeto Pelamis. Utiliza-se nesta
de um gerador de indução gaiola de esquilo diretamente conectado ao grid. Por este
motivo, o mecanismo deve operar em uma velocidade de rotação constante de 1500
RPM, com uma variação máxima permitida entre 1% e 2% deste valor [15]. Um
sistema de partida suave, ou soft start system, é inserido para reduzir os picos de
corrente durante o arranque. Um banco de capacitores é instalado para suprir a
corrente reativa requerida para a máquina de indução.
Figura 2-46. Caso real: diagrama de conversão terciária. Parque Wave Hub
Fonte: Adaptado de Iraide López et al, 2013 [15]
Interface c/ eletrônica de potência
Transformador de baixa voltagem
Transformador de Alta voltagem
Banco de Capacitores
Banco de Capacitores
Compensador
Compensador
97
O arranjo da direita apresenta um gerador tipo DFIG acoplado a uma caixa de
engrenagens, adicionalmente há um conversor de potência back-to-back e uma
alavanca elétrica chamada crowbar. A crowbar é um elemento opcional de proteção
que pode ser utilizado em qualquer topologia. Sua função é acelerar a queima do
fusível quando há picos na intensidade da corrente, protegendo o restante do
equipamento [80]. Este arranjo é utilizado frequentemente em conversores de onda
do tipo coluna oscilatória de água, OWC’s.
Existem duas alternativas para se transmitir a energia gerada em alto mar
dos módulos de conversores para o grid: transmissão em alta voltagem e corrente
alternada HVAC (High-Voltage Alternating Current), e transmissão em alta voltagem
e corrente direta HVDC (High- Voltage Direct Current). O sistema HVAC é o mais
utilizado em transmissão de sistemas elétricos offshore (ver figura 2-48).
① Gerador Elétrico de indução
② Alavanca “pé de cabra” – crowbar
③ Retificador de entrada e saída do inversor na configuração back-to –back
④ Filtro de Saída
⑤ Transformador step-up
⑥ Caixa de Engrenagens
① Gerador Elétrico de indução
② Sistema de Partida Suave
③ Compensador Reativo
④ Chaveamento principal
⑤ Transformador step-up
Figura 2-47. Topologias de sistema de potência comumente usadas em conversores de onda
Fonte: : Adaptado de Iraide López et al, 2013 [15]
Figura 2-48. Sistema HVAC típico
Fonte: Adaptado de Iraide López et al, 2013 [15]
Parque de
Ondas 3 cabos submarinos AC
Subestação offshore Transformador de Alta
Voltagem HV
Subestação onshore Transformador de Alta Voltagem
HV + Compensador
98
Em um sistema de transmissão HVAC, a conexão de um extenso parque de
energia das ondas à rede interligada na costa requer os seguintes componentes: um
sistema AC coletor na plataforma offshore; as já citadas subestações
transformadoras com transformadores AC; compensadores de energia reativa; e por
último cabos submarinos trifásicos, geralmente três cabos reticulados de polietileno
e XLPE. As subestações transformadoras onshore e offshore são caracterizadas por
transformadores robustos e por sistemas de compensação reativa, os STATCOMs,
sigla para Static Synchronous Compensator [15] (ver figura 2-49).
Esses STATCOMs são necessários em grandes distâncias porque a potência
induzida reativa aumenta com a voltagem e com o comprimento do cabo, portanto
transmissões longas requerem grandes equipamentos de compensação reativa.
Sistemas HVAC usam três cabos submarinos de transmissão enquanto que
em HVDC, empregam-se dois. Por essa razão, as perdas nos cabos são maiores em
sistemas HVDC. Devido a seus aspectos construtivos, a capacitância distribuída em
cabos submarinos de HVAC é bem superior à capacitância distribuída em linhas
aéreas. Este é o sistema mais utilizado porque em geral a maior parte dos parques
offshore não excedem 50 km da costa, sendo em distâncias inferiores a esse valor o
mais econômico e eficas entre os sistemas de transmissão. De acordo com Negra, N.
B., et al 2006 [83], a capacidade máxima disponível no mercado para sistemas
HVAC’s é em torno de 800 MW em 400 kV, 380 MW em 220 kV e 220 MW em 132
kV, até o máximo de 100 km de distância.
Figura 2-49. Cabos de polietileno e XLPE com núcleo triplo (esq.) e núcleo único
(cent.) e STATCOM da Jema Energy (dir.)
Fontes: Esq. Adaptado de Alegría, I. M., 2009 [81]. Dir. [82]
99
As configurações mais usadas para coleta e transmissão de energia são as de
layout em estrela e em cadeia, ou star e string, mostradas na Figura 2-50 abaixo. As
principais vantagens do layout em cadeia são a simplicidade de seu controle e o fato
de usar cabos mais curtos, o que gera custo e perdas nos cabos menores que no
layout em estrela. A principal desvantagem é menor confiabilidade, já que todos os
dispositivos acima do ponto de falha devem ser desligados até que o módulo
danificado seja reparado. Além disso, o número de conversores que podem ser
conectados a uma cadeia é limitado pela capacidade do cabo de carregar energia.
A conexão em estrela tem o potencial de reduzir as perdas nos cabos por
agrupar pequenos grupos de módulos geradores em estações de transformação de
alta voltagem. Essa configuração é considerada como de maior confiabilidade porque,
no caso de falha do dispositivo, apenas o dispositivo danificado necessita ser
desligado e reparado. As maiores desvantagens são o preço e a necessidade de mais
plataformas.
Estudos feitos com o modelo da AWS de 3 MW [15], para cenários de parques
de 45 MW e 90 MW, mostram que a principal diferença entre esses dois layouts é o
número de transformadores a serem utilizados. O layout em cadeia usa
transformadores conectados aos geradores enquanto o layout em estrela usa apenas
um transformador para o cluster de cada plataforma. No entanto, para a maioria das
aplicações a topologia em cadeia é mais econômica que a topologia em estrela.
Figura 2-50. Arranjo dos módulos em clusters: em cadeia (esq) e em estrela (dir.)
Fonte: Adaptado de López, I., 2013 [15]
Cluster em Cadeia
Cluster em Estrela
Plataforma offshore
à costa costa
Plataforma offshore
Plataforma
100
No momento presente, a maior parte dos parques offshore eólicos e das ondas
operando têm sistemas de transmissão do tipo HVAC, por ser a opção mais
econômica em distâncias médias e curtas, até 50 km [15]. Atualmente existe
consenso sobre este valor na comunidade científica. Com o aumento da distância,
transmissões HVDC começam a se tornar mais atrativas. Mais informações a respeito
de transmissão de energia elétrica em sistemas offshore podem ser encontradas na
referência [81].
2.3.6 Controle e Subsistemas Auxiliares
Controle
De acordo com Zurkinden, A. S. et al, 2012 [84], a eficiência de um conversor
de energia das ondas pode ser consideravelmente aumentada caso seja adotada uma
estratégia de controle avançado. Quando um ponto absorvedor é deixado sem
controle ativo, o jeito mais simples, porém menos eficiente, de optimizar a geração
de potência é sintonizar a frequência natural do sistema para a frequência
característica predominante (ou a frequência de maior prevalência no espectro) do
estado de mar do local onde o mecanismo será instalado. A transferência máxima de
energia cinética irá ocorrer entre a onda e o sistema quando o período natural desses
dois coincidirem para que o absorvedor oscile em ressonância, o que ocorre somente
para um estado de mar.
Para maximizar absorção de potência das ondas, controle do mecanismo é
primordial. Frequentemente, modelos lineares são usados para investigar estratégias
de controle, buscando optimização da potência extraída. O modelo mais simples é
um modelo de segunda ordem, incluindo a força de excitação das ondas, massa,
mola e amortecedor. Por outro lado, se a potência extraída só é máxima na
ressonância, aplicar um amortecimento linear será menos eficiente que um controle
reativo ótimo. Uma combinação das duas abordagens é possível e as vantagens e
desvantagens do controle devem ser balanceadas.
Um método de atingir controle de fase sub-óptimo se chama latching, algo que
pode ser traduzido como “travamento” e se baseia em adequadamente atrasar o
movimento do corpo a fim de aproximar de fase sua velocidade com a força de
excitação sobre ele, aumentando a oscilação. Apesar de teoricamente oferecer ganhos
na quantidade de energia absorvida, a implementação prática desse sistema de
101
optimização em ondas reais irregulares ainda encontra dificuldades que até hoje não
foram satisfatoriamente superadas.
Mecanismos hidráulicos de tomada de potência fornecem uma forma natural
de travamento: o corpo flutuante permanece em estado estacionário enquanto as
forças hidrodinâmicas na parte submersa são incapazes de vencer a força de
resistência introduzida pelo sistema PTO (diferença de pressão do fluido multiplicada
pela secção transversal do cilindro).
De acordo com Falcão A. F. et al, 2009 [36], se a máquina que aciona o gerador
for um motor hidráulico de deslocamento variável, é possível manter a velocidade de
rotação do eixo fixa enquanto a vazão e potência são controladas alterando a
“geometria” do motor pelo ângulo entre o bloco do motor e o eixo do gerador.
Sistemas Auxiliares
O sucesso na operação do PTO dependerá de diversos subsistemas auxiliares.
Esses sistemas mantêm as condições de operação em níveis aceitáveis em termos de
segurança e confiabilidade. Podem ser vistos como parte do sistema PTO para
estágios mais avançados de desenvolvimento dos conversores. Alguns exemplos são:
• Sistema de Freio ou Travamento
• Sistema de Absorção de Choques (End-Stop)
• Sistema de Aquecimento e Resfriamento
• Sistema de Lubrificação
• Sistema de Vácuo
• Sistema de Tratamento de Ar
• Sistema de Backup de Energia (baterias, geradores diesel, etc)
• Sistema de Combate a incêndios
• Sistema de Lastro
Vários dos subsistemas citados podem ser críticos para o funcionamento
confiável do PTO. A fonte elétrica para acionar esses sistemas pode vir do grid, mas
também é perfeitamente possível que a fonte seja o próprio drive do PTO. Deve-se
notar também que alguns subsistemas podem ter interações com o sistema
hidrodinâmico, como é o caso do sistema de lastro.
102
3 Modelo Proposto
3.1 Princípio de funcionamento
3.1.1 Modelo em escala 1:40
O flutuador oscila verticalmente suportado por uma estrutura-guia.
Inicialmente, foi fabricado um modelo conceitual em escala 1:40 a fim de testar o
princípio de funcionamento, sem objetivos de geração de energia. O modelo tem
formato de pirâmide, com largura da base quadrangular de aproximadamente 15 cm.
A máquina e sua estrutura de metal foram levadas até o Instituto Nacional de
Pesquisas Hidroviárias - INPH, centro de pesquisa com diversos tanques e
equipamentos de simulação de ondas.
A imagem 3-1 abaixo, reproduzida durante o teste, mostra o conversor se
comportando como ponto absorvedor linear em movimento de arfagem, absorvendo
energia potencial e cinética durante a passagem das ondas, enquanto a estrutura-
guia limita os deslocamentos em outros graus de liberdade.
Figura 3-1. Principio de funcionamento verificado para o modelo 1:40
Fonte: Arquivo Pessoal
103
A estrutura-guia constitui-se de uma força resistiva e causa perda de energia,
mas garante controle do movimento vertical impedindo que as forças de excitação da
onda movimentem o flutuador e o PTO em direções indesejáveis e causem danos ao
equipamento.
3.1.2 Modelo em escala 1:10
Após a prova de conceito com o modelo 1:40 e testes computacionais no
WAMIT com a geometria do flutuador desenvolvida em CAD. A partir disso, teve início
a fase de construção do modelo 1:10, com 80 cm de largura de captura. Foram
adicionadas reentrâncias à geometria do flutuador, de modo a maximizar as
capacidades de absorção, como mostra a Figura 3-2 a seguir. A construção foi
realizada no hangar da UFRJ e o material utilizado foi compensado de madeira.
Detalhes das medidas do flutuador são mostrados no Anexo II.
Figura 3-2 . Em cima: de Construção do modelo 1:10. Embaixo:
Representação em CAD e início dos testes, modelo instalado no tanque de
ondas
Fonte: Arquivo pessoal
104
3.2 Geometria do flutuador
O formato geométrico do flutuador é idealizado para maximizar a absorção
das ondas ao transformar a energia disponível na passagem da onda em
deslocamento vertical, gerando absorção de energia superior a outros formatos mais
tradicionais como o esférico ou cilíndrico.
Para chegar ao formato geométrico proposto na figura 3-3 abaixo, diversas
outras geometrias foram geradas e suas interações com as forças das ondas foram
estudo de análise computacional através do software de hidrodinâmica WAMIT.
Flutuadores com diferentes formatos e massas foram simulados para investigar a
influência desses parâmetros na produção de energia e no desempenho do
equipamento, chegando-se, finalmente, a inovadora geometria axissimétrica.
Em um segundo estágio de desenvolvimento, foram adicionadas as “asas”, ou
abas, para canalizar a energia das ondas (ver figura 3-4), de forma similar ao que é
feito no conversor da Wave Dragon. Essas abas fazem parte da estrutura-guia e, em
tese, melhoram a resistência estrutural do conversor.
Figura 3-3. Á esquerda, flutuador em escala 1:40, com largura aproximada de 15 cm. Á
direita, flutuador em escala 1:10 com 80 cm de largura máxima
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 3-4. Estrutura Guia e Abas que canalizam as ondas em direção ao
flutuante
Fonte: Arquivo Pessoal
105
Os resultados indicaram que a forma geométrica e a massa têm um papel
chave no processo de absorção da energia. A geometria escolhida para os testes
iniciais demonstrou grande capacidade de absorção, com valores de deslocamento e
velocidade que chegavam muito próximos aos das alturas de onda para diversos
estados de mar. Somado a isso, a diferença de fase entre onda e flutuante foi mínima,
o que indica um sistema absorvedor em sincronia e sinergia com as ondas incidentes
[85].
3.3 Localização
A maioria dos conversores de onda desenvolvidos até hoje são planejados para
instalação em profundidades de até 90 metros [4]. Sistemas localizados em águas
profundas e distantes da costa são mais caros e trazem dificuldades maiores em
instalação, logística e manutenção. Mesmo possuindo mais energia potencial devido
ao menor contato da onda com o leito marinho, essa energia extra acaba não sendo
aproveitada, pelo fato de ultrapassar a capacidade nominal dos mecanismos de
conversão. Além disso, máquinas instaladas em águas profundas exigem maiores
gastos com estrutura, devido aos carregamentos superiores no sistema e na
ancoragem [4, 23]
Facilitar a manutenção de partes mecânicas é outra vantagem de sistemas em
águas próximas à costa. Alguns componentes podem necessitar de substituição
periódica, como por exemplo: selos, válvulas, engrenagens, óleo de transmissão, óleo
lubrificante etc. Além disso, a proximidade com a costa ajuda a reduzir o custo na
transmissão da energia via cabos submarinos. Há também, em alguns casos, menor
irregularidade e direcionalidade das ondas e possível presença de “hot spots”, ou
zonas de concentração de energia.
Por esses motivos listados, os modelos passaram a ser idealizados para
posicionamento próximo a costa em águas rasas ou médias, a depender do regime
de marés, que será um fenônemo de interesse na elaboração do projeto.
Com objetivos de instalação de um modelo em escala maior, a análise do
potêncial energétco será pautada pelosos dados divulgados da costa cearense
brasileira, onde o Porto do Pecém, localizado no litoral norte a 60 km da cidade de
Fortaleza, vem há anos fazendo medições da batimetria local. Essas informações
foram retiradas de Ricarte, E. B., 2007 [11]. A aquisiçãp de dados foir realizada a
106
aproximadamente a 3 km da costa, localidade em uma profundidade média de 17
metros. O objetivo da coleta de dados foi a construção de um porto offshore e seu
monitoramento pós-construção [11].
Nessa região, as alturas de onda ocorrem quase que na totalidade acima de
1m, sendo a altura média anual próxima a 1,4m e 90% da potência total é
representada por alturas entre 1 e 2 m. O período de ondas varia de 5 a 18 s e tem
média anual de 7,8 s. Ao longo do ano, as potências médias mensais das ondas
variam de 6 a 11 kW/m, com uma potência média anual de 7,7 kW/m [11].
A esta profundidade, relativamente baixa, as observações de direções de ondas
já sofrem influência da batimetria local. O efeito de refração tende a reduzir as
possíveis direções de incidência, convergindo à costa. Além disso, de acordo com
Ricarte, E. B., 2007 [11], para ângulos de incidência menores que ± 30° o efeito da
direcionalidade da onda sobre a eficiência de conversão não é dos pontos mais
críticos.
3.4 Modelagem dinâmica do Modelo
3.4.1 Princípios da Extração
Em conversores oscilador-flutuantes o corpo deve interagir com o oceano a
fim de reduzir a quantidade de energia que estava antes presente no mar e transferi-
la para o seu sistema oscilatório. Segundo Falnes et al, 2007 [4], o conversor deve
primeiro, para ser um bom absorvedor de ondas, ser um bom gerador de ondas, de
forma que as ondas geradas interfiram de forma destrutiva com as ondas do mar
incidentes, resultando em maior oscilação do sistema.
Dessa forma, em um sistema oscilatório simples interagindo com uma onda
senoidal, a fase óptima ocorrerá na ressonância. O problema de modelar o flutuador
para ressonância é fazer com que este não responda fisicamente da mesma forma a
uma ampla faixa de valores de frequencia de excitação com exceção da ressonância.
Por este motivo, foi desenvolvida uma geometria que respondesse fisicamente,
mesmo que fora da ressonância, para toda a faixa de ondas predominantes no sítio
de instalação. Detalhes sobre os limites práticos para absorção de energia das ondas
são descritos em [4, 86].
107
3.4.2 Sistema linear em ondas regulares: análise no domínio do tempo
Supõe-se um corpo rígido flutuante, em que a maior parcela está submersa e
em oscilação vertical, acompanhando o movimento das ondas. O esquema da figura
3-5 abaixo ilustra o modelo ponto absorvedor. O flutuador é guiado por uma
estrutura que restringe e torna negligenciável os movimentos em outras direções.
Assume-se, portanto, que o movimento do conversor devido à ação das ondas ocorre
apenas em um único grau de liberdade, na direção z, movimento este conhecido na
indústria naval como arfagem ou heave.
A interação entre o objeto e as ondas incidentes causa distúrbio no
movimento natural das ondas com a passagem de energia para o corpo oscilatório,
e, devido a isso, forças atuarão no corpo flutuador. O comportamento do flutuador é
simulado inicialmente no domínio do tempo. A análise no domínio da frequência é
útil, por exemplo, para determinar a frequência natural do sistema a fim de
sintonizá-la com a frequência predominante do mar local, maximizando a energia
absorvida para determinada condição [4].
Nesse estágio, é definido que será aproveitada a energia potencial e cinética
de um local próximo a costa, onde ondas regulares são assumidas em detrimento
das irregulares e a geografia da região próxima à costa justifica essa escolha. As
alturas de onda estão entre 1 e 2 m e profundidade entre 17 e 30 metros. Com isso,
as oscilações do conversor para essas alturas são consideradas suficientemente
pequenas, o que torna a teoria linear de ondas aplicável sem grandes prejuízos aos
cálculos de dimensionamento [85].
A dinâmica do corpo flutuante pode ser determinada pela solução da equação
de movimento abaixo, que combina as forças hidrodinâmicas pela ação das ondas
Figura 3-5. Esquema de flutuador em Oscilação vertical – movimento heave
Fonte: Johannes Falnes, 2007 [4]
108
3ℎ�4� e as forças de resistência exercidas pelo sistema PTO 3=4>�4�, força esta que é
aplicada intencionalmente para tomada de potência. Considerando . = 0 a posição
do flutuador na superfície da água na condição de mar calmo e o sentido para cima
como sendo positivo, tem-se de acordo com [4, 20, 36, 85].
�.?�4� = 3ℎ�4� + 3=4>�4� �3.1� Onde, � representa a massa total do sistema e .?�4� representa a aceleração
vertical do sistema em um tempo 4. A decomposição da força hidrodinâmica possui
as seguintes contribuições de acordo com a teoria linear das ondas [4, 20, 36, 85].
3ℎ�4� = 3�AB + 3C + 3 + 3ℎ �3.2� Ou,
3ℎ�4� = −�AB.?�4� − E�.6�4� + 3�4� − ���.�4� �3.3�
Os quatro termos da força hidrodinâmica são: 1- força de inércia adicional,
onde �AB.?�4� é a contribuição devido ao volume de fluido, movido em conjunto com
o absorvedor, e �AB é a massa adicional, parâmetro dependente do
período/frequência da onda; 2-força de radiação, devido à oscilação do flutuador
gerando ondas ao seu redor, onde E� é o coeficiente de amortecimento de radiação,
também dependente da frequencia; 3-componente vertical da força de excitação
devido às ondas incidentes em um corpo fixo; 4-força hidrostática restauradora, onde
� é a gravidade, � é o peso específico da água do mar e � é a seção tranversal não
perturbarda da estrutura flutuante na direção z, acima da superfície.
Existe também uma parcela de força de arrasto não linear modelada relativa
ao fluxo turbulento. No entanto, é considerado negligenciável pela maioria dos
pesquisadores para efeito de cálculo frente às outras parcelas [4, 20, 36, 85]. A seção
seguinte detalha as forças envolvidas no movimento.
3.4.3 Forças Atuantes no Flutuador
Força de inércia adicional
• 3�AB�4� = −�AB.?�4� → A massa adicionada �AB é a inércia adicionada ao corpo
flutuante enquanto o objeto oscila próximo a superfície do mar. É originada
devido ao fato de que quando o corpo se move, a água ao seu redor também é
movida. É um parâmetro dependente da frequência, ainda que se torne cada vez
menos dependente da frequência à medida que o objeto se aproxime do leito
109
marinho. Quando a frequência de oscilação é alta e se aproxima do infinito, o
valor de massa adicionada se aproxima de uma constante e pode ser
caracterizada como �AB�.
Força de Radiação
• 3C�4� = −E�.6�4� → A força de radiação é experimentada pelo corpo
harmonicamente oscilante quando submerso na água. Como
convenção, o corpo é considerado como se experimentasse uma
impedância mecânica5 devido à variação da pressão normal integrada
sobre sua superfície submersa, resolvida numericamente por Navier-
Stokes. E� é o coeficiente de amortecimento de radiação. Esse
coeficiente representa a força em fase com a velocidade do flutuador e
corresponde à energia transferida a um fluido não viscoso, na forma de
onda radiada. E� é dependente da frequência e geometria do flutuador
e geralmente é encontrado numericamente através de softwares de
hidrodinâmica como o WAMIT e AQUADYN. Neste trabalho foi usado o
WAMIT, que emprega a teoria linear das ondas [36, 87];
Força de Excitação
• |3| = 3�H, I� J� → Representa a Força de excitação exercida sobre o
corpo fixo em seu equilíbrio estático, fornecida pela onda incidente. É
similar à força de radiação, porém composta pela superposição de duas
soluções de fluxo potenciais, conhecidas como potencial da onda
incidente e potencial de difração da onda. Falnes [16] sugere que se o
corpo é suficientemente pequeno em comparação ao comprimento de
onda, o componente de difração pode ser negligenciado frente ao
componente conhecido também como força Froude-Krylov. É o que
fornece o software WAMIT [36, 87]. Esse componente, em fase I com a
velocidade induzida no flutuador, é importante para avaliar a
habilidade em absorver potência. A força de excitação é função da
altura da onda H e do período ou frequencia H.
5 Impedância mecânica em um sistema mecânico é o quociente complexo de de uma força alternada
aplicada dividida pela velocidade linear alternada resultante, na direção da força e no seu ponto de
aplicação.
110
Força hidrostática
• 3ℎ �4� = − ���.�4� → é a chamada Força hidrostática, sendo � o peso
específico da água, � a aceleração da gravidade e � a seção transversal
do flutuador definida por sua superfície livre e não perturbada. Devido
à variação no nível da água e consequente movimento do absorvedor,
essa força varia de acordo com as diferenças de posição entre o nível
d’água e o centro de massa do absorvedor, sendo a força igual a zero
quando . = 0. Dessa forma, não existe relação com a velocidade ou
aceleração do flutuador. Portanto, 3ℎ é uma força conservativa.
Força do Sistema PTO
• 3=4>�4� = −�;9K.? − �;9K.�4� − L;9K.6�4� → é a força aplicada pelo power
take-off system (PTO). Pode ser representado por um modelo linear com
uma mola e um amortecedor associados em paralelo [88]. A mola é
representada pela constante elástica �;9K, enquanto o amortecedor é
representado pelo coeficiente de amortecimento L;9K (ver Figura 3-5). É
assumido nessa análise que a massa dos cabos, caso haja, não interfere
no movimento do oscilador. Na maioria dos sistemas, como o hidráulico
ou pneumático, o sistema PTO é não linear [36].
Figura 3-6. Idealização do sistema PTO linear
Fonte: Adaptado de Adriana M. F., Nuno F., 2013 [88]
Posição de Equilibrio
Linha da superfície
�;9K L;9K
111
3.4.4 Sistema linear em ondas regulares: análise no domínio da frequência
No tratamento no domínio da frequência do sistema, existe uma relação linear
entre a amplitude da força de excitação das ondas e a amplitude de movimento
resultante no flutuador. É útil que os coeficientes lineares sejam representados por
um número complexo, para que a fase entre a onda incidente e as forças e
movimentos resultantes do flutuador possam ser avaliadas.
Em outras palavras, como o sistema é linearizado, a resposta às ondas
incidentes harmônicas é harmônica no tempo e, portanto, os deslocamentos e forças
de excitação podem ser expressos como funções harmônicas simples no tempo, de
forma que 3 = E�M>, 3� NO9, sendo E a parte real e M> 3 amplitudes complexas
proporcionais a amplitude da onda incidente. Logo, a equação acima pode ser
resolvida pelo método de solução NO9 = P>H4 + QRH4, resultando em .�4� = M>NO9 e
3�4� = 3 NO9. Logo, de acordo com [4, 20, 36, 85]:
S� + �AB + �;9KT.?�4� + SE� + L;9KT.6�4� + ���� + �;9K�.�4� = 3 NO9 �3.4� E fazendo a substituição .�4� = M>NO9 encontra-se:
M> = 3−H�S� + �AB + �;9KT + QHSE� + L;9KT + ��� + �;9K
�3.5�
É importante apontar que as forças de excitação são calculadas para a
posição média do absorvedor e isso pode ser outra fonte de não linearidade se o corpo
se move substancialmente ao redor deste ponto. Multiplicando os termos pela
velocidade .6�4�, pode-se definir a potência média absorvida pelo conversor, em um
determinado intervalo de tempo, de duas formas, como mostra a equação 3.6 abaixo
[36]:
%UV = W� L;9K H²|M>|² = W
XYB |3|� − YB� ZQHM> − [\
�YBZ� �3.6�
Para um dado corpo em uma onda incidente regular, E� e 3 são fixos. Então
a potência absorvida depende de M>, isto é, do sistema PTO e seus coeficientes. A
equação (3.6) mostra que o maior valor possível para a potência ocorre para a
igualdade mostrada na equação 3.7 abaixo:
%UV = 18E� |3|� �3.7�
112
Sendo QHM> = [\�YB. Nessas condições, para uma determinada geometria, uma
amplitude e uma frequência de onda fixas, isto é, E� e 3 fixos, pode ser
demonstrado que as condições óptimas para maximizar absorção de energia serão
[4, 20, 36, 85]:
H = _ `abc�def c gh c def
i2! �3.8�
E� = L;9K �3.9� Onde (3.8) é a condição de ressonância enquanto
(3.9) é a condição de amortecimento do sistema PTO (que deve ser igual ao
amortecimento da radiação) para máxima potência extraída. Em geral, para cada
frequência e altura de onda, existirá um amortecimento óptimo do PTO que maximiza
a extração de energia. Sendo impossível alterar esses valores a cada frequência,
condições sub-óptimas são investigadas. A dependência da frequência da onda
incidente para o amortecimento óptimo ilustra a vantagem de projetar um sistema
de controle que ajuste o sistema PTO para que a máquina consiga o máximo de
energia absorvida.
Análise no domínio do tempo
O sistema PTO de mecanismos flutuantes é, na grande maioria das vezes, não
linear e nesses casos a análise no domínio da frequência não é válida [35, 36]. Deve-
se, portanto, aplicar a equação do movimento no domínio do tempo. Assim, a
equação governante terá o seguinte formato, proposto pela primeira vez por Cummins
[35, 36]:
S� + �AB� + �;9KT.?�4� + ��� .�4� + / j�4 − k�.?�4��9
l�k = 3�4� + 3=4>�., .6, 4� �3.10�
Onde �AB� é o valor limite para a massa adicionada �AB�H� quando o número
de frequências tende ao infinito. A integral de convolução � j�4 − k�?�4��9l� k
representa o efeito memória na força de radiação, ou seja, esta força depende de
movimentos passados do corpo. A força 3=4>�., .6, 4� aplicada no corpo pelo
mecanismo de conversão de energia PTO, é uma função linear ou não linear
dependente de .�4� e .6�4�. Para um PTO linear, a potência instantânea capturada
pode ser dada por [4, 20, 36, 85]:
%V�4� = L;9K.6�4�� (3.11)
113
A função memória j pode ser calculada a partir do coeficiente de
amortecimento da radiação E��H�, como descrito abaixo [20, 36]:
j�4� = W�m � YB�O�
O�
� sin H4 �H �3.12�
Esse efeito memória na força de radiação decai rapidamente com o tempo e
pode ser negligenciado para algumas dezenas de segundos (o intervalo infinito da
integração na equação 3.10 pode ser substituído por um intervalo finito). Por razões
idênticas, um intervalo finito de integração pode ser usado na equação 3.12. Falnes
et al, 2007 [4], sugere um limite superior de aproximadamente 3-5 rad/s ou 10s para
reduzir drasticamente o efeito memória.
Eficiência
A eficiência na conversão pode ser medida usando a energia disponível na
largura de captura L do conversor, como a equação 3.13 abaixo [4, 20, 36, 85]:
q = rU\s `a!J!tu v�m⁄ �3.13�
114
3.5 Conversão de Escala em Energia das Ondas
Similaridade Física
Para aplicar resultados obtidos em testes com modelos e protótipos,
computacionais ou em laboratórios, é fundamental que primeiro seja garantida a
similaridade física entre o modelo e a escala de interesse. A modelagem física exige
similaridade geométrica (isto é, todas as medidas lineares de um objeto devem ter
um fator fixo de escala correspondente a um segundo objeto) e que algumas
similaridades cinéticas e dinâmicas sejam parcialmente ou completamente
satisfeitas, dependendo do problema em questão.
Em geral, em energia das ondas, e particularmente no modelo estudado, dois
sistemas dinâmicos similares podem ser analisados separadamente: o sistema
hidrodinâmico (envolvendo interação entre a estrutura flutuante e as ondas) e o
sistema PTO. Na prática, esses dois sistemas estão acoplados fisicamente, mas para
efeitos de simplicidade de análise inicial, podem ser divididos em dois.
Similaridade de Froude
As similaridades cinéticas e dinâmicas podem ser garantidas pela similaridade
de Froude. Esta é a forma mais prática e popular na modelagem física de conversores
de onda. Essa escolha exige um número de Reynolds alto para os dois objetos (acima
de 10⁵ ou escoamento turbulento), o que para um modelo em escala menor pode ser
facilmente atingido na maioria dos casos práticos. Requer também, na similaridade
cinética, baixas velocidades para os pequenos modelos. Essa exigência está em geral
a favor das condições de testes em laboratório [89].
Para escalas demasiadamente pequenas, algumas preocupações podem vir
da interação com cabos, instrumentação, equilíbrio do modelo etc. Então, é sugerido
por Sheng et al, 2014 [89], que o primeiro estágio de desenvolvimento de um modelo
seja feito em escala de até 1 : 100.
Em suma, a modelagem física usando similaridade de Froude vem sendo
aceita amplamente para energia das ondas, no entanto, apenas para modelos
dinâmicos lineares [89]. Além disso, nas condições de dois objetos com similaridade
geométrica, onde o número de Reynolds é alto o suficiente para os dois, os termos
viscosos não dimensionais da equação de Navier-Stokes (equação que rege a
fluidodinâmica) podem ser negligenciados, o que foi feito na seção 3.4.
115
Escala de conversores de onda
Os fatores relevantes de escala para um sistema dinâmico seguindo a
similaridade de Froude são mostrados na tabela 3-1 abaixo, adaptada de Sheng et
al, 2014 [89]:
Medida Fator de Escala
Aceleração ԑ�
Área ԑ�
Força ԑv
Fpto ԑv
Comprimento ԑ
Massa/Volume ԑv
Potência ԑv.x
Pressão ԑ
Tempo ԑ�.x
Velocidade ԑ�.x
Vazão Volumétrica ԑ�.x
Trabalho/Energia ԑy
Tabela 3-1. Fatores de Escala do Conversor pela Similaridade de Froude
Escala do sistema PTO linear
Como mostra a tabela acima, para garantir similaridade dinâmica entre as
equações, a escala de força ԑv, deve valer também para a força exercida pelo PTO
3=4>. Se o sistema PTO é linear, uma expressão geral para defini-lo, como mostrado
no tópico anterior é:
3=4>zzzzzzzzz{ = −�;9K.? − L;9K.6 − �;9K. �3.14� De acordo com Sheng et al, 2014 [89], um PTO linear terá as seguintes
relações entre coeficientes escalares (ver Tabela 3-2 abaixo):
116
Medida Fator de Escala
�;9K��;9KW
ԑv
L;9K�L;9KW
ԑ�.x
�;9K��;9KW
ԑ�
Tabela 3-2. Fatores de Escala do PTO linear pela Similaridade de Froude
Podem existir casos em que o movimento do conversor e o sistema PTO são
ambos não lineares. No entanto, a resposta à captura de potência é quase linear,
sendo proporcional ao quadrado da altura de onda. Nesse caso, a curva da captura
de potência pode ser bem útil par avaliar a geração de energia de um mecanismo
sem precisar realizar testes em estados de mar correspondentes.
A resposta a captura de potência pode ser definida como [89]:
�= = %U\s�� �3.15�
Onde %U\s é a potência média extraída pelo mecanismo em ondas regulares de
altura �.
117
3.6 Estrutura de Suporte e Rolamento
A estrutura de suporte a ser desenvolvida para a escala 1:1 deve minimizar as
oscilações e movimentos em outros graus de liberdade, garantindo que a energia da
onda seja convertida em oscilação vertical, isso gerará uma componente de força
dissipativa de fricção contrária ao movimento. Esta força não é contabilizada neste
trabalho.
No modelo 1:10, foram utilizados tubos para os quatro pilares guia e pequenos
rolamentos para que houvesse suporte e movimentação entre as estruturas. Por ser
considerado um campo já bem desenvolvido, o projeto e dimensionamento de
estruturas em alto mar não deve ser, a princípio, consideradas um entrave para o
projeto. As soluções encontradas para o modelo 1:10 são mostradas na figura 3-7
abaixo:
A integração do flutuador com o sistema PTO será feita por um eixo central e
vertical comum, que também dará sustentação a estrutura. Diferentes conversores
de movimento linear vertical são mostrados nas figuras 3-8 e 3-9 a seguir, e
propostos como sugestões para o protótipo em escala real.
Figura 3-7. Modelo 1:10 e seu sistema de rolamento e estrutura guia. A estrutura limita
fisicamene a amplitude do movimento e suporta as tensões exercidas pelas ondas.
Fonte: Arquivo Pessoal
118
À esquerda, projeto da AWS [90], com estrutura flutuante e PTO de gerador
linear submersos. Ao centro, estrutura da OPT Powerbuoy [91], onde a parte em
amarelo é o flutuador que oscila na superfície e se movimenta em relação a estrutura
submersa em cinza (com uma placa de arrasto do lado oposto) e o PTO de
cremalheira-pinhão é posicionado no interior da estrutura e também submerso.
À direita é mostrada uma iniciativa da Ocean University of China [92], com
sistema hidráulico por uma estrutura que oscila na superfície, enquanto hastes
guias, que passam pelo centro do flutuador, conectam duas plataformas (uma
submersa e outra acima da superfície). As plataformas são suportadas por cabos de
ancoragem e por uma fundação no leito marinho. O sistema PTO fica na plataforma
acima da superfície, para acesso fácil à manutenção.
Figura 3-8. Estruturas de Suporte para Ponto Absorvedores Lineares Verticais
Fontes: Esq: Archimedes Waveswing, AWS, [90]. Centr: Adaptado de Ocean Power Technologies. Offshore
Technology, [91] Dir: Adaptado de SHI, H. et al. 2016, [92]
Flutuador
Superfície do Mar
Leito Marinho
Fundação Ancorada
Ancoragem
Corpo Flutuante Submerso
Figura 3-9. Haste guia e Cilindro Hidráulico em Projeto da Ocean University of China
Fonte: SHI, H. et al. 2016, [92]
Haste Guia
Cilindro Hidraulico
Flutuador
119
3.7 Experimento
3.7.1 Objetivos do experimento
Aferir parâmetros dinâmicos do flutuador quando este interage com uma série
de ondas programadas por um gerador de ondas.
O mecanismo gerador de ondas será alimentado por um espectro
representativo de um estado de mar com ondas regulares, onde serão escolhidos
valores típicos do sítio para os parâmetros de altura de onda e período.
3.7.3 Medição e Instrumentação
Serão medidos de forma direta quatro dados: velocidade, aceleração e
deslocamento do flutuador e altura da onda incidente. Outros parâmetros de
interesse serão calculados a partir destas três informações, juntamente com a massa
do modelo aferida antes do teste. Após o experimento, deseja-se saber, a respeito do
flutuador:
1- Força Vertical;
2- Força Horizontal;
3- Deslocamento;
4- Velocidade;
5- Aceleração;
6- Potência;
7- Altura de onda incidente;
120
Será medida a cinemática do flutuador através de um acelerômetro de
corrente contínua, de tipo capacitivo e da marca Measurements Specialities [93]. Este
dispositivo tem a habilidade de servir como sensor de acelerações em equipamentos
e dispositivos que se movimentem em uma grande faixa de valores, convertendo essa
aceleração em sinal elétrico como mostra o esquema da figura 3-10 abaixo. O
acelerômetro também pode ser usado como um sensor de vibração [93,94].
O sensor funciona de modo que a aceleração do dispositivo desloca uma placa
móvel com um capacitor em relação a uma placa fixa. Desta maneira, altera-se a
capacitância de cada capacitor e um sinal elétrico é gerado como uma resposta em
corrente direta DC. O deslocamento em relação às placas fixas pode ser calibrado
para corresponder a determinado valor de aceleração. [93, 94]
Quanto maior a frequência, menor o tamanho do acelerômetro requerido e de
forma diametralmente oposta, quanto menor a frequência, maior o acelerômetro que
pode ser usado. A faixa de frequência máxima de resposta de um acelerômetro é
usualmente um terço de sua frequência natural. Um isolante térmico, como uma
camada de polímero, pode ser usado entre o capacitor e a superfície do flutuador
para reduzir a condução de calor e para operar na faixa de termperatura
recomendável. Deve-se também vedar o instrumento e a conexão com os cabos e
plugs afim de evitar contato com a água.
Figura 3-10. Acelerômetro Capacitvo utilizado no experimento e princípio de
funcionamento
Fonte: How accelerometers work, 2016 [94]
Acelerômetro Capacitivo
1-Massa pressiona placa do Capacitor
2-Massa fecha placa alterando capacitância
121
Outras medições feitas são das alturas da onda gerada pelo batedor, que
confirmam a informação fornecida ao software. São posicionados sensores da DHL,
como os mostrados abaixo, onde a altura da onda é registrada através da calibração
de um sinal elétrico que se altera à medida que o nível da água e fecha um pequeno
circuito elétrico. São registradas as alturas logo após o batedouro, no momento do
contato com o flutuador e após a absorção pela máquina.
Figura 3-11. À esq: Sensor de Nível da água da DHL. À direita: Visão traseira do
equipamento e posicionamento dos sensores.
Fonte: Arquivo Pessoal
122
3.7.4 Geração de ondas no tanque
A geração de ondas no tanque ocorre através de batedores que se movimentam
em vai e vem e são acionadas por um motor elétrico. As informações correspondentes
ao estado de mar desejado são enviadas ao mecanismo de geração através de um
software.
Figura 3-12. Mecanismo gerador de ondas acionado por motor elétrico e software
responsável por fornecer o input de estado de mar ao batedor
Fonte: Arquivo Pessoal
123
3.8 Simulação Computacional
A simulação computacional do corpo geométrico foi feita no software
hidrodinâmico WAMIT. O WAMIT considera a teoria linear de ondas abordada na
seção 3.3. Foi utilizada profundidade infinita e calculada a força vertical sobre o
corpo e os coeficientes do amortecimento da radiação �AB e E� para diversos estados
de mar, com mudanças nas frequencias/períodos, número de onda e direções de
incidência. Esses resultados serão usados como base para o projeto do sistema PTO
e cálculo da potência gerada.
Os resultados, incluindo forças, amplitude de movimento do flutuador e
massa adicional, são dados pelo software na forma adimensional (com exceção do
período, medido em segundos) e dependentes da altura de onda, que deve ser
incluída no cálculo pelo usuário, de acordo com o manual do programa, disponível
em [87]. Cálculos para dimensionalização dos resultados são mostrados no Anexo I.
Neste trabalho, considerando os estados de mar de predominância no
levantamento feito na região da costa nordeste brasileira, estabeleceu-se como faixa
de interesse para as análises computacionais os períodos de onda entre 3 e 9s em
escala real e as alturas de onda entre 0.8 e 2.5 m, considerando que o conversor deve
gerar energia dentro desses valores. Sendo o ponto de operação nominal
dimensionado para 8s e onda de 1.5 m, valores mais próximos às médias anuais de
período e altura.
Para dimensionamento do sistema de transmissão os valores de 0.8 e 2.5
metros são selecionados por extrapolarem para mais e para menos (entre 20 e 30%)
os valores de predominância de 90% de altura de onda do sítio. Tem-se, com isso,
valores máximos e mínimos de atuação do conversor.
Assim, para ondas abaixo de 0.8 metros, o sistema não terá força suficiente
para transmitir potência ao pto. A partir desse valor, o sistema inicia a transmissão
de energia. Acima de 2.0 metros de altura, a máquina deve atuar com algum sistema
de parada (por exemplo, um sistema de amortecimento com molas) e estados mais
energéticos terão seu potencial desperdiçado.
No modelo virtual, foram usadas as mesmas dimensões do modelo
experimental em escala 1:10. A largura principal possui L=0.8m e o calado de é de
0.08 m. Para esses valores, o modelo deve ter massa de 18 kg. Para a faixa de
frequências estudada, a massa adicional varia entre 21.5 e 24.5 kg na escala do
124
modelo. Outros valores importantes utilizados são a gravidade g = 9.8006 �/� e o
peso específico da água do mar, estimado o em 1025 ��/�v.
De posse dos coeficientes fornecidos pela simulação do WAMIT em escala 1:10,
é feito um pós processamento dos dados no Excel. No Excel, são feitas as a
conversões de escala para estimar resultados do protótipo na escala real. Os dados
são posteriormente levados para o MathCad (Anexo V) para cálculo das integrais e
modelagem do sistema de transmissão.
3.9 Resultados Computacionais
Com os resultados computacionais obtidos pelo WAMIT para o modelo 1:10,
as potências média e instantânea geradas pelo conversor puderam ser calculadas
para diversos estados de mar. O software Mathcad foi usado para desenvolver as
equações de estado e plotar as curvas de interesse, entre essas potência e energia,
de acordo com a modelagem dinâmica apresentada no capítulo 3.
Para cálculo das equações do movimento foram usados ondas regulares e
profundidade infinita; esta última premissa, no entanto, não é verdadeira para o caso
real, pois o conversor é idealizado em uma profundidade finita (entre 10 e 17 metros
de profundidade) e, assim, a energia disponível não seria a mesma. Contudo, como
o efeito das abas também não foi ainda calculado e certamente contará a favor de
mais energia para o flutuante, o valor para profundidade infinta pode ser considerado
uma boa aproximação neste estágio de desenvolvimento do projeto.
A posição do conversor no tempo z(t) pôde ser estimada, conhecendo-se a
amplitude vertical do flutuante no eixo z, variável fornecida pelo WAMIT. Valores de
força de excitação fornecidos pelo WAMIT em diversos ângulos de incidência não
resultaram em variação significativa dos valores de resposta e amplitude. Isso mostra
uma boa axissimetria do modelo geométrico.
Posição do Flutuador
z t( )Af
2
sin2 π⋅ t⋅
Tmθ+
⋅:=
zo t( )Hm
2
sin2 π⋅ t⋅
Tm
⋅:=
(3.17)
(3.18)
125
Para uma fonte de onda regular sinusoidal, a posição do flutuador é estimada
acima, em termos da amplitude de movimento do flutuador Af no eixo z e do período
da onda incidente Tm. A posição da superfície da onda pode ser determinada de
forma análoga, com Hm no lugar de Af representando a altura de onda, de modo que:
Gráfico 4-3. Posição do Flutuador (m) x Posição da Onda (m) - Escala Modelo 1:10 - Período 1.9s
Onde θ é a fase do movimento do flutuador em relação a onda incidente. A
diferença de fase variou entre 4.8 e 1.1⁰ para períodos entre 1.90 e 2.85s na escala
experimental. As alturas de onda variaram entre 8 e 25 cm, valores atingíveis pelo
tanque gerador de ondas. Já a diferença de amplitude entre a onda e o flutuador foi
mínima para todos os estados de mar investigados com a geometria empregada.
Força Atuante
A força aplicada no flutuante pela passagem da onda é, assim como a posição
do flutuante no eixo Z, uma função periódica, estimada pela teoria linear de ondas
através das equações de Cummins mostradas no capítulo 3 e detalhadas nos Anexos
I e V. Os gráficos abaixo mostram as condições de projeto para a força atuante no
conversor em escala 1:1, correspondente as condições de mar de ondas regulrares
entre Hmín=0.8m e Hmáx=2.5m e T1=3s e T8=9s, com valores nominais de H3=1.5m
e T6=8s de acordo com a notação proposta.
126
Utilizando a mesma metodologia, os respectivos valores de força máxima por
ciclo para o modelo 1:10 encontrados são: Para os valor mínimo 208N, para o valor
máximo 790N e para o valor nominal 475N. Os valores são aproximadamente os
mesmos que os encontrados acima, só que em Newtons, ou seja, 1000 vezes
menores, o que vai de acordo com similaridade dinâmica proposta por Froude.
Valor Nominal
Mínimo e Máximo
207 kN 800 kN
463 kN
Valores para os estados de mar de interesse
Hmín H1 H2 H3 H4 HmáxT1 207 259 324 389 518 648T2 224 280 350 420 561 701T3 234 293 366 440 586 733T4 240 300 376 451 603 752T5 245 307 385 461 612 765T6 247 309 386 463 618 771T7 248 311 388 467 621 776T8 250 311 389 468 623 800
Força máxima por Ciclo [kN]
Gráfico 4.4 Força Resultante [N] x Tempo (s) - Escala Real
127
Potência
A função potência, gerada a partir do produto entre a força resultante Fh(t) e
a velocidade v(t), derivada da função posição z(t) no tempo, retorna valores positivos
e negativos devido ao fluxo bidirecional e também é uma função periódica. Caso seja
aproveitado apenas o movimento de subida ou descida do conversor, a potência
passa a ter fluxo único, e parte da energia disponível é perdida, como ilustram dois
dos gráficos abaixo. Os limites das potências geradas pelo flutuador nas condições
de mar de interesse são mostrados a seguir.
Fazendo o mesmo cálculo para o modelo 1:10, os valores de pico de potência
encontrados são: para os valor mínimo 25W, para o valor máximo 137W e para o
(3.19)
(3.20)
Mínimo e Máximo
Valor Nominal
880 kW 90 kW
175 kW
Hmín H1 H2 H3 H4 HmáxT1 90 141 220 317 564 880
T2 80 124 193 278 495 773T3 69 109 170 243 433 676T4 60 95 150 215 380 603T5 54 85 132 190 340 530T6 48 76 118 175 300 470T7 46 72 112 161 286 447T8 43 68 106 153 272 425
Potência Máxima Por Ciclo [kW]
Gráfico 4.3 Potência [W] x Tempo (s) - Escala Real
128
valor nominal 55W. Os valores respeitam a similaridade de Froude com fator de
escala igual a 3.5 para a potência.
129
4 PROJETO DO SISTEMA PTO
4.1 Requisitos do sistema de geração
De acordo com o modelo proposto e os sistemas de potência analisados no
capítulo 2, podem ser destacados alguns requisitos gerais principais e outros
específicos para o sistema de geração a ser selecionado:
Requisitos Gerais
- Reduzir investimento inicial, custos operacionais e de manutenção → diminuir
ao máximo CAPEX e OPEX do projeto de modo a dar competitividade ao preço da
energia.
- Eficiência → é um aspecto importante, pois altera diretamente o valor final da
energia produzida.
- Peso → o peso do sistema de geração de potência deve ser projetado para ser o
menor possível, dado que pesos maiores demandam ao mecanismo flutuabilidade
extra, exigem estrutura de suporte mais robusta e dificultam a instalação do
equipamento no sítio.
- Confiabilidade → As intervenções para manutenção devem ser evitadas sempre que
possível, devido à inacessibilidade dos módulos durante vários meses do ano e ao
custo de acesso a esses equipamentos em ambientes marítimos. A manutenção deve
ser anual.
- Simplicidade → O mecanismo deve ser simples e com o menor número de modos
de falha.
Além disso, considerando escala real, aspectos como grid code compliance (ou
a capacidade que uma instalação conectada à rede possui de assegurar
funcionamento apropriado, seguro e econômico), segurança do equipamento e dos
operadores e acessos para manutenção, são também questões de relevância para o
projeto.
Carregamentos Cíclicos
Para extrair potência, o flutuador acompanha a elevação da superfície d’água
em cada ciclo. Essa característica leva a um número extremo de ciclos durante a
vida útil do mecanismo. De acordo com experiências com o desenvolvimento do
130
cilindro hidráulico para o conversor da Oyster WEC, assume-se que sistema PTO
deve ser projetado para suportar cerca de 25 milhões de ciclos durante um período
de cinco anos de serviço, logo 5 x 106 ciclos por ano. [23, 78]
Características de Força e Velocidade
Os pontos absorvedores lineares devem ser projetados para grandes forças e
baixas velocidades/deslocamentos, embora o deslocamento do flutuador e a força
fornecida pelo sistema PTO tenham dependência direta do método de controle
aplicado. Velocidades de pico do flutuador em conversores do tipo ponto absorvedor
são esperadas na faixa entre 0.5 e 2 m/s [43]. Forças podem facilmente exceder 1
MN de acordo com Du Plessis, 2012 [26]. É necessário ter esses valores em mente
no momento da seleção do método de tomada de potência apropriado.
Como exemplo, para um mecanismo projetado para uma potência de pico de
100 kW em que é fornecida uma força de 100 kN, seria necessária uma velocidade
do flutuador de pelo menos 1 m/s [23].
Razão entre Picos de Potência e Potência Média
A razão entre as potências de pico e potência média é dependente do método
de controle aplicado. Os gráficos da Figura 4-1 abaixo mostram comparações entre
as potências instantâneas e médias de um ponto absorvedor em estado de mar
irregular, submetidos a amortecimento linear (esq.) e controle ativo (dir.):
Figura 4-1. Potência instantânea e Média ao longo do tempo: Amortecimento Linear e
Controle Reativo
Fonte: Kovaltchouk, T. et al, 2013 [95]
131
Nota-se que, ao aplicar amortecimento linear, a razão entre potência máxima
e média é significativamente menor e não há valores negativos. Em contrapartida,
um sistema de controle reativo eleva consideravelmente os picos de potência, ou seja,
há mais energia disponível. Contudo, em ambos os casos a potência média é
substancialmente menor do que as potências de pico instantâneas. Na pesquisa
realizada por Kovaltchouk, T. et al, 2013 [95], foram encontradas razões entre pico e
média de 7.7 a 17.1 para amortecimento linear, e de 25.2 a 58.3 para controle
reativo.
A partir das razões de pico e média potência mostradas acima, dois requisitos
para o sistema PTO podem ser deduzidos. Primeiramente, alta capacidade de
sobrecarga, que permita ao sistema operar em tais condições durante os curtos,
porém extremos, auges de potência.
Em segundo lugar, alta eficiência de carga parcial. Como o conversor estará
operando em carga parcial durante a maior parte do tempo, é essencial que ciclos de
menor potência tenham razoável eficiência de conversão. No entanto, geralmente os
componentes típicos do sistema demonstram maiores eficiências no ponto ou
próximo ao ponto de operação de projeto.
Fluxo de Potência Bidirecional
Baseado nos gráficos acima, pode-se observar também que, caso seja
aproveitado o movimento de vai e vem do ponto absorvedor, um fluxo de potência
invertido no sistema PTO se torna inevitável. Esse fluxo inverso requer atenção, e
um mecanismo que consiga gerar energia tanto na ida quanto na volta terá, em
teoria, possibilidade de absorver quantidade maior de energia [23].
132
4.2 Análise de Conceitos
Alguns dos métodos de transmissão de potência para conversão do movimento
linear em eletricidadade foram mostrados no capítulo 2. No comparativo geral,
considerando a aplicação no modelo proposto, os sistemas hidráulicos despontam
como a tecnologia proeminente. Os componentes que compõem seu sistema podem
ser adquiridos separadamente, e grande parte é encontrada em catálagos de
fornecedores, como items de prateleira. São usados nas mais diversas aplicações
industriais, possuem histórico de uso e, dessa forma, são reduzidos os custos iniciais
e operacionais do projeto.
No entanto, geradores lineares, transmissões mecânica e pneumáticas
possuem suas vantagens e, por esse motivo, uma análise mais aprofundada das
alternativas é necessária. Abaixo são sugeridos alguns conceitos.
4.2.1 Conceitos Propostos
C1 – Sistema Hidráulico com óleo e Motor Hidraulico– Pistão de Simples Efeito
O sistema PTO hidráulico interfere no deslocamento do conversor, seja ele
projetado com simples ou duplo efeito. No caso de duplo efeito, o fluido hidráulico
tem um efeito de amortecimento nos dois movimentos do pistão, tornando mais
complexa a análise dinâmica. Para simplificar esta análise e reduzir o número de
componentes, notadamente válvulas, é sugerido inicialmente um sistema de simples
efeito. Dessa forma, apenas a energia da subida do flutuador pode ser aproveitada.
Quando a crista da onda passa pelo sistema, o flutuador se move para cima,
e força o pistão hidráulico a se mover conjuntamente, empurrando fluido em alta
pressão pelo circuito hidráulico. Quando o vale da onda passa e o pistão desce, a
pressão negativa garante a abertura da válvula de retenção e faz com que a parte
superior da câmara seja completada com óleo, preparando o sistema para um novo
bombeamento na subida. Todos os componentes podem ser comprados ou fabricados
com certa facilidade. A Figura 4-2 abaixo mostra como seria o esquema desse
conceito e o sentido do fluido no circuito fechado.
133
C2 – Gerador Linear LFPM - Síncrono com ímãs permanentes longitudinal de
núcleo Ferroso
O tipo LFPM é escolhido por ser o mais convencional. Nesse caso, duas opções
são possíveis, cabo tensionado e PTO submerso, ou acoplamento direto com PTO
acima da superfície.
C3 – Sistema Hidráulico com Turbina Pelton e água do mar – Pistão de Simples
Efeito
Análogo ao conceito C1, mas com água do mar como fluido e turbina Pelton
substituindo o motor hidráulico.
C4 – Transmissão Mecânica – Cremalheira e Pinhão – Cremalheira dupla e
engrenagem com rolamento de sentido único
Sistema de cremalheira-pinhão, idêntico ao mostrado, parece ser o sistema
mecânico mais apropriado para conversores de onda de oscilação linear.
Figura 4-2. Conceito C1 para Sistema PTO
Fonte: Software para design de circuitos hidráulicos Automation Studio 5.2
QA(t)
Qmotor(t)
Q1(t)
Acumulador B
Acumulador A
G
134
C5 – Transmissão Pneumática – Pistão de Simples Efeito
Análogo ao conceito C1 e C3, mas com ar como fluido de trabalho e motor
pneumático. Possibilidade de ser um circuito aberto ou fechado.
4.2.2 Matriz de Decisão
Para comparar as alternativas acima, desenvolvidas a partir dos sistemas
discutidos no capítulo 2, foi desenvolvido um método de matriz de decisão adaptado
do método de Pugh, que propõe uma forma ordenar as opções de sistema PTO de
acordo com critérios específicos que atendam os objetivos do projeto ou requisitos de
potenciais clientes/consumidores.
O método é eficaz para identificar as melhores alternativas e no
desenvolvimento de novas. Todas as alternativas são comparadas entre si em três
possíveis escalas para cada critério: ótima (+), médio (0) e ruim (-). O número de
pontos total é a soma de pontos multiplicado pelo peso de cada critério. É usado por
Du Plessis, 2012 [26], e por Rhinefrank et al, 2012 [49], e essas análises são aqui
usadas como base para a escolha de critérios, para opeso dado a cada critério e para
a avaliação dos sistemas.
O ideal para este tipo de ferramenta de tomada de decisão é que o peso dos
critérios e valor dado a cada conceito seja o resultado da média da avaliação de um
time de especilistas na área. No presente caso, o uso da matriz foi feito de forma
individual, o que pode tornar exageradamente subjetiva a definição dos pesos e
avaliação dos métodos. Sugere-se, portanto, que matrizes como as mostradas abaixo
sejam levadas para discussão com os grupos de pesquisa, compostos, de preferência,
por profissionais de diversas áreas relacionadas à energia das ondas.
O método é proposto para escala real e escala experimental, devido às
diferenças de requisitos que cada estágio de desenvolvimento exige do sistema de
potência. Na Tabela 4-1 a seguir, é feita a matriz para a escala experimental.
135
Tabela 4-1. Escala Experimental – Potência Máxima 137 W/ Nominal 20W
Na Tabela 4-2 a seguir, é realizada uma análise similar para a escala real, com
algumas diferenças nos critérios adotados e nos pesos dados aos mesmo.
Critérios Importância
Alternativas
C1 C2 C3 C4
C5
1 Custo Inicial 10 0 - + 0 +
2 Eficiência em Carga Total 7 + + + 0 -
3 Eficiência em Carga Parcial 5 0 + 0 + -
4 Peso 9 + - + 0 +
5 Volume 8 + 0 - 0 +
6 Complexidade do Sistema 6 0 + 0 - 0
7 Disponibilidade dos Componentes 8 + - + - +
8 Modos de Falha 7 0 + 0 - 0
9 Escalabilidade 8 + - + 0 -
10 Sobrevivência em Ambiente
Marinho 5 + + + - -
11 Facilidade de Fabricação 8 0 - + 0 +
12 Manutenção 6 0 + 0 - 0
Total 87 45 -7 47 -27 18
136
Tabela 4-2. Escala Real – Potência máxima 435 kW/ Nominal 60 kW
Baseado nos resultados acima, será pré-dimensionado um sistema C3 – com
circuito fechado com água e turbina pelton – para o modelo experimental. E um
sistema C1 – com circuito fechado com óleo e motor hidráulico – para o modelo em
escala 1:1. Parâmetros referentes ao modelo e protótipo são disponibilizados no
Anexo III
Critérios Importância
Alternativas
C1 C2 C3 C4
C5
1 Custo Inicial 10 + - + - +
2 Eficiência em Carga Total 10 + + + 0 -
3 Eficiência em Carga Parcial 10 - + + - -
4 Peso 8 + - 0 0 +
5 Volume 6 + - 0 0 +
6 Complexidade do sistema 8 0 + 0 - 0
7 Disponibilidade de Componentes 8 + - + - -
8 Escalabilidade 8 + 0 + + -
9 Adaptação às condições do mar 9 + + + - -
10 Facilidade de Fabricação 8 + - + 0 +
11 Manutenção 8 + + 0 - 0
12 Impacto Ambiental 8 - + 0 0 0
13 Sistema de Parada 6
+
+
+
-
+
14 Qualidade do sinal elétrico 8 + - + + +
Total 107 71 11 69 -43 1
137
4.3 Sistema Hidráulico Escala Experimental
Sugere-se para o modelo em escala 1:10 um sistema para prova de princípio
de funcionamento baseado no conceito C3 apresentado na seção anterior, com fins
de obter energia elétrica através de sistema hidráulico, sem preocupações com
projeto de detalhamento e ganhos de eficiência. Este sistema deve ser simples, leve
e de baixo custo.
4.3.1 Componentes
Para um sistema em escala experimental, como não há rigor com a eficiência
do sistema, é interessante selecionar primeiro a micro turbina e a potência de saída
elétrica e, a partir disso, ajustar os outros componentes para que atinjam pressão e
vazão suficientes no bocal de entrada da turbina. São selecionads duas opções de
turbina com capacidades nominais respectivas de 3.5W e 10W. Considerando a
potência nominal de 20W disponível, esses sistemas teriam eficiências de
aproximadamente 6% e 18% respectivamente, valores possíveis de serem alcançados
com componentes simples e/ou de fabricação própria.
4.3.1.1 Micro turbina
Na Figura 4-3 a seguir, são mostradas as duas turbinas de 3.5 e 10 W. Na
Figura 4-4 é mostrada a aplicação da turbina de 3.5 W. Seguem abaixo, os principais
atributos de cada opção:
Principais atributos:
• Turbina de 3.5 W [96]
1. Bocais de entrada e saída de água :
12.7 mm de diâmetro
2. Voltagem de Saída : DC 9.8~18.5V
3. Máxima Potência : 3.5W
4. Corrente de Saída : 128 to 260 mA
5. Pressão da água : 0.08 ~ 0.45MPa
6. Máxima Pressão de água : 0.55MPa
8. Perda de Carga : 3.6% (em 0.25MPa)
9. Temperatura de Trabalho : 5°C ~
85°C
10. Dimensões : 85.4 x 42.5 x 81.4 mm
Custo R$ 32,00
138
• Turbina de 10 W [97]
Esta é oferecida em dois modelos: voltagem de saída variável 0~80V DC, que
pode carregar diretamente luzes LED e pequenas baterias entre 3-12V e voltagem
de saída fixa DC 5V, que permite carregar um celular.
1. Bocais de entrada e saída de água:
12.7 mm de diâmetro
2. Voltagem de Saída : DC 0~80V
3. Máxima Potência : 10W
4. Corrente de Saída : ≥ 220 mA
5. Mínima Pressão de água : 0.05 MPa
6. Pressão Máxima Saída Fechada: 0.6
MPa
7. Máxima Pressão de água : 1.2 MPa
8. Temperatura de Trabalho : 5°C ~
85°C
9. Dimensões : 86 x 47 x 30mm
10. Peso Apoximado: 94 g
11. Ruído Mecânico: ≤ 55dB
Custo: R$ 22,00
Peso: 100g
Figura 4-4. Aplicação de Micro
Turbina Pelton
Fonte: 3.5W 8.8-15V DC Hydroelectric
Power Micro-hydro Generator, [96]
Figura 4-3. Micro Turbina Pelton de 3.5 W à esq. e de 10W à dir.
Fonte: A esquerda - 3.5W 8.8-15V DC Hydroelectric Power Micro-hydro Generator, [96], A direita -
10 W Gerador de Turbina Micro Hidrelétrica de Água DC 5 V/0 ~ 80 V [97]
139
4.3.1.2 Cilindro Hidráulico/Bomba Linear
É proposta uma bomba de água experimental de fabricação própria, usando
tubos de PVC e conexões hidráulicas simples. A bomba (ver Figura 4-5) estaria
posicionada invertida em relação à mostrada abaixo, com a alavanca fixada ao topo
do conversor. São mostradas algumas dimensões e o detalhe do êmbolo. O manual
de fabricação é disponibilizado em [98].
As forças exercidas pelo conversor sobre a alavanca da bomba, entre cerca de
200N e 800N como limites de operação e 475N como valor nominal, geram na base
da bomba, de área interna aproximada de 17cm² para um diâmetro de 4.7 cm,
pressões entre os níveis 0.12 MPa e 0.48 MPa, sendo 0.27 MPa o valor de operação.
Pressões essas que estão de acordo com a capacidade das turbinas. Pressões maiores
podem ser atingidas, caso sejam usados tubos de menor diâmetro. No entanto, as
forças aplicadas podem ser demasiadamente grandes para a estrutura da bomba de
tudo PVC suportar.
Custo estimado: R$ 250,00
Outra opção é a compra de um cilindro hidráulico padronizado (ver Figura 4-
6), desde que atenda às condições do serviço. O cilindro hidráulico de simples efeito
Figura 4-5. Esquema para bomba linear sugerida como referência para o modelo
experimental
Fonte: SempreSustentavel, [98]
140
mostrado abaixo possui curso de 25 cm, pesa apenas 4 Kg e suporta pressões de
trabalho de até 1.7 MPa. Possui diâmetro do êmbolo de 6.35 cm e área dea base de
32 cm². O que, nas condições de estudadas de força do flutuante, geraria pressões
entre 0.06 MPa e 0.25 MPa.
Custo: R$ 500,00
Peso: 4 Kg
4.3.1.3 Válvulas de Retenção
Válvulas de retenção garantem o fluxo de água no sentido correto da
transmissão. Para este modelo, podem ser usadas tanto válvulas compradas de
forma avulsa, como de fabricação própria - nesse caso, o manual de fabricação é
disponibilizado na referência [98].
Válvulas para sistemas hidráulicos domésticos suportarão as pressões
estimadas e são também facilmente encontradas para diversos diâmetros e em
materiais mais resistentes, como ferro, aço e bronze. Na Figura 4-7 abaixo é
mostrado o princípio de funcionamento e duas opções com o mesmo diâmetro de
bocal da turbina, ½” ou 12/7 mm, ambas em aço inox.
Custo estimado: 2 peças x R$ 60,00 = R$ 120,00
Figura 4-6. Cilindro Hidráulico de Simples efeito – Curso de 25 cm – Pressão
máxima 1.7 MPa
Fonte: Schrader Single Acting Hydraulic Cylinder, [99]
141
4.3.1.4 Acumulador de Água – Vaso de Expansão
Para garantir potência de saída constante na turbina e evitar golpes de aríete
serão necessários acumuladores hidráulicos de energia. A pressão de pré-carga do
acumulador corresponderá à pressão do sistema e deve ser ligeiramente menor que
o valor da menor pressão de operação da bomba ( alguns catálagos sugerem que este
valor deve ser 0.9 de P1 [78, 102, 103]) . Quanto maior a pressão de pré-carga, maior
possível será a pressão na turbina, contudo, uma pressão de pré-carga alta pode
impedir o movimento do conversor para estados de mar menos energéticos.
Para evitar que isso venha ocorrer, a pressão de pré-carga pode ser calibrada
para valores menores e/ou o lastro do conversor pode ser ajustado para desenvolver
forças maiores. O acumulador abaixo, com 12 psi ou 0.08 MPa de pré-carga de
fábrica, pressão máxima de trabalho de 60 psi ou 0.41 MPa e volume de 8 litros, tem
Figura 4-7. Válvulas de Retenção para sistemas domésticos. Princípio de funcionamento e
opções em aço inox com o diâmetro de bocal da turbina, ½” ou 12/7 mm.
Fonte: A esquerda 1/2 "DN15 Válvula de Proibir stinkpot/closestool água Válvula de Refluxo/One way
fluxo/válvula de aquecedor elétrico de água quente [100]. A direita: DN15 1/2 "Em Aço Inoxidável (304) Na
Linha de Mola Da Válvula de Retenção AliExpress.com | Alibaba Group [101];
142
valores próximos aos do serviço. O volume é suficiente para armazenar pressão
hidráulica por mais de 10 ciclos, considerando a área da base das bombas e o
deslocamento máximo de 0.25 m, o volume deslocado por ciclo será de no máximo
0.8 litros.
Custo: R$ 100,00
Peso: 2.2 kg
Será necessário também um reservatório ou tanque de baixa pressão, que
pode ser outro acumulador regulado para pressão de pré carga mais baixa, ou um
tanque simples, com saída para a câmara do cilindro. A Figura 4-8 abaixo representa
o acumulador diafragma selecionado.
Figura 4-8. Acumulador tipo diafragma com pressão de pré-carga de 0.08 MPa,
conexão de ½” e capacidade para 8 litros
Fonte: Pre-Charged Non-Potable Water Expansion Tank-ETX-15 - The Home Depot, [104]
143
4.3.2 Características Gerais do Sistema
Custo e Peso total do sistema - Somando-se o valor dos componentes, estima-se
que o custo total de um sistema como esse será entre R$ 800 – 1500,00 e o peso
entre 8 – 15 kg “seco” e entre 20 – 30 Kg com a água.
Sensores – Manômetros e medidores de vazão podem ser instalados em diversos
pontos do sistema para monitoramento, coleta de dados e optimização. Na Figura 4-
9 abaixo são sugeridas posições estratégicas para os sensores.
Volume: 8 Litros
Volume: 8 Litros
Pré Carga: 12 Psi Pré Carga: 1 Psi
Manômetro 1
Curso: 0.25 m
Manômetro 2
Manômetro 3
Medidor de Vazão
Turbina Pelton 3.5-10W
Cilindro Hidráulico
Figura 4-9. Sistema Hidráulico Modelo Experimental
Fonte: Esquema modelado usando o Software FluidSIM 4.2
144
4.4 Sistema Hidráulico em Escala 1:1
É desenvolvido nesta seção um sistema hidráulico em escala industrial. O
flutuador nesta configuração exerce força máxima nominal de 475 kN por ciclo, a
uma média de 150 kN, enquanto entrega picos de potência de 175 kW por ciclo a
uma média de 60 kW para um sistema hidráulico, que atua através de uma bomba
linear acoplada ao conversor. São feitas estimativas de potência gerada pelo motor
hidráulico e da eficiência do sistema PTO e do conversor.
Presume-se que um PTO hidráulico simples seria incapaz de atuar ao mesmo
tempo como gerador de energia e absorvedor, por esse motivo, será assumido um
PTO com termo de constante elástica �;9K= 0. Portanto, não há controle reativo de
fase. Assim, não existem valores negativos de potência gerados pelo PTO. Sem o
termo negativo da constante elástica a energia disponível é reduzida, mas as
demandas do PTO em termos de força e complexidade do sistema são também
menores.
4.4.1 Componentes
4.4.1.1 Cilindro Hidráulico
Os aspectos construtivos do cilindro necessários para cálculo da pressão no
fluido no tempo e do volume de óleo hidráulico deslocado no tempo são, área do
pistão Ap, área da haste Ah e o curso do cilindro l.
Um acoplamento rígido entre absorvedor e PTO significa que o movimento do
flutuador aciona diretamente o pistão de simples efeito hidráulico, e, assim, a força
resultante no sistema atua na vertical no cilindro de forma que:
3C�4� = %1�4�. }= �4.1� Onde %1�4� é a pressão do fluido no cilindro no tempo. A partir da força sobre
o PTO, deve-se selecionar o pistão hidráulico que gere maior pressão no sistema,
respeitando o curso do pistão, que deve ser um valor próximo ao da amplitude
máxima estimada para o deslocamento do flutuador, neste caso 2.5 m, condição de
mar esta que serve como limitante de dimensionamento.
O catálago técnico de cilindros da Roemheld, disponível em [105], mostra a
seguir, no Gráfico 4-4, a relação entre pressão do óleo, força do pistão e diâmetro do
pistão. Portanto, para as forças geradas pelo flutuador entre 200 e 800 kN, com força
145
média próxima a 475 kN, pistões com diâmetros entre 125 e 200 mm são ideais para
gerar pressões no fluido entre 100 e 400 bar.
Para uma altura de onda máxima de 2.5 m, é assumido que o flutuador se
movimente de forma sinérgica e tenha um deslocamento igual à altura da onda.
Dessa forma, o curso máximo do pistão selecionado é de 2.5 m. Para valores de altura
de onda acima deste valor, um hipotético sistema de parada atuará para evitar
sobrecarga.
A partir desses parâmetros, foram selecionados cilindros dos catálagos
industrais da Parker [106] e Hydropa [107]. A seleção do primeiro fabricante é
mostrada na Figura 4-10 abaixo, é escolhido um cilindro de simples efeito com
montagem de flange quadrangular. O raciocínio é similar para cilindros de outros
fabricantes.
Forç
a do
Pis
tão
[kN
]
Diâ
met
ro d
o Pi
stão
[mm
]
Pressão do óleo [bar]
Gráfico 4.4 Relação entre Força, Pressão do óleo e diâmetro do pistão
Fonte: Wissenswertes_Hydraulikzylinder_en_0212. [105]
146
Figura 4-10 Catálago de Cilindros Hidráulicos Parker
Fonte: Adaptado de Heavy duty Hydraulic Cylinder Catalogue Parker - HY08-1114-6_NA_2H-3H, [106]
147
O flange é instalado na base do lado do êmbolo do pistão. Este tipo
demontagem com base flangeada é ideal para transmissão de força linear e para ser
fixada em uma estrutura de suporte rígida. O cilindro selecionado possui diâmetro
do pistão de 7 polegadas ou 177.8 mm. Fornecendo pressão nominal de 18 MPa (ver
Tabela 4.3 abaixo) e suportando como máxima pressão de operação até 3000 psi ou
20.7 MPa. O curso de 2500 mm está dentro do que a fornecedora considera
“comprimento prático”, e a adição de suporte extra, à primeira vista, não é
necessária.
A vazão volumétrica de óleo para dentro e para fora da câmara do cilindro
cilindro depende da área do pistão e da velocidade do flutuador, como representado
abaixo:
~PQ��4� = }= . .6�4� �4.2� Sabe-se que há conservação de massa no sistema, e, portanto, admtindo que
não há vazamento no motor, tem-se:
~}�4� = ~PQ��4� − ~� �4.3� Como sendo a vazão volumétrica para o acumulador de alta pressão e
~8�4� = ~� − ~PQ��4� �4.4� Como sendo a vazão volumétrica para o acumulador de baixa pressão ou
reservatório.
A eficiência na transmissão da potência pelo cilindro é alta, entre 85% e 95%
a depender da pressão no cilindro. Serão usados para efeito de cálculo os valores da
figura abaixo, retirada do catálago da Hydropa [107]. A partir dos valores de pressão
e vazão, calculados no Anexo V, será feita a seleção das válvulas.
Hmín H1 H2 H3 H4 HmáxT1 8.3 10.4 13.0 15.7 20.9 26.1T2 9.0 11.3 14.1 16.9 22.6 28.2T3 9.4 11.8 14.7 17.7 23.6 29.5T4 9.7 12.1 15.1 18.2 24.3 30.3
T5 9.9 12.4 15.5 18.6 24.6 30.8
T6 9.9 12.4 15.5 18.6 0.0 0.0
T7 10.0 12.5 15.6 18.8 25.0 31.3
T8 10.1 12.5 15.7 18.8 25.1 32.2
Dp = 177.8 mmPressão máxima por Ciclo [MPa] Ap = 248.3 cm^2
Tabela 4-3. Pressão Máxima por Ciclo com cilindro hidráulico
da Parker
148
Características Gerais
Diâmetro do Pistão: 32 a 200mm
Máxima Pressão de Operação: 250 bar
Temperatura de Teste: 350 bar
Velocidade do Pistão: 0.5 m/s a 4 m/s
Intervalo de Temperatura: -30 ⁰C a +80 ⁰C
Posição de Montagem: Flange na Base
Eficiência: 0.85 a 0.97
Figura 4-11. Catálago de Cilindros Hidráulicos Hydropa e eficiência da transmissão
Fonte: Adaptado de Catálago de cilindros Hydropa, [107]
149
4.4.1.2 Válvulas de Retenção
Válvulas de retenção ou check valves são válvulas de operação automática,
ideais para a aplicação remota da energia das ondas. As válvulas de retenção no
circuito hidráulico devem ser instaladas entre a linha de recalque da bomba e os
reservatórios de pressão alta e baixa, evitando, assim, o retorno do líquido no sentido
contrário ao fluxo energético e cavitação da bomba linear no caso de ocorrer uma
paralisação súbita do equipamento. Válvulas de retenção do tipo espera, ou ball
valve, são as de tipo esfera com fechamento mais rápido e indicadas para uso com
fluidos de alta viscosidade, tais como óleos hidráulicos. Caso seja necessário o uso
de diâmetros maiores, válvulas de retenção de portinhola, swing check valve, são o
tipo mais utilizado [108].
Para a aplicação no conversor, onde a vazão média é de 280 l/min e a pressão
de operação é de 180 bar, é selecionada a válvula de 2 polegadas e meia ou 63 mm
tipo esfera, do catálago de válvulas da Parker [109], mostrado na Figura 4-12 abaixo.
A perda de pressão para a vazão máxima 605 l/min é de apenas 2.3 bar, a diferença
de pressão necessária para abertura da válvula é de 0.4 bar e a pressão máxima de
operação é 345 bar.
Figura 4-12. Catálago de Válvulas Hidráulicas Parker
Fonte: Adaptado de Catálago de Válvulas Parker, [109]
150
Uma válvula de segurança ou de alívio pode ser adicionada para controlar a
pressão a montante abrindo-se automaticamente quando esta pressão ultrapassar o
valor máximo de operação de algum componente, como o acumulador hidráulico ou
a própria válvula de retenção. Dessa forma, a válvula de alívio deve ser calibrada
para este valor. Devido ao custo, adição de complexidade ao sistema hidráulico,
possibilidade de vazamentos (em juntas, gaxetas etc.) e introdução de perdas de
carga, opta-se inicialmente por apenas um par de válvulas de retenção, mas outras
configurações são possíveis.
4.4.1.3 Acumulador Hidráulico a gás
Para estocagem de energia visando suavizar o fluxo de potência entregue ao
motor hidráulico, são empregados os acumuladores de fluido. Dentre os tipos
existentes de acumulador, destacam-se os de peso, os carregados à mola e os
hidropneumáticos. Entre esses, o hidropneumático é o tipo mais comum empregado
na indústria de energia renovável e de ondas. Acumuladores hidropneumáticos
aplicam força no líquido usando um gás comprimido, que age como uma espécie de
armotecimento ou mola, trabalhando com pressão variável. Possuem três métodos
construtivos mais comuns: por pistão, por bexiga e por diafragma. A Figura 4-13 a
seguir ilustra os diferentes tipos [110]:
Figura 4-13. Acumuladores Hidráulicos Hidropneumáticos. Embaixo: À esquerda
tipo bexiga, ao centro tipo pistão e à direita tipo diafragma.
Fonte: Acumuladores Hidráulicos | Parker, [110]
151
Para seleção do tipo correto para a aplicação, é recomendável iniciar pelo
acumulador por diafragma, de menor peso e custo, onde dois hemisférios de metal
são separados por uma borracha sintética [111]. No entanto, acumuladores deste
tipo, apesar de compactos, não estão padronizados para grandes volumes (
geralmente estão padronizados até 4 litros) e não suportam vazões superiores a 150
l/min, sendo incompatível com o serviço descrito.
A segunda opção de menor custo, o acumulador tipo balão, também chamado
de bexiga ou bladder, suporta pressões maiores e é disponibilizado em volumes
também maiores. Este modelo consiste de uma bexiga de borracha sintética dentro
de uma carcaça de metal. Uma válvula do tipo assento, localizada no orifício de saída,
fecha o orifício quando o acumulador está completamente vazio e evita que a bexiga
seja extrudada para dentro do sistema [110]. O acumulador deve ser dimensionado
para uma pressão inicial de pré carga, para a qual o acumulador é carregado com
nitrogênio seco antes do início da operação. Esta pressão deve ser igual a
aproximadamente 90% da menor pressão do sistema. Se a pressão de pré-carga for
muito alta, o cilindro ficará travado pela pressão do fluido e energia deixará de ser
gerada. Dessa forma, a pressão de pré-carga deve ser relativamente baixa, para
permitir o movimento em todos os estados de mar de interesse. A figura 4-14 abaixo
mostra os limites operacionais dos acumuladores bexiga da HYDAC [102]:
Figura 4-14. Acumuladores Hidráulicos de Bexiga HYDAC. Valores de pressão
operacionais e volumes nominais.
Fonte: Acumuladores Hidráulicos | HYDAC, [102]
152
A razão de pressão entre a pressão máxima e mínima de operação suportada
por acumuladores tipo bexiga é de até quatro vezes ou 4:1 a pressão de pré-carga.
Neste caso, para o cilindro selecionado, a menor pressão de acordo com a Tabela 4-
3 é de cerca de 83 bar, e por isto é determinada uma pressão de pré carga de 75 bar.
Sendo assim, o sistema suportará pressões de até 300 bar.
De acordo com Du Plessis, 2012 [26], e Cargo, C., 2012 [20], o volume do
acumulador deve acomodar e ser equivalente a pelo menos três ciclos máximos de
potência, o que, de acordo com o volume da câmara do cilindro de aproximadamente
60 litros (Anexo V), corresponderia a cerca de 200 litros. Para atingir esse volume
nominal, serão necessários pelo menos quatro unidades de acumuladores de 54 l
interconectados em paralelo. Para o reservatório, ou acumulador de baixa pressão,
podem ser usados acumuladores de baixa pressão com pressão de pré-carga de 1 a
5 bar, com o mesmo volume total do acumulador de alta pressão.
Como é possível que a pressão fornecida ao sistema hidráulico seja menor que
a pressão de pré-carga do acumulador de alta pressão, especialmente quando o
flutuador inicia o movimento para vertical cima, podem ser instalados outros
acumuladores com pressão de pré-carga menor que aquela do acumulador de alta,
para que esta parcela seja também absorvida. Na Figura 4-15 a seguir são
destacadas as características do acumulador selecionado.
Figura 4-15. Acumuladores Hidráulicos de Bexiga
Parker. Valores de pressão operacional, volume
nominal, dimensões e peso
Fonte: Acumuladores Hidráulicos | Parker. Bladder
accumulators, [112]
153
Em intervalos de tempo curtos (que não excedam alguns minutos), o processo
de compressão e descompressão de gás que ocorre no interior dos acumuladores
pode ser analisado como sendo aproximadamente isentrópico. Isso significa dizer
que calor não é trocado entre o gás e o ambiente. Isso ocorre pois a entropia do gás
dentro dos acumuladores irá se alterar por transferência térmica somente com
mudanças na temperatura da água do mar e do ar ao redor, que levarão horas para
ocorrer, já os ciclos de onda esperados duram entre 3 e 9 segundos.
Segundo Falcão, A. F. de O., 2008 [113], assumindo-se as paredes da
tubulação e dos acumuladores como rígidas e o líquido incompressível, o volume
total de gás permanece constante, isto é, �}. �}�4� + �8. �8�4� = �>, onde vA e vB são
os volumes específicos do gás, e o volume de óleo no acumulador de alta pressão
pode ser definido como:
�}�4� = / ~}�4��4 �4.5�9
K
Já o volume no acumulador B: �8�4� = / ~8�4��4
9
K �4.6�
Assumindo compressão isentrópica nos acumuladores, as seguintes relações
de pressão e volume podem ser definidas:
%}�4��}�4�W.y = %>�>W.y �4.7� Onde Po é a pressão de pré-carga do acumulador e Vo é o seu volume inicial.
1.4 é o índice adiabático do nitrogênio seco [113]. Gráficos relativos a pressão,
volume e vazão nos acumuladores no tempo são disponibilizados no Anexo V.
154
4.4.1.4 Motor Hidráulico
O motor hidráulico transforma a energia hidráulica em energia mecânica. A
diferença de pressão sobre o motor faz o fluido hidráulico movimentar seu eixo de
rotação. Para um diferencial de pressão constante, o fluido é levado em vazão
constante do acumulador de alta pressão para o motor.
O fluxo constante através do motor garante uma velocidade de saída do eixo,
ou torque útil, também constante e consequentemente uma potência de saída
constante. Isso é contrabalanceado por um torque resistivo imposto por um gerador
elétrico diretamente conectado ao motor que alimenta o grid. Antes de selecionar o
motor para aplicação, algumas definições são necessárias:
Deslocamento do motor – refere-se ao volume de fluido requerido para
completar uma revolução do eixo de saída do motor. A unidade mais comum para
deslocamento do motor é dada em cm3 por revolução ou ccm/rev.
O deslocamento do motor hidráulico pode ser fixo ou variável. Um motor de
deslocamento fixo proporciona torque costante na saída e a velocidade de rotação
varia de acordo com a vazão de fluido na entrada. Um motor de deslocamento variável
permite velocidade e torque variáveis. Para vazão de entrada e pressão constantes, a
razão entre torque/velocidade pode ser variada para atender a determinado serviço
pela variação do deslocamento.
Torque de Saída – é função da pressão no sistema e do deslocamento do
motor. Valores de torque do motor são usualmente dados para diferenças de pressão
específicas entre a saída e a entrada do motor. Valores teóricos indicam torque
disponível no eixo do motor assumindo que não há perdas mecânicas.
A velocidade rotacional do motor - é função do deslocamento do motor e do
volume de fluido entregue ao motor.
Breakaway torque - é o torque requerido para fazer o eixo estático do motor
entrar em rotação. Mais torque é necessário para dar partida na máquina do que
para mantê-la em movimento.
Velocidade máxima do motor – maior velocidade para determinada pressão
de entrada na qual o motor pode sustentar continuamente por um período limitado
de tempo sem se danificar.
155
Velocidade minima do motor – menor velocidade rotacional contínua e
inemtemrrompida disponível no eixo de saída.
Slippage - ou deslizamento são as fugas na passagem do fluido pelo motor
ou o fluido que passa pelo motor sem realizar trabalho.
Equações Básicas para Motores Hidráulicos, catálago Parker [114]:
Vazão (Q):
Qm = �� V R1000 V q� ( �
�QR) �4.8�
Torque do Motor (Tm):
Tm = � V Δ% V q�/63 ���� �4.9�
Potência de Saída (Pot):
%>4 = ~� V Δ% V q4600 ���� �4.10�
D = Deslocamento [cm³/rev]
n = Velocidade do Eixo [rpm]
q� = Eficiência Volumétrica [%]
Δ% = Diferença de Pressão [bar] (entre entrada e saída do motor)
q�P = Eficiência Mecânica [%]
q4 = Eficiência Total [%] (q4 = q� V q�)
Os dois eixos de rotação formam juntos um ângulo β. O deslocamento dos
pistões depende deste ângulo entre os eixos e a vazão é proporcional à n x tanβ, onde
n representa a velocidade de rotação. Essa relação permite que a vazão seja
controlada por mudanças na velocidade de rotação n do conjunto motor-gerador ou
por ajustes no ângulo de posicionamento β.
A vazão de óleo admitido no motor deve aumentar quanto maior for o nível de
potência da onda a ser absorvida. O valor instantâneo da vazão deve ser controlado
para se manter proporcional à diferença de pressão.
O motor escolhido para a aplicação é um bent-axis de deslocamento fixo. É
selecionado o motor de maior potência e deslocamento de 180 ccm/rev. Isto significa
que para mover o eixo deste motor em uma rotação completa são necessários 180.6
156
centímetros cúbicos de fluido de trabalho. Este valor, para uma rotação de
aproxidamente 1500 rpm, ou 60Hz, corresponde a uma vazão constante 280 l/min,
valor este próximo à vazão média fornecida pela bomba linear. Dependendo da
diferença de pressão entre os acumuladores, os valores para potência gerada no eixo
do motor variarão entre 30 e 150 kW para esta vazão. Os limites de operação do
motor são expostos na Figura 4-16 abaixo:
0
Figura 4-16. Motores Hidráulicos tipo Bent-Axis da HYDRO LEDUC, série M
Fonte: Adaptado de Catálago Bent Axis Motor Hydro Leduc, [115]
100
50
Pressão (bar) 400
157
4.4.1.5 Eficiência e Potência média de Saída
Após escolhido o motor, com eficiência global próxima a 90% e volumétrica
superior a 95%, sabe-se que a o torque no motor tem valor igual a:
���4� = ��. �%}�4� − %8�4�� q� �4.11� E a aceleração rotacional é:
H�6 �4� = �� �%}�4� − %8�4�� − ���4�
� �4.12�
Sendo J a inércia do gerador elétrico e �� o torque do gerador. Para um gerador
ideal, esse torque corresponde a:
���4� = 5�. H��4� �4.13� Onde 5� é o coeficiente de amortecimento do gerador.
Considerando um gerador 100% eficiente, a potência gerada pelo PTO
hidráulico corresponde ao valor da potência de saída dada pelo motor quando:
%=4> = ~�� V Δ% V q4 V qPQ� V q4�L V q���� �4.14� Sendo qPQ�, q4�L e q���� os valores correspondentes as respectivas eficiências
do cilindro, da tubulação e das válvulas, detalhadas na próxima seção. Com estes
valores, para a condição nominal de onda, Hm = 1.5 m e Tm = 8s, obtém-se uma
eficiência de conversão da energia capturada pelo conversor de cerca de 42%,
gerando média de 26 kW de potência contínua em rotação de 1500 rpm, suficiente
para abastecer uma dezena de casas. Em relação ao recurso diponível das ondas, o
aproveitamento da energia é de 18.5% (para mais detalhes, ver Anexo V).
O amortecimento proporcionado pelo PTO hidráulico, sendo altamente não
linear, pode ser formulado como um amortecimento viscoso de Coulomb, ou seja,
amortecimento constante no qual o pistão permanece estacionário enquanto que a
força aplicada sobre ele for menor do que Ap.(PA(t) – PB(t)), onde Ap é a área do pistão
e PA(t)- PB(t) é a diferença de pressão entre acumulador de alta e baixa pressão [36].
No capítulo 3, seção 3.4.4, foi antecipado que o maior valor energético absorvido
158
ocorre quando o valor da constante de amortecimento definida como bpto é igual ao
valor do coeficiente de radiação Rd.
O sistema PTO fornece ao sistema, para da cada condição de estado de mar,
um determinado valor de amortecimento, sendo a maior parte desse valor devido ao
acumulador hidráulico. Uma vez calculado o valor do coeficiente de amortecimento,
deve-se inclui-lo na equação dinãmica do conversor, de modo a saber com maior
precisão quanto de energia será produzida. A partir disso, o sistema pode ser
dimensionado novamente. O cálculo do coeficiente de amortecimento é mostrado no
Anexo V e é um valor dependente da área do pistão, da diferença de pressão entre os
reservatórios e da velocidade do pistão, de forma que:
L=4> = }=. ∆%� �4.15�
4.4.2 Perdas no Sistema Hidráulico
As perdas na transmissão dependem de condições especificas da unidade,
determinadas pelo dimensionamento de certos componentes e pelas mudanças
constantes das condições de onda.
Perdas no circuito
As principais perdas ao longo do circuito são:
• Fricção no cilindro
• Perdas no acumulador
• Perdas de carga nos tubos e válvulas
• Vazamento no motor hidráulico
• Perdas no torque devido à fricção no motor e gerador
A fricção no cilindro, que ocorre entre o pistão e a haste do pistão com o corpo
do cilindro, pode ser determinada como a soma de um componente de Coloumb e
um componente viscoso [20]:
3�� = �P. Q�RS.6�4�T + ��. .6�4� �4.16� Onde �P é a fricção de Coulomb e �� é um coeficiente de fricção viscoso. Para
o cálculo aqui proposto, no entanto, são usados os valores tabelados do catálago de
159
cilindros da Hydropa [107], onde a mínima eficiência é de 85% (20 bar) e a máxima
é de 97% (250 bar).
A eficiência da transmissão por tubos é geralmente alta, próxima a 98% [20],
sendo este o valor aqui estimado. No entanto, perdas na transmissão nos tubos
também podem ser calculadas usando a equação de Darcy, encontrada em Du
Plessis, 2012 [26, p.57]:
%4�L> = 2. � u\�.`f��.��! �9 �4.17�
Onde f é um factor de fricção do tubo, �� é o comprimento equivalente da
tubulação, �KN� é a densidade do óleo, �4 é o diâmetro do tubo e �� é velocidade média
do fluido.
O óleo no sistema é levemente compressível e a pressão no fluido diminui o
volume total no cilindro. Essa relação de compressão é representada pela equação
abaixo, onde 8> representa o bulk modulus, termo que mede a compressibilidade do
fluido [116]:
�%8> = − ��
� �4.18�
Para óleos hidráulicos minerais em pressões comuns (P < 450 bar) e
temperatura entre -40⁰ e 120⁰ C, o valor do bulk modulus Bo é aproximadamente
1.4 x 10^9 Pa [116]. A partir da relação acima, a equação para pressão na câmara
pode ser derivada da equação de continuidade de massa:
}= . .6�4� − �1 − �2 = �PQ��4�%16 �4�8> �4.19�
As válvulas de retenção também geram perdas de carga, representada por
reduções na vazão :
�1 = �0 %1 > %8−��√%8 − %1 %8 ≥ %1� �4.20�
�2 = �0 %} > %1−��√%1 − %} %1 ≥ %}� �4.21�
Onde Kv é o coeficiente de fluxo da válvula e PA e PB são as pressões nos
acumuladores de alta e baixa pressão. A eficiência de transmissão das válvulas é de
cerca de 93%.
160
4.4.3 Integração do PTO aos outros sistemas
Ao integrar o sistema PTO com o flutuador e a estrutura guia, duas
configurações são possíveis: submerso (abaixo do flutuador), aproveitando a energia
da descida, ou acima da superfície em uma plataforma suspensa, como mostrado
nas imagens da Figura 4-17 abaixo:
Em ambas as configurações, sugere-se que o sistema PTO hidráulico seja
acoplado ao flutuador por um eixo vertical central comum e envolto em uma carcaça
fixa, selada (para evitar vazamentos) e resistente mecanicamente. No caso do sistema
instalado no leito marinho, as fundações fornecem as forças de reação. A vantagem
do pto submerso é evitar o alcance dos vetores de força gerados pelas partículas
d’água do mar próximas à superfície, que se movem em círculos. À medida que a
profundidade aumenta, o raio do círculo de movimentação diminui. Nessa
configuração, o PTO estaria fora do alcance dessas forças. Cargo, C., 2012 [20],
afirma que o sistema PTO submerso teria a vantagem de reduzir o impacto visual e
a probabilidade de danos causados por tempestades.
O problema dessa configuração é o acesso à manutenção. Algumas peças,
(principalmente os selos mecânicos) sofrerão desgaste e necessitarão de manutenção
anual. A Figura 4-18 abaixo esquematiza como seria essa configuração. Um acesso
a manutenção para o pto submerso deve ser criado. Caso o PTO esteja acima do
flutuante o acesso poderá ser feito pela parte superior da estrutura, através de uma
plataforma suspensa.
Figura 4-17. PTO Hidráulicos com Plataforma Suspensa
Fonte: Zhang, D., Li, W. et al, 2012, [117]
161
Caso posicionado acima da superfície, o sistema estaria exposto a esforços
causados pela ação das ondas. Nesta zona, conhecida como splash zone, são gerados
jatos d’água, e os efeitos da ação desses jatos sobre o equipamento são motivos de
preocupação e uma estrutura robusta deve ser construída para sustentar a
plataforma. Plataformas elevadas acima do nível do mar seriam o correspondente às
cabines de turbinas eólicas conhecidas como nacelle, usadas para acesso à
manutenção.
Um sistema submerso opera a uma pressão hidrostática máxima conhecida,
sendo mais simples antecipar os esforços. No entanto, a configuração com
plataforma elevada, se corretamente dimensionada, facilita a manutenção e já foi
empregada com relativo sucesso em testes com protótipos da WaveStar. Por esses
motivos, é recomendada a instalação do PTO acima da superficie.
Figura 4-18. Esquema em escala real com sistema PTO submerso
Fonte: A. Ishikawa, L. Porte, 2016 [118]
162
5 CONCLUSÕES
Este projeto final de graduação apresentou o que há de estado da arte em
transmissão de potência em conversores de onda. Após revisão bibliográfica que
discorreu sobre a indústria de energia das ondas, suas possíveis aplicações e
vantagens perante outras fontes - tais como maior densidade energética e alto fator
de capacidade -, foram abordados argumentos para sustentar o uso de um sistema
de transmissão hidráulico em circuito fechado, como forma de obter eletricidade para
as duas escalas de conversores propostas: um modelo experimental e um protótipo.
O caso estudado é um conversor do tipo absorvedor modular, que oscila
verticalmente em um movimento bidirecional em relação a uma estrutura fixa ao
leito marinho. Após análise do modelo, foram desenvolvidos cinco conceitos de
sistema PTO para o caso particular, baseados nos sistemas investigados durante o
capítulo 2. O PTO escolhido mostrou ter relação direta com o princípio de
funcionamento proposto. Dentre os principais diferenciais dos sistemas hidráulicos
em relação aos outros analisados, podem ser incluídos a robustez, a capacidade de
lidar com sobrecargas e forças altamente variáveis, peso, custo total e de
manutenção, padronização de componentes, volume etc.
A partir da teoria linear de ondas e das equações de Cummins, estimativas de
força e potência geradas pelo modelo geométrico foram feitas com o auxílio de um
software de hidrodinâmica, responsável por calcular coeficientes de radiação,
massas adicionadas e amplitude do flutuador para cada estado de mar regular
definido previamente e baseado no sítio de interesse, próximo ao porto do Pécem, na
região de Fortaleza. Os resultados obtidos permitiram dar início ao pré-
dimensionamento dos sistemas de transimissão, tendo sido selecionados em
catálagos industriais os principais componentes para o protótipo: cilindros
hidráulicos, válvulas de retenção, acumuladores hidráulicos e motor hidráulico.
Componentes mais simples e cálculos mais básicos foram feitos para o modelo
experimental, configurando um pequeno sistema de baixo custo e peso, com
possibilidades para optimizações. A mudança de fluido de trabalho entre as escalas
é justificada, além do menor preço e da facilidade de obtenção, pela potência de saída
consideravelmente menor e pelo estágio de desenvolvimento do projeto, visto que
resultados experimentais do movimento do modelo no tanque de ondas ainda são
necessários.
163
Para o protótipo em escala comercial, o uso do óleo é preferível devido à
característica de lubrificação e possibilidade de pressões de operação maiores, entre
30-35 bar. A instabilidade térmica da água permite sistemas até no máximo 10 MPa.
Dessa forma, o volume de fluido necessário será maior para garantir vazões altas que
atinjam a mesma potência que sistemas com óleo que são, portanto, mais compactos.
A escolha por um cilindro de simples efeito vai na contramão dos principais
sistemas hidráulicos existentes em conversores, como no Pelamis e no WaveStar,
ambos de duplo efeito. Isto, por um lado, traz facilidades no cálculo e na composição
do sistema, diminuindo as demandas do PTO em termos de força, controle e
complexidade. Por outro lado, menor energia fica disponível para o PTO. Neste
trabalho, foi alcançada eficiência de cerca de 40% para a maior parte dos estados de
mar investigados.
Uma vez de posse de novos dados, a metodologia aqui proposta pode ser usada
como base para futuros dimensioamentos, tendo em vista que considerações ainda
precisam ser feitas em relação a outros componentes, como selos, válvulas de alívio,
diâmetro e caminho da tubulação, estrutura guia e estrutura de suporte para o PTO
entre outros.
A princípio, as maiores perdas de energia ocorrem durante a passagem do
fluido pelo motor hidráulico, que tem eficiência média próxima a 90%, mas é obrigado
a operar grande parte do tempo com carga parcial. Perdas maiores podem estar
associadas à fricção do flutuador na estrutura guia e, assim, apenas a continuação
dos testes experimentais poderá trazer maiores certezas em relação a potência
gerada e eficiência de conversão. Contudo, a instalação de um sistema com
características similares parece, a primeira vista, ser realista e factível.
5.1 Síntese dos resultados
Os dados computacionais obtidos indicaram diferença mínima entre a
amplitude de onda e o flutuante, o que mostra sinergia hidrodinâmica entre o
modelo geométrico fornecido ao software e os estados de mar estudados. A diferença
de fase entre onda e conversor também foi mínima, e, por este motivo, negligenciada
nos cálculos presentes nesse trabalho. Apenas dados experimentais do modelo 1:10
poderão comprovar essas duas premissas simplificadoras.
164
O sistema aproveita apenas a energia de subida do flutuador, usando a
descida apenas como forma de gerar pressão negativa na câmara do cilindro e dessa
forma abrir a válvula de retenção conectada ao reservatório. As pressões de abertura
das válvulas devem ser as menores possíveis para dar fluidez ao fluxo energético e
diminuir a não-linearidade do sistema.
O valor de pré-carga do acumulador se revelou um parâmetro chave para o
amortecimento gerado no sistema pelo PTO e na amplitude de captura de ondas. A
definição desse valor como 90% da pressão de operação mínima permite absorção de
energia em praticamente todo o intervalo de estados de mares estudados.
O sistema projetado em escala real possui eficiência de 42%, produzindo de
forma contínua 26 kW, suficiente para abastecer mais de uma dezena de residências.
Já o sistema experimental produz na saída, de 3.5 a 10 W, a depender da mini
turbina pelton instalada, resultando em sistema com eficiências de 18% e 51%.
O equipamento deve ficar posicionado fora da superficie, provavelmente
apoiado em uma plataforma sustentada pela estrutura fixa conversor. Esse
posicionamento se deve à facilidade no acesso a manutenção, que deve ocorrer pelo
menos uma vez por ano, para um equipamento com vida útil de cerca de 20 anos.
5.2 Contribuições e possíveis melhorias
Foi considerado aqui um dos conceitos mais simples de PTO linear em ondas
regulares. O sistema hidráulico empregado neste trabalho utiliza um atuador linear,
diretamente acoplado ao flutuador, comportando-se como uma bomba linear de
deslocamento positivo, para acionar um conjunto composto de motor hidráulico de
deslocamento fixo e gerador elétrico rotativo. Válvulas direcionam o fluido e
acumuladores são incluídos para suavizar a potência de saída, desacoplando a
potência capturada pelo conversor dos elementos geradores do PTO.
Para esse arranjo, os resultados indicam que o PTO atinge um estado de
pseudo-permanente, com a pressão oscilando ao redor de um valor médio. Uma força
resistiva de Coulomb é produzida pelo PTO, causando o movimento do flutuador a
mudar sua configuração e permanecer praticamente estático no fim do movimento,
quando a força produzida pelo PTO excede a força produzida pela onda. Esse efeito
165
era esperado e pode ajudar a definir pressões de pré-carga que gerem mais energia
no tempo.
Eficiência do PTO
A eficiência do PTO mostrou ter um impacto significativo na produção de
energia. Para aumentar a geração, existem duas maneiras: aumentando a potência
capturada, o que geralmente é feito com mais massa e volume, ou aumentando a
eficiência do PTO. Neste último caso, os componentes devem ser visto com mais
detalhe e seu dimensionamento feito de forma conjunta e integrada, iniciando pelo
cilindro acoplado ao flutuante.
Sistema de Parada
Para que o sistema funcione de maneira segura e com confiabilidade, um
sistema de parada externo ao PTO precisa ser desenvolvido. Este sistema deve agir
de forma a proteger o flutuador e o sistema PTO em mares mais energéticos. Molas
mecânica podem ser usadas para armazenar e dissipar a energia extra, podendo ser
acionadas através de controle elétrico ligado a sensores de velocidade no flutuador
ou no pistão.
Dimensionamento do Pistão
O tamanho do curso do pistão, igualado com o tamanho máximo de altura de
onda, talvez seja demasiadamente grande e obrigue o pistão a trabalhar na maior
parte do tempo com carga parcial. Deve ser considerada a possibilidade de se
desperdiçar estados de mares mais energéticos, com auxílio de um sistema de parada
externo, em troca de maior eficiência para os estados de mar de maior
predominância. Dessa forma, é possível que a energia gerada no tempo seja maior
Dinâmica não-linear
É necessário criar entendimento mais aprofundado da dinâmica não linear de
uma unidade de PTO hidráulica e como isso afeta o comportamento hidrodinâmico
do conversor.
166
5.3 Sugestões para trabalhos futuros
• Ondas irregulares e profundidade limitada
Considerar as equações de movimento do absorvedor para estados de mar
irregulares, e como isso afeta o a dinãmica do mesmo e eficiência do sistema PTO.
• Utilização de Cilindro de Duplo Efeito
Desenvolver um sistema similar ao mostrado acima, e comparar resultados
de eficiência e potência gerada com os resultados do sistema de simples efeito.
• Emprego de Controle Reativo
Este tipo de PTO é altamente recomendável para controle por meio de
mecanismo de travamento. Para fazer isso, o manifold de controle, ou distribuidor da
entrada do circuito hidráulico deve per manecer travado pelo tempo que o algoritmo
de controle especifique que o pistão deva se manter estacionário.
• Projeto de PTO mecânico – Cremalheira-Pinhão
Desenvolver o projeto de um PTO Mecânico e fazer estimativas de potência
gerada, eficiência, peso, custo etc.
Figura 5-1. Circuito hidráulico com cilindro de duplo efeito
167
• Projeto de PTO com gerador linear
Idem ao PTO mecânico, este trabalho deverá estar no encargo de um
engenheiro elétrico.
• Estimativas de força de fricção na estrutura-guia
Para cálculos mais precios de potência gerada, é necessário uma boa
estimativa das forças perdidas por fricção no contato entre o flutuador e os
rolamentos conectados a estrutura de suporte.
• Comparação entre análises computacional e experimental
De posse dos dados experimentais, seria interessante fazer a comparação
entre os dois métodos e a verificação da teoria linear de ondas. Deve-se antes garantir
adequação entre os dados computacionais e experimentais e, para isso,
provavevelmente novas simulações terão de ser feitas.
• Uso de óleo biodegradável no sistema
O uso de óleo biodegradável pode ajudar a mitigar uma das principais
desvantagens de sistemas com óleo hidráulico: o risco de vazamentos. Seria
interessante a comparação entre características do fluido, como compressibilidade,
estabilidade térmica e capacidade de geração de potência para este tipo de aplicação.
168
6. Referências Bibliográficas
[1] Balanço Energético Nacional. Disponível em: <https://ben.epe.gov.br/>. Acesso
em: 4 maio. 2016.
[2] Breakdown of Electricity Generation by Energy Source | The Shift Project Data
Portal. Recuperado 3 de maio de 2016, de http://www.tsp-data-
portal.org/Breakdown-of-Electricity-Generation-by-Energy-Source#tspQvChart
[3] Bent, S., 2007, Renewable energy conversion, transmission and storage, 1 ed. AP.
[4] Falnes, J. A review of wave-energy extraction. Marine Structures, v. 20, n. 4, p.
185–201, out. 2007.
[5] Drew, B.; Plummer, A. R.; Sahinkaya, M. N. A review of wave energy converter
technology. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal
of Power and Energy, v. 223, n. 8, p. 887–902, 1 dez. 2009.
[6] Tolmasquim, M. T. (2003). Fontes renováveis de energia no Brasil. CENERGIA,
COPPE-Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação em Engenharia, UFRJ-
Universidade Federal do Rio de Janeiro.
[7] Polinder, H. Et Al. Linear Generator Systems for Wave Energy Conversion.
Researchgate. Anais... In: Proceedings of the 7th European Wave and Tidal Energy
Conference, Porto. 12 Set. 2007 Disponível em:
<https://www.researchgate.net/publication/27342929_Linear_generator_systems_
for_wave_energy_conversion>. Acesso em: 26 jun. 2016
[8] Geração Distribuída - Informações Técnicas - ANEEL. Disponível em:
<http://www.aneel.gov.br/informacoes-tecnicas/-
/asset_publisher/CegkWaVJWF5E/content/geracao-distribuida-introduc-
1/656827?inheritRedirect=false>. Acesso em: 27 out. 2016.
[9] W2Power | Pelagic Power. Disponível em:
<http://www.pelagicpower.no/about.html>. Acesso em: 15 fev. 2017.
[10] EN.Wikipedia, O. Uploader Was V. At. English: A particle motion in an ocean
wave, 30 ago. 2007. Disponível em:
<https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wave_motion-i18nmod.svg>. Acesso
em: 23 set. 2016
169
[11] RICARTE, Eliab. Tese de Doutorado - Avaliação de sítios para o aproveitamento
dos recursos energéticos das ondas do mar. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE
JANEIRO, 2007. Disponível em:
[http://www.oceanica.ufrj.br/intranet/teses/2007_doutorado_eliab_ricarte_beserra
.pdf]
[12] EIA - Electricity Data. Disponível em:
<https://www.eia.gov/electricity/monthly/epm_table_grapher.cfm?t=epmt_6_07_b
>. Acesso em: 17 fev. 2017.
[13] Monteiro, T. M. Tese de Graduação – Análise de Gerador de Indução para
Produção de Energia Elétrica a Partir das Ondas do Mar, UNIVERSIDADE FEDERAL
DO RIO DE JANEIRO, 2009
[14] Adaptado do livro “Physical Oceanography", H.V. Thurman e E.A. Burton,
Prentice Hall, 2001
[15] López, I., Andreu, J., Ceballos, S., Martínez de Alegría, I., & Kortabarria, I.
(2013). Review of wave energy technologies and the necessary power-equipment.
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 27, 413–434.
http://doi.org/10.1016/j.rser.2013.07.009
[16] Titah-Benbouzid, H.; Benbouzid, M. Ocean wave energy extraction: Up-to-date
technologies review and evaluation. 2014 International Power Electronics and
Application Conference and Exposition. Anais...IEEE, 2014. Disponível em:
<http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=7037878>. Acesso em: 25
set. 2016
[17] AW Energy. Disponível em: <http://aw-energy.com/>. Acesso em: 17 fev. 2017.
[18] Adaptado de Artigo - FITZGERALD, J., 2009, Position mooring of wave energy
converters, Ph.D. dissertation, Chalmers University, Goteborg, Suecia
[19] AWS Ocean Energy Ltd. Recuperado 26 de maio de 2016, de
https://ec.europa.eu/research/energy/pdf/gp/gp_events/ocean_energy/1200_aws
-mkii_en.pdf
[20] Cargo, C., & [email protected]. (2012, dezembro). Design and Control of
Hydraulic Power Take-Os for Wave Energy Converters (phd). University of Bath.
Recuperado de http://opus.bath.ac.uk/38460/
170
[21] Rico H. Hansen, Morten M. Kramer and Enrique Vidal – Artigo - Discrete
Displacement Hydraulic Power Take-Off System for the Wavestar Wave Energy
Converter- Department of Energy Technology, Aalborg University, Pontoppidanstrade
101, Aalborg DK-9220, Denmark e Wavestar, Park Alle 350A, Broendby DK-2605,
Denmark, Publicado em Agosto de 2013
[22] KOFOED, J. P. et al. Prototype testing of the wave energy converter wave dragon.
Renewable Energy, v. 31, n. 2, p. 181–189, fev. 2006.
[23] Jochen Bard, & Peter Kracht. (2013). Report on Linear Generator Systems for
Wave Energy Converters. Linear Generator Systems for Wave Energy Converters.
[24] IRENA – The International Renewable Energy Agency. Disponível em:
<http://www.irena.org/documentdownloads/publications/wave-
energy_v4_web.pdf>. Acesso em: 5 set. 2016.
[25] Edwards, K., & Mekhiche, M. (2014). Ocean Power Technologies Powerbuoy®:
System‐Level Design, Development and Validation Methodology. Recuperado de
https://vtechworks.lib.vt.edu/handle/10919/49232
[26] Du Plessis, J. (2012, março). A hydraulic wave energy converter (Thesis).
Stellenbosch : Stellenbosch University. Recuperado de
http://scholar.sun.ac.za/handle/10019.1/19950
[27] Wave power firm Pelamis calls in administrators - BBC News. ([s.d.]). Recuperado
24 de agosto de 2016, de http://www.bbc.com/news/uk-scotland-scotland-
business-30151276
[28] Wavestar future on knife edge. (2016, junho 2). Recuperado 24 de agosto de
2016, de http://renews.biz/102918/wavestar-future-on-knife-edge/
[29] Lin, Y., Bao, J., Liu, H., Li, W., Tu, L., & Zhang, D. (2015). Review of hydraulic
transmission technologies for wave power generation. Renewable and Sustainable
Energy Reviews, 50, 194–203. http://doi.org/10.1016/j.rser.2015.04.141
[30] GASPAR, J. F. et al. Power take-off concept for wave energy converters based on
oil-hydraulic transformer units. Renewable Energy, v. 86, p. 1232–1246, fev. 2016.
[31] Ferri, F., & Kracht, P. (2013). Implementation of a Hydraulic Power Take-Off for
wave energy applications. Recuperado de
http://www.sdwed.civil.aau.dk/digitalAssets/97/97533_d4.7.pdf
171
[32] Hong, Y., Waters, R., Boström, C., Eriksson, M., Engström, J., & Leijon, M.
(2014). Review on electrical control strategies for wave energy converting systems.
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 31, 329–342.
http://doi.org/10.1016/j.rser.2013.11.053
[33] Motores Hidráulicos - Tipos de Motores, conceitos e avarias. Disponível em:
<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAApCkAD/motores-hidraulicos>. Acesso
em: 9 jan. 2017.
[34] Engineering Essentials: Hydraulic Motors. Disponível em:
<http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone/HydraulicPumpsM/Article/Fal
se/6427/TechZone-HydraulicPumpsM>. Acesso em: 31 out. 2016.
[35] António F. de O. Falcão - Wave energy utilization: A review of the technologies -
IDMEC, Instituto Superior Tecnico, Technical University of Lisbon, 1049-001 Lisbon,
Portugal, Ano 2009
[36] António F. de O. Falcão - Modelling and control of oscillating-body wave energy
converters with hydraulic power take-off and gas accumulator. 2007 Ocean
Engineering, 34(14–15), 2021–2032.
http://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2007.02.006
[37] Hydraulic cylinders - Atos. Disponível em:
<http://www.atos.com/home/components/hydraulic-cylinders.html>. Acesso em:
30 set. 2016.
[38] Alan Hitchcox; Water Hydraulics: Benefits and Limitations. Disponível em:
<http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone/HydraulicFluids/Article/False
/6452/TechZone-HydraulicFluids>. Acesso em: 25 set. 2016.
[39] Alan Hitchcox; Water Hydraulics Demand Special Components. Disponível em:
<http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone/HydraulicFluids/Article/False
/83023/TechZone-HydraulicFluids>. Acesso em: 25 set. 2016.
[40] Mechanical engineering - Why do hydraulic systems use special fluid - what’s
wrong with water? - Engineering Stack Exchange. Disponível em:
172
<http://engineering.stackexchange.com/questions/270/why-do-hydraulic-
systems-use-special-fluid-whats-wrong-with-water>. Acesso em: 25 set. 2016.
[41] Mueller, M. A.; Polinder, H.; Baker, N. Current and novel electrical generator
technology for wave energy converters. 2007 IEEE International Electric Machines &
Drives Conference. Anais...IEEE, 2007Disponível em:
<http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4270854>. Acesso em: 13
set. 2016
[42] ZHENG, Z.-Q. et al. Analysis of Electromagnetic Force of the Linear Generator
in Point Absorber Wave Energy Converters. Journal of Marine Science and
Technology, v. 23, n. 4, p. 475–480, 2015.
[43] MUELLER, M. A. Electrical generators for direct drive wave energy converters.
Transmission and Distribution IEE Proceedings - Generation, v. 149, n. 4, p. 446–
456, jul. 2002.
[44] HONG, Y. et al. Linear generator-based wave energy converter model with
experimental verification and three loading strategies. IET Renewable Power
Generation, v. 10, n. 3, p. 349–359, 1 mar. 2016.
[45] CHEN, Z.; YU, H.; HU, M. The research on direct-drive wave energy conversion
system and performance optimization. Acta Oceanologica Sinica, v. 33, n. 9, p. 178–
183, set. 2014.
[46] POLINDER, H.; DAMEN, M. E. C.; GARDNER, F. Linear PM Generator System
for Wave Energy Conversion in the AWS. IEEE Transactions on Energy Conversion,
v. 19, n. 3, p. 583–589, set. 2004.
[47] N. J. BAKER; M. A. MUELLER. Direct Drive Wave Energy Converters - Centre de
Développement des Energies Renouvelables. South Road, Durham, DH13LE, UK:
School of Engineering, University of Durham, 2001. Disponível em:
<http://www.cder.dz/spip.php?article699>. Acesso em: 5 set. 2016.
173
[48] Magnetic reluctance. (2016, junho 15). In Wikipedia, the free encyclopedia.
Recuperado de
https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Magnetic_reluctance&oldid=72538810
6
[49] Rhinefrank, K. et al. Comparison of Direct-Drive Power Takeoff Systems for
Ocean Wave Energy Applications. IEEE Journal of Oceanic Engineering, v. 37, n. 1,
p. 35–44, jan. 2012.
[50] Energy Department Awards $7.4 Million to Develop Advanced Components for
Wave and Tidal Energy Systems. Recuperado 27 de agosto de 2016, de
http://energy.gov/eere/articles/energy-department-awards-74-million-develop-
advanced-components-wave-and-tidal-energy
[51] PENALBA, M.; RINGWOOD, J. A Review of Wave-to-Wire Models for Wave Energy
Converters. Energies, v. 9, n. 7, p. 506, 30 jun. 2016.
[52] COREY, G. Rack and pinion wave motor power plant, 22 ago. 1978. Disponível
em: <http://www.google.co.uk/patents/US4108578>. Acesso em: 18 set. 2016
[53] Wave energy converter and power take off system. Disponível em:
<http://www.google.com/patents/US8487459>. Acesso em: 17 set. 2016
[54] PATEL, 09/01/2016 | SONAL. Ocean Power Technologies Deploys Commercial
PowerBuoy with Energy StoragePOWER Magazine, 1 set. 2016. Disponível em:
<http://www.powermag.com/ocean-power-technologies-deploys-commercial-
powerbuoy-energy-storage/>. Acesso em: 7 set. 2016
[55] Steven Alexander Helkin - Design and optimization of a wave energy harvester
utilizing a flywheel energy storage system – Thesis submitted in partial fulfilment of
the requirements for the Degree of Master of Science in the Department of
Mechanical, Materials, and Aerospace Engineering in the College of Engineering and
Computer Science at the University of Central Florida, 2009
174
[56] YOUSSEF, J. et al. A Nearshore Heaving-Buoy Sea Wave Energy Converter for
Power Production. Procedia Engineering, ICSDEC 2016 – Integrating Data Science,
Construction and Sustainability. v. 145, p. 136–143, 2016.
[57] The CorPower Wave Energy Converter. CorPower Ocean, [s.d.]. Disponível em:
<http://www.corpowerocean.com/corpower-technology/corpower-wave-energy-
converter/>. Acesso em: 5 set. 2016
[58] ALBADY, D.; ÖHMAN, C. Characterization of a Cascade Gear Box for a Wave
Energy Converter. Bachelor of Science Thesis TMT
[59] Ocean Power-Singapore ocean power, hydropower. Disponível em:
<http://www.lamtengchoy.com/main/?items-ocean-power-main/>. Acesso em: 19
set. 2016.
[60] SANG, Y. et al. Energy Extraction from a Slider-Crank Wave Energy under
Irregular Wave Conditions. 2015.
[61] SANG, Y. A suboptimal control strategy for a slider crank wave energy converter
power take-off system. Faculty of the Graduate School of Western Carolina
University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of
Science in Technology. By Yuanrui Sang Department of Engineering and Technology,
Kettering University, 2015.
[62] ZHONG, S.; WANG, F. Electrical, Information Engineering and Mechatronics
2011: Proceedings of the 2011 International Conference on Electrical, Information
Engineering and Mechatronics (EIEM 2011). [s.l.] Springer Science & Business
Media, 2012.
[63] Intentium. Disponível em: <http://www.intentium.com/index.html>. Acesso
em: 3 set. 2016.
[64] Design, Modeling and Optimization of an Ocean Wave Power Generation Buoy
Carlos Velez Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of
Central Florida
175
[65] Flywheel Design Calculation - Simplified. Disponível em:
<http://blog.mechguru.com/machine-design/flywheel-design-calculation-
simplified/>. Acesso em: 14 dez. 2016.
[66] MAGAZINE, G. S. Gearing Up for Efficiency. Disponível em:
<http://www.gearsolutions.com/article/detail/6164/Gearing-Up-for-Efficiency>.
Acesso em: 19 set. 2016.
[67] Pico OWC. Disponível em: <http://www.pico-
owc.net/gallery.php?cat=42&id=229&wnsid=06c8d8d27c798be0641eeab76ff84cd9
>. Acesso em: 3 maio. 2016.
[68] Adaptado de OLSEN ACTUATION UK LTD. Aquamarine Power How Oyster wave
power works. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=Z11mbfiC66o>.
Acesso em: 8 set. 2016
[69] Governor Product Information. Dynamics of the turbine/generator/consumer
system. Disponível em: <http://www.nzdl.org/gsdlmod?e=d-00000-00---off-0hdl--
00-0----0-10-0---0---0direct-10---4-------0-1l--11-en-50---20-about---00-0-1-00-0--
4----0-0-11-10-0utfZz-8-
00&a=d&cl=CL1.7&d=HASH019081d439253e9516222689.9.3>. Acesso em: 21 dez.
2016
[70] BUD TRINKEL. CHAPTER 5: Pneumatic and hydraulic systems. Disponível em:
<http://hydraulicspneumatics.com/other-technologies/chapter-5-pneumatic-and-
hydraulic-systems>. Acesso em: 20 set. 2016.
[71] NFPA - What is Pneumatics. Disponível em:
<http://www.nfpa.com/fluidpower/whatispneumatics.aspx>. Acesso em: 20 set.
2016.
[72] CARLOS GONZALEZ. What’s the Difference Between Pneumatic, Hydraulic, and
Electrical Actuators? Disponível em: <http://machinedesign.com/linear-
motion/what-s-difference-between-pneumatic-hydraulic-and-electrical-actuators>.
Acesso em: 20 set. 2016.
176
[73] GOMES, P. S. Eletropneumática e Eletro-hidráulica: Aula 10 - Elementos de
Trabalho Pneumático, Eletropneumática e Eletro-hidráulica, segunda-feira, de
fevereiro de 2016. Disponível em:
<http://eletropneumaticaeeletrohidraulica.blogspot.com.br/2016/02/aula-10-
elementos-de-trabalho-pneumatico.html>. Acesso em: 8 set. 2016
[74] LIERMANN, M.; SAMHOURY, O.; ATSHAN, S. Energy efficiency of pneumatic
power take-off for wave energy converter. International Journal of Marine Energy, v.
13, p. 62–79, abr. 2016.
[75] Hydroelectric Power: How it works, USGS Water-Science School. Disponível em:
<http://water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html>. Acesso em: 3 maio. 2016.
[76] Motor de Indução - funcionalidade, significado, dicas, passo a passo. Portal
Eletricista, 28 mar. 2015. Disponível em:
<http://www.portaleletricista.com.br/motor-de-inducao-funcionalidade-
significado-dicas-passo-a-passo/>. Acesso em: 3 maio. 2016
[77] O’SULLIVAN, D. L.; LEWIS, A. W. Generator Selection and Comparative
Performance in Offshore Oscillating Water Column Ocean Wave Energy Converters.
IEEE Transactions on Energy Conversion, v. 26, n. 2, p. 603–614, jun. 2011.
[78] Ingo Rühlicke; Matthias Haag. Oyster-Wave Energy Power Plants: A new
Challenge for hydraulic Cylinders, 2013.
[79] Current Source Converters (CSC) and Voltage Source Converters (VSC).
Disponível em: <http://www.gridtech.eu/events/12-technologies/19-voltage-
source-converter>. Acesso em: 20 maio. 2016.
[80] Como funciona a protecao crowbar (ART559). Disponivel em:
<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/4095-art559>.
Acesso em: 20 maio. 2016.
[81] de Alegría, I. M., Martín, J. L., Kortabarria, I., Andreu, J., & Ereño, P. I. (2009).
Transmission alternatives for offshore electrical power. Renewable and Sustainable
Energy Reviews, 13(5), 1027–1038. http://doi.org/10.1016/j.rser.2008.03.009
177
[82] STATCOM LV & MV - Jema. Recuperado 26 de maio de 2016, de
http://www.jemaenergy.com/en/products/smart-grid-grid-quality/statcom-lv-
mv.html
[83] Negra, N. B., Todorovic, J., & Ackermann, T. (2006). Loss evaluation of HVAC
and HVDC transmission solutions for large offshore wind farms. Electric Power
Systems Research, 76(11), 916–927. http://doi.org/10.1016/j.epsr.2005.11.004
[84] ZURKINDEN, A. S. et al. Comparison between numerical modeling and
experimental testing of a point absorber wec using linear power take-off system.
ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic
Engineering. Anais...American Society of Mechanical Engineers, 2012 Disponível
em:<http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/data/Conferences/ASMEP
/75842/497_1.pdf>. Acesso em: 12 set. 2016
[85] OZZI, S. et al. Modeling of a Point Absorber for Energy Conversion in Italian
Seas. Energies, v. 6, n. 6, p. 3033–3051, 20 jun. 2013.
[86] TODALSHAUG, J. H. Practical limits to the power that can be captured from
ocean waves by oscillating bodies. International Journal of Marine Energy, v. 3–4, p.
e70–e81, dez. 2013.
[87] Wamit, Inc. - The State of the Art in Wave Interaction Analysis. Disponível em:
<http://www.wamit.com/manual.htm>. Acesso em: 26 set. 2016.
[88] Adriana Monarcha Fernandes, Nuno Fonseca. Finite depth effects on the wave
energy resource and the energy captured by a point absorber - Instituto Superior
Técnico, Technical University of Lisbon, Av.Rovisco Pais, 1049-001, Lisbon, Portugal,
2013.
[89] SHENG, W.; ALCORN, R.; LEWIS, T. Physical modelling of wave energy
converters. Ocean Engineering, v. 84, p. 29–36, jul. 2014.
[90] Archimedes Waveswing submerged wave power buoy. AWS Ocean Energy.
Disponível em: <http://awsocean.com/technology/archimedes-waveswing-
submerged-wave-power-buoy/>. Acesso em: 27 set. 2016
178
[91] Ocean Power Technologies. - Image - Offshore Technology. Disponível em:
<http://www.offshore-technology.com/features/feature-bringing-wave-power-
offshore-industry/feature-bringing-wave-power-offshore-industry-3.html>. Acesso
em: 27 set. 2016.
[92] SHI, H. et al. Theoretical study on the power take-off estimation of heaving buoy
wave energy converter. Renewable Energy, v. 86, p. 441–448, fev. 2016.
[93] Vibration Sensors | Accelerometers—Measurement Specialties. Disponível em:
<http://www.meas-spec.com/vibration-sensors.aspx>. Acesso em: 2 jun. 2016.
[94] How accelerometers work | Types of accelerometers. Disponível em:
<http://www.explainthatstuff.com/accelerometers.html>. Acesso em: 16 jun. 2016.
[95] KOVALTCHOUK, T. et al. Influence of control strategy on the global efficiency of
a Direct Wave Energy Converter with electric Power Take-Off. 2013 8th International
Conference and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER).
Anais. In: mar. 2013
[96] BANGGOOD.COM. 3.5W 8.8-15V DC Hydroelectric Power Micro-hydro
Generator. Disponível em: <http://www.banggood.com/3_5W-8_8-15V-DC-
Hydroelectric-Power-Micro-hydro-Generator-p-961555.html>. Acesso em: 10 jan.
2017
[97] 10 W de Alta Potência Gerador de Turbina Micro Hidrelétrica de Água
Ferramenta de Carregamento DC 5 V/0 ~ 80 V - AliExpress.com | Alibaba Group.
Disponível em: <//pt.aliexpress.com/item/10W-High-Power-Water-Turbine-
Generator-Micro-Hydroelectric-Charging-Tool-DC-5V-0-80V-Generator-
Micro/32772501458.html?src=ibdm_d03p0558e02r02>. Acesso em: 10 jan. 2017.
[98] SempreSustentavel. Disponível em:
<http://www.sempresustentavel.com.br/hidrica/bombasdeagua/bomba-de-agua-
model1.htm>. Acesso em: 11 jan. 2017.
179
[99] Schrader Bellows 2-1/2" Bore x 10" Stroke Single Acting Hydraulic
Cylinder. Disponível em: <http://www.ebay.com/itm/Schrader-Bellows-2-1-2-034-
Bore-x-10-034-Stroke-Single-Acting-Hydraulic-Cylinder-/351534874687>. Acesso
em: 12 jan. 2017.
[100] 1/2 "DN15 Válvula de Proibir stinkpot/closestool água Válvula de Refluxo/One
way fluxo/válvula de aquecedor elétrico de água quente. AliExpress.com | Alibaba
Group. Disponível em: <//pt.aliexpress.com/item/2pcs-1-2-DN15-Check-Valve-
Forbid-stinkpot-closestool-water-Reflux-Valve-One-way-flow-
Electric/32649521284.html?src=ibdm_d03p0558e02r02>. Acesso em: 11 jan. 2017.
[101] DN15 1/2 "Em Aço Inoxidável (304) Na Linha de Mola Da Válvula de Retenção.
AliExpress.com | Alibaba Group. Disponível em: <//pt.aliexpress.com/item/DN15-
1-2-Stainless-Steel-304-In-Line-Spring-Check-
Valve/32621550450.html?src=ibdm_d03p0558e02r02>. Acesso em: 11 jan. 2017.
[102] Acumuladores Hidráulicos | HYDAC. Bladder accumulators. Disponível em:
<http://www.hydac.com/de-en/products/hydraulic-accumulators/bladder-
accumulators.html>. Acesso em: 26 jan. 2017
[103] Acumuladores Hidráulicos | Parker. Disponível em:
<http://ph.parker.com/br/pt/hydraulic-accumulators>. Acesso em: 25 out. 2016.
[104] Pre-Charged Non-Potable Water Expansion Tank-ETX-15 - The Home Depot.
Disponível em: <http://www.homedepot.com/p/Pre-Charged-Non-Potable-Water-
Expansion-Tank-ETX-15/100557223>. Acesso em: 12 jan. 2017.
[105] Wissenswertes_Hydraulikzylinder_en_0212.pdf. Disponível em:
<https://www.roemheld-
gruppe.de/fileadmin/user_upload/downloads/technische_informationen/Wissens
wertes_Hydraulikzylinder_en_0212.pdf>. Acesso em: 19 jan. 2017.
[106] Heavy duty Hydraulic Cylinder Catalogue Parker - HY08-1114-6_NA_2H-3H
.pdf. , [s.d.]. Disponível em:
180
<http://www.parker.com/literature/Industrial%20Cylinder/cylinder/cat/english/
HY08-1114-6_NA_2H-3H%20.pdf>. Acesso em: 22 jan. 2017
[107] Catálago de cilindros Hydropa - zylinderprospekt_hyks_gb.pdf. , [s.d.].
Disponível em: <http://www.hydropa.de/files/zylinderprospekt_hyks_gb.pdf>.
Acesso em: 24 jan. 2017
[108] TELLES, P. C. DA S. Tubulações Industriais. Materiais, Projetos, Montagem.
Edição: 10 ed. 2012 Rio de Janeiro: LTC, 2001.
[109] Catálago Parker – Válvulas de Controle de Fluxo, de Agulha e de Retenção –
680.pdf. Disponível em: <http://www.ottosistemas.com.br/files/catalogo/680.pdf>.
Acesso em: 26 jan. 2017
[110] Acumuladores Hidraulicos | Parker. Disponivel em:
<http://ph.parker.com/br/pt/hydraulic-accumulators>. Acesso em: 25 out. 2016.
[111] Diaphragm Accumulators, Hydraulics Accumulators - Eaton. Disponível em:
<http://www.eaton.com/Eaton/ProductsServices/Hydraulics/Accumulators/PCT_
256254#tabs-2>. Acesso em: 3 nov. 2016.
[112] Acumuladores Hidráulicos | Parker. Bladder accumulators -
acumuladores.pdf. Disponível em:
<http://www.manguerassaltillo.com.mx/catalogos/industrial/acumuladores.pdf>.
Acesso em: 26 jan. 2017
[113] FALCÃO, A. F. DE O. Phase control through load control of oscillating-body
wave energy converters with hydraulic PTO system. Ocean Engineering, v. 35, n. 3–
4, p. 358–366, mar. 2008.
[114] Hydraulic Bent Axis Motors | Parker. Disponível em:
<http://ph.parker.com/fr/en/hydraulic-bent-axis-motors>. Acesso em: 31 out.
2016.
[115] Catálago Bent Axis Motor Hydro Leduc - hydroleduc_hydraulic motors_en.pdf.
, . Disponível em:
181
<http://www.hydroleduc.com/images/links/catalogues/hydro%20leduc%20docu
mentation_en/hydraulic%20motors/hydroleduc_hydraulic%20motors_en.pdf>.
Acesso em: 26 jan. 2017
[116] Yang, L.; Hals, J.; Moan, T. Analysis of dynamic effects relevant for the wear
damage in hydraulic machines for wave energy conversion. Ocean Engineering, v.
37, n. 13, p. 1089–1102, set. 2010.
[117] Zhang, D., Li, W., Lin, Y., & Bao, J. (2012). An overview of hydraulic systems
in wave energy application in China. Renewable and Sustainable Energy Reviews,
16(7), 4522–4526. http://doi.org/10.1016/j.rser.2012.04.005
[118] A. Ishikawa, L. Portes- Energia das Ondas: Água e Energia, o binômio da
infraestrutura - Relatório Vencedor do Prêmio Odebretch de Sustentabilidade de
2016
182
ANEXOS
Anexo I
Dados do WAMIT
Massa Adicionada e Amortecimento
E� (�� ) = E�vv
���H
�AB���� = �ABvv���
Sendo � = 3 para (i,j = 1,2,3)
Força Vertical
3��� = 3v�����
Sendo � = 2 para ( i = 1,2,3)
Os resultados são fornecidos pelo WAMIT no formato de bloco de notas. O movimento
de heave corresponde aos movimentos na matrix i = 3 e j = 3, por esta razão os
valores de � e � são respectivamente 3 e 2.
Resultados do Wamit
Parâmetros Símbolo Valor Unidade Simbolo Valor Unidade
Massa específica ro 1025 kg/m^3 ro 1025 kg/m^3Massa Inercial m 18000 kg m 18 kg
Gravidade g 9.807 m/s^2 g 9.807 m/s^2Largura da Maquina L 8 m L 0.8 m
Seção tranversal Livre S 64 m^2 S 0.64 m^2Altura de Onda Mín Hmín 0.8 m Hmín 0.08 m
Altura de Onda H1 1.0 m H1 0.10 mAltura de Onda H2 1.25 m H2 0.125 mAltura de Onda H3 1.5 m H3 0.15 mAltura de Onda H4 2.0 m H4 0.20 m
Altura de Onda Máx Hmáx 2.5 m Hmáx 0.25 mPeríodo T1 3.0 s T1 0.95 sPeríodo T2 4.0 s T2 1.26 sPeríodo T3 5.0 s T3 1.58 sPeríodo T4 6.0 s T4 1.90 sPeríodo T5 7.0 s T5 2.21 sPeríodo T6 8.0 s T6 2.53 sPeríodo T7 8.5 s T7 2.69 sPeríodo T8 9.0 s T8 2.85 s
Escala Real Escala Protótipo
Tabela 1.ANEXO I - Parâmetros Básicos do Modelo experimental e do Protótipo
183
Parâmetro Simbolo Unidade T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8Período T s 0.95 1.26 1.58 1.90 2.21 2.53 2.69 2.85
Numero de Onda kL kL 3.58 2.01 1.29 0.89 0.66 0.50 0.45 0.40Coefi de Rad. Adimensional Rdad - 0.02 0.03 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01Coeficiente de Radiação Rd kg/s 83.42 65.87 48.75 35.36 25.73 18.98 16.41 14.26
Frequencia Angular ω rad/s 6.62 4.97 3.97 3.31 2.84 2.48 2.34 2.21Massa Ad. Adimensional Ad (3,3) - 0.02 0.03 0.04 0.04 0.04 0.05 0.05 0.05
Massa adicionada Ad kg 10.4 15.4 19.2 21.6 23.0 23.8 24.1 24.3Mod[RAO(I)] RAO - 0.953 0.992 0.996 0.997 0.999 0.999 0.999 0.999
Coeficiente Fe(ω ) Fe(ω ) N/m 0.75 1.02 1.23 1.37 1.47 1.55 1.58 1.60fase f ° 40.15 18.04 8.98 4.87 2.83 1.74 1.39 1.13
Parâmetro Simbolo Unidade
Período T s 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 8.5 9.0Coeficiente de Radiação Rd kg/s 26379 20830 15417 11183 8137 6003 5190 4508
Massa adicionada Ad kg 10382 15433 19154 21563 23009 23838 24099 24289Frequencia Angular ω rad/s 2.09 1.57 1.26 1.05 0.90 0.785 0.74 0.698
Dados Extrapolados - Escala Real 1:1
Dados Wamit - Escala 1:10
Tabela 2.ANEXO I - Coeficientes Hidrodinâmicos e Força de Excitação
Escala Experimental
Hmín H1 H2 H3 H4 HmáxT1 30 38 47 56 75 94T2 41 51 64 76 102 127T3 49 61 77 92 123 153T4 55 69 86 103 137 171T5 59 74 92 111 147 184T6 62 77 97 116 155 193T7 63 79 99 118 158 197T8 64 80 100 120 160 200
Força Heave - Fe [N]
Escala Real
Hmín H1 H2 H3 H4 HmáxT1 30 38 47 56 75 94T2 41 51 64 76 102 127T3 49 61 77 92 123 153T4 55 69 86 103 137 171T5 59 74 92 111 147 184T6 62 77 97 116 155 193T7 63 79 99 118 158 197T8 64 80 100 120 160 200
Força Heave - Fe [kN]
184
Anexo II
Cortes e Medidas para construção do Modelo 1:10
185
Medidas do Tanque Gerador de Ondas
186
Anexo III
Especificações de Engenharia
Especificação Unidade Modelo Experimental
Protótipo
Características Físicas Massa do Futuador kg 18 18000
Massa do PTO kg 8-15 4500 aprox Largura do Flutuador m 0.8 8
Área da Seção Tranversal m� 0.64 64 Massa Específica do Fluido mv/kg 1000 850
Performance Potência média de saída (máx) W 10 26 000
Efiência Geral do PTO % 18% 42 % Pressão (máx) kPa 250 32 200
Força de Impulso devido ao movimento do absorvedor (máx) kN 0.8 800
Velocidade Linear Vertical (máx) m/s 2 0.2 Velocidade Rotacional (max) rpm 1500 1500 Direção do eixo de rotação - Unidirecional Unidirecional
Condições de Operação Período de onda (min, max) s 0.95-2.85 3-9 Altura de onda (min, max) m 0.08-0.25 0.8-2.5
Profundidade (máx) m 17 1.7 Potência Disponível (máx) W 135 440 000 Temperatura de Operação ⁰C -5 a 50 -5 a 50
Outros Vida útil (min) anos 1 20
Manutenção (curto prazo, checks regulares)
anos 1 1
Tabela III-1. Especificações de Engenharia
187
Anexo IV
Materiais para Sistemas em Conversores de Onda
São dispostas abaixo algumas recomendações das normas NORSOK e ISO
21457 para materiais em ambientes offshore. Essas normas podem ser encontradas
nas referências ao final do Anexo.
A seleção dos materiais deve refletir a filosofia geral que diz respeito ao tempo
de vida útil do equipamento (estimado aqui em 10 ou 20 anos), o perfil de custos
(CAPEX e OPEX), inspeção e manutenção, segurança e meio ambiente, avaliação dos
modos de falha e outros critérios específicos de projeto.
A norma NORSOK M-001 recomenda ligas de titânio e GRP (fibra de vidro
reforçado) como imunes à corrosão quando submersos em água do mar. Dessa
forma, são materiais para se considerar para a tubulação e determinados
componentes.
Corrosão interna e externa
Aço carbono pode ser empregado em tubulações, a depender do cálculo da
taxa de corrosão anual. Do contrário, ligas resistentes à corrosão, adicionadas de
clad, ou com tubulação flexível devem ser usadas. O ambiente externo em atmosferas
offshore deve ser considerado úmido com o líquido condensado saturado com sais
de cloreto.
Proteção catódica
Qualquer componente exposto à água do mar e para o qual proteção catódica
eficiente não pode ser garantida deve ser fabricado em material immune à corrosão
em água do mar. Exceções são componentes nos quais a corrosão pode ser tolerada.
A seleção dos materiais deve leva em consideração a probabilidade e a consequência
da falha do componente.
Proteção catódica deve ser usada para todos os materiais metálicos submersos
em água do mar, exceto materiais imunes à corrosão. Revestimento de superfície
deve ser empregado adicionalmente a componentes com geometria complexa e onde
o design de custo se mostrar mais eficaz.
188
Conexões
Conexões soldadas são as mais recomendadas para aplicações submersas, ao
passo que conexões rosqueadas são particularmente suscetíveis à corrosão por
fendas. Conexões mecãnicas submersas devem ser resistentes à fragilização por
hidrogênio.
Conexões devem ser evitadas em zonas de “splash”. No entanto, quando isso
for inevitável, conexões devem ser fabricadas em materiais resistentes à água do mar,
e.g. ligas 625/725 ou similares
Materiais para Tubulação em equipamentos sob pressão e uso estrutural
Os materiais para tubulação devem ser, na medida do possível, padronizados
nos tipos de materiais motrados a seguir:
• Aço Carbono Tipo 235, 235LT e 360LT;
• Aço Inox Tipo 316 – SS 316 ;
• Aço Inox Tipo 22Cr e 25Cr Duplex;
• Aço Inox Tipo 6Mo;
• Liga de cobre e Níquel - Cu-Ni 90-10;
• Titânio;
• GRP.
O uso de GRP para a tubulação é limitado pela pressão de projeto interna
máxima de 40 barg; e o intervalo de temperatura de -40 °C até 95 °C para epóxi e
até 80 °C para Viniléster.
Resina de Poliéster pode ser usada em tanques para água do mar e serviços
com dreno aberto. Água do mar não tratada é geralmente vista como menos corrosiva
que água do mar clorada, mas poucos limites de aplicação foram estabelecidos até
hoje.
Instalações Submeras
Para componentes em instalações submersas que podem ser expostos à
proteção catódica, incluindo conectores, são dadas as diretrizes a serguir:
• O limite de ruptura de qualquer graduação de aço não deve ceder os 950 MPa;
189
• A dureza de qualquer componente em qualquer graduação de aço não deve
exceeder 35 HRC ou 328 HB;
• Ligas com base em titânio não devem ser empregadas em aplicações
envolvendo exposição a proteção catódica.
Superfícies de metal e componentes do sistema devem ser protegidos de
corrosão e erosão. Revestimentos cerâmicos oferecem um método promissor para
proteção de componentes em contato direto com a água do mar. A tabela abaixo,
adaptada da ISO 21457, mostra alguns materiais tipicos para equipamentos em
serviço com água do mar.
Referências
• NORSOK M-001. Disponível em:
<http://www.techstreet.com/standards/norsok-m-
001?sid=goog&gclid=Cj0KEQjwnIm7BRDSs42KxLS8-
6YBEiQAfDWP6Ewjv_i2t_UJzooIJgTNvdiT_00C-
bCNklQ6H_lALS0aAhfO8P8HAQ&product_id=1904567>. Acesso em: 16 jun.
2016.
• ISO 21457:2010(en), Petroleum, petrochemical and natural gas industries —
Materials selection and corrosion control for oil and gas production systems.
Disponível em: <https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:21457:ed-
1:v1:en>. Acesso em: 24 jan. 2017.
Materiais Típicos para Água do Mar não-tratada
Tubulação
Vasos
Bombas
Corpo da Válvula
Internos da Válvula
Equipamento Materiais
ANEXO V
Memória de Cálculo Mathcad - Escala Real
Variáveris Fixas Variáveis Alteráveis
g 9.807s2−
m⋅= Para onda de Periodo Tm e Altura Hm :ro 1025
kg
m3
:=L 8m:= Operador de Amp litude do
Flutuante RAO Flutuante resultaem A f = Hm
Hm 1.5m:=
massa 18000kg:= Tm 8s:= Af Hm:=
Seção Tranversa l t 0s 0.3s, 500s..:= Massa adicionada mad 23838kg:=
Força de Excitação Heave Fe 116kN:=S 64m
2:=
Onda Regular: Posição do Centroide do Flutuador Frequência Angular w 0.785rad
s:=
z t( )Hm
2
sin 2π t⋅Tm
⋅:=Coeficiente de Radiação/Amortecimento Rd 6003
kg
s:=
v t( )tz t( )d
d:= a t( )
2t
z t( )d
d
2:= Potência Disponivel Média Potencia Maxima
Sistema Dinâmico Pdisp ro g2⋅ Hm
2⋅Tm
32π⋅:=
PmaxFe
2( )8 Rd⋅
:=Fpto 0:=
Pdisp L⋅ 141.198 kW⋅=Pmax 280.193 kW⋅=
Forças no Flutuante
Fhidrostatica t( ) ro g⋅ S⋅ z t( )⋅:= Fexc t( ) Re Fe ei t⋅ w⋅⋅( ):=
Finercial t( ) mad massa+( )− a t( )⋅:= Fradiação t( ) Rdtz t( )d
d
⋅:=
Total :
Fh t( ) mad massa+( )− a t( )⋅[ ] Rd v t( )( )⋅[ ]− Fexc t( )+ ro g⋅ S⋅ z t( )⋅( )−:=
Velocida de (m/s) e Posiç ão (m) no tempo (s)
0 10 20
1−
0
1
1−
0.5−
0
0.5
1
z t( ) v t( )
t
0 5 10 15 202− 10
5×
1− 105×
0
1 105×
2 105×
Fexc t( )
t
v 0s( ) 0.589m
s⋅= v 3
Tm
4
0m
s⋅= Fexc 0s( ) 116 kN⋅=
Força Hidrodinâmica no tempo (N x s) Potencia Gerada No Tempo (W x s)
Pcap t( ) 0 Fh t( ) v t( )⋅ 0<if
Fh t( ) v t( )⋅ Fh t( ) v t( )⋅ 0≥if
:=
0 8 16 24 326− 10
5×
3− 105×
0
3 105×
6 105×
Fh t( )
t
0 2.7 5.3 8 10.713.3 160
5 104×
1 105×
1.5 105×
2 105×
00
Pcap t( )
t
Fh 3Tm
4
462.854 kN⋅=Pcap 3
Tm
8
169.486 kW⋅=
Força Média na Subida
Potencia Media Disponível na Subida Favg
0
Tm
tFh t( )
2
⌠⌡
d1
Tm⋅:=
Favg 151.675 kN⋅=
Pcapmedia0
Tm
tPcap t( )⌠⌡
d1
Tm⋅:=
Energia Gerada
Energia Por Ciclo
Pcapmedia 62.47 kW⋅=Energia t( )
0
t
tPcap t( )⌠⌡
d:= Energia Tm( ) 4.998 105× J⋅=
Sistema Hidráulico
Cilindro Hidráulico
Diâmetro do Pistão e da Haste de acordo com catálago da Parker
Dp 177.8mm:= Dhp 100mm:=
Área do Pistão (bore) Área da Haste do Pistão
Ap πDp
2
2
⋅
:= Ahp πDhp
2
2
⋅
:=
Ap 248.287 cm2⋅= Ahp 78.54 cm
2⋅=
Posição do Pistão Bulk Modulus do óleo
zp t( ) z t( ):= Bo 1.4 109⋅ Pa:=
Força (N) x Posição do Pistão (m)
0.5− 0 0.56− 10
5×
2− 105×
2 105×
6 105×
0
2
4
6
8
Fh t( ) t
zp t( )0 5 10 15
1−
0.5−
0
0.5
1
zp t( )
t
Pressão no Cilindro Hidráulico
Pcil t( )Fh t( )
Ap:=
Pcil 3Tm
4
18.642 MPa⋅=
0 4 8 12 162− 10
7×
1− 107×
0
1 107×
2 107×
Pcil t( )
t
Pcil 3Tm
4
186.419 bar⋅=
Pcilavg
0
Tm
tPcil t( )
2
⌠⌡
d1
Tm⋅:=
Pcilavg 61.089 bar⋅=Volume de óleo (m 3) no cilindro no tempo (t)
Curso do Pistão = Hmáx
curso 2.5m:=Volume to tal:
Vtotal curso Ap⋅:=
Vtotal 62.072 l⋅=Vtotal 0.062m
3=
Vcil t( )Vtotal
2Ap zp t( )⋅−:=
0 2 4 6 80
0.031
0.062
0.093
Vcil t( )
t
Vcil 3Tm
4
49.657 l⋅=
Vcil 3Tm
4
0.05 m3=
Vazão no cil indro Fluido saindo do cilindroQcil1 > 0
Fluido entrando no cilindro Qcil2 <0
Qcil1 t( ) 0 v t( ) 0<if
Ap v t( )⋅( ) v t( ) 0≥if
:= Qcil2 t( ) 0 v t( ) 0>if
Ap v t( )⋅( ) v t( ) 0≤if
:=
Vazão MáximaVazão Média
Qcilavg0
Tm
tQcil1 t( )⌠⌡
d1
Tm⋅:= Qcilavg 279.322
l
min⋅=
Qcil1 0 s⋅( ) 231.816 gpm⋅=
Qcilavg 73.789 gpm⋅=
0 10 20 300
5 103−×
0.01
0.015
Qcil1 t( )
t
0 10 20 300.015−
0.01−
5− 103−×
0
Qcil2 t( )
tAcumuladores Deslocamento do Motor Hidráulico(catálago)Considerando Nitrogênio como gás dos acumuladores, o coeficiente isentrópico é 1.4
Compressão Isentrópica nos acumuladores Volume de g ás inicial d o Acumulador Dm 180.6
cm3
rev:=
PA t( ) VA t( )1.4⋅ Poa Vo
1.4⋅= Vo 4 Vtotal⋅:= Vo 248.287 l⋅=ωm 1500rpm:=
PB t( ) VB t( )1.4⋅ Pob Vo
1.4⋅= Fluxo para Acumulador A (Alta Pressao) Fluxo para o Motor Hidráulico
Qm Dm ωm⋅:=Pressões de Pré carga nos Acu mulad ores QA t( ) Qcil1 t( ) Qm−:=
Poa 7.5MPa:= Pob 0.1MPa:= Fluxo para Acumulador B (Baixa Pressao) Qm 270.9l
min⋅=
Poa 75 bar⋅= QB t( ) Qm Qcil2 t( )+:=
Volume de Óleo no Acumulador A Volume de Óleo no Acumulador B
VA t( )0
t
tQA t( )⌠⌡
d
:= VB t( )0
t
tQB t( )⌠⌡
d
:=
0 10 20 305− 10
3−×
0
5 103−×
0.01
0.015
QA t( )
t
0 10 20 300.015−
0.01−
5− 103−×
0
5 103−×
QB t( )
tQA 2s( ) 270.9−
l
min⋅= QA 0( ) 606.618
l
min⋅=
Pressão nos Acu mulad ores
PA t( )Poa( )
10
t
tQA t( )⌠⌡
d
Vo−
1.4:= PB t( )
Pob( )
10
t
tQB t( )⌠⌡
d
Vo−
1.4:=
t1 0s 1s, 150s..:=PA 100s( ) 8.137 MPa⋅=
VA 100s( ) 14.037 l⋅=Volume no Acumulador Volume no reserva tório
0 10 20 30 40 500.01−
0
0.01
0.02
0.03
0.04
VA t1( )
t1
0 10 20 30 40 500.04−
0.03−
0.02−
0.01−
0
0.01
VB t1( )
t1Pressão no Acumulador Pressão no reservatório
0 10 20 30 40 508 10
4×
9 104×
1 105×
1.1 105×
PB t1( )
t10 10 20 30 40 50
7 1011×
7.5 1011×
8 1011×
8.5 1011×
9 1011×
9.5 1011×
PA t1( ) bar
t1∆P t1( ) PA t1( ) PB t1( )−:=
Válvulas Check :Densidade do óleo Coeficiente de Fluxo da Válvula
Válvula 1 Saída do cilindro Vazao Volumetrica
ρoil 0.85:= Kv 8.5 106−⋅
m3
s bar⋅:=
Q2 t( ) 0 Pcil t( ) PB t( )>if
Kv−PB t( ) Pcil t( )−
ρoil⋅ PB t( ) Pcil t( )≥if
:=
Válvula 2Entrada no cilindro Vazao Volumetrica
Q1 t( ) 0 PA t( ) Pcil t( )>if
KvPcil t( ) PA t( )−
ρoil⋅ Pcil t( ) PA t( )≥if
:=Q1avg
0
Tm
tQ1 t( )⌠⌡
d1
Tm⋅:=
Q1avg 1.766l
min⋅=
Motor Hidráulico
Eficiências
Volumé trica Total Vazão no MotorΔP Máximo
ηv 0.95:= ηt 0.88:= ηmecηt
ηv:=
Qmv Dmωm
ηv⋅:=
∆P 100s( ) 80.441 bar⋅=ηmec 0.926=
Potência Gerada pelo Motor Hidráulico
Pmotor t1( ) ∆P t1( ) Qmv⋅ ηt⋅:= Pmotormax Pcil 3Tm
4
Qmv⋅ ηt⋅:=
Pmotor 10s( ) 32.928 kW⋅=Pmotormax 77.966 kW⋅=
0 20 40 600
1 104×
2 104×
3 104×
Pmotor t1( )
t1
Pmotor 100s( ) 33.643 kW⋅=
0 10 20 30 40 500
1 105×
2 105×
3 105×
4 105×
0
1 105×
2 105×
3 105×
4 105×
Pmotor t1( ) Pcap t1( )
t1Torque do Motor
Tmotor t1( ) Dm ∆P t1( )( )⋅ ηmec⋅:=Potência teórica máx
Tmotor 0s( ) 197.028 N m⋅⋅=Poth Qcilavg Pcil 3
Tm
4
⋅:=
Poth 86.785 kW⋅= Eficiência Minima do Cilindro Eficiência Tu bu la ção Eficiência Válvulas
ηc 0.85:= ηvalv 0.93:=ηtub 0.98:=
Potência Gerada pelo PTO
Ppto t1( ) Pmotor t1( ) ηc ηtub⋅ ηvalv⋅( )⋅:=
Eficiência do Pto Eficiência do Conversor
Ppto 100s( ) 26.063 kW⋅= ηwecPpto 100s( )
Pdisp L⋅( ):=
ηptoPpto 100s( )
Pcapmedia:=
Ppto 0s( ) 23.976 kW⋅=ηwec 0.185=
ηpto 0.417=
Gerador Elétrico
Coeficiente de Amo rte cimento do Ge rador
Cg 2.5N
rad
s
m⋅:= Inércia do Gerador
Jinercia 2 kg m2⋅( ):=
Aceleração RotacionalTorque do Gerador
Tg t1( ) Cg ωm⋅:= α t1( )Dm ∆P t1( )( )⋅ Tg t1( )−[ ]
Jinercia:=
Se com 1MW gera-se energia para aproximadamente 650 casas
1000kW 650
26kW x
x 65026
1000⋅:=
x =
Sistema PTO optimo
bpto Rd:= Rd 6.003 103×
kg
s⋅=
Fptomax t( ) bpto v t( )⋅:=Cálculo do amortecimento aplicado bpto
Fptomax 0s( ) 3.536 kN⋅=Fptofinal t1( ) ∆P t1( ) Ap⋅:=
0 4 8 12 16 20 244− 10
3×
2− 103×
0
2 103×
4 103×
Fptomax t( )
t
bptofinal Ap∆P 7s( )
v 7s( )⋅:=
bptofinal 4.23 105×
kg
s⋅=
0 5 10 15 201.7 10
5×
1.9 105×
2.1 105×
2.3 105×
Fptofinal t1( )
t1
Memória de Cálculo Mathcad - Escala Experimental
Variáveris Fixas Variáveis Alteráveis
Para onda de Periodo Tm e Altura Hm :Lexp 0.8m:=
Operador de Amp litude doFlutuante RAO Flutuante resultaem A f = Hm
Hmexp 0.15m:=massaexp 18kg:=
Tmexp 2.53s:= Afexp Hmexp:=Seção Tranversa l
t 0s 0.3s, 500s..:= Massa adicionada madexp 23.8kg:=
Sexp 0.64m2:= Força de Excitação Heave Feexp 116N:=
Onda Regular: Posição do Centroide do Flutuador Frequência Angular wexp 2.48rad
s:=
zexp t( )Hmexp
2
sin 2π t⋅
Tmexp
⋅:=Coeficiente de Radiação/Amortecimento Rdexp 18.98
kg
s:=
vexp t( )tzexp t( )d
d:= aexp t( )
2t
zexp t( )d
d
2:=
Potência Disponivel média Potencia Maxima
Sistema Dinâmico Pdispexp ro g2⋅ Hmexp
2⋅Tmexp
32π⋅:=
PmaxexpFeexp
2( )8 Rdexp⋅
:=Fexppto 0:=
Pdispexp Lexp⋅ 44.654 W⋅=Pmaxexp 88.62 W⋅=
Forças no Flutuante
Fhidrostaticaexp t( ) ro g⋅ Sexp⋅ zexp t( )⋅:= Fexcexp t( ) Re Feexp ei t⋅ wexp⋅⋅( ):=
Total :
Fradiaçãoexp t( ) Rdexptzexp t( )d
d
⋅:=
Fhexp t( ) madexp massaexp+( )− aexp t( )⋅[ ] Rdexp vexp t( )( )⋅[ ]− Fexcexp t( )+ ro g⋅ Sexp⋅ zexp t( )⋅( )−:=
Velocida de (m/s) e Posiç ão (m) no tempo (s)
0 10 20
1−
0
1
1−
0.5−
0
0.5
1
z t( ) v t( )
t
0 5 10 15 202− 10
5×
1− 105×
0
1 105×
2 105×
Fexc t( )
t
vexp 0s( ) 0.186m
s⋅= vexp 3
Tm
4
0.129−m
s⋅= Fexcexp 0s( ) 116 N⋅=
Força Hidrodinâmica no tempo (N x s) Potencia Gerada No Tempo (W x s)
Potexp t( ) 0 Fhexp t( ) vexp t( )⋅ 0<if
Fhexp t( ) vexp t( )⋅ Fhexp t( ) vexp t( )⋅ 0≥if
:=
0 2.535.067.5910.12600−
300−
0
300
600
Fhexp t( )
t0 1.7 3.4 5.1 6.7 8.4 10.1
0
15
30
45
60
00
Potexp t( )
t
Fhexp 3Tmexp
4
462.387 N⋅= Potexp 3.Tmexp
8
53.572 W⋅=
Força Média na Subida Potencia Media Disponível na Subida
Pavgexp0
Tmexp
tPotexp t( )⌠⌡
d1
Tmexp⋅:=
Favgexp
0
Tmexp
tFhexp t( )
2
⌠⌡
d1
Tmexp⋅:=
Pavgexp 19.742 W⋅=Favgexp 0.152 kN⋅=
Energia Gerada
Energia Por Ciclo
Energiaexp t( )0
t
tPotexp t( )⌠⌡
d:= Energiaexp Tmexp( ) 49.948 J⋅=
ηexp13.5
PavgexpW:= ηexp2
10
PavgexpW:=
ηexp1 0.177= ηexp2 0.507=
![Metodologia para Aplicação de Fontes Renováveis …Figura 22 – Desenho esquemático de sistema elétri co mini-rede (Adaptado de [54])..... 66 Figura 23 – Fotografia de concentrador](https://img.document.onl/doc/110x75/5ed1e5a876055c3966516683/metodologia-para-aplicao-de-fontes-renovveis-figura-22-a-desenho-esquemtico.jpg)
