Localização óptima dos conversores de um parque eólico ... ?· A. Coordenadas UTM ... potência…

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  • Localizao ptima dos conversores de um parque elico para minimizao de custos totais

    Rodrigo Vasconcelos Saraiva

    Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

    Engenharia Electrotcnica e de Computadores

    Jri

    Presidente: Prof. Gil Domingos Marques Orientador: Prof. Rui Manuel Gameiro de Castro Vogal: Doutor Joo Carlos de Campos Henriques

    Setembro 2007

  • i

    Agradecimentos

    Em primeiro lugar quero agradecer minha namorada Ana Catarina Teles Soares, pelo seu apoio

    incondicional, pelo seu amor, pacincia e por ter estado sempre do meu lado mesmo nos momentos mais

    difceis, durante toda a realizao desta dissertao.

    Quero agradecer minha me Clcia Maria de Medeiros Vasconcelos e ao meu Padrasto Lus Aurlio

    Branco Godinho, por todo o esforo, confiana e dedicao que investiram em mim durante todos esses

    anos de curso e nos momentos bons e maus.

    Ao meu pai Joaquim Rodrigues Saraiva e ao meu irmo Andrey Vasconcelos Saraiva, por terem sempre

    acreditado em mim e pelas suas palavras de apoio incondicional.

    Ao Prof. Rui Castro, pela proposta da dissertao, pela ajuda ao longo da realizao da mesma e pela

    sua compreenso nos momentos menos bons.

    Por fim ao Eng. Mrio Leito, por ter fornecido dados fundamentais, sem os quais a realizao deste

    trabalho no teria sido possvel.

  • ii

    Resumo

    Esta dissertao teve como ponto de partida, o estudo de um modelo terico matemtico para se tentar

    perceber o que o efeito de esteira e, como se calculam as perdas de energia num parque devido a este

    efeito.

    De seguida, desenvolveu-se uma aplicao em MATLAB que capaz de simular o impacto do efeito de

    esteira e estimar as perdas de produo.

    Por fim, foi feita a simulao a um parque elico j existente (Parque elico Mosqueiro) e, criaram-se 3

    novas configuraes alternativas do mesmo parque, tendo em conta determinados factores como,

    direco ou direces predominantes do vento e a direco do vento com maior valor energtico, de

    modo a tentar perceber como variam essas perdas, para melhorar o futuro planeamento de parques

    elicos.

    Palavras-chave: Efeito de esteira, perdas de energia, simulador de esteira, parque elico.

  • iii

    Abstract

    This dissertation has as starting point, the study of a theoretical model to understand the wake effect, and

    how to determine the energy output of a wind farm with wake effect.

    After, an application was developed using MATLAB, which is able to simulate the impact of the wake

    effect and estimate the losses of energy.

    At the end, an existing wind farm (Wind farm Mosqueiro) was simulated, and 3 new alternative

    configurations of that wind farm were created, which consider different factors for the location of the

    turbines such as, prevailing wind direction or directions and the direction of the wind with the most

    energetic value. These new configurations will help understand how these losses vary due to the wake

    effect and how to improve the future planning of wind farms.

    Keywords: Wake effect, energy losses, wake simulator, wind farm.

  • iv

    ndice

    1. Introduo ....................................................................................................................................... 1

    2. Modelo terico para clculo das perdas de produo por efeito de esteira. .......................... 3

    2.1. Efeito de esteira (Wake effect)..................................................................................................... 3

    2.2. Potncia disponvel no vento ....................................................................................................... 4

    2.3. Coeficiente de Potncia (Cp) ....................................................................................................... 5

    2.4. Clculo da velocidade do vento atrs da turbina elica .............................................................. 7

    2.5. Considerao das perdas no Coeficiente de potncia ................................................................ 8

    2.5.1. Tip Speed Ratio (TSR) ............................................................................................................ 8

    2.6. Vento com efeito de esteira ......................................................................................................... 9

    2.6.1. Clculo do cone de sombra ................................................................................................... 10

    2.6.2. Sobreposio da rea de sombra.......................................................................................... 11

    2.6.3. Clculo da velocidade do vento de esteira............................................................................ 12

    2.6.4. Velocidade resultante nas turbinas elicas considerando efeito de esteira.......................... 13

    2.6.5. Coeficiente de esteira ............................................................................................................ 13

    2.7. Clculo da energia num parque elico ...................................................................................... 14

    2.7.1. Distribuio de Weibull .......................................................................................................... 14

    2.7.2. A curva de potncia de uma turbina elica ........................................................................... 15

    2.7.3. Energia total anual produzida num parque elico desprezando as perdas por efeito de esteira ............................................................................................................................................... 16

    2.7.4. Energia total anual produzida num parque elico considerando perdas por efeito de esteira . ............................................................................................................................................... 17

    3. Estudo do parque elico Mosqueiro .......................................................................................... 20

    3.1. Caracterizao do parque elico Mosqueiro ............................................................................. 20

    3.1.1. Caracterizao fsica do parque............................................................................................ 20

    3.1.2. Descrio tcnica das turbinas elicas do parque ................................................................ 24

    4. Simulao das perdas por efeito de esteira. ............................................................................. 28

    4.1. Estrutura da simulao do modelo computacional das perdas por efeito de esteira. ............... 28

  • v

    4.1.1. Descrio da 1 parte da simulao...................................................................................... 28

    4.1.2. Descrio da 2 parte da simulao...................................................................................... 30

    4.2. Discusso dos resultados da simulao.................................................................................... 31

    4.2.1. Parque Mosqueiro ................................................................................................................. 31

    4.3. Configuraes alternativas......................................................................................................... 32

    4.3.1. Configurao alternativa 1..................................................................................................... 33

    4.3.2. Configurao alternativa 2..................................................................................................... 34

    4.3.3. Configurao alternativa 3..................................................................................................... 36

    5. Concluses ................................................................................................................................... 38

    Referncias Bibliogrficas ....................................................................................................................... 39

    Anexos........................................................................................................................................................ 40

    A. Coordenadas UTM [10] ....................................................................................................................... 41

    B. Manual para utilizao do simulador de esteira em um computador.................................................. 42

    C. Ficheiros de sada do programa de simulao ................................................................................... 47

    C.1. Ficheiro de sada do clculo do coeficiente de esteira para o Parque Mosqueiro....................... 47

    C.2. Ficheiro de sada com o valor da energia com e sem efeito de esteira para o Parque Mosqueiro

    .............................................................................................................................................................. 49

    C.3. Ficheiro de sada com o valor da energia com e sem efeito de esteira para a configurao

    alternativa 1 com x=3 e y=5. ................................................................................................................ 50

    C.4. Ficheiro de sada com o valor da energia com e sem efeito de esteira para a configurao

    alternativa 1 com x=4 e y=7. ................................................................................................................ 51

    C.5. Ficheiro de sada com o valor da energia com e sem efeito de esteira para a configurao

    alternativa 1 co