Projeto UFSCkite

Airborne Wind Energy

 

Visando tornar a energia eólica mais barata e viável em um número maior de localidades, a tecnologia de aerofólios cabeados – ou Airborne Wind Energy (AWE), em inglês – vem sendo alvo de um número crescente de pesquisas. A ideia da tecnologia AWE é substituir as pás de um aerogerador convencional por um aerofólio (asa) capaz de se manter no ar apenas por forças aerodinâmicas ou aerostáticas. Tal aerofólio é preso ao solo com um ou mais cabos em substituição à torre do aerogerador convencional. Com isso, estima-se que os aerogeradores com aerofólios cabeados consigam produzir energia elétrica a um custo inferior ao da tecnologia convencional, além de outras vantagens importantes. Em primeiro lugar, a substituição da torre por um ou mais cabos de comprimento variável permite ao aerofólio operar em altitudes maiores, onde o vento é mais forte e consistente, o que caracteriza um potencial energético maior. Isto, por sua vez, contribui para que localidades próximas aos grandes centros de consumo tornem-se viáveis para a energia eólica. Além disso, a tecnologia AWE acarreta uma redução substancial nos custos do aerogerador, especialmente em material, transporte e instalação, devido à ausência de uma torre que deva suportar os esforços mecânicos elevados decorrentes da operação da turbina. A fundação para o ponto de ancoragem do aerofólio ao solo também se torna mais simples e barata.

 

 

No caso de sistemas AWE baseados em forças aerodinâmicas sobre um aerofólio em voo substitui-se a ponta das pás de uma turbina clássica por um aerofólio cabeado, que pode operar com geração em voo ou em solo. Na geração em voo o aerofólio é como um avião em cujas asas são montadas turbinas elétricas pequenas, leves e que operam em alta rotação. Enquanto o aerofólio descreve uma trajetória similar à das pontas das pás de um aerogerador convencional, a potência gerada resulta do produto entre a velocidade do vento que incide nas turbinas e o empuxo sobre elas. A eletricidade gerada é transmitida através do cabo à infraestrutura elétrica de condicionamento e transmissão no solo.

 

 

Já no caso da geração em solo, a potência gerada resulta do produto entre a força de tração do cabo e a velocidade com que ele é desenrolado enquanto o aerofólio voa em uma trajetória em forma de “oito-deitado” para maximizar a força de tração (e consequentemente a potência) sem acumular torção no cabo. Após um determinado comprimento de cabo ter sido desenrolado, o aerofólio é reconfigurado para uma condição de baixa eficiência aerodinâmica, causando uma ampla redução na força de tração. Com isso, o gerador passa a atuar como motor, recolhendo rapidamente o cabo (e o aerofólio) em uma trajetória que requer apenas um pequeno gasto de energia. Quando o comprimento inicial de cabo é atingido, tem-se um saldo positivo de energia gerada e então inicia-se um novo ciclo de operação. Devido a tal comportamento cíclico, esse tipo de sistema AWE é comumente chamado de pumping kite.

 

Projeto UFSCkite

 

Atualmente existem mais de 55 grupos de pesquisa em AWE ao redor do mundo. Entre eles encontra-se o grupo brasileiro UFSCkite, pioneiro e único na América Latina, sediado na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Estabelecido no final de 2012 no DAS/CTC, o objetivo do projeto UFSCkite é desenvolver a tecnologia AWE em âmbito nacional, alinhado com os interesses estratégicos de ciência, tecnologia e inovação do país. Com isso espera-se que, em um horizonte de 10 anos, a tecnologia desenvolvida possa ser inserida na matriz energética, beneficiando a sociedade brasileira por meio da geração de energia elétrica renovável a um custo mais baixo que o atual e em um número maior de localidades. Paralelamente a isso, as atividades realizadas pelo grupo servem de apoio à formação de profissionais qualificados e fomento à pesquisa nos níveis de graduação, mestrado e doutorado. O UFSCkite também recebe pós-doutores e estudantes de intercâmbio de outros países, colaborando, dessa forma, para o estreitamento de laços de cooperação entre as universidades brasileiras e estrangeiras.

 

Áreas de Atuação

 

O UFSCkite desenvolve, em laboratório próprio, protótipos de sistemas AWE com geração no solo. Trata-se de um projeto bastante multidisciplinar com ênfase nas áreas:

  • Controle: diferentes estratégias são desenvolvidas para o controle de voo, controle de tração do cabo e controle (hierárquico) dos modos de operação do sistema.
  • Filtragem e estimação: é necessário filtrar as leituras dos sensores e estimar parâmetros a priori desconhecidos, como os coeficientes aerodinâmicos do aerofólio.
  • Sistemas supervisórios: juntamente com o desenvolvimento dos protótipos está em constante aprimoramento um sistema SCADA para interface do operador humano com o aerogerador e armazenamento de dados.
  • Sistemas embarcados: as unidades de solo e de voo têm sistemas embarcados responsáveis por tarefas como sensoriamento, filtragem, controle e comunicação.
  • Projeto mecânico e aerodinâmico: projeto das unidades de solo e de voo e das estruturas mecânicas para pouso, decolagem e operação do aerofólio cabeado

Unidade de controle de voo e a unidade de solo.

  • Eletrônica de potência: além da geração elétrica principal, está em desenvolvimento um sistema de microgeração eólica (60W) para alimentação contínua dos atuadores de controle de voo e eletrônica embarcados.

  • Instrumentação: para a operação do aerogerador é necessário medir e processar informações como velocidade do vento, posição do aerofólio e tração do cabo.
  • Medição de vento em altitude: para viabilizar a prospecção de localidades para implantação da tecnologia AWE está em desenvolvimento uma estação de medição do perfil de vento para altitudes até 600m, de baixo custo, baseada em drone e algoritmos de tomografia acústica da atmosfera.

Conceito do sistema de medição de vento em altitude.