Projeto, simulação e análise de conversores estáticos para geração de energia elétrica a partir do movimento de ondas ocêanicas

Abstract

O presente trabalho apresenta uma visão geral de sistemas de geração de energia elétrica a partir do movimento de ondas oceânicas e segue com foco em um desses sistemas, o de coluna de água oscilante. São expostos dados sobre estado da arte na área e sobre plantas instaladas pelo mundo, assim como as principais vantagens e impactos ambientais desse tipo de método de geração. Diferentes artigos elaborados na última década são citados e brevemente analisados para evidenciar os avanços que a comunidade científica tem realizado na área. É proposto um circuito de potência composto de conversores estáticos controlados e bateria para armazenamento de energia com vistas à utilização em sistema de coluna de água oscilante de forma a controlar diversos elementos de interesse, entre eles a tensão em uma carga, tensão de entrada do sistema através da variação de corrente de enrolamento de campo no gerador e otimização da potência entregue ao sistema. Variáveis de projeto desse circuito são evidenciadas e diferentes tipos de simulação são realizados e analisados a fim de chegar a conclusões sobre seu funcionamento. De forma geral, a solução proposta apresenta desempenho satisfatório para valores elevados de velocidade de rotação no gerador, com baixo erro entre valores reais e valores de referência das variáveis do sistema. Conforme a referida velocidade de rotação decresce, esse erro aumenta, começando a apresentar desvios significativos em situações que modelam um evento de oceano calmo e ondas fracas. Entretanto, entende-se que isso não representa um problema, pois esta condição representa uma situação onde o potencial de conversão de energia é muito baixo. Portanto, a solução proposta apresenta potencial de aplicabilidade em sistema de conversão de energia de ondas em energia elétrica em sistemas com coluna de água oscilante de operação isolada, isto é, sem interconexão com uma rede elétrica externa.

This work presents an overview of electric power generation systems based on ocean waves and focuses on one of these systems, the oscillating water column system. Data are presented on state of art in this field and on plants installed around the world, as well as the main advantages and environmental impacts of this type of generation method. Different articles written in the last decade are cited and briefly analyzed to highlight the advances the scientific community has made in the area. A power circuit consisting of controlled converters and battery for energy storage for use in an oscillating water column system is proposed to control various elements of interest, including load voltage, system input voltage due to generator field winding current variation and optimization of the power delivered to the system. Design variables of this circuit are highlighted and different types of simulations are performed and analyzed in order to reach conclusions about its behavior. In general, the proposed solution presents satisfactory performance for high values of generator rotation speed, with low error between real values and reference values of system variables. As the speed of rotation decreases, this error increases, starting to show significant deviations in situations that model an event of calm ocean and weak waves. However, it is understood that this is not a problem, as this condition represents a situation where the energy conversion potential is very low. Therefore, the proposed solution has potential applicability in the wave energy conversion system in electrical energy using oscillating water column with isolated operation, i.e., without interconnection with an external power grid.