Desenvolvimento de tecnologias de relutância variável comutada para geração de energia eléctrica a partir da energia das ondas - Mendes, Rui Pedro Gouveia (2018)
No presente trabalho de Doutoramento procura-se contribuir para a investigação e desenvolvimento de geradores lineares de relutância variável comutados de topologia tubular com aplicação em sistemas de absorção pontual para a conversão de energia das ondas. É feito o enquadramento de Portugal na exploração do recurso energético das ondas e é apresentada a teoria linear, que permite a descrição do comportamento hidrodinâmico de uma onda regular. São apresentados os métodos estatísticos para a análise de mares irregulares. Os métodos referidos são posteriormente aplicados a um conjunto de observações de estados marítimos para a caracterização energética de quatro locais na costa Portuguesa. É descrito o funcionamento do dispositivo de absorção pontual, é definido o modelo matemático que rege o seu comportamento e são apresentadas as expressões analíticas que permitem o dimensionamento dos elementos mecânicos considerados no presente estudo. São identificados os vários tipos de configurações estruturais adoptados em máquinas lineares de relutância variável e mencionados os conversores electrónicos de potência típicos para o seu controlo. É feita a descrição dos princípios de conversão energética de máquinas lineares de relutância variável e são indicados os materiais normalmente adoptados para a sua construção. Para o gerador linear pretendido, são propostos quatro modelos estruturais de topologia tubular como possíveis opções. Cada modelo é caracterizado por três fases eléctricas e apresenta duas configurações distintas, em função da localização dos enrolamentos de fase. É proposta uma metodologia de projecto para cada modelo estrutural que tem por base a aplicação de métodos de optimização no dimensionamento de um gerador com capacidade de desenvolver uma dada força axial. Duas versões de projecto são consideradas. O projecto analítico, que envolve a solução de expressões analíticas para caracterização electromagnética de cada gerador e o projecto numérico, que utiliza o método de elementos finitos, por intermédio de um software comercial, para avaliar as grandezas electromagnéticas de cada modelo estrutural. É formulado o modelo matemático do gerador linear em estudo e é descrita a estratégia de controlo adoptada para o seu funcionamento em dispositivos de absorção pontual. O controlo por histerese é adaptado às condições de geração variável impostas pelas ondas com o objectivo de melhorar o desempenho de conversão do dispositivo de absorção pontual. O método do Enxame de Partículas e o método do Complexo de Box são propostos para a realização dos processos de optimização necessários ao projecto e análise do sistema de geração considerado neste trabalho. É feita a formulação dos problemas a optimizar e são expostos os algoritmos referentes a cada método. Com base nos resultados fornecidos pela análise estatística aplicada às condições marítimas de quatro locais da costa Portuguesa, são estabelecidos dois casos de estudo para o dimensionamento e análise do sistema de conversão. O Caso 1 é relativo às condições marítimas com maior probabilidade de ocorrência e o Caso 2 ao estado marítimo com maior densidade de energia. Dos quatro locais avaliados é seleccionado o local mais apropriado para a instalação do dispositivo de absorção pontual. De acordo com as condições marítimas deste local são dimensionados oito geradores para cada caso de estudo. O gerador com maior capacidade de geração eléctrica é eleito, para cada caso, como unidade de extracção de potência do dispositivo de absorção pontual. O sistema conversor de energia das ondas é avaliado para situações de carga imposta por uma onda regular. São calculadas as forças hidrodinâmicas exercidas no sistema e são determinados os parâmetros óptimos de controlo para diferentes cenários de operação. Em cada caso de estudo, é avaliado o desempenho do sistema com a estratégia de controlo proposta. Todo o processo de cálculo computacional é implementado em linguagem própria do software Matlab®. As forças hidrodinâmicas são calculadas pelo software Nemoh e a análise de elementos finitos é executada com o software MagNet®.