Barco Autónomo Movido a Energias Renováveis

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Barco Autónomo Movido a Energias Renováveis Tiago Filipe Teixeira Guedes Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Nuno Alexandre Cruz Co-orientador: José Carlos Alves 14 de Abril de 2015 c Tiago Filipe Teixeira Guedes, 2015 ii Resumo Os veículos robóticos autónomos têm sido alvo de uma grande evolução tecnológica. Inúmeros projetos têm sido desenvolvidos no sentido de monitorizar a vida marinha, concebidos para realizar trajetórias previamente definidas sem intervenção humana. É realizado um estudo dos recursos utilizados nestes veículos como métodos de propulsão. Nesta dissertação, foi desenvolvida uma vela rígida recorrendo ao catálogo NACA, tendo sido realizados testes experimentais recorrendo a um software que simula um túnel de vento computacional. De seguida, foi realizado um simulador que teve em conta a modelização da dinâmica do veículo autónomo, no qual é avaliado o desempenho da embarcação com a inclusão da vela rígida. São também descritas diferentes estratégias de controlo de orientação da vela face ao vento. Por último, é realizado um estudo em que se dá ênfase aos painéis solares flexíveis devido ao seu elevado rendimento e peso reduzido, os quais podem ser colocados na própria vela ou noutra zona da embarcação. iii iv Abstract The autonomous robotic vehicles have been subject of a major technological evolution. Several designs have been developed to monitor marine life, these are designed to perform pre-defined paths without human intervention. A study regarding the resources used in these vehicles with propulsion methods. In this dissertation a rigid sail using NACA catalog is developed. Experimental tests have been carried out using software that simulates a wind tunnel. Then it is conducted a simulation taking into account the modeling of the dynamics of this autonomous vehicle, this time it is evaluated the boat’s performance with the inclusion of the sail and it is also described different control strategies of wingsail’s orientation against the wind. Finally it is conducted a study with emphasis on flexible solar panels because of its hight performance and low weight, which can be placed in the wingsail itself or another area of the vessel. v vi Agradecimentos Em primeiro lugar agradeço ao Professor Nuno Cruz, meu orientador, por toda a ajuda que me deu neste projeto, desde a escolha do tema até à sua finalização, orientando-me em todo o processo e principalmente quando precisava de mais ajuda, em seguida agradeço ao meu coorientador Professor José Carlos Alves pelo apoio prestado. Ao elemento do Departamento de Investigação de Mecânica Tiago Ramos, pela ajuda na área da Engenharia Mecânica Agradeço também à minha namorada Cátia Bastos pelo apoio incansável demonstrado ao longo dos últimos anos, aos meus amigos que me ajudaram ao longo destes últimos cinco anos de vida académica, e a todos os meus amigos que ouviram as minhas dúvidas durante o desenvolvimento desta dissertação. Finalmente, aos meus pais Rui Guedes e Fátima Guedes que me acompanharam e ajudaram ao longo de todos estes anos tornando possível este meu percurso académico. Tiago Guedes vii xiv LISTA DE FIGURAS 5.2 Representação do ângulo da vela β. ........................ 38 5.3 Representação do ângulo do vento β......................... 38 5.4 Representação do ângulo de ataque α........................ 39 5.5 Exemplo 1 para análise detalhada da direção da Força Resultante da embarcação com ângulo de orientação nulo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.6 Exemplo 2 para análise detalhada da direção da Força Resultante da embarcação com ângulo de orientação positivo e ângulo de ataque positivo. . . . . . . . . . . 40 5.7 Exemplo 3 para análise detalhada da direção da Força Resultante da embarcação com ângulo de orientação positivo e ângulo de ataque negativo. . . . . . . . . . . 42 5.8 Modelo em Simulink do Simulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.9 Coordenadas do veículo no referencial do barco e no referencial do mundo. . . . 45 5.10 Módulo de conversão de vento real em vento aparente. . . . . . . . . . . . . . . 46 5.11 Módulos de pesquisa e conversão de forças das velas em forças de atuação no veículo. ....................................... 46 5.12 Posição do veículo no plano Inercial com a vela fixa a 90 graus. . . . . . . . . . 47 5.13 Gráfico com a vela fixa a 90 graus com a direção do vento observamos a evolução dadinâmicadaembarcação............................. 47 5.14 Posição do veículo para o ângulo objetivo de 80 graus. . . . . . . . . . . . . . . 49 5.15 Primeiro exemplo em que obtemos o ângulo de ataque da vela, ângulo da vela, e ângulo de orientação da embarcação face a norte do referencial Inercial. . . . . . 49 5.16 Posição do veículo para o ângulo objetivo de 130 graus. . . . . . . . . . . . . . . 50 5.17 Segundo exemplo em que obtemos o ângulo de ataque da vela, ângulo da vela, e ângulo de orientação da embarcação face a norte do referencial inercial. . . . . . 50 5.18 Posição do veículo para o ângulo objetivo de -145 graus. . . . . . . . . . . . . . 51 5.19 Terceiro exemplo em que obtemos o ângulo de ataque da vela, ângulo da vela, e ângulo de orientação da embarcação face a norte do referencial inercial. . . . . . 51 6.1 Ilustração de um Painel Solar Flexível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 6.2 Curva característica de um painel fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.3 Painéis ligados em série e diretamente às baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.4 Painéis ligados em série às baterias e aos motores através de um switch . . . . . 56 Lista de Tabelas 2.1 NotaçãoUtilizada. ................................. 6 4.1 Resultados da simulação CFD a 3 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.2 Resultados da simulação CFD a 5 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.3 Resultados da simulação CFD a 10 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1 Parâmetros do Modelo da Dinâmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 xv xvi LISTA DE TABELAS Abreviaturas e Símbolos ASV Autonomous Surface Vehicles AWA Aparent Wind Angle CFD Computacional Fluid Dynamics FR Força Resultante GPS Global Positioning System IRSC International Robotic Sailing Conference NACA National Advisory Committee for Aeronautics NED (North, East, Down) PI Proportional-integral PID Proportional-integral-derivative S área da superfície da asa WRSC Word Robotic Sailing Championship m Fator de idealidade do díodo k Constante de Boltzmann T Temperatura absoluta da célula αÂngulo de ataque βÂngulo do Vento Aparente ϕÂngulo de desvio face ao norte do referencial da embarcação ρMassa Volúmica µViscosidade dinâmica do ar CLCoeficiente de sustentação CDCoeficiente de arrasto ¯cCorda média aerodinâmica do perfil FLForça de sustentação FDForça de arrasto Vwind Velocidade do vento Ipv Corrente elétrica gerada pelo feixe de radiação luminosa IdCorrente que circula através do díodo ReNumero de Reynolds I0Corrente inversa de saturação do díodo VDTensão aplicada aos terminais do díodo VTPotencial térmico I Corrente produzida pela célula fotovoltaica xvii Capítulo 1 Introdução 1.1 Motivação O veículo autónomo de superfície, ASV Zarco, assim batizado em homenagem ao navegador Português João Gonçalves Zarco, é uma embarcação de pequena dimensão, ao estilo catamaran, concebido para operações a desempenhar em águas com pouca agitação. Este veículo, com 2 metros de comprimentos e 1 metro de largura, é alimentado por um conjunto de baterias que lhe conferem uma autonomia que pode chegar até às três horas, atuado por um conjunto de dois motores colocados na sua popa, atingindo velocidades na ordem dos 2 m/s. Este veículo pode ser autonomamente controlado, seguindo rotas predefinidas, ou, em alternativa, ser controlado remotamente, através de uma ligação WiFi com uma estação terra. Para o controlo autónomo, o veículo está dotado de sensores de navegação necessários, onde se incluem um recetor GPS de elevada precisão. A presente dissertação pretende alterar o ASV Zarco 1de forma a torná-lo híbrido, de maneira a que este possa operar em longos períodos de tempo, utilizando para isso as energias renováveis. Esta operação assenta na captura de energia do ambiente, quer para atuar diretamente na propulsão, utilizando velas rígidas; quer para acumular energia em baterias recarregáveis, permitindo o fornecimento elétrico dos diferentes subsistemas a bordo. Num mundo cada vez mais preocupado com o aumento crescente do consumo energético, a utilização de veículos movidos a energia infinita e limpa é vista como o futuro da civilização. Uma embarcação autónoma, que utilize a energia do vento para lhe fornecer propulsão e energia solar para gerar energia elétrica para todos os subsistemas, tornar-se-á, teoricamente, autossuficiente[1]. 1.2 Objetivos Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de uma embarcação totalmente autónoma movida a energias renováveis. Uma das finalidades deste projeto é a adição de uma ou mais 1http://oceansys.fe.up/tech_zarco.php 1 2Introdução velas à embarcação, atribuindo-lhe assim um modo de propulsão alternativo. O potencial da sua utilização está diretamente relacionado com a velocidade e direção do vento, bem como a trajetória que se deseja seguir. Dessa forma, salvo exceções, as velas não serão um método de propulsão que irá substituir os motores, mas sim uma alternativa para diminuir a sua utilização. Para complementar a embarcação pretende-se adicionar outra forma de energia, nomeadamente a inclusão de painéis solares, com a intenção de aumentar a autonomia do veículo autónomo, fornecendo-lhe energia para as baterias. Na figura 1.1, é possível observar uma descrição das étapas na inclusão dos novos métodos de gerar energia. Figura 1.1: Métodos para gerar energia. Como referido anteriormente a embarcação autónoma não era autossuficiente, continha duas baterias para fornecer energia aos motores e aos seus diversos subsistemas, funcionando apenas enquanto existisse energia nas baterias. Com este projeto pretende-se aumentar a autonomia energética do veículo autónomo. Optou-se por lhe adicionar um painel fotovoltaico para aproveitar a energia solar com a finalidade de recarregar as baterias. O segundo objetivo é a inclusão de velas no veículo autónomo para reduzir a utilização dos motores e, deste modo, obter outro método de propulsão. Na figura 1.2 é possível observar uma descrição modular do projeto Barco Autónomo Movido a Energias Renováveis. 1.3 Estrutura da Dissertação 3 Figura 1.2: Módulos do Projeto. 1.3 Estrutura da Dissertação Esta dissertação está dividida em sete capítulos. O primeiro engloba a introdução, em que se apresentam a motivação, objetivos e estrutura. No segundo capítulo são discutidos projetos em desenvolvimento na área dos veículos robóticos autónomos, bem como os tipos de velas utilizadas nas embarcações autónomas que aplicam a vela como método de propulsão, assim como sistemas de controlo implementados em velas de barcos autónomos. Seguidamente, é introduzido o projeto da vela rígida no qual são analisadas as teorias em torno dos perfis aerodinâmicos em forma de asas de avião. O capítulo quatro pretende demonstrar a implementação da vela rígida. Para tal, apresenta-se o dimensionamento do perfil, a sua implementação no software Solidworks, bem como análises experimentais no software Simulation CFD que simula um túnel de vento. No capítulo quinto, denominado integração da vela na embarcação, é feita uma abordagem relativa à notação utilizada. De seguida é realizada a modelização da embarcação para criar um simulador que pretende avaliar o desempenho da embarcação com a integração da vela. Finalmente, são apresentadas alternativas de utilização da vela como método de propulsão. Posteriormente, esboça-se a captura de energia solar, em que é analisada a possibilidade de inserir painéis solares flexíveis na própria vela da embarcação, tendo em conta as restrições de espaço para a inclusão do painel solar. Por último, no capítulo sete, são apresentadas algumas conclusões gerais sobre o trabalho desenvolvido e, seguidamente, sugeridas algumas indicações de projetos futuros. 4Introdução Capítulo 2 Estado da Arte Neste capítulo será realizada uma abordagem histórica de embarcações movidas autonomamente, também será feito um levantamento das competições e conferências existentes para embarcações movidas à vela, e embarcações movidas autonomamente. 2.1 Veículos Robóticos Autónomos Ao longo dos últimos 10 anos tem-se assistido a um interesse crescente pelo uso de veículos robóticos para o estudo e exploração dos oceanos. A utilização destes veículos permitirá, no futuro, libertar os operadores humanos de tarefas complicadas e pouco acessíveis, tais como alcançar zonas até agora inalcançáveis, e uma capacidade de operar de forma contínua, sem paragens necessária para reabastecimento das embarcações, permitirá ainda desenvolver sistemas sofisticados para aquisição e transmissão de dados marinhos, assim como para controlo de trajetórias eficientes. Num mundo de grande evolução tecnológica e de transformações do meio-ambiente, inúmeros projetos têm sido implementados, no sentido de monitorizar as condições climatéricas visando o acompanhamento destas transformações e, principalmente, a antecipação de catástrofes naturais. Os veículos autónomos aquáticos são projetados para executar tarefas de planeamento de trajetórias capazes de posteriormente serem seguidas sem assistência humana, tendo capacidade para decidir em diversas adversidades. Primeiramente, calcula uma rota baseada em dados meteorológicos através da captação da velocidade e direção do vento; ser capaz de decidir quais os recursos a utilizar para cada instante, tendo a embarcação ao seu dispor diferentes tipos de recursos; e diferentes modos de operar consoante o tipo de missão em questão. Posteriormente, apresentaremos alguns projetos que se encontram em curso onde é utilizado o vento como fonte de propulsão, com a utilização de velas não rígidas, as tradicionais de pano, ou, mais recentemente, utilizando velas rígidas com formatos de asa de avião. 5 12 Estado da Arte Figura 2.2: Fotografia da embarcação Fast. 2.4.3 Projeto Ocean Aero - Submaran Oceano Aero representa a próxima geração de sistemas não-tripulados para o mar. Esta empresa desenvolveu um veículo robótico autónomo capaz de navegar tanto à superfície como submerso na água, apresenta-se como uma solução altamente inovadora e ao mesmo tempo que pode mudar a construção de sistemas robóticos autónomos. Alimentado apenas por energia eólica e solar, quando está à superfície funciona como uma embarcação autónoma, quando está submerso, funciona como um submarino autónomo. Tem autonomia para estar no mar em trabalho de pesquisa vários meses, podendo ser configurado por terra, mar e ar, foi personalizado com uma plataforma composta por painéis solares e velas rígidas em forma de asa de avião. Têm uma grande variedade de configurações, está equipado com sistemas de sensores e de observação para fornecer informações a organizações de ciência, dados estes possíveis de ser monitorizados em tempo real com recurso a uma conexão à Internet. Este veículo quando está a operar à superfície funciona como um barco à vela auxiliado por propulsores elétricos, estabiliza-se autonomamente mediante a ondulação marítima. Quando utilizado debaixo de água o veículo autónomo faz com que a vela dobre para baixo e a quilha dobre para cima, ficando o veículo com forma de submarino, e este mergulha para os 75 pés, e assim altera a sua flutuabilidade de planador para poder submergir como um submarino [11]. 2.4 Sistemas Robóticos que Assentam na Captura de Energias Renováveis 13 Figura 2.3: Fotografia da embarcação Ocean aero. 2.4.4 Projeto Desenvolvido pela Saildrone - SD1 Os oceanos cobrem 71% da superfície terrestre. No entanto, são o recurso menos compreendido e mais vulnerável que temos no planeta. Para realizar análises sobre o oceano de forma a compreendê-lo, a empresa Saildrone desenvolveu o SD1, que consiste num veleiro drone não tripulado. O objetivo é velejar sozinho em redor do mundo, operado remotamente, utilizando sistemas de localização GPS, e utilizando como fontes de energia solar, eólica e hidroelétrica. Em 1 de Outubro de 2013, o barco não tripulado partiu de San Francisco com destino ao Hawaii; 34 dias depois, em 4 de Novembro, o SD1 completou com sucesso a navegação autónoma de 3379,6 km, chegando a Kaneohe, Hawaii. O SD1 tem 5,8 metros de comprimento e 2 m de largura; este barco autónomo é alimentado por uma vela de carbono tipo asa de avião que se estende 6 metros acima da água e tem uma capacidade de carga de 100 kg. Hoje, Jenkins fundador da empresa Saildrone vê o SD1 como uma plataforma de pesquisa flutuante, capaz de carregar instrumentos e recursos para recolher amostras oceanográficas, e da vida marinha para pesquisas académicas e outras levadas a cabo pela National Oceanic and Atmospheric Administration. O SD1 possuí sensores e outros instrumentos que recolhem informações de satélites bidirecionais que podem enviar e receber informações da Saildrone. Os dados recolhidos pelo drone também podem ser monitorizados em dispositivos móveis por meio de uma aplicação criada pela equipa de Jenkins. As missões levadas a cabo pelo SD1 podem ser modificadas em tempo real por um operador em terra, por exemplo, no caso de os dados de telemetria mostrarem tendências interessantes que requeiram investigações mais detalhadas. Relativamente ao casco do SD1 está equipado com três flutuadores e cinco unidades de geração de energia; duas estão posicionadas ao nível do mar e as restantes três estão submersas. Juntamente com os sistemas de conversão de energia hidroelétrica, eólica e solar, o SD1 está equipado com uma tecnologia solar, em que os painéis podem ser posicionados em diversos locais dentro da embarcação, bem como comporta a possibilidade de implementar este sistema diretamente na vela.[12]. 14 Estado da Arte Figura 2.4: Ilustraçao da embarcaçao Sd1. 2.5 Competições de Embarcações Autónomas Os veículos movidos por velas robóticas poderão contribuir para a monitorização de dados ambientais, ecológicos, meteorológicos, hidrográficos e oceanográficos. Estes dispositivos podem também ser utilizados na monitorização de tráfego, vigilância de fronteiras, segurança, assistência e salvamento. A dependência de mudança de ventos e as condições do mar representam um desafio considerável para o cumprimento de rotas de curtos e longos períodos de tempo. A construção de uma embarcação autónoma à vela representa um desafio verdadeiramente complexo e multidisciplinar para os designers de barcos, arquitetos navais, engenheiros eletrotécnicos e cientistas da computação. A pesquisa em barcos à vela totalmente autónomos foi recentemente estimulada pela ideia da Microtransat. Desde então, um número crescente de grupos de pesquisa em redor do mundo tenta ensinar aos seus barcos a complexa tarefa de velejar. O desafio foi originalmente concebido em 2005 pelo Dr. Mark Neal, da Universidade de Aberystwyth e Dr. Yves Briere do ISAE. Foi feita a primeira tentativa em 11 de Setembro de 2010 por Pinta da Universidade de Aberystwyth. O desafio Microtransat é uma competição que visa projetar e construir um barco robótico autónomo com menos de 4 metros de comprimento, que terá de ser capaz de navegar de forma autónoma para qualquer destino sem controlo humano ou intervenção, bem como reportar a sua posição aos organizadores da competição pelo menos uma vez a cada 6 horas de percurso [13]. Os melhores barcos autónomos do mundo competem a cada ano, a fim de ganhar o campeonato mundial de vela robótica. Este evento anual coincide com uma conferência científica Robotic Sailing Championships (WRSC) que oferece um local ideal para discutir a ampla gama de problemas científicos envolvidos no projeto e desenvolvimento de embarcações autónomas. Os trabalhos mostram o foco atual da pesquisa na comunidade de vela robótica. Nos últimos anos, a organização do tráfego e algoritmos de controlo inteligente dominou a discussão científica[3]. O International Robotic Sailing Conference (IRSC) fornece aos pesquisadores a oportunidade de apresentar e trocar ideias sobre o seu trabalho em robótica marinha de superfície autónoma [14]. 2.6 Análise de Características Aerodinâmicas 15 2.6 Análise de Características Aerodinâmicas Existem várias formas para analisar as características aerodinâmicas de uma vela. Um método clássico utilizado é a experimentação em túnel de vento. Outro método é a análise teórica dos perfis alares e a teoria do fluído perfeito. Porém existe um terceiro método, o CFD (Computacional Fluid Dynamics). O CFD é uma ferramenta numérica poderosa que permite uma comparação entre os resultados teóricos e os práticos, para análise de velas finitas e permite obter resultados para diferentes configurações de forma, com diferentes velocidades para o vento, sem recorrer a dispendiosos túneis de vento. Na presente dissertação é utilizado o software informático Autodesk Simulation CFD 2015 para analisar as características aerodinâmicas da vela rígida. Este software utiliza uma discretização através de elementos finitos para resolver as equações diferenciais que regem à dinâmica de fluídos. Os CFD baseiam-se em três princípios fundamentais: a massa de um sistema é conservada, a segunda lei de Newton, F= ma e que a energia de um sistema é conservada[15]. 16 Estado da Arte Capítulo 3 Projeto da Vela Rígida Neste capítulo é feita uma abordagem teórica relativa aos tipos de velas rígidas existentes. Também é realizado um estudo dos fundamentos de aerodinâmica em torno de uma vela rígida finita, em que analisamos dados experimentais fornecidos pelo Sandia National Labs. 3.1 Escoamento e Número de Reynolds O escoamento em torno de uma vela, quer seja ela convencional ou rígida, é um escoamento tridimensional, sem superfície livre, onde é assumida a estacionaridade do escoamento, e que a velocidade do escoamento não perturbado é constante. A propriedade de estacionaridade do escoamento, segundo a visão Euleriana, indica que a velocidade das partículas num dado ponto do espaço se mantém constante ao longo do tempo, isto é, a variação temporal da velocidade num determinado ponto do espaço é nula. Além de ser um escoamento constante, assume-se que irá ser um escoamento, à partida, turbulento. Neste tipo de escoamento o parâmetro adimensional que o caracteriza é o número de Reynolds. Este número relaciona a ordem de grandeza das forças inerciais com a ordem de grandeza das forças viscosas e é definido em 3.1, onde v é a magnitude da velocidade característica, coincidente no caso da vela rígida com a velocidade do vento que incide sobre a asa ou a velocidade do escoamento não perturbado, ¯cé o comprimento característico, que na análise aerodinâmica de velas e de asas, coincide com o comprimento da corda do perfil utilizado, e finalmente µé a viscosidade dinâmica do fluído. O número de Reynolds é de extrema importância; deve-se garantir que o escoamento de validação possua o mesmo número de Reynolds que o escoamento real em torno da vela, pois o referido número está intimamente relacionado com o regime de escoamento na camada limite, laminar ou turbulento, em torno da vela e, consequentemente, para validar o modelo de turbulência que permita resolver o regime de escoamento associado ao número de Reynolds do escoamento real em torno da vela rígida, é imperativo que este número seja o mesmo no escoamento de validação [16]. 17 18 Projeto da Vela Rígida Re=ρv¯c µ(3.1) 3.2 Tipos de Velas Como já referimos existem vários tipos de velas, as velas rígidas com formato de asa de avião, baseiam-se na estrutura adotada na construção de uma asa de avião, esta geometria fornece uma maior força de sustentação, e uma melhor relação sustentação-arrasto, em relação às velas tradicionais. Ao longo deste trabalho será utilizado o catálogo NACA, os seus perfis alares foram desenvolvidos a partir de 1933 pelo National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), hoje em dia denominado National Aeronautics and Space Administration (NASA). Figura 3.1: Ilustração de uma vela rígida. 3.3 Teoria do Perfil Aerodinâmico NACA Um perfil aerodinâmico é a superfície projetada com a finalidade de se obter uma reação aerodinâmica, a partir do escoamento do fluído em seu redor. Optou-se pela utilização do perfil NACA pelo facto de ser um catálogo amplamente difundido e utilizado pela comunidade científica e industrial. O catálogo NACA utilizado é composto por 4 dígitos, sendo designado NACA MPXX, onde "M"designa a máxima curvatura em percentagem, o "P"a posição da máxima curvatura dividida por dez e os "XX"a espessura máxima em percentagem. Todas essas medidas são relativas ao comprimento total da corda máxima. A linha de arqueamento média representa a linha que define o ponto médio entre todos os pontos que formam as superfícies superiores e inferiores do perfil. A linha da corda representa a linha reta que une o bordo de ataque e o bordo de fuga. A espessura representa a altura do perfil medida perpendicularmente à linha da corda. A razão entre a máxima espessura do perfil e o comprimento da corda é designada por razão de espessura do perfil. 3.3 Teoria do Perfil Aerodinâmico NACA 19 O arqueamento representa a máxima distância que existe entre a linha de arqueamento média e a linha da corda do perfil [17] [18]. Figura 3.2: Características geométricas de um perfil aerodinâmico. O ângulo de ataque αé o termo utilizado pela a aerodinâmica para definir o ângulo formado entre a linha de corda do perfil e o vento aparente. Figura 3.3: Definição do ângulo de ataque αdo perfil aerodinâmico. Todo o perfil possui características aerodinâmicas próprias, que dependem exclusivamente da forma geométrica do perfil, das suas dimensões, do arqueamento, da sua espessura e do ângulo de ataque. As principais características aerodinâmicas de um perfil são o coeficiente de sustentação, o coeficiente de arrasto, o coeficiente de momento, a posição do centro aerodinâmico e a sua eficiência aerodinâmica. A área de referência A é a área que resulta da projeção da vela num plano perpendicular à direção do vento. Por vezes são utilizadas diferentes áreas de referência, caso em que se obtêm diferentes coeficientes de arrasto e sustentação correspondentes a cada situação. 20 Projeto da Vela Rígida 3.4 Forças Existentes num Perfil Aerodinâmico Figura 3.4: Forças atuantes no perfil aerodinâmico. As velas convencionais ou rígidas são um meio de propulsão para os veleiros, pelo que é conveniente determinar as forças geradas pelas velas que contribuem para o avanço (movimento na direção longitudinal do veleiro, sendo o sentido positivo da popa para a proa) e para a deriva (movimento na direção transversal, sendo o sentido positivo de estibordo para bombordo). A análise aerodinâmica dos perfis bidimensionais fornece as forças geradas pelo perfil; todavia, estas forças são decompostas num referencial cuja orientação é definida pelo ângulo de ataque α, entre a direção do escoamento e a direção da corda do perfil, como é visível na figura 3.4. Sendo Vé o vetor velocidade do escoamento de aproximação, FL é a Força de Sustentação ortogonal ao vetor de velocidade , FD é a Força de Arrasto paralela à velocidade do vento, e finalmente αé o ângulo de ataque. De modo a decomporem-se as forças geradas pelo perfil para o referencial do ASV Zarco é necessário introduzir um novo ângulo, o ângulo β, que é definido como o ângulo entre o eixo longitudinal do veleiro e a direção do vento. Este ângulo é frequentemente referido como o Aparent Wing Angle (AWA). As relações trigonométricas entre os ângulos de ataque αe o ângulo β, permitem facilmente decompor as Forças de Resistência (FD) e de Sustentação (FL) em Forças de avanço (FX) e Força de Deriva (FY), através da matriz de rotação do vento relativo para o plano do barco. Figura 3.5: Relações Trigonométricas e Decomposição das Forças FD e FL em Força de Avanço,FX , e de Deriva,FY. 3.5 Dados Teóricos para os Coeficientes de Arrasto e Sustentação 21 RRW →BA ="cos(β)sin(β) −sin(β)cos(β)#(3.2) Desta decomposição de forças é possível relacionar diretamente a Força de Sustentação e a Força de Arrasto com as Forças de Avanço (FX) e de Deriva (FY), através do ângulo do vento com o eixo longitudinal do navio. (FX =FDcos(β)−FLsin(β) FY =FDsin(β)+FLcos(β)(3.3) A força de sustentação é aquela originária da diferença de pressão entre o extradorso e intradorso da asa. Esta força é perpendicular à direção do vento. Como podemos ver pela equação 3.4, força de sustentação é proporcional ao quadrado da velocidade do vento, à área da vela e ao coeficiente de sustentação da vela. Esta força é sempre perpendicular a direção do vento. Sendo ρ representa a massa volúmica do ar, Vwind é a velocidade do vento, S a área da asa e CL representa o coeficiente de sustentação [19]. FL=1 2V2 windCLρS(3.4) A força de arrasto é devido ao atrito que o ar exerce sobre a superfície da asa. O sentido da força de arrasto e sempre paralelo ao sentido da velocidade do vento. Como podemos observar na equação 3.5, a força de arrasto é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade do vento em relação à velocidade do vento Vwind, ao coeficiente de arrasto CD e à área de superfície da asa S [20]. FD=1 2V2 windCDρS(3.5) 3.5 Dados Teóricos para os Coeficientes de Arrasto e Sustentação Após consulta do livro "Aerodynamic Characteristics of Seven Symmetrical Airfoil Sections Through 180 Degree Angle of Attack for Use in Aerodynamic Analysis of Vertical Axis Wind Turbines"retiramos os dados teóricos fornecidos pelo Laboratório Sandia National Labs, testes realizados pelo laboratório para determinar os valores dos coeficientes de arrasto e sustentação para ângulos de ataque entre [0,180] graus face à direção do vento para números de Reynolds de 0.36×106, 0.5×106e 0.68×106. Como utilizamos o catálogo NACA 0015, sendo este um perfil simétrico, então para ângulos [-180,0] os dados irão ser simétricos [21]. 28 Implementação de Vela Rígida v=1000×1.817−5 1×1.20473 =0.015m/s(4.2) Realizamos o teste no programa Autodesk Flow Simulation CFD (Computacional Fluid Dynamics) em que calculamos o valor da Força de arrasto para a qual se obteve o valor de 0.014 N, o coeficiente de arrasto é sempre acompanhado, ou seja, está intrinsecamente ligado ao valor da área considerada, em que pode ser a área de ataque, área projetada, outra qualquer área característica ou de referência, no caso dos cilindros a área utilizada é a área de projeção frontal. Substituindo na equação 3.5 em ordem ao CDobtemos: CD=0.014 100  1 2×1.20473×0.0152×1≈1 (4.3) Desta forma avaliamos a veracidade do software, em que obtemos os valores pretendidos. Neste momento estamos aptos a realizar os testes para a vela com perfil Naca 0015. Para analisar o comportamento do perfil NACA 0015 utilizou-se a ferramenta CFD (Computacional Fluid Dynamics), para realizar o estudo em túnel de vento computacional, foram efetuadas simulações para obter os valores das forças de arrasto e sustentação, bem como os seus coeficientes para diferentes ângulos de ataque e velocidade do vento, comparando-os com os dados teóricos. 4.2.2 Resultados CFD Nas tabelas seguintes são apresentados os resultados obtidos na simulação da vela em túnel de vento na ferramenta Autodesk Simulation CFD. São apresentados os valores das Forças de Arrasto e de Sustentação bem como os respetivos coeficientes de Arrasto e Sustentação, para diferentes ângulos de ataque, e diferentes velocidades. 4.2 Estudo da Vela 29 Tabela 4.1: Resultados da simulação CFD a 3 m/s. 3 m/s alpha CD FD CL FL 0 0,087618 0,193197 0 0 10 0,152178 0,335552 0,451922 0,996489 15 0,281299 0,620263 0,894622 1,972641 20 0,299744 0,660936 0,973017 2,145501 22 0,516483 1,138844 1,627843 3,589393 25 0,599489 1,321873 1,475665 3,253841 30 0,659438 1,45406 1,102137 2,430213 35 0,774724 1,708267 1,148252 2,531895 40 0,936125 2,064155 1,152863 2,542063 45 1,120583 2,470886 1,148252 2,531895 50 1,240481 2,73526 1,065246 2,348867 60 1,503334 3,314851 0,922291 2,033651 70 1,563283 3,447038 0,613323 1,352378 80 1,637066 3,60973 0,387362 0,854133 90 1,761575 3,884273 0,110675 0,244038 110 1,480276 3,264009 -0,35508 -0,78296 135 1,128098 2,487457 -0,9269 -2,04382 160 0,424254 0,935479 -0,94996 -2,09466 170 0,124509 0,274543 -0,44731 -0,98632 180 0,06456 0,142356 -0,02306 -0,05084 30 Implementação de Vela Rígida Tabela 4.2: Resultados da simulação CFD a 5 m/s. 5 m/s alpha CD FD CL FL 0 0,064745 0,396562 0 0 10 0,147751 0,904975 0,458194 2,806438 15 0,215816 1,321873 0,531239 3,253841 20 0,308783 1,891295 0,986113 6,039943 22 0,509658 3,121654 1,645182 10,07674 25 0,597644 3,660571 1,48249 9,08025 30 0,657409 4,026628 1,168727 7,15845 35 0,771957 4,728238 1,172047 7,178787 40 0,974492 5,968765 1,228491 7,524508 45 1,125563 6,894076 1,162086 7,117777 50 1,278295 7,829555 1,052518 6,446673 60 1,377902 8,43965 0,954571 5,846746 70 1,585417 9,710682 0,622546 3,813095 80 1,635221 10,01573 0,390129 2,38954 90 1,743129 10,67667 0,116209 0,711778 110 1,48747 9,110755 -0,35029 -2,1455 135 1,138835 6,975361 -0,96785 -5,92809 160 0,424991 2,603073 -0,90477 -5,5417 170 0,13779 0,843965 -0,40009 -2,45055 180 0,061425 0,376225 -0,02324 -0,14236 4.2 Estudo da Vela 31 Tabela 4.3: Resultados da simulação CFD a 10 m/s. 10 m/s alpha CD FD CL FL 0 0,073045 1,789613 0 0 10 0,14028 3,43687 0,47604 11,66299 15 0,226607 5,551866 0,974492 23,87506 20 0,311273 7,62619 0,997319 24,43431 22 0,510488 12,50695 1,660123 40,67301 25 0,60055 14,71346 1,519428 37,22598 30 0,655334 16,05567 1,218115 29,84382 35 0,791049 19,38069 1,231396 30,16921 40 0,94959 23,26496 1,174122 28,76599 45 1,134694 27,8 1,169557 28,65414 50 1,302367 31,90798 1,076175 26,36628 60 1,428951 35,0093 0,960796 23,53951 70 1,617375 39,62568 0,637072 15,60827 80 1,647257 40,3578 0,40258 9,863206 90 1,764296 43,22525 0,122434 2,999635 110 1,473359 36,0973 -0,37021 -9,07008 135 1,135446 27,81842 -1,15545 -28,3084 160 0,415031 10,16825 -0,90726 -22,2278 170 0,13281 3,253841 -0,39303 -9,62934 180 0,060179 1,474397 -0,02407 -0,58976 4.2.3 Interpolação Numérica para o CD e CL Depois de obtidos os valores das forças de arrasto e sustentação e respetivos coeficientes de arrasto e sustentação optamos por realizar a interpolação numérica, visto que do software CFD realizamos testes para alguns ângulos, mas para uma análise mais detalhada de forma a obter um intervalo de 1 grau foi feita a interpolação numérica usando a função do Matlab Polyval. 32 Implementação de Vela Rígida Figura 4.6: Interpolação para [0;180] graus dos coeficientes de Arrasto em função do ângulo de ataque. Figura 4.7: Interpolação para [0;180] graus dos coeficientes de Sustentação em função do ângulo de ataque. Para utilização dos dados foi efetuada uma interpolação numérica de forma a aumentarmos o intervalo do ângulo de ataque αde [-180;180] obtendo os seguintes gráficos. 4.2 Estudo da Vela 33 Figura 4.8: Interpolação para [-180;180] graus dos coeficientes de Arrasto em função do ângulo de ataque. Pela observação da imagem, é possível constatar que a interpolação não tem um erro significativo, pelo que concluímos que para o Coeficiente Arrasto, a interpolação vai apresentar resultados satisfatórios. Figura 4.9: Interpolação para [-180;180] graus dos coeficientes de Sustentação em função do ângulo de ataque. Para a situação da interpolação para os Coeficientes de Sustentação notamos que para ângulos de ataque entre [-35;-20] e [20;35], a interpolação realizada através do comando Matlab Polyval, 34 Implementação de Vela Rígida apresenta um erro elevado, pelo que será necessário realizar a interpolação numérica recorrendo a outro método. Em seguida apresentamos o gráfico mais detalhado com os ângulos em que se denota um erro maior. Figura 4.10: Interpolação para [20;35] graus dos coeficientes de Sustentação em função dos ângulos de ataque críticos. De forma a diminuir o erro, optamos por utilizar a função do Matlab interp1 cúbica, e pela análise do gráfico da figura 4.11 é visível que esta aproximação é melhor que a anterior. Figura 4.11: Interpolação para [-180;180] graus dos coeficientes de Sustentação em função dos ângulos de ataque usando interp1(matlab). 4.2 Estudo da Vela 35 Em seguida vamos explicar como é que estes gráficos serão utilizados. Para além do ângulo de ataque variar, existe outro parâmetro que varia, que é a velocidade do vento aparente e da análise dos gráficos ilustrados anteriormente podemos concluir que a velocidade tem mais influência para ângulos de ataque críticos, e será nessa zona crítica onde muitas das vezes vamos trabalhar para manejar a vela, porque é onde os coeficientes são mais elevados. Com as simulações efetuadas anteriormente, em testes CFD para velocidades de 3 m/s, 5 m/s, 10 m/s, com estes resultados realizamos a interpolação para obter dados de um em um grau para o ângulo de ataque, e seguida alocamos os valores dos coeficientes em tabelas look-up tables para em tempo real realizarmos a interpolação pelos vizinhos mais próximos, de forma a minimizar o erro e obter os melhores resultados possíveis. Este último método realizado de interpolação pelos vizinhos mais próximos, é utilizado para reduzir o processamento de dados em tempo real. 4.2.4 Campo de Forças para Diferentes Direções do Vento A vela tem algumas limitações, nomeadamente o facto de ser impossível velejar contra o vento, porque a força de arrasto é sempre contrária à direção do vento, e a força de sustentação forma um ângulo de +90 ou -90 graus com a direção da força de arrasto, dependendo se teremos um ângulo de ataque positivo ou negativo. Quando for necessário velejar contra o vento, a melhor solução é alinhar a vela com a direção do vento, de forma à vela ter o menor impacto possível de modo a reduzir o arrasto criado pela mesma. Na imagem que se segue, é ilustrada a direção do vento aparente a - 90 graus, quais são as direções possíveis para a força resultante variando o ângulo de ataque da mesma, ou seja, obtemos todas as possibilidades de direções que o Zarco ASV consegue tomar, por isso em casos mais desfavoráveis teremos a necessidade de optar pela utilização de outro método de propulsão. Figura 4.12: Campo de forças da Força resultante para o vento com uma direção de -90 graus. 36 Implementação de Vela Rígida Capítulo 5 Integração da Vela na Embarcação Neste capítulo é explicada a notação utilizada nos eixos de coordenadas envolventes, bem como todos os seus ângulos. Em seguida é feita a modelação do veículo autónomo de acordo com as leis da mecânica clássica, para posteriormente construir um simulador do veículo com a inclusão da vela, de forma a avaliarmos o desempenho da evolução da dinâmica do veículo. Por último são apresentadas técnicas de controlo possíveis da utilização da vela como método de propulsão, concluídas com exemplos práticos. 5.1 Integração da Vela na Embarcação 5.1.1 Representação Axial da Embarcação com a Adição da Vela Rígida Agora vamos exemplificar a notação utilizada nos eixos de coordenadas que envolvem a embarcação para ao longo da dissertação se tornar mais percetível a interpretação dos resultados. Na figura 5.1 é possível observar que temos dois referenciais: um referencial Inercial fixo à terra, com coordenadas dadas pelo sistema NED (North, East, Down) em que XWA aponta sempre para norte (do mundo), e outro referencial fixo ao centro de massa da embarcação em que XBA indica a direção em avanço (surge) YBA a direção em deriva (sway). A velocidade de avanço e deriva representam a velocidade do barco em relação ao referencial Inercial expresso no referencial do barco. Em que ϕrepresenta a orientação da embarcação face ao norte da orientação terrestre. Figura 5.1: Representação do ângulo de orientação da embarcação face ao norte do mundo ϕ. 37 44 Integração da Vela na Embarcação nadas do veículo no referencial Inercial, e ϕé a rotação do veículo face ao norte do referencial Inercial fixado na terra. Em seguida apresentamos uma tabela com os parâmetros que constituem o modelo do barco. Tabela 5.1: Parâmetros do Modelo da Dinâmica. Parâmetros Descrição valor m Massa do Veículo 40 kg Iz Momento de inercia do veiculo 20 kg.m2 X˙uMassa adicionada em avanço -40 kg Y˙vMassa adicionada em deriva -80 kg N˙rMassa adicionada em guinada -20 kg.m XuCoeficiente de ajuste em avanço 50 kg.s−1 YvCoeficiente de ajuste em deriva -200 kg.s−1 NrCoeficiente de ajuste em guinada -60 kg.s−1 Xu|u|Coeficiente de arrasto da força em avanço -7 kg.s Yv|v|Coeficiente de arrasto da força em deriva -500 kg.s Nr|r|Coeficiente de arrasto da força em guinada -60 kg.s.m XactYactNact Atuação do veiculo N e Nm XwwYwwNww Distúrbios devido a vento e ondas N e Nm u, v, r Velocidade em avanço, deriva e guinada m.s−1e rad.s−1 ˙u,˙v,˙rAceleração em avanço, deriva e guinada m.s−2e rad.s−2 5.3 Simulador do Zarco ASV De modo a validarmos o modelo apresentado anteriormente, foi elaborado um simulador, que simula a evolução da dinâmica da embarcação. Este foi desenvolvido de forma modular em que, separamos a parte de controlo, que se altera mediante o objetivo a controlar, da parte da dinâmica do veículo com a alteração dos parâmetros não controlados. O principal propósito do simulador é avaliarmos o impacto das componentes que contribuem para a atuação do veículo autónomo, nomeadamente as componente Xact, Yact e Nact, sendo o principal objetivo observar o impacto que a vela tem sobre as diversas componentes do veículo. Na imagem seguinte temos os módulos em que são inseridas as componentes de atuação do veículo, e conseguimos avaliar a dinâmica deste, bem como determinar a sua posição deste no referencial do próprio e no Inercial. 5.3 Simulador do Zarco ASV 45 Figura 5.8: Modelo em Simulink do Simulador. Nas imagens que se seguem são apresentados os módulos em que se converte forças de atuação traduzidas para velocidades, com estas velocidades é possível obter a posição no veiculo. Para essa conversão no modulo plant são utilizadas as equações da modelização da dinâmica do ASV referidas em 5.1,5.2,5.3 , juntamente com os parâmetros da tabela 5.1 finalmente convertidas em velocidades [u,v,r], podendo estas ser traduzidas para posições, neste caso temos a posição do veículo [˙u, ˙v,˙ ϕ] no próprio referencial do barco. No modulo à direita, plant1 são utilizadas as equações 5.4,5.5,5.6, em que estas equações representam as velocidades do veiculo [u,v,r] juntamente com a matriz de rotação no referencial Inercial fixado à terra, em que [˙x, ˙y,˙ ϕ] são as coordenadas do veículo no referencial do mundo. Figura 5.9: Coordenadas do veículo no referencial do barco e no referencial do mundo. Em seguida apresentamos o módulo em que convertemos o vento real em vento aparente (AWA), em que o vento real é aquele que se faz sentir no mundo, que é diferente daquele que a embarcação sente, visto que à medida que a embarcação adquire velocidade o valor da velocidade do vento aparente diminui, tal como se o barco alterar a sua posição o ângulo do vento aparente (AWA) sofre alterações. Neste modulo os parâmetros de entrada são a velocidade e a direção do vento real, o os parâmetros de velocidade [u,v,r] do veículo no referencial do mundo, é realizada uma subtração vetorial, obtendo a velocidade e a direção do vento aparente. 46 Integração da Vela na Embarcação Figura 5.10: Módulo de conversão de vento real em vento aparente. Nos modelos seguintes temos os módulos em que transformamos as forças que cada vela produz, em forças de atuação no veículo, à esquerda temos o módulo em que, com um determinado ângulo de ataque, obtemos a força de arrasto e sustentação que a vela produz para isso utilizamos um método de consulta de tabelas, tabelas que são criadas anteriormente, baseadas na interpolação dos dados obtidos a partir do software CFD Simulation, de forma à pesquisa em tempo real ser mais fácil e menos demorada. À direita está presente o modulo em que convertemos as forças obtidas do módulo anterior em forças de atuação no referencial do veículo [Xactsail,Yactsail,Nactsail], tendo em conta o posicionamento das velas na embarcação. Figura 5.11: Módulos de pesquisa e conversão de forças das velas em forças de atuação no veículo. Com a junção dos módulos apresentados anteriormente construímos um simulador para avaliar o desempenho da embarcação com a influência da vela rígida. Ficará a faltar o módulo de controlo da vela face ao objetivo em causa, com esse controlador é determinado o ângulo da vela, bem como o ângulo de comando a ser dado para o servomotor acoplado à vela. Para validarmos o simulador desenvolvido vamos apresentar alguns exemplos: No primeiro exemplo ilustramos a situação em que o vento sopra de -90 graus, e a embarcação esta alinhada com o norte do referencial Inercial, e a vela fixa a 90 graus. 5.3 Simulador do Zarco ASV 47 0 2 4 6 8 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Grafico da vela fixa a 90º Posição Este Posição Norte Figura 5.12: Posição do veículo no plano Inercial com a vela fixa a 90 graus. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 −150 −100 −50 0 50 100 Grafico dos Ângulos embarcação Tempo (s) Ângulo (º) Ângulo de ataque Ângulo de orientação da embarcação Ângulo da vela Figura 5.13: Gráfico com a vela fixa a 90 graus com a direção do vento observamos a evolução da dinâmica da embarcação Pela analise dos gráficos apresentados anteriormente constatamos que para o caso em que fixando a vela na embarcação com um determinado ângulo, a embarcação roda em torno do eixo Z até a mesma se alinhar com a direção do vento, em seguida a mesma, segue a direção contraria à direção do vento, porque com a vela com um ângulo de 90 graus, a força de sustentação é nula e a força de arrasto é máxima. 48 Integração da Vela na Embarcação 5.3.1 Estratégias para Utilizar a Vela como Método de Propulsão Em seguida vamos exemplificar algumas utilizações práticas em que podemos tirar partido da vela como método de propulsão, bem como para auxiliar os propulsores elétricos. 5.3.1.1 Exemplo 1 Uma estratégia que pode ser implementada, no caso do Zarco ASV ficar com problemas nos propulsores elétricos e estes deixarem de atuar porque a bateria acabou ou alguma catástrofe fez com que os motores deixassem de funcionar, seria empregar a vela como método de propulsão, com o objetivo de tentar levar o barco para uma direção de segurança recorrendo unicamente ao vento. Tendo em conta as limitações que este método oferece, nomeadamente a impossibilidade de velejar contra o vento, são utilizados vários pontos de segurança nas diferentes direções do sistema de coordenadas NED, de forma a conseguir mover o Zarco com a utilização da vela. 5.3.1.2 Exemplo 2 Outra aplicação prática que a vela pode ter, é a de contrariar a corrente marítima, com um Nre f | obter o ângulo de comando para a vela que oponha essa rotação. 5.3.1.3 Exemplo 3 Por último outra estratégia de possível utilização é a partir de uma referência de velocidade [ure f ,rre f ] serem obtidas as referências de força e binário desejadas [Xact, Nact] que faça com que v = [u, r] convirja para vre f . Se considerarmos o conjunto de propulsores e cada vela um sistema de atuação, então a soma das forças e binários produzidos por cada um deles deve ser igual àquela do veículo, caso a vela não esteja no centro de massa do veículo, estas forças podem vir a gerar um binário. Então o nosso objetivo é obter o ângulo da vela à qual a potência que será utilizada seja a mais reduzida tendo em conta que nem sempre a máxima força fornecida pela vela é a melhor porque esta pode gerar um binário excessivo o que fará com que os motores sejam necessários para compensar a rotação gerada pela vela na embarcação. Então a estratégia que a vela pode seguir é determinar o seu ângulo de ataque para que dada uma ordem de atuação [Xact, Nact] esta minimize a potência gasta pelos propulsores elétricos. 5.3.2 Desenvolvimento do Exemplo 1 Depois de desenvolvido o simulador, foi realizado o modulo de controlo para a vela, tendo como objetivo obter o ângulo de ataque desejado e consequentemente o ângulo da vela, este controlo é baseado num método de pesquisa, que inicialmente são calculadas para cada instante todas as direções possíveis que a embarcação consegue tomar, e é escolhido o ângulo de ataque da vela que cumpre o objetivo de referência. Em seguida vamos exemplificar alguns exemplos conseguidos com o simulador. 5.3 Simulador do Zarco ASV 49 Primeiro caso temos o vento real de 5 m/s com direção de -75 graus, e uma direção objetivo de 80 graus, com a embarcação com um ângulo de orientação inicial de ϕ=−75. −5 0 5 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 Grafico com angulo objetivo 80 Posição Este Posição Norte Figura 5.14: Posição do veículo para o ângulo objetivo de 80 graus. É possível observar que o barco sofre uma ligeira curva devido ao facto de a vela não estar colocada no centro de massa da embarcação, pelo que isto provocara um binário de rotação no veiculo autónomo. 0 5 10 15 20 25 30 −150 −100 −50 0 50 100 Grafico dos Ângulos embarcação Tempo (s) Ângulo (º) Ângulo de ataque Ângulo de orientação da embarcação Ângulo da vela Figura 5.15: Primeiro exemplo em que obtemos o ângulo de ataque da vela, ângulo da vela, e ângulo de orientação da embarcação face a norte do referencial Inercial. 50 Integração da Vela na Embarcação Segundo caso com o vento real de 5 m/s com direção de -30 graus, para uma direção objetivo de 130 graus, com a embarcação com um ângulo de orientação inicial de ϕ=0. −5 0 5 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 Grafico com angulo objetivo 130º Posição Este Posição Norte Figura 5.16: Posição do veículo para o ângulo objetivo de 130 graus. Como o barco não esta alinhado com o vento, este gira em torno do centro de massa, até este se alinhar com o vento, quando o veiculo se alinha adquire mais velocidade, porque tendo em conta o modelo desenvolvido para a dinâmica do veiculo, o Zarco tem uma velocidade mais lenta quando veleja em arrasto (quando está perpendicular ao vento), então ele tenta em ficar paralelo ao vento para adquirir mais velocidade. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 −50 0 50 100 Grafico dos Ângulos embarcação Tempo (s) Ângulo (º) Ângulo de ataque Ângulo de orientação da embarcação Ângulo da vela Figura 5.17: Segundo exemplo em que obtemos o ângulo de ataque da vela, ângulo da vela, e ângulo de orientação da embarcação face a norte do referencial inercial. 5.3 Simulador do Zarco ASV 51 Terceiro caso com o vento real de 5m/s com direção de 45 graus, para uma direção de referencia de -145 graus, com a embarcação com um ângulo de orientação iniciar de ϕ=0. −5 0 5 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 Grafico com angulo objetivo −145 Posição Este Posição Norte Figura 5.18: Posição do veículo para o ângulo objetivo de -145 graus. 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 120 140 Grafico dos Ângulos embarcação Tempo (s) Ângulo (º) Ângulo de ataque Ângulo de orientação da embarcação Ângulo da vela Figura 5.19: Terceiro exemplo em que obtemos o ângulo de ataque da vela, ângulo da vela, e ângulo de orientação da embarcação face a norte do referencial inercial. 52 Integração da Vela na Embarcação Capítulo 6 Captura de Energia Neste capítulo insere-se a captura de energia de forma a melhorar a autonomia do Zarco ASV, para tal foi proposto o desenvolvimento de uma forma de recarregar as baterias off-grid, se for possível este método de recarregar contribuir diretamente para o acionamento dos motores de forma a aumentar a sua autonomia energética. 6.1 Utilização de Painéis Fotovoltaico O Zarco ASV está equipado com baterias para fornecer energia para os motores elétricos, mas esta energia não é infinita, estes motores funcionam enquanto as baterias conseguirem fornecer energia para os mesmos. Quando essa energia se esgotar, a embarcação poderia utilizar a vela como método de propulsão, mas caso o vento não exista, ou então este não sopre favoravelmente, a embarcação tornava-se inútil. Uma solução possível é a inclusão de um método de captura de energia com a utilização de um painel solar com a função de recarregar as baterias. Um painel fotovoltaico permite transformar a radiação solar em eletricidade através do efeito fotovoltaico. Este efeito fotovoltaico é dividido em 3 partes: absorção de luz, através da qual o material fotovoltaico restabelece uma parte do fluxo luminoso absorvido (luz solar ou luz de outras fontes luminosas artificiais) sob a forma de energia elétrica; transferência de energia dos fotões para as cargas elétricas, os materiais semicondutores, como todos os outros, são constituídos por átomos que possuem um núcleo e um conjunto de eletrões que gravitam em seu redor, onde os eletrões periféricos absorvem energia dos fotões libertando-se da influência do núcleo e podendo constituir uma corrente elétrica; e por último criação de corrente elétrica, e os eletrões deverão circular num circuito elétrico (corrente elétrica) tornando-se assim numa fonte de energia elétrica, através da junção de uma foto-pilha de silício, constituída por uma parte com fósforo (denominada de tipo N) e outra parte dopada com boro (denominada de tipo P), são separadas as cargas positivas das negativas, criando-se na fronteira destas duas partes um campo elétrico[24]. As principais vantagens da utilização de um painel solar para realizar a captura de energia são: não consome combustível; não produz poluição nem contaminação ambiental; É silencioso Tem 53 60 REFERÊNCIAS [15] Fernando Joel e Lopes Gamboa. Vela Rígida Aplicando Dinâmica dos Fluidos Computacional Engenharia e Arquitectura Nava l Presidente : Doutor Yordan Ivanov Garbatov Agradecimentos. [16] Aplicações A O Projeto Sae-aerodesign. Fundamentos da engenharia aeronáutica aplicações ao projeto sae-aerodesign. páginas 1–320, 2010. [17] By Irah Abbott e Albert E. Von Doenhoff. Theory of Including a Summary of Airfoil Data. Dover publications, INC New Yord PUBLICATIONS, INC. NEW YORK, New York, 1958. [18] S A E Aerodesign. Capítulo 2 fundamentos de aerodinâmica 2.1 –. páginas 15–112. [19] Liselotte A. Hoerner. Fluid-Dynamic Lift. 1985. [20] S. F. Hoerner. Fluid-Dynamic Drag. 1965. [21] Paul C. Klimas Robert E. Sheidahl. 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