Dissertação
Estudo e desenvolvimento numérico do projeto de um gerador elétrico acionado por motor a pistão livre
Study and numerical development of an electrical generator powered by a free-piston engine project
Registro en:
Autor
Rodrigues, Roger Victor
Institución
Resumen
Due to the constant restrictions, that regulate the level of pollutants emissions, on the
market, the demand for more efficient alternatives for the conventional generators has
increased, mainly those which energy source are fossil fuels. The Free-Piston Engine is one
of those alternatives, as a concept that despite of the loss of popularity in the 60th of the
last century, has attracted the attention of the research centers in recent years. It presents
as advantages higher efficient, compactability, simplicity and easier maintainability, as well
as the possibility of variable compression ratio. Those features justify the scientific effort
made on this equipment. The assembly of a Free-Piston Engine and a Linear Electric
Generator is denominated as Free-Piston Generator, which applicability in hybrid vehicles
or as energy generator are widely referred. The objective of this work is to develop a
mathematical and numerical model of a Free-Piston Generator for design and optimization
purposes. Distinctly of the models available in the literature, the developed model must
consider the relation between the Free-Piston Engine and the Linear Generator in a way
that the dimensions and parameters of the electric element are also available for the final
user. To achieve this goal, a model of a permanent magnetic electric generator is derived
using a semi-analytical method, namely Subdomains Method, in order to estimate the
magnetic field distribution in the interior of the machine. The results of the model were
validated and compared with a Finite Element Method based model, and this comparison
highlighted the advantages of the chosen method: the low-computational cost and small
errors. To simulated the thermodynamic phenomena that are present in the Free-Piston
Engine, a zero-dimensional model is derived from the First Law of Thermodynamics
combined with inherent assumptions of the ideal gases theory. The derived model was
validated by comparison with a more sophisticated model, namely Homogeneous Two-Zone
Finite Release Cycle. The electromagnetic and thermodynamic models are associated with
a third model, the dynamic model, derived from the Newton’s Second Law, in order to
obtain the complete coupled model and meet the objetiv. To illustrate the capability of
the obtained model, a set of parametric analysis are made and observations on the relation
between the variables of the model are done. At the end, a procedure for design a Linear
Free-Piston Generator using the proposed model is described. CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Dissertação (Mestrado) As imposições dos órgãos governamentais que restringem os níveis de emissões de poluentes sobre o mercado têm impulsionado buscas por alternativas mais as eficientes aos
equipamentos geradores convencionais, principalmente aqueles cuja fonte de energia são os
combustíveis fósseis. Dentre essas alternativas, observa-se o motor de pistão livre, conceito
que apesar de perder popularidade na década de 60 do século passado, tem atraído a
atenção de diversos centros de pesquisas nos últimos vinte anos. As suas características
como maiores eficiência e compactabilidade, simplicidade e manutenção facilitada, além
da possibilidade de operar com taxa de compressão variável, justificam o esforço da comunidade científica em torno deste equipamento. Denomina-se por Moto-Geradores de Pistão
Livre o conjunto motor de pistão livre e gerador elétrico linear, cuja aplicação em veículos
automotivos híbridos ou como central de geração de energia elétrica é amplamente discutida. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo matemático e numérico de um
Moto-Gerador de Pistão Livre com o qual é possível projetá-lo e otimizá-lo. Diferentemente
dos modelos disponíveis na literatura, o modelo desenvolvido deve abranger o acoplamento
existente entre o motor de pistão livre e o gerador elétrico de tal forma que as dimensões
e os parâmetros do equipamento elétrico também sejam variáveis disponíveis ao usuário
do modelo. Para que o objetivo seja atingido, um modelo do gerador elétrico linear de
imãs permanentes é desenvolvido recorrendo-se a um método semi-analítico, denominado
Método dos Subdomínios, para estimativa da distribuição do campo magnético no interior
da máquina. Os resultados deste modelo foram validados e comparados com um modelo
baseado no Método dos Elementos Finitos, e estes destacaram as vantagens da técnica
escolhida, a saber: o baixo custo computacional e os baixos valores de erro em relação ao
modelo de referência. Para representar os fenômenos termodinâmicos presentes no motor
de pistão livre, um modelo termodinâmico adimensional é derivado a partir da Primeira Lei
da Termodinâmica associada a simplificações inerentes à teoria dos gases ideais. O modelo
desenvolvido foi validado por comparação com um modelo mais sofisticado, denominado
Homogeneous Two-Zone Finite Release Cycle. O acoplamento entre os modelos eletromagnético e termodinâmico, delimitados ao gerador elétrico e ao motor, respectivamente, é
feito através de um modelo dinâmico derivado a partir da Segunda Lei de Newton, com
o qual o objetivo do trabalho é atingido. Para demonstrar a potencialidade do modelo
obtido, uma série de análises paramétricas é realizada a fim de entender superficialmente as
relações existentes entre as diversas variáveis que compõem o modelo. Por fim, com as lições
aprendidas através das análises, um procedimento para o projeto de um Moto-Gerador
Linear utilizando o modelo desenvolvido é proposto.