SIMULAÇÃO NO WAsP VISANDO À REPOTENCIAÇÃO DO PARQUE EÓLICO DE BEBERIBE
Franciene I. P. de Sá1, Júlio C. Passos1, Yoshiaki Sakagami2, Pedro A. A. Santos1, Reinaldo Haas1, Frederico de F. Taves3
1 Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Santa Catarina
Campus Reitor João David Ferreira Lima, Florianópolis - SC – Brasil franciene.sa@lepten.ufsc.br, julio.passos@ufsc.br,
pedroazevedosantos@gmail.com, reinaldo.haas@ufsc.br 2 Instituto Federal de Santa Catarina
Florianópolis-SC-Brasil sakayoshi@gmail.com 3 Tractebel Energia Florianópolis-SC-Brasil fredericotaves@gmail.com RESUMO
O parque eólico de Beberibe, localizado na cidade de Beberibe-CE, na costa do nordeste brasileiro, é composto por 32 aerogeradores de 800 kW, totalizando 25,6 MW de potência. Na sua maioria, os aerogeradores do parque sofrem com o problema do efeito esteira. Neste estudo, são simulados novos layouts, com o auxílio do software WAsP a fim de se descobrir qual das variáveis, distância entre aerogeradores, diâmetro do rotor e fabricante, dentre os dois testados, apresenta maior influência sobre a produção anual de energia (AEP) e as perdas por esteira.
1 INTRODUÇÃO
Na construção ou repotenciação de um parque eólico é muito importante levar em conta a interação entre os aerogeradores [1], pois estes podem trabalhar parcial ou completamente na esteira dos aerogeradores vizinhos [2-3]. Como os aerogeradores extraem energia cinética do vento, atrás deles ocorre um decaimento da velocidade do vento de até 10%, o que causa uma diminuição em até 37% da sua potência disponível [1-4].
Para evitar estas perdas ou tentar reduzi-las ao máximo, é importante que se analise a distância entre aerogeradores, a intensidade turbulenta ambiente, a direção do vento e o layout do parque [3-4-5]. A distância recomendada entre os aerogeradores que estão situados na direção preferencial do vento é de 5 a 10 diâmetros do rotor e para aerogeradores situados na direção perpendicular do vento é de 2 a 5 diâmetros [4-6]. A influência da turbulência ambiente sobre a esteira é importante, pois quanto maior for esta mais distante a esteira irá se difundir e se espalhar atrás do aerogerador, afetando, assim, um maior número de aerogeradores [4]. A direção do vento e o layout do parque influenciam na esteira de cada aerogerador, pois podem mudar a orientação e localização das esteiras em um parque eólico. As esteiras podem ser vistas como troncos de cone que se expandem a partir do diâmetro do rotor, podendo, assim, aumentar ou diminuir o seu efeito sobre o parque e, consequentemente, a produção de energia de cada aerogerador [3].
A redução na produção de energia em um parque eólico devido às perdas causadas pelas esteiras, pode variar entre 2 e 20% dependendo da distância entre os aerogeradores e da turbulência ambiente. De acordo com [5], recomenda-se que os aerogeradores com altas perdas por esteira, superior a 12%, sejam realocados a fim de permitir uma melhora do layout do parque.
Uma forma de se verificar qual a melhor disposição dos aerogeradores e a melhor distância mínima entre eles é por meio de uma simulação numérica que utiliza modelos de esteiras [3].
Este estudo tem por objetivo simular, utilizando o software WAsP, diferentes layouts para o parque eólico de Beberibe.a fim de avaliar o efeito esteira sobre a produção anual de energia (AEP) em função da distância entre aerogeradores, do diâmetro do rotor e do tipo de aerogeradores, neste último caso são considerados dois fabricantes cujas curvas de potência fazem parte da biblioteca do WAsP.
2 PARQUE EÓLICO DE BEBERIBE
O parque eólico de Beberibe, chamado de Usina Eólica de Beberibe - UEBB, de propriedade da empresa Tractebel Energia, está localizado na cidade de Beberibe-CE e conta com 32 aerogeradores da Wobben Windpower, com diâmetro do rotor de 48 m e potência nominal de 800 kW, totalizando uma potência de 25,6 MW. A Figura 1 apresenta a disposição dos aerogeradores no parque, representados por pontos alaranjados, e a localização da torre anemométrica, representada por um ponto vermelho.
Figura 1 - Disposição dos aerogeradores no parque eólico de Beberibe
Conforme pode ser observado na Figura 1, no canto superior esquerdo, pelo menos cinco a nove aerogeradores estão próximos e parcialmente aglomerados, ao contrário dos demais que se perfilam ao longo de uma linha praticamente paralela à costa marítima. Os aerogeradores do setor com maior aglomeração estão sujeitos ao efeito esteira para a grande maioria das direções do vento. Segundo as simulações realizadas no software WAsP para o parque eólico de Beberibe, a produção anual de energia é de 89,95 GWh e a perda por esteiras é de 7,10%, concentradas nos aerogeradores localizados no canto superior esquerdo, Figura 1 [7].
3 METODOLOGIA
Foram realizados três diferentes testes a fim de verificar qual das variáveis (distância entre aerogeradores, diâmetro do rotor e tipo de rotor segundo o fabricante, 1 ou 2) apresenta maior impacto sobre a produção total de energia no parque eólico de Beberibe.
Nesses testes, buscou-se uma combinação de aerogeradores com vistas a uma futura repotenciação de modo a que a potência final do parque se igualasse ou superasse à atualmente existente, que é de 25,6 MW.
No primeiro teste, verificou-se a influência da variação do diâmetro do rotor do aerogerador. Foram testados rotores com diâmetros de 90, 100 e 112 m e dez aerogeradores localizados conforme mostrado, na Figura 2, sendo todos os aerogeradores do fabricante 1.
Figura 2: Disposição dos aerogeradores no teste 1 e no teste 3
No segundo teste, foi avaliada a influência da distância entre os aerogeradores e, consequentemente, a quantidade de aerogeradores inseridos no parque, respeitando a área total do parque (Figura 3). As distâncias testadas foram de 4 D (totalizando 10 aerogeradores), 3 D (totalizando 14 aerogeradores) e 2,5 D (totalizando 18 aerogeradores) para aerogeradores de diâmetro de 90 metros do fabricante 1.
Figura 3 - Disposição dos aerogeradores: (a) distância 4 D; (b) distância 3 D; (c) distância 2,5 D
No terceiro e último teste, foram utilizados dez aerogeradores com o mesmo diâmetro do rotor (100 m) e com potências nominais bem próximas, 2,6 MW para o fabricante 1 e 2,5 MW para o fabricante 2. A localização dos aerogeradores foi mantida constante ao longo do teste (Figura 2).
A Tabela 1 apresenta as principais características dos quatro aerogeradores utilizados nas simulações com o programa WAsP.
Tabela 1 Características principais dos aerogeradores
Modelo 1 2 3 4 Fabricante 1 1 1 2 Potência nominal (MW) 3 2,6 3 2,5 Ø do rotor (m) 90 100 112 100 Altura da nacele (m) 80 80 84 140 Vel. cut-in (m/s) 4 3,5 3 3,5 Vel. cut-out (m/s) 25 23 25 20
Isto fez com que o primeiro e o último teste necessitassem apenas de dez aerogeradores para alcançar a potência do parque, visto que a potência nominal de cada aerogerador é de 3 MW.
4 RESULTADOS
A seguir, serão apresentados os resultados para cada uma das simulações realizadas.
4.1 Teste 1 - Variação do diâmetro do aerogerador
Os aerogeradores (AGs) utilizados neste primeiro teste foram os modelos de 1 a 3, do fabricante 1, conforme indicados na tabela 1. A seguir, são apresentados os resultados encontrados em relação à produção anual de energia (Figura 4a) e a perda por esteiras (Figura 4b) para cada diâmetro de rotor simulado.
(a) (b)
Figura 4 - Resultados do teste 1: (a) AEP; (b) Percentual de perda por esteira
Não há uma grande variação entre a AEP em relação aos diâmetros de 90 e 100 metros, visto que a potência nominal do AG de 90 metros é maior que a o de 100 metros. Quando se compara os rotores de diâmetro de 90 e 112 metros, que possuem a mesma potência nominal percebe-se que a AEP para o AG com diâmetro de rotor de 112 m passa a ser uma vez e meia a do AG de 90m de diâmetro. Comparando-se os diâmetros dos rotores de 90 e 100 m observou-se um pequeno aumento da AEP, no caso do rotor de 100 m de diâmetro.
Nos três casos, o percentual de perda por esteira não mostrou muita alteração, sendo a diferença inferior a 1%. O aumento do percentual de perda por esteira, à medida em que se aumenta o diâmetro do rotor, pode ser atribuído ao fato de que como a base
dos aerogeradores é fixa e o diâmetro variável, a distância entre as pás vai diminuindo conforme se aumenta o diâmetro do aerogerador.
4.2 Teste 2 - Distância entre aerogeradores
No segundo teste foi utilizado o aerogerador do modelo 1 da tabela 1, para a realização dos testes. A Figura 5 apresenta os resultados da produção anual de energia e do percentual de perda por esteira, respectivamente.
(a) (b)
Figura 5 - Resultados do teste 2: (a) AEP; (b) Percentual de perda por esteira
Observando-se a Figura 5a, percebe-se que o incremento na AEP é, praticamente, linear. Porém, esta mesma linearidade não ocorre para o percentual de perda por esteira (Figura 5b), visto que, o valor quase triplica quando se comparam os resultados para as distâncias de 4 D e 2,5 D. Este aumento pode ser explicado pela redução da distância entre aerogeradores e pela disposição destes no parque.
4.3 Teste 3 - Comparação entre fabricantes
No último teste, conforme mencionado anteriormente, foram fixados dez aerogeradores com diâmetro de 100 metros (utilizando a mesma disposição do primeiro teste), porém de fabricantes diferentes. Os modelos utilizados neste teste foram o 2 e o 4 da tabela 1. A produção anual de energia e o percentual de perdas por esteira são apresentados na Figura 6.
(a) (b)
Figura 6 - Resultados do teste 3: (a) AEP; (b) Percentual de perda por esteira
A Figura 6 mostra que, apesar de o modelo do fabricante 2 possuir uma potência nominal um pouco menor do que o modelo do fabricante 1, o modelo do fabricante 2 forneceu uma AEP maior. Isto pode ser explicado pelo fato de a altura da nacele do fabricante 2 estar posicionada 60 metros acima da do fabricante 1 e, com isso, receber uma velocidade de vento maior, já que as simulações mostraram que a velocidade do vento para o fabricante 1 é de 8,2 m/s e para o 2 de 8,9 m/s.
O percentual de perdas por esteira para os dois casos é praticamente o mesmo, o que era esperado, já que o diâmetro e a distância entre aerogeradores são os mesmos nas duas simulações.
5 CONCLUSÕES
Os testes apresentados neste estudo mostram que é possível manter a mesma potência do parque de Beberibe com um terço dos aerogeradores que o parque possui hoje, e com isso reduzir a perda por esteira de 7,1% para 1,9% e aumentar a produção anual de 89,95 GWh para 96,50 GWh, no pior caso.
O estudo também mostra que a variável que mais afetou a perda por esteiras foi o espaçamento entre aerogeradores, pois quando se utilizou espaçamento de 4 D – testes 1, 2 e 3 – o percentual de perda ficou em torno de 2,10%, independendo do diâmetro do aerogerador, porém quando este foi reduzido para 3 D, o percentual subiu para 2,79% e reduzindo ainda mais o espaçamento para 2,5 D, ele aumentou para 5,41%.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio da ANEEL e da empresa Tractebel Energia, do CNPq e da Capes
NOMENCLATURA
AEP – Produção anual de energia
REFERÊNCIAS
[1] JOURIEH, M., Massouh, F., Kuszla, P., Dobrev, I., Maalouf, B. 2009. Impact of wind turbines interactions on power production. 19ème Congrès Français de Mécanique.
[2] BURTON, T., JENKINS, N., SHARPE, D., BOSSANYI, E. 2000. Wind energy handbook 2. Genebra: John Wiley & Sons.
[3] GONZÁLEZ-LONGATT, F., WALL, F., TERZIJA, V. 2011. Wake effect in wind farm performance: Steady-state and dynamic behavior. Renewable Energy 39(2012): 329-338. [4] MARTÍNEZ, A. C. Principios de conversión de la energia eólica. In: Sistemas Eolicos de Produccion de Energia Electrica. Madrid: Rueda, S.L., 2003. p. 27–95.
[5] JAIN, P. 2011. Wind Energy Engineering. Nova Iorque: McGraw-Hill.
[6] CASTRO, R. M. G. 2003. Energias Renováveis e Produção Descentralizada: Introdução à energia eólica. Lisboa: Universidade Técnica de Lisboa.
[7] de SÁ, F. I. P. 2015. Efeito da Esteira de Aerogeradores sobre a Produção de Energia do Parque Eólico de Beberibe. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 155p.
BIOGRAFIAS
Franciene Izis Pacheco de Sá – Formada em 2011 em engenharia mecânica pela UNISOCIESC de Joinville. Atualmente, esta finalizando a dissertação de mestrado no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, na UFSC, na área de energia eólica com foco em efeito esteira.
Júlio César Passos – Engenheiro mecânico pela UFRJ e doutor pela Universidade Paris 6, Professor titular do Departamento de Engenharia Mecânica, da Universidade Federal de Santa Catarina, Pesquisador 1D do CNPq. Atua na área de pesquisa em escoamentos com mudança de fase e energias renováveis.
Pedro Alvim de Azevedo Santos – Engenheiro de Produção Mecânica pela UFSC e mestre em Engenharia Mecânica pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFSC. Atua na área de energia eólica, zona urbana, análise de viabilidade, pequenos aerogeradores e parques eólicos.
Reinaldo Haas – Graduado em Física pela UFSC e Mestre e Doutor em Meteorologia pela USP. Atualmente, é professor do Departamento de Física da UFSC. Atua como pesquisador nas seguintes áreas: Modelagem Numérica com WRF e ARPS, Computação
Paralela, Dispersão de Poluentes no ar, Física de Nuvens, Previsão de Geração Eólica e Camada Limite Atmosférica.
Yoshiaki Sakagami – Mestre em Engenharia Mecânica, na área de concentração Engenharia e Ciências Térmicas pela UFSC (2010). Possui graduação em Meteorologia pela Universidade de São Paulo (2000) e especialização em Business Administration pela University of California Irvine (2003). Tem experiência em instrumentos meteorológicos e ambientais, Energia Eólica e Metrologia Ambiental. É professor do Instituto Federal de Santa Catarina.
Fredericdo de Freitas Taves – Engenheiro Mecânico e Bacharel em Física pela UFSC. Possui Mestrado Profissionalizante em Gestão de Projetos pela École Nationale Supérieure dês Mines de Saint-Etienne. Atualmente é Analista de Planejamento na Tractebel Energia e Gerente de Projeto de P&D na área de energia eólica.
