GERAÇÃO EÓLICA. Neste capítulo serão abordados os seguintes pontos:

GERAÇÃO EÓLICA

Parte II – Potencial Eólico

Por ser renovável e ser produzida naturalmente, a energia eólica não provoca impactos ao meio ambiente. Atualmente a tecnologia dos aerogeradores para a produção eólica se encontra totalmente desenvolvida a nível comercial, ela está sendo vista como uma alternativa viável e eficaz para suprimento de energia em escala comercial. Além disto, a geração de energia através dos ventos não produz subprodutos perigosos, exige pouco tempo para implantação e é confiável tecnologicamente, além de apresentar modularidade e ser inesgotável.

Neste capítulo serão abordados os seguintes pontos: 1 – Circulação geral dos Ventos

2 – Equipamentos e medições em energia eólica 3 – Histogramas e distribuição de Rayleigh e Weibull

4 – Identificação de locais adequados para produção de energia eólica. 5 – Apresentação do programa WAsP

1 – Circulação Geral dos Ventos

1.1 - Origem dos ventos

A energia eólica é uma fonte de energia alternativa renovável que representa uma forma viável de abastecimento de energia elétrica. Esse tipo de geração de energia é uma forma secundária da energia solar, já que uma parte da radiação que atinge à Terra causa o movimento das camadas da atmosfera, como o vento ela está disponível no mundo inteiro, com maior ou menor intensidade.

envelope de ar, a atmosfera, recebe mais calor solar próximo ao Equador do que nas regiões polares. Mesmo assim, as regiões equatoriais não ficam mais quentes a cada ano, nem as polares ficam mais frias. É o movimento do ar ao redor da terra que ameniza a temperatura extrema e produz ventos na superfície tão úteis para a geração de energia. É este movimento do ar combinado com a rotação da terra que forma as correntes de vento.

Como todos os gases, o ar se expande ou aumenta de volume quando aquecido, e contrai e diminui de volume quando resfriado. Na atmosfera o ar quente é mais leve e menos denso do que o ar frio e se eleva a altas altitudes quando fortemente aquecido pelo sol. O ar aquecido próximo ao Equador fluirá para cima, e então, na direção dos pólos onde o ar próximo à superfície é mais frio. As regiões terrestres próximas aos pólos agora têm mais ar, pressionando-as, e o ar da superfície mais fria tende a deslocar dessas áreas e movimentar-se na direção do Equador. (Fig. 2.1)

As correntes ascendentes do equador são mais intensas do que as das outras zonas da terra, por isso produzem ventos de 30 a 50 km horários e a rotação da terra, interfere com a direção dos ventos, entre os pólos e o equador, provocando uma resultante inclinada em relação a perpendicular pelo equador.

Perturbações magnéticas solares produzem os ventos de grandes altitudes, conhecidos pelos aeronautas como tempestades de céu claro, depois estudos mais acurados, comprovaram existirem as correntes de grandes altitudes, utilizadas para economizar combustível nos vôos intercontinentais.

Os centros de baixa pressão que ocorrem na superfície da terra, produzem correntes ascendentes de cerca de 50 km/hora e ventos de superfície de igual intensidade, convergentes para o centro de baixa pressão, que, influenciados pelos desvios da rotação da terra, geram movimentos rotacionais, conhecidos como furacões, tão comuns na região do equador.

Figura 2.1 – Circulação global do vento

Na figura 2.1, acima, pode-se ver duas grandes circulação de correntes de vento. A primeira circulação, chamada de Circulação Rossby, acontece nas regiões temperadas, tanto no hemisfério norte, como no hemisfério sul. Estas regiões estão compreendidas entre os paralelos 30 e 60º norte e sul, respectivamente. Esta circulação tem a forma de onda, e tem origem pelo movimento de ar quente que se dirige para os pólos e o ar frio se dirigindo para a região subtropical.

A circulação Hadley fica compreendida entre os paralelos 30º N e 30º S. Esta circulação transporta massas de ar tropical quente e úmida, resultando em uma constante movimentação de ar na direção nordeste e sudeste. Esta inclinação de direção é devido ao movimento de rotação da terra.

Além destas duas grandes circulações, ainda existem outras duas grandes circulações: as monções e os ciclones tropicais.

- Os ciclones tropicais: Grandes massas de ar quente e seco se elevando na região do equador induzem fortes perturbações no clima com ventos de alta velocidade, de até 60 m/s, no sudeste asiático (hemisfério sul) são denominados de tufão, e na região do caribe (hemisfério norte) são conhecidos como furação.

1.2 - Circulação Local dos Ventos

A força motora primária da brisa do mar é a diferença de temperatura entre a terra e o mar. (Fig. 2.2). Quando essa diferença é grande e diurna, podem ser esperadas brisas marinhas relativamente fortes durante as horas da tarde e no começo da noite. As brisas marinhas mais intensas são encontradas naquelas regiões subtropicais secas, ao longo da costa oeste de continentes onde haja um oceano frio. É precisamente nessas regiões que o vento predominante é geralmente fraco e a brisa marinha local é na verdade quase a única fonte de energia eólica por grande parte do ano.

Figura 2.2 – Produção da Brisa do Mar – Aquecimento desigual entre o mar e a terra.

1.3 - Características do vento

Conforme se pode notar nas figuras 2.2 e 2.3, a quantidade de energia disponível no vento (massa de ar em deslocamento) varia de acordo com as estações e as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo também tem grande influência na distribuição de freqüência de ocorrência de velocidade do vento em um local.

Há três componentes do que determinam a potência do Sistema de Conversão de Energia Eólica:

1) Velocidade do Vento

2) Características do Vento relacionado à topografia 3) Densidade do ar.

1.3.1 – Velocidade do Vento

Dos três fatores que determinam o potencial eólico disponível, a velocidade do vento é sem dúvida, a mais importante, uma vez que a produção de energia eólica aumenta com o cubo da velocidade do vento. Por exemplo, se em um determinado local se tem uma velocidade de vento de 4 m/s, e havendo um aumento de velocidade de 25%, a velocidade do vento assume o valor de 5 m/s. A produção de energia sobe de 100% para 195,31%, ou seja um incremento de mais de 95%.

) .( . . 2 1 _AV3 _EPF P = ρ

1.3.2 - Características do Vento relacionado à topografia

Portanto, um bom conhecimento do local, com a instalação de um sensor de medição de velocidade de vento poderão indicar realmente se um local é ou não adequado para se instalar um parque eólico.

A seguir, listaremos algumas orientações relacionando a velocidade do vento e um acidente geográfico:

• Serra; • Precipício; • Vales, e

• Obstáculos em terreno plano: Construções e Árvores. 1 ) Serra

As serras podem funcionar como um perfil aerodinâmico, acelerando as correntes de vento que nela chegam. Como isto se pode ter três vantagens em se instalar um aerogerador em uma serra:

a) Funciona com uma torre;

b) Pode evitar parcialmente os efeitos não aconselháveis do esfriamento próximo do solo, e

c) A encosta da serra pode acelerar o fluxo de ar sobre ela, aumentando a energia disponível.

Na figura 2.4 mostra como se comprime o ar quando se aproxima de uma serra e forma uma camada mais fina que o faz se acelerar.

Além deste aspecto, a orientação da serra em relação à direção predominante do vento é também um fator importante para determinação da intensidade da aceleração do vento. A figura 2.5 mostra estas diversas situações:

Figura 2.5 – Influência da posição da montanha em relação a direção predominante do vento.

(A) – Vento principal perpendicular ao eixo da serra – Melhor situação. (B) – Vento principal obliquo ao eixo da serra – Situação boa.

(C) – Vento principal paralelo ao eixo da serra – Situação razoável.

(D) – Vento principal perpendicular ao eixo de uma serra côncava – Situação boa, e (E) – Vento principal perpendicular ao eixo de uma serra convexa – Situação menos

aconselhável que a anterior.

Figura 2.6 – Variação percentual da velocidade do vento em uma serra ideal

Mesmo havendo o afeito acelerador de uma serra, deve-se tomar cuidado com a diminuição da velocidade do vento em seu topo se o mesmo for plano, como mostra a figura 2.7.

(1) – Redução de velocidade normal, devido à rugosidade do terreno.

(2) – Aumento da velocidade pelo efeito acelerador da serra. (3) – Diminuição de velocidade

devido à forte turbulência. (descolamento da camada limite)

Figura 2.7 – Redução de velocidade sobre um platô 2 ) Precipício

Um precipício é qualquer escarpa com largura suficiente (10 vezes maior do que sua altura) de modo a obrigar que a maior quantidade de sua massa de ar circular por sobre o seu topo.

Os fatores que influenciam o fluxo de ar sobre os precipícios são sua rampa, tanto a barlavento como a sotavento, sua altura e a rugosidade do terreno à sotavento.

Figura 2.8 – Fluxo de ar sobre precipícios com diversas formas de rampa.

Como são vários fatores que combinados complexamente afetam a velocidade de vento, a melhor estratégia é realizar medições de vento durante várias situações de velocidade de vento, para se determinar adequadamente à conveniência de um local. Entretanto, como forma orientativa quando se escolhe um precipício, deve-se ter em conta os seguintes pontos principais:

1) Evidentemente os melhores precipícios são aqueles que estão sobre um forte fluxo de ar, sem anteparos – (como árvores ou outro obstáculo);

2) Além disto, a melhor situação de um precipício é quando seu eixo está perpendicular a direção principal do vento (Fig.2.5 (A));

3) Para precipícios com mais de trinta metros, deve-se ter cuidado, pois a turbulência costuma ser grande;

4) Os lugares muito perto de sua base devem ser evitados;

5) Para precipícios tipo (D), deve-se ter muito cuidado, já que a indução de turbulência é mito grande;

6) A deformação de árvores e vegetação pode revelar o padrão de vento nas proximidades de um precipício, e

7) Os melhores locais normalmente se encontra entre 0,25 e 2,5 vezes a altura do precipício à barlavento, desde que sempre se possa evitar á área de intensa turbulência, durante todas as condições de vento.

3 ) Vales

O comportamento do fluxo de ar em um vale depende de fatores, tais como: a orientação do vale em relação à direção principal do vento, rampa, altura e largura das serras adjacentes e a rugosidade do vale.

sua máxima velocidade, este processo vai até pouco depois do nascer do sol. Os ventos das serras são geralmente mais fortes do que os dos vales.

Entretanto existem também vales que não estão associados diretamente com serras ou montanhas, nestes casos, a grande vantagem desta situação é o direcionamento que o vale exerce sobre a direção do vento, canalizando-o, muito embora esta velocidade só será efetivamente acelerado se houve um estreitamento do vale que force uma compressão da massa de ar, de sorte que produza uma aceleração.

4 ) Obstáculos em terrenos planos

Os obstáculos alteram o fluxo de ar a sotavento, reduzindo a velocidade de vento, bem como aumentam as trocas rápidas de sua direção e intensidade (produção de turbulência).

Portanto áreas sobre os efeitos dos obstáculos devem ser evitadas, uma vez que há uma redução da potência eólica, bem como uma redução da vida útil de pequenos aerogeradores (aumento de fadiga).

4.1 ) Construções

As edificações também produzem uma zona de interferência, conforme pode se ver na figura 2.9.

Figura 2.9 – Zona de interferência devido a uma edificação

vezes a altura do prédio na direção de sotavento, com uma altura de cerca de duas vezes a altura da edificação.

Caso se deseje instalar um aerogerador nestas proximidades deve-se respeitar os limites acima descritos, que se detalha a seguir:

• a barlavento, a uma distância de mais de duas vezes a altura da edificação;

• a sotavento, a uma distancia mínima de, pelo menos vinte vezes a altura da edificação, e

• caso que queira instalar o aerogerador diretamente à sotavento, sua altura deve ter pelo menos duas vezes a altura da edificação.

4.2 ) Árvores

Uma fileira de árvores ou uma pequena floresta causa igualmente alterações no fluxo normal de vento. Esta zona de influência está mostrada na figura 2.10 abaixo. Portanto as áreas de influência das árvores devem ser evitadas para se obter o melhor rendimento dos geradores eólicos.

Caso haja árvores separadas, a zona de influência é maior, porém seus efeitos são menores. As distâncias que se deve considerar são aproximadamente iguais às das edificações.

Figura 2.10 – Zona de influência provocada por árvores

intensidade do fluxo de ar. Falou-se também que a esta diminuição de velocidade de vento está associação a geração de uma zona de turbulência. Portanto faz-se necessário definir o que seja turbulência.

A turbulência se caracteriza por rápidas perturbações ou irregularidades na velocidade do vento, em sua direção ou em ambos. É comum indicar a turbulência como sendo o desvio padrão da velocidade horizontal do vento, pela velocidade média do vendo, o que resulta na seguinte expressão da Intensidade da Turbulência (TI):

vento do média Velocidade e velocidad da padrão Desvio cia daTurbulên e Intensidad =

Turbulências com TI igual ou menor á 10% são consideradas turbulências baixas Para turbulências moderadas, este índice assume o intervalo entre 10 a 25%. Acima deste valor, a turbulência é considerada alta, e indesejável.

1.3.3 – Densidade do Ar

Este é o último fator que afeta a potência disponível do vento. Temperaturas baixas produzem densidades de ar mais altas. Maior densidade significa maior quantidade de moléculas (massa) de ar em um determinado volume de ar dado, portanto maior quantidade de energia cinética (eólica) será transferida às pás do aerogerador.

Para regiões onde haja variações de temperatura ao longo de um ano, estima-se em 25% a variação de potência devido à variação da densidade do ar.

Outro aspecto que interfere na densidade é a altitude. Para cada 330 m de elevação sobre o nível do mar, a densidade diminui 4%

2 – Equipamentos e medições em energia eólica

adequada para se poder avaliar corretamente o potencial eólico de um determinado local, já que a potência eólica é extremamente sensível à velocidade do vento.

A velocidade do vento se mede com um equipamento denominado anemômetro. Existem vários tipos deles, mas o largamente utilizado é o anemômetro de conchas. 2.1 - Anemômetro de concha

Como já mencionado, os anemômetros de concha são largamente utilizados por muitas razões. Eles são bem conduzidos na direção principal do vento, tendem a ter custos mais atrativos que outros modelos, além de ser mais robusto.

Apesar destas vantagens, eles apresentam limitações gerais deste tipo de equipamento, quais sejam:

• Não possui sensibilidade do ângulo de ataque fora do plano horizontal; • Resposta dinâmica;

• Não linearidade da calibração e variação na calibração causada pela fricção mecânica ou devido a forma das conchas, ainda em alguns casos: sensibilidade em mudanças na calibração com a direção horizontal do vento.

Portanto quando especificado ou selecionado este tipo de anemômetro, deve-se ter em mente estes efeitos, tanto em nível de suas causas ou conseqüências.

2.1.1 - O que é um anemômetro de concha

Consiste de três conchas hemisféricas ou cônicas , montadas em um rotor horizontal, que por sua vez está encaixado em um eixo vertical que move um gerador de sinal.

a velocidade horizontal da velocidade, √ (u2 _{+ v}2_{) e não a magnitude do vetor na} horizontal .

Para medições de velocidade de vento em terrenos inclinados, ou quando em medições de testes em aerogeradores, o rotor dos anemômetros tem a característica de balançar, por isto, pode-se argumentar que o anemômetro ideal é aquele que meça não a velocidade horizontal, mas sim a velocidade total, desde que esta velocidade é de fato a real e disponível que será utilizada pelos aerogeradores para a produção de energia. Infelizmente nenhum anemômetro existente no mercado possui, perfeitamente, este tipo de comportamento, embora esta questão esta sendo discutido.

Todo anemômetro ao ser utilizado para medição de vento, de algum modo interfere no fluxo de vento, e conseqüentemente na própria medição. Assim, o projeto de um anemômetro deve ser executado de tal forma que esta influência seja minimizada. A figura 2.11 mostra um anemômetro com boas qualidades, que se pode resumi-las da seguinte forma:

• longo eixo vertical – minimiza os efeitos de distúrbios do corpo do anemômetro;

Figura 2.11 - Característica de um anemômetro ideal.

A figura 2.12 já mostra um anemômetro com baixas qualidades de projeto, tais como:

• eixo vertical curto – isto possibilita uma grande turbulência devido à proximidade do corpo do anemômetro;

Figura 2.12 - Característica de um anemômetro com baixo desempenho.

Tabela 2.1 – Características mínima de um anemômetro

Parâmetro Unidade Valor mínimo Valor máximo Velocidade do vento (média de 10

minutos) m/s 4 16 Intensidade de Turbulência (10 minutos) % 5 100*(1.13/u + 0.12 ) Temperatura do ar C -10 40 Densidade do ar Kg/m3 0.90 1.35 Inclinação do terreno -10 10

Obs: u é a velocidade de vento predominante 2.3 - Prática de campo

Como um anemômetro é utilizado, pode introduzir erros tão grandes quanto aqueles causados por erro de calibração ou deficiência de projeto. É bastante claro que se um anemômetro esta operando na sombra (esteira) do mastro principal da medição meteorológica, a sua indicação não refletirá a velocidade real do vento. Agora, não é tão óbvio o fato que o fluxo pode ser distorcido a barlavento da torre ou acima desta, pode ser significante. Portanto uma adequada distancia deve ser mantida entre o rotor do anemômetro e sua estrutura de fixação principal para manter tais efeitos em níveis baixos e aceitáveis.

Para evitar problemas, é inquestionável que a colocação do anemômetro no topo do mastro é a melhor posição. Mas isto nem sempre pode ser possível, uma vez que se pode desejar medir a velocidade do vento em diferentes alturas para determinar o perfil de sua camada limite (distribuição vertical da velocidade do vento).

2.3.1 – Distribuição vertical da velocidade do vento

Figura 2.13 – Distribuição vertical da velocidade do vento

Como é impossível se medir as velocidades do vento em todas as alturas, existem métodos utilizados para extrapolar e determinar valores de velocidades de vento em determinadas alturas, deste que se conheça alguns parâmetros.

Hellmann apud Molly sugere a seguinte expressão:

α













=

H

H

V

V

onde: V0 – é a velocidade observada à altura H0 V - é a velocidade observada à altura H Z – é a altura média de H e H0

Z0 - é o coeficiente de rugosidade

Tabela 2.2 – Rugosidade Z0 com a variação do tipo de superfície

Superfície Rugosidade Z0 [m]

Água ou gelo 0,0004

Grama rala 0,002

Grama alta ou Superfície rochosa 0,05

Pasto 0,20 Distritos ou bairros afastados 0,6

Florestas, cidades 1 - 5

A altura H0 é geralmente a altura da medição de vento, e o coeficiente α varia entre os valores 0,10 a 0,40.

A variação da velocidade com a altura pode também ser expressa pela seguinte fórmula:

























=

z

H

z

H

V

V

_ln

ln

onde estes valores têm o mesmo significado anterior.

2.3.2 – Mastros cilíndricos

A distância entre o mastro e o anemômetro reflete o nível de exatidão que se admite como desejável. Para avaliação de potencial eólico, este nível de exatidão deve ser alto, uma vez que envolve investimentos com garantia de retorno deste investimento. A figura 2.13 mostra as zonas de interferência produzidas por uma torre cilíndrica.

Figura 2.14 – Zonas de interferência em um mastro cilíndrico.

Como se pode notar, a melhor posição de colocação do anemômetro se localiza à 45º em relação à direção principal do vento, uma vez que a turbulência é a menor.

Genericamente se pode observar que na frente do mastro há uma desaceleração do fluxo do vento, nos lados há uma aceleração, e por trás há uma zona de sombra (esteira).

2.3.3 – Mastro em treliça

orientação do vento e da distância entre o mastro e o anemômetro. A figura 2.14 mostra as zonas de interferência causadas por um mastro treliçado de seção triangular.

Figura 2.15 – Zonas de interferência em um mastro treliçado, com seção triangular. Como se pode notar, a melhor posição de colocação do anemômetro se localiza à 90º em relação à direção principal do vento, uma vez que a turbulência é a menor.

Como acontece com o mastro cilíndrico, se pode observar que na frente do mastro há uma desaceleração do fluxo do vento, nos lados há uma aceleração, e por trás há uma zona de sombra (esteira).

2.4 – Sensor de medição de direção de vento

Além da intensidade da velocidade de vento, medida através de um anemômetro, faz-se necessário também se medir a direção do vento. Esta medida é de extrema importância, uma vez que permite posicionar corretamente o anemômetro. A relevância não se dá só devido a este fato, mas também orientará o adequado posicionamento das torres dos aerogeradores, já que como foi visto anteriormente, obstáculos à barlavento provocam perturbações no fluxo de ar – sombra (esteira).

ponto norte. O norte que se deve direcionar o sensor é o norte verdadeiro, isto, é o norte magnético acrescido da deflexão magnética. (figura 2.16)

Figura 2.16 – Sensor de medição de direção de vento 3 – Histogramas e distribuição de Rayleigh e Weibull

3.1 – Histograma

Para a avaliação da produção de energia elétrica de uma instalação eólica, da qual se conhece a curva de potência em função da velocidade do vento, faz-se uso do histograma da velocidade do vento do local da instalação, conforme mostrado na figura 2.17.

A produção total pode, assim, ser estimada através da equação

E_total= Σh_iP T_i

onde T representa o período total considerado, Pi a curva de potência e hi a freqüência relativa de cada classe de velocidade do vento vi, sendo esta freqüência fornecida por

T t

h i

i =

onde ti é o período no qual foi registrada a classe de velocidade do vento vi.

Determinado o histograma da velocidade do vento, procura-se aproximar o mesmo através de uma função; as duas funções mais utilizadas são:

3.2 - Distribuição de Rayleigh

esta distribuição é fornecida pela equação

h v v e r v v = −         π π 2 2 4 2 _ _

onde v representa a velocidade média do vento. Para locais que têm disponíveis apenas valores de velocidades médias, através da distribuição de Rayleigh podem ser realizados prognósticos aproximados da produção de energia elétrica.

3.3 - Distribuição de Weibull K A V K

e

A

V

A

K

v

f













=

)

(













₊

=

K

A

434

,

0

568

,

0

V

constitui uma generalização da distribuição de Rayleigh e é calculada através de

h k A v A e w k v A k = _ _ − _−   ( 1)

Uma relação aproximada entre os parâmetros A e k e a velocidade média do vento é dada por v Ak k k _ , , , ≈ − + − 0 287 1 0 688 0 1 .

O fator de forma pode ser investigado a partir do grau de turbulência TI, que é a relação entre o desvio padrão da velocidade do vento e a velocidade média do vento; desta forma, quanto menor a oscilação, maior o valor de k. O valor de k=2 corresponde à distribuição de Rayleigh.

A figura 2.18 mostra o ajuste das curvas de Reyleigh e Weibull em um determinado histograma.

Figura 2.18 – Ajuste aproximado de um histograma através das distribuição de Reyleigh e Weibull

4 – Identificação de locais adequados para produção de energia eólica.

uso em algum tempo de pequenos cataventos para o bombeamento de água, brincadeiras infantis, como “soltar arraia” e histórias narradas pela população local. Em relação ao aspecto biológico o fato mais marcante é a deformação das árvores devido à influência do vento. Nestes casos as árvores têm a copa deformada na direção do vento, e não raro seu caule acompanha tal deformação. Os aspectos naturais mais visíveis são a erosão eólica, provocada no relevo, e movimentação de dunas. Neste aspecto, as dunas dão uma indicação da direção dos ventos, bem como indicam em qual região as velocidades são maiores.

Após este identificação preliminar, tem-se que proceder medições de vento, que só assim pode-se garantir uma boa avaliação a qualidade dos ventos existentes naquele local.

5 – Apresentação do programa computacional WAsP

O programa WasP – Wind Atlas Analysis and Application Program é um programa desenvolvido para ser utilizado em computadores pessoais para extrapolação horizontal e vertical de dados de vento. Este programa possui uma série de modelos para calcular os efeitos dos obstáculos, as mudanças da rugosidade de uma superfície e variações de altura de um terreno sobre o fluxo de ar.