Sistema aberto de aquisição de dados meteorológicos para caracterização de recursos eólicos

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Douglas Rocha Ferraz

Sistema aberto de aquisi¸

c˜

ao de dados meteorol´

ogicos

para caracteriza¸

c˜

ao de recursos e´

olicos

Campinas 2014

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Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia El´etrica e de Computa¸c˜ao

Douglas Rocha Ferraz

Sistema aberto de aquisi¸cão de dados meteorológicos para caracteriza¸cão de recursos eólicos

Disserta¸cão de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computa¸cão como parte dos requisitos exigidos para a obten¸cão do t´ıtulo de Mestre em Engenharia Elétrica. Área de concentra¸cão: Automa¸cão.

Orientador: Prof. Dr. Yaro Burian Jr.

Este exemplar corresponde `a vers˜ao final da tese defendida pelo aluno, e orientada pelo Prof. Dr. Yaro Burian Jr.

Campinas 2014

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Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura

Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129

Ferraz, Douglas Rocha,

1984-F413s FerSistema aberto de aquisição de dados meteorológicos para caracterização de recursos eólicos / Douglas Rocha Ferraz. – Campinas, SP : [s.n.], 2014.

FerOrientador: Yaro Burian Junior.

FerDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.

Fer1. Geração de energia . 2. Energia eólica. 3. Telemetria. 4. Controle metrorologico. I. Burian Junior, Yaro,1940-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. III. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: An open source system for wind resource assessment Palavras-chave em inglês:

Energy generation Wind energy Telemetry

Meteorological control

Área de concentração: Automação Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica Banca examinadora:

Yaro Burian Junior [Orientador] José Teixeira Filho

Fabiano Fruett

Data de defesa: 20-08-2014

Programa de Pós-Graduação: Engenharia Elétrica

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Resumo

O sistema constru´ıdo nesta tese estima a gera¸cão elétrica em determinado local pass´ıvel de instala¸cão de uma usina de gera¸cão eólica. Sua arquitetura utiliza um processador que recebe dados de uma esta¸cão meteorológica de baixo custo e as envia para um servidor na nuvem. Este servidor analisa os dados e as proje¸cões de gera¸cão eólica podem ser estimadas em tempo real.

Palavras-chave: gera¸c˜ao e´olica, sistemas embarcados, telemetria

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Abstract

The following thesis describes the construction and implementation of an open-source wind resource assessment system. The architecture uses an embedded processor that fetches environmental data from a low-cost weather station, and sends it to a cloud server where analyses such as projections of energy generation potential can be made in real time. The authors believe such a system can facilitate the inexpensive assessment of wind resources, especially in developing and transition economies, and thereby contribute to the development of renewable energy systems.

Key-words: wind energy generation, embedded systems, telemetry

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xi

Conteúdo

1 Introdução e Problemática

1 1.1 Consumo energético sob perspectiva histórica

1 1.2 A equação de impacto humano

6 1.3 Matriz Energética Global

9 1.4 Energia Elétrica no Brasil e no Mundo

11 1.5 Incentivos ao consumo de combustíveis fósseis

12 2 Energia Eólica

14 2.1 Histórico

14 2.2 Energia Eólica no Brasil e no Mundo

15 2.3 Inserção deste projeto de mestrado

16 2.4 Características do Recurso Eólico

16 2.5 Potencial de Recurso Eólico

17 2.6 Turbulência

19 2.7 Fluxo laminar e sua variação com a altitude

19 2.8 Estimativas de recurso eólico

21 2.9 Dados para análise de recursos eólicos

23 3 Sistema de aquisição de dados

26 3.1 Arquitetura

26 3.2 Hub

27 3.3 Aspectos gerais de Firmware

30 3.4 Interface de Memória SD

31 3.5 Interface USB

33 3.6 Estação meteorológica WH-1080

52 3.7 Interface Ethernet e TCP/IP

60

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xii

3.9 Interface com usuário

63 3.10 Montagem

63 4 Testes e Validação

67

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Aos que viver˜ao de nosso legado.

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Agradecimentos

Agrade¸co,

ao Senhor, doador da vida, origem e fim de toda arte, filosofia e ciˆencia.

à minha esposa Cláudia, meus pais Dina e Paulo e meu irmão Denis pelo seu suporte e incentivo ao prosseguimento deste trabalho.

ao prof. Yaro Burian Jr. pelos diversos anos de prestigiosa orienta¸c˜ao e paciˆencia.

aos professores: Ana Cristina Lyra, César José Pagan, Romis Attux e Fabiano Fruett, pelo apoio na qualifica¸cão deste trabalho e nos valorosos cursos oferecidos.

ao prof. José Teixeira Filho e ao sr. Sérgio Lopes, ambos da FEAGRI, sempre prestativos e fundamentais para a instala¸cão f´ısica deste trabalho em campo.

aos membros da banca examinadora pelos coment´arios e contribui¸c˜oes que ajudaram a melhorar a qualidade e o texto deste trabalho.

ao prof. Charles Elworthy da Universidade de Oxford e Universidade de Szczecin pelas valorosas discuss˜oes e oportunidade de dar prosseguimento aos trabalhos da funda¸c˜ao Bhuu.

aos colegas de trabalho Leonardo Tamura, Daniel Berners, D´ecio Rocha, Alex Massadi e Con-rado Almeida pela incentivo e flexibilidade dadas para a realiza¸c˜ao desta empreitada.

à FEEC/UNICAMP, pela estrutura e oportunidade de realizar um trabalho independente. ao CEPAGRI pelos dados de sua esta¸cão meteorológica.

à CAPES/MCT pelo portal de periódicos eletrônicos, que permite o acesso rápido e eficiente ao conhecimento cient´ıfico.

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A luz solar é uma forma de energia, vento e as cor-rentes mar´ıtimas manifesta¸cões desta energia. Fa-zemos uso delas? Ah, não! Nós queimamos flores-tas e carvão, como inquilinos queimando a porta de nossas casas para nos aquecer. Nós vivemos como colonos selvagens e não como se esses recursos nos pertencessem.

Thomas Edison, 1916 Parece para mim que à medida que nossa ciência fica mais especializada, cada um de nós se inclina a dar mais ênfase em nossa especialidade, em nossa própria disciplina. Isso cria grandes dificuldades quando tentamos transmitir uma visão global do impacto da ciência e da tecnologia, (...) precisamos encorajar uma certa atitude entre nossos jovens ci-entistas: enquanto alguns deles ficam em sua es-pecialidade e disciplina, outros devem trabalhar de forma integrada através de diversas disciplinas.

Je↵rey D. Sachs

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Cap´ıtulo

1

Introdu¸c˜ao e Problem´atica

1.1 Consumo energ´

etico sob perspectiva hist´

orica

Utilizamos os recursos que no alvorecer de nossa civiliza¸cão nos pareceram infindáveis. Du-rante milhares de anos a humanidade viveu o conceito das terras e mares inexplorados, e o infinito e o imperscrutável permeou de maneira indistinta os céus, a terra e os mares desconhe-cidos no imaginário coletivo do homem.

Podemos vasculhar nossa pré-história em busca dos primeiros ind´ıcios de altera¸cões geográfi-cas e ambientais em nosso planeta e encontraremos há mais de 10 mil anos o homem pré-histórico transformando através do fogo diversas florestas com o intuito de criar pradarias mais favorá-veis para a ca¸ca [2]. Entretanto foi a agricultura a principal revolu¸cão humana pois permitiu que o homem obtivesse energia de maneira mais eficiente: através de suas planta¸cões e seus animais domesticados. Desde então o consumo energético evoluiu lentamente, inexoravelmente ligado às revolu¸cões das matrizes tecnológicas até que, a partir da revolu¸cão industrial, teve seu crescimento extremamente acentuado. A Tabela 1.1 presente no trabalho Alternative Energy Resources de Paul Kruger [4] mostra estimativas da popula¸cão planetária e seu consumo per capita de energia. Nela vemos esse crescimento vertiginoso do consumo energético per capita (da ordem de 105_{), que multiplicados pela popula¸cão terrestre em seus respectivos per´ıodos nos} fornece uma diferen¸ca de impacto energético agregado da ordem de 5· 106 _{desde o alvorecer das} primeiras civiliza¸cões.

Somos cerca de 7 bilhões de pessoas [11] compartilhando o mesmo macro-habitat. Desde os primeiros ind´ıcios de desequil´ıbrios ambientais graves causados pela atividade humana como a extin¸cão dos tigres dente-de-sabre e mamutes na América do Norte e a aparente auto-extin¸cão dos habitantes da pequena Ilha de Páscoa, sabemos que há limites às nossas atividades econô-micas e necessidades energéticas.

Apesar de termos conhecimento destes casos históricos isolados, hoje vivenciamos um mo-mento de inflexão em nossa história no qual estes limites são de diversas maneiras pressionados. O resultado das nossas escolhas hoje, mais que em qualquer outro momento da existência de nossa espécie, será fundamental para o bem-estar dos que colherão o legado deixado por nossa sociedade de consumo.

Da energia necessária à mobilidade urbana à energia requerida por quilograma de alum´ınio a 1

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Quadro 1.1: Crescimento do consumo de energia humano desde a pré-história. Adaptado de [4], p. 5 Per´ıodo Popula¸cão (Bilhões) Cresc. Mé-dio (%/a) Consumo diário per capita (kWh/dia) Cresc. Mé-dio (%/a) 300.000 a.C. 2,9 100.000 a.C. 5,0 < 0,001 5.000 a.C. c. 0,1 9,4 < 0,001 0 0,3 0,04 1850 a.D. 1,3 0,08 12 0,004 1980 a.D. 4,4 0,94 51 1,1 2000 a.D. 5,0 1,6 230 7,5

ser usado em bens perec´ıveis, nos cercamos de conforto baseado extensivamente em quantidades abundantes e sempre crescentes de energia. De fato entidades como o IEA (International Energy Agency) foram criadas à luz da manuten¸cão da seguran¸ca energética como pilar fundamental do capitalismo moderno num contexto de crise energética do final dos anos 1970.

Além desta volatilidade do pre¸co do barril de petróleo após 1979, das décadas de 1950 a 1980 o contexto da guerra fria e a perspectiva de uma eventual guerra nuclear aterrorizaram o imaginário público – certamente de maneira midiática e exagerada, mas não sem fundamento. Contudo, as gera¸cões do século XX e XXI lidarão com uma amea¸ca aparentemente muito mais simples que esta, mas infinitamente mais complexa politicamente: nossa matriz energética é a causa direta do atual e futuro aquecimento das temperaturas médias da superf´ıcie terrestre. Este fato singular tem inúmeras implica¸cões e retroalimenta¸cões ainda não perfeitamente modeladas como mudan¸cas de correntes mar´ıtimas, padrões migratórios, adapta¸cão de culturas de plantio, eleva¸cão dos n´ıveis mar´ıtmos, desequil´ıbrios ecológicos, migra¸cões humanas em massa e poss´ıveis desabastecimentos de diversas commodities.

De fato vivemos em um momento de defini¸cão único. Temos um desafio duplo de seguran¸ca energética e altera¸cões climáticas globais que se não tratado de maneira apropriada, pode levar a uma grande e duradoura instabilidade global nas décadas seguintes do século XXI, especialmente após o marco de 2050.

Historicamente é inocência acreditar que vivemos em tempos livres de turbulências e conflitos de todas as naturezas, afinal os interesses estratégicos das na¸cões, muitas vezes conflitantes, continuam os mesmos, e também são os mesmos os seus meios de alcan¸cá-los. Ainda que estes sejam alterados pela tecnologia, e que passemos por um movimento aglutinador ao redor de grandes blocos como o NAFTA, a UE, Mercosul e a APEC, for¸cas econômicas, culturais e bélicas continuarão a moldar nossa estrutura pol´ıtica global de maneira não muito distinta da época de Alexandre, Ciro, Cæsar ou Nabucodonosor.

Se na era clássica assegurar commodities alimentares era fundamental para as grandes civili-za¸cões, hoje isso não deixou de sê-lo, mas diversos outros interesses nacionais foram agregados. Dentre eles, a seguran¸ca energética se destaca por sua intr´ınseca volatilidade e recente inser-¸cão na pauta de prioridade dos l´ıderes globais, principalmente a partir de 1979. Não somente a

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Cap´ıtulo 1. Introdu¸cão e Problemática 3 manuten¸cão do estilo de vida civil ocidental, mas o próprio conceito de guerra seria hoje inimagi-nável sem grandes quantidades de energia.1 _{Somada a ela, o aquecimento global em decorrência}

da emissão de Gases de Efeito Estufa (GEE) agravou a problemática energética por introduzir condi¸cões de contorno que se não observadas, poderão gerar consequências catastróficas para o planeta.

Alguns dados e gráficos usados nesta introdu¸cão são extrapola¸cões das tendências atuais muitos anos à frente. Obviamente a história mostra que movimentos sociais são dinâmicos e dificilmente poder´ıamos supor a composi¸cão energética e populacional de hoje cinqüenta anos atrás. Apesar disso, como diz o relatório das Na¸cões Unidas sobre Popula¸cões Mundiais [3], ver tais gráficos é como tirar conclusões após 5 minutos de um jogo de basquete ou futebol: o resultado não está certo, mas podemos ver os erros e acertos do time, e o que devemos fazer para que ele ven¸ca. Procurar contribuir, mesmo que de maneira muito pequena, para o legado futuro da rela¸cão do homem com a energia é o objetivo deste trabalho.

Houve diversas e subseqüentes tentativas endere¸car o problema sistemicamente, dentre as quais podemos citar a ECO92 no Rio de Janeiro e as conferências de Kyoto e de Kopenhagen. O mais recente acordo, firmado em Kopenhagen, assumiu um objetivo de estabilizar a concentra¸cão de CO2 atmosférico a um máximo de 450 ppm, o que representa cerca de 2 C de aquecimento global médio em rela¸cão aos n´ıveis pré-industriais ([1], p. 45). Entretanto não foi criado um mecanismo supra-nacional que garanta o cumprimento destes compromissos, sendo estes somente garantias voluntárias fracas dos pa´ıses signatários dos acordos. Ainda mais alarmante é o fato de que ainda que cumpridos, os compromissos individuais dos pa´ıses signatários em Kopenhagen quando somados não atingem este objetivo de 450 ppm.

A Figura1.1mostra a composi¸cão atual de gera¸cão de energia por fonte energética e as pro-je¸cões do International Energy Association (IEA) para 2020 e 2035 no cenário que se contempla a introdu¸cão novas pol´ıticas energéticas moderadas, chamado de Cenário de Novas Pol´ıticas (NPS ou New Policy Scenario). O IEA além deste cenário adota dois outros: o de pol´ıcias atu-ais inalteradas (Current Policies Scenario ou CPS) e o cenário com maiores altera¸cões pol´ıticas, caso todos os estados nacionais se comprometessem a manter o limite de 450 ppm CO2 -eq, o (Cenário 450 ou 450S).

´

E cada vez mais patente a impossibilidade de cumprirmos esta meta de 2 C de aquecimento global em rela¸cão aos n´ıveis pré-industriais ao final deste século sem modificarmos o nosso paradigma atual de consumo energético baseado em combust´ıveis fósseis e ineficiência de seu consumo. Lembremos que o limite de 2 C é aceito como o gatilho para o in´ıcio altera¸cões globais mais profundas como altera¸cões de regimes de chuvas, correntes mar´ıtimas, padrões de plantio, polariza¸cão dos extremos de secas e inunda¸cões, redu¸cão da seguran¸ca h´ıdrica, aumento do n´ıvel dos mares e grandes deslocamentos humanos a partir de grandes regiões costeiras alagáveis.

Para atingir deste objetivo de 450 ppm, ter´ıamos que assumir medidas mais restritivas a partir de 2020 ([1], p. 45), especialmente nas economias emergentes, uma vez que os dados preliminares de 2009 sugeriram que neste ano a China ultrapassou os EUA como o maior usu´ario

1_{Um dos grandes fatores que levaram `}_{a derrota do eixo foi seu estrangulamento energ´etico. Embora os}

alemães tivessem tecnologia de transformar carvão mineral em óleo combust´ıvel através do dispendioso processo de Fischer–Tropsch, isso não foi o suficiente para suprir as suas necessidades energéticas da máquina de guerra.

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Figura 1.1: Consumo energético de diferentes fontes em 2008, 2020 e 2035 no cenário de Novas Pol´ıticas Energéticas do IEA. Adaptado de [1]

energético2_{. De maneira semelhante, os pa´ıses não pertencentes à OECD – grande parte deles}

economias subdesenvolvidas – corresponderão a 93% do aumento da demanda energética no cenário moderado de altera¸cões pol´ıticas, refletindo as maiores taxas de crescimento destas economias ([1], p. 47).

Com o aumento da concentra¸cão de CO2 (Fig. 1.2) e outros gases geradores de efeito estufa, estima-se que a temperatura média da superf´ıcie do planeta já tenha aumentado em cerca de 0, 8 C ([2]), como vemos na Figura1.3. Esta figura mostra o aumento da temperatura média global da superf´ıcie terrestre, a qual podemos relacionar fortemente com a tendência da Figura1.2. Embora a correla¸cão não implique necessariamente em causalidade, é um paradigma fortemente aceito pela comunidade internacional cient´ıfica ([1], [12]) que os dois eventos são causais, sendo o aumento da concentra¸cão atmosféria de CO2 o causador das temperaturas médias globais3_.

O Painel Climático de Mudan¸cas Climáticas (IPCC) periodicamente publica relatórios sobre o aquecimento climático e seu impacto global. A expectativa de acordo com o órgão, de aumento de temperatura média atmosférica até 2100 é de 1, 4 C a 4, 0 C, correspondendo respectivamente à banda inferior do cenário mais otimista e à banda superior do cenário mais pessimista. Um aumento da ordem de 4 C em rela¸cão aos n´ıveis pré-industriais geraria amplos efeitos negativos

2_{No ano 2000, ela agregava somente metade do consumo energ´etico americano.}

3_{Embora existam muitos controv´ersias sobre efeitos de retroalimenta¸c˜}_{ao positiva e negativa especialmente}

ligados ao albedo terrestre (refletividade da superf´ıcie), se crê que o aumento das temperaturas médias da superf´ıcie terrestre pode causar a diminui¸cão da concentra¸cão de CO2 nos oceanos, liberando-o na atmosfera e

logo atuando como retroalimenta¸c˜ao positiva ao efeito estufa.

(23)

Cap´ıtulo 1. Introdu¸c˜ao e Problem´atica 5

Figura 1.2: Di´oxido de Carbono atmosf´erico medido em Mauna Loa, Hawaii 1958-200. Adaptado de Sachs [2]

Figura 1.3: Médias de temperaturas globais próximas à superf´ıcie de 1850 a 2005. Adaptado de Sachs [2]

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já sobre-explorados midiaticamente. Nem por isso eles são irrelevantes ou irreais. É lamentável que apesar de toda explora¸cão midiática e mercadológica, o processo de mudan¸ca de pol´ıticas energéticas seja tão vagaroso. A euforia brasileira do pré-sal nos mostra essa falta de com-promisso com uma pol´ıtica energética consistente com nossos padrões históricos marcados por produ¸cão hidroelétrica e busca por alternativas renováveis como o etanol e o biodiesel.

1.2 A equa¸c˜

ao de impacto humano

O economista Je↵rey Sachs em seu livro Common Wealth [2] comenta sobre o impacto humano no planeta postulando a seguinte equa¸c˜ao com trˆes fatores:

1. Popula¸cão P – Para dado grupo de controle, o número de indiv´ıduos que habita nesta região

2. N´ıvel de renda e consumo A – M´edia da renda e decorrente consumo deste grupo

3. Impacto ambiental da produ¸c˜ao e descarte T – Quantidade de impacto ambiental gerado por unidade de unidade monet´aria decorrente da tecnologia utilizada

Esses três elementos contribuem de forma multiplicativa (I = P⇥A⇥T ), formando a fórmula conhecida como I-PAT. Há muitos impactos I relacionados à produ¸cão energética nos moldes atuais, como a polui¸cão do ar de grandes cidades por particulado sólido de carvão mineral e petróleo, CO e NOx e O3 e contamina¸cão de mananciais ou expansão da fronteira agr´ıcola para planta¸cões de matéria produtora de biocombust´ıveis. Entretanto, o problema que se crê que seja o mais impactante e de efeito global seja a emissão de gases de efeito estufa, particularmente CO2.

1.2.1 Popula¸c˜

ao – P

Se a popula¸cão em na¸cões com maior renda tende a se estabilizar nas próximas décadas – incluso no Brasil – o mesmo não é verdadeiro das na¸cões mais pobres, especialmente na África. Com uma popula¸cão global estimada de cerca de 8,9 Bilhões de pessoas em 2050, a maior concentra¸cão terrestre será na África e Ásia dadas as altas taxas de crescimento populacional daquele continente e a atual popula¸cão deste, que já soma mais de 3 bilhões de pessoas.

Historicamente as curvas populacionais tendem a seguir 4 fases distintas na curva de desen-volvimento econˆomico e social, como podem ser vistas na Figura 1.5:

1. Quando a na¸cão ainda é pobre, ela possui alta taxa de natalidade e alta taxa de mor-talidade, gerando um crescimento vegetativo pequeno. A lógica por trás da alta taxa de natalidade está intimamente relacionada à garantia do casal de seu sustento na velhice, mesmo que muitos filhos venham a falecer. No campo, a prole numerosa também sem-pre foi vista como positiva pela contribui¸cão dos filhos trabalho agr´ıcola e baixo custo de cria¸cão. Este é o estágio de algumas partes mais pobres da África hoje.

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Cap´ıtulo 1. Introdu¸c˜ao e Problem´atica 7

Figura 1.4: Popula¸cão mundial estimada 1950-2000 e proje¸cões 2000-2050 ([3], p. 5) 2. Com a inser¸cão de vacinas, saneamento básico e atendimento médico, a expectativa de

vida aumenta rapidamente, gerando um crescimento populacional expressivo. Entretanto, as questões culturais que envolvem a alta taxa de natalidade têm inércia maior e somente após uma ou duas gera¸cões, freqüentemente associada à mudan¸ca do campo para a cidade, ela apresentará redu¸cão. Grande parte de África e Ásia (exclusa a China) se encontra neste estágio e estará nele e no seguinte nas próximas décadas.

3. Através de mudan¸cas culturais e sociais como a maior seguran¸ca de sistemas de previdência e urbaniza¸cão, a taxa de natalidade come¸ca a cair, reduzindo a taxa de crescimento popu-lacional. Grande parte da América do Sul e pa´ıses com melhor ´ındice de desenvolvimento na Ásia se encontram neste estágio.

4. Com baixa taxa de natalidade e mortalidade, a popula¸c˜ao tem crescimento vegetativo novamente pequeno. A maior parte dos pa´ıses desenvolvidos se encontra neste est´agio.

1.2.2 Renda e Consumo – A

Paul Kruger em seu livro “Alternative Energy Resources” [4] introduz trˆes axiomas funda-mentais da ecologia humana:

1. Para qualquer crescimento populacional dado, o consumo energ´etico crescer´a com uma taxa de crescimento maior que esta.

2. Os objetivos fundamentais do ser humano incluem tanto o desejo por energia abundante sob demanda, assim como um ambiente limpo e seguro.

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Figura 1.5: Modelo de transi¸c˜ao demogr´afica adaptado de Haggett em [2]

Se em rela¸cão ao crescimento populacional ainda temos aberta a questão se poderemos estabilizá-la, o mesmo não se pode falar em rela¸cão à renda e ao consumo da maior parte da popula¸cão terrestre.

Historicamente o homem sempre buscou a prosperidade de seus negócios, sua fam´ılia e na¸cão. Embora seja questionável um modelo econômico que demanda expressivo crescimento para permitir pleno emprego e estabilidade social, não podemos questionar neste momento histórico o desejo de aumento da renda do cidadão médio, ou como Kruger coloca de maneira aberta em seu terceiro axioma: “vivemos um caminho [de desenvolvimento] de mão única e irrevers´ıvel”.

1.2.3 Impacto ambiental da produ¸c˜

ao e descarte – T

Uma vez que a renda é sempre perseguida coletivamente pela própria defini¸cão moderna de economia, nos resta atuar na tecnologia T como fator poss´ıvel de manobra com objetivo de mitigar nosso impacto I.

De fato, ao menos quando nos referimos a I no sentido do impacto do consumo energético, esses objetivos são alinhados com os próprios objetivos econômicos de qualquer negócio: produzir a mesma unidade produtiva U com a menor fra¸cão de energia E poss´ıvel.

A Figura 1.6 mostra como ocorreu a queda do ´ındice global de energia, definido como a quantidade de energia necessária para produzir cada unidade de Produto Interno Bruto. Os diversos fatores que podem ser destacados são a melhoria dos coeficientes de eficiência energética, melhoria de processos, mudan¸cas de combust´ıvel e mudan¸cas estruturais na economia global se afastando de indústrias intensivas energeticamente ([1], p. 80). De fato, a URSS e seus pa´ıses satélites tiveram um modelo de industrializa¸cão no qual a eficiência energética não era um fator primordial de otimiza¸cão. Isso aconteceu por diversos fatores como a abundância de

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Cap´ıtulo 1. Introdu¸cão e Problemática 9 hidrocarbonetos na Rússia e na Região do Mar Cáspio, a inexistência dos incentivos econômicos à eficiência e ao perfil desenvolvimentista soviético que atribu´ıa a alguns indicadores-chave como à produ¸cão de toneladas de a¸co um valor sobrepujante em rela¸cão a outros indicadores econômicos.

De fato, caso não houvesse a melhoria na eficiência da produ¸cão de cada unidade do PIB dos pa´ıses entre 1980 e 2008, o consumo global de energia seria cerca de 32% maior: aproxima-damente o consumo conjunto dos EUA e da União Européia ([1], p. 80).

Figura 1.6: Mudan¸cas na eficiˆencia energ´etica: unidade de Energia por unidade de PIB (Adap-tado de [1], p. 81)

1.3 Matriz Energ´

etica Global

Um dos principais fatores nessa mudan¸ca foi a altera¸cão da matriz energética ao longo das décadas. Ao longo dos séculos XIX e XX nossas tecnologias de produ¸cão, transporte, ilumina¸cão e eletrifica¸cão foram constru´ıdas primeiro nos baseando no carvão mineral e então do petróleo. Ao longo de cerca de 100 anos o petróleo segue hegemônico no segmento de transportes, assim como o carvão mineral representa fonte da maior parte da energia utilizada hoje mundialmente (circa 25%). Apesar disso, o decl´ınio percentual destas fontes na composi¸cão energética geral é notável quando analisamos suas contribui¸cões percentuais à matriz energética.

Kruger[4] mostra dois exemplos dessa altera¸cão: a Tabela1.2, que mostra a composi¸cão de energia primária dos EUA de 1925 a 2000 e na Figura 1.7, onde se apresenta a altera¸cão na composi¸cão global de combust´ıveis de 1800 a 2000. Em ambos os exemplos podemos notar a substitui¸cão da madeira – a principal composi¸cão da biomassa tradicional – por outros tipos de combust´ıveis. Também podemos identificar o per´ıodo áureo do Petróleo dos anos 1960 a 1980,

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quando iniciou sua decadência percentual. Essa ascensão e decadência em termos percentuais já haviam ocorrido com o carvão mineral, como podemos ver na Figura 1.7. De fato, isto nos leva a crer que os diferentes tipos de combust´ıveis primários têm ciclos de vida, e que o destino histórico do petróleo e do gás natural é de fato a diminui¸cão de sua importância relativa, embora parte expressiva da capacidade adicionada absoluta de energia elétrica mundialmente ainda seja proveniente de carvão.

Quadro 1.2: Composi¸cão percentual do combust´ıvel primário utilizado nos EUA de 1925 a 2000[4], p. 43 Combust´ıvel 1925 1950 1975 2000 Madeira 7 3 0 0 Carvão Mineral 65 37 21 32 Petróleo 19 39 38 21 Gás Natural 5 18 32 27 Fóssil 97 97 91 81 Nuclear 0 0 6 11 Renováveis 3 3 3 8 % eletricidade <1 ⇡2 ⇡15 38

Figura 1.7: Fra¸cão parcial do consumo global de combust´ıveis primários 1800-2000[4], p. 41 Um exemplo emblemático da subtitui¸cão do petróleo é a busca por automóveis elétricos que substituam os motores a combustão interna. Até a data da publica¸cão deste trabalho as tecnologias não estavam maduras o suficiente para uma transi¸cão segura e sustentável para esta tecnologia, seja pelos problemas ligados às células de hidrogênio e às baterias ainda ineficientes, seja pela deficiência da própria rede de distribui¸cão de energia que não estaria dimensionada para suportar estas cargas adicionais.

(29)

Cap´ıtulo 1. Introdu¸cão e Problemática 11 No caso da ado¸cão de novas pol´ıticas que incentivem o uso de combust´ıveis renováveis em detrimento dos de origem fóssil, temos na Figura 1.1 uma proje¸cão de qual seria a composi¸cão da gera¸cão elétrica mundial em 2020 e 2035. Vemos que ainda há uma dominância do carvão como combust´ıvel primário, mas a energia eólica, nuclear, hidroelétrica, biomassa e gás natural têm crescimento mais acelerado. O petróleo tende a diminuir sua importância absoluta como fonte de energia para a gera¸cão elétrica, embora possivelmente ainda seja muito relevante no transporte.

1.4 Energia El´

etrica no Brasil e no Mundo

No Brasil, até 2020 se prevê a contrata¸cão de novos 61.560 MW, de tal maneira que o Sistema Interligado Nacional passará de 109.578 MW para 171.138 MW em 2020. Desse total, 42.177 MW já foram contratados, sendo que 56% serão hidrelétricas em opera¸cão até 2019, 24% serão fontes fósseis em opera¸cão até 2013, 3% da nuclear Angra 3 até 2016 e 17% de energias renováveis a operarem até 2013 [5]. Enquanto isso, a contrata¸cão de usinas térmicas só será feita se a demanda superar 4,7% a.a. ou se houver problema no licenciamento ambiental das usinas hidrelétricas ([5], p. 3).

Figura 1.8: Evolu¸c˜ao da capacidade instalada no Brasil (EPE em [5])

O gráfico 1.8 mostra a previsão da expansão da energia elétrica no Brasil até 2020. Nele vemos a presen¸ca marcante na energia baseada em fontes alternativas como as principais fontes a serem entregues na expansão planejada.

Destas fontes alternativas, a expectativa é que a energia eólica responda pela maior parte, ou 10.701 MW instalados até 2020, ante os 831 MW de capacidade instalada eólica em 2010.

(30)

Como base de compara¸cão, vale relembrar que Itaipu, referência nacional em gera¸cão elétrica, tem capacidade instalada de 14.000 MW.

1.5 Incentivos ao consumo de combust´ıveis f´

osseis

Uma das assimetrias ainda presentes hoje são os subs´ıdios à indústria de óleo e gás. Diversos pa´ıses como a Venezuela, Rússia, Argentina e China (Figura 1.9) subsidiam fontes energéticas fósseis, assim alterando os incentivos econômicos para a introdu¸cão de novas fontes energéticas renováveis. Estes incentivos totalizaram USD$312 bilhões em 2009 ([1], p. 46). De fato o pró-prio IEA afirma que o fim dos subs´ıdios governamentais é um pilar fundamental da reversão do consumo indisciplinado de derivados de petróleo, especialmente no Oriente Médio, Rússia e partes da Ásia ([1], p. 45), afinal os subs´ıdios incentivam a ineficiência energética, exacerbam a volatilidade energética por reduzir os incentivos mercadológicos ao consumo racional, incenti-vam adultera¸cão de combust´ıvel e atividades il´ıcitas e diminuem a competitividade da energia renovável e tecnologias mais eficientes ([1], p. 55).

Figura 1.9: Pa´ıses que promovem o subs´ıdio de combust´ıveis f´osseis (Adaptado de [1], p. 45). Valores como percentuais do custo total de suprimento de combust´ıveis.

Na declara¸cão de Pittsburg [13], p. 17-18, o compromisso público dos diversos pa´ıses signa-tários é transcrita parcialmente abaixo:

“29. (...) Subs´ıdios ineficientes aos combust´ıveis f´osseis estimulam os desperd´ıcios de con-sumo, distorcem os mercados, constrangem os investimentos em fontes de energia limpa e en-fraquecem os esfor¸cos para lidar com a mudan¸ca do clima. (...) Com base nesses esfor¸cos e

(31)

Cap´ıtulo 1. Introdu¸cão e Problemática 13 reconhecendo os desafios que se apresentam às popula¸cões afligidas pela escassez energética, comprometemo-nos a:

- Racionalizar e eliminar gradualmente, no m´edio prazo, os subs´ıdios ineficientes aos com-bust´ıveis f´osseis que promovem o consumo com desperd´ıcio.

(...)

31. Aumentar a oferta de energia limpa e renovável, melhorar a eficiência energética e promover a conserva¸cão de energia constituem medidas cruciais para proteger o meio ambiente, fomentar o crescimento sustentável e enfrentar a amea¸ca representada pela mudan¸ca do clima. A rápida ado¸cão de tecnologias energéticas limpas e renováveis e de medidas de eficiência energética diversifica nossas fontes de energia e fortalece nossa seguran¸ca energética. Comprometemo-nos a:

- Estimular investimentos em energia limpa e renovável e em eficiência energética, bem como fornecer apoio técnico e financeiro a projetos dessa natureza nos pa´ıses em desenvolvimento.

- Adotar providências para facilitar a difusão ou transferência de tecnologias de energia limpa,incluindo a condu¸cão conjunta de pesquisas e o desenvolvimento de capacidades. A redu-¸cão ou eliminaredu-¸cão de barreiras ao comércio e os investimentos nessa área vêm sendo discutidos e devem ser buscados voluntariamente nos foros apropriados.

32. Como l´ıderes das maiores economias do mundo, estamos trabalhando em favor de uma recupera¸cão econômica duradoura, sustentável e verde. Sublinhamos nossa determina¸cão reno-vada de enfrentar a perigosa amea¸ca da mudan¸ca do clima.

(32)

Cap´ıtulo

2

Energia E´olica

2.1 Hist´

orico

A energia eólica é aproveitada pelo homem há milênios na navega¸cão. O primeiros registros históricos de moinhos de vento datam de aproximadamente 900 A.D. pelos Persas[7]. Na Europa seu uso data da idade média, mas a após o in´ıcio da revolu¸cão industrial sua importância relativa foi diminu´ıda pois sua energia não é facilmente transportada e despachada como a dupla carvão-vapor.

Até o advento da revolu¸cão industrial houve uma evolu¸cão nas técnicas de constru¸cão de moinhos, culminando nos t´ıpicos modelos “smock mill”, nos quais somente a parte superior era rotatória.

O inglês John Smeaton fez grandes contribui¸cões ao estudo cient´ıfico do aproveitamento eólico, e estruturou as três propriedades f´ısicas fundamentais da energia eólica – na verdade derivada da mecânica de fluidos:

• Idealmente a velocidade das pontas das pás é proporcional à velocidade do vento • O torque máximo é proporcional ao quadrado da velocidade do vento

• A potência máxima é proporcional ao cubo da velocidade do vento

Embora bombas de água e geradores eólicos fossem utilizados em fazendas norte-americanas no come¸co do século XX, foi somente nos anos 1980 que a energia eólica voltou a receber aten¸cão, possivelmente em decorrência da preocupa¸cão com a seguran¸ca energética decorrente das crises de petróleo da década de 1970.

Durante o come¸co da década de 1980 houve diversos parques eólicos instalados na Califórnia devido a uma série de benef´ıcios governamentais. Essa foi uma experiência traumatizante para a indústria pois além das máquinas ainda não serem robustas, após a retirada dos benef´ıcios pelo governo Reagan a maior parte dos fabricantes norte-americanos da época foi à falência.

Após esse episódio a Europa se firmou durante muitos anos como o centro de desenvolvimento e produ¸cão eólicas, especialmente a Dinamarca, Alemanha e Espanha. Já mais recentemente, desde o in´ıcio dos anos 2000 se vê a ascensão dos fabricantes chineses como grandes competidores mundiais.

(33)

2.2 Energia e´

olica no Brasil e no Mundo

Embora a utiliza¸cão de fontes de energia renováveis se tornará mais competitiva, o est´ımulo governamental será fundamental para expandir a sua contribui¸cão na matriz energética mundial. Em 2009 esse valor foi de cerca de USD$57 Bilhões. No NPS esse valor crescerá para USD$ 205 Bilhões em dólares atuais, ou 0,17% do PIB global em 2035. A maior parte deste est´ımulo, cerca de 63%, será direcionado à eletricidade com gera¸cão renovável. com isso se espera que o pre¸co do MWh se reduza de cerca de USD$55 para USD$23 com o aumento da produ¸cão e aprendizagem tecnológia[14].

Muitos avan¸cos serão também necessários na integra¸cão destas novas fontes energéticas ao grid elétrico, pois a variabilidade inerente da energia eólica e fotovoltaica deverá ser estatisti-camente compensada por outras regiões e por outras fontes energéticas com curvas de resposta melhor controladas, como a energia hidráulica e termoelétricas a gás natural[14].

Um dos quadros mais comuns em todo texto sobre energia eólica é a Figura 2.1, que mostra o crescimento em tamanho e potência das turbinas eólicas. Embora obviamente haja muitas vantagens da utiliza¸cão de grandes turbinas – melhor custo benef´ıcio do gerador, qualidade dos ventos em maior altitude, aproveitamento da área do parque – deve-se considerar que a instala¸cão das turbinas é um fator determinante em seu custo de capital, e a infraestrutura para transporte de pe¸cas: portos, rodovias, loca¸cão de gruas pode não acomodar as torres ou pás das maiores turbinas.

Figura 2.1: Tamanho de turbinas e seus anos de lan¸camento[6]. O diˆametro do rotor varia de 15m em 1981 a 90m em 2002

O potencial e´olico bruto mundial ´e da ordem de 500.000 TWh/ano, cerca de 30 vezes o

(34)

Cap´ıtulo 2. Energia Eólica consumo atual de energia elétrica mundial. No Brasil, o potencial se encontra principalmente na zona litorânea do NE e em algumas regiões do interior no Sul e no Sudeste. Os dados do Atlas do Potencial Eólico Brasileiro[8] apontam para um potencial de 143.000 MW, sendo que 7.694 MW já foram autorizados (2010). Atualmente as usinas em opera¸cão têm capacidade para gerar 26,8 MW (2010). O estado do Ceará corresponde a 65% desta capacidade[15].

Um dos fatos interessantes do desenvolvimento da energia eólica no Brasil é a atua¸cão do produtor independente de energia, dada a flexibilidade brasileira do mercado livre de energia, especialmente energia renovável.

2.3 Inser¸c˜

ao deste projeto de mestrado

O projeto desenvolvido procura endere¸car a necessidade de levantamentos de potenciais eó-licos preliminares de locais que possam sustentar parques eóeó-licos através do registro de dados históricos em esta¸cões meteorológicas de baixo custo (< 100 USD). A esta¸cão meteorológica utilizada foi a WH-1080 da Fine O↵set Electronics, mas outros fornecedores poderiam ser agre-gados ao sistema sem grande dificuldade, oferecendo op¸cões de melhor qualidade ou menor pre¸co. Ela foi escolhida pois um projeto que visa utilizá-la como plataforma de aquisi¸cão de dados ambientais (Bhuu Project), coordenado pelo colega Dr. Charles Elworthy (Univ. Ox-ford), se prontificou a enviar três unidades para o Brasil para serem utilizadas neste projeto de mestrado. Uma delas foi utilizada para desenvolvimento e outra está instalada junto à esta¸cões da Embrapa e do Cepagri na Unicamp.

Embora existam sistemas comerciais para esse fim, especialmente os produtos da Vaisala[16], diversos agentes podem se interessar nessa tecnologia, desde o eventual proprietário privado ou público de terreno que deseje avaliar seu potencial eólico a empresas que prestem estes servi¸cos comercialmente. Os cap´ıtulos seguintes descrevem tecnicamente o sistema desenvolvido e o analisam à luz dos dados coletados por outras esta¸cões adjacentes para referência.

2.4 Caracter´ısticas do Recurso E´

olico

Os ventos são causados por diferen¸cas na maneira como a terra é aquecida pela radia¸cão solar. Em seu modelo mais simples, próximo ao equador temos zonas com fluxos verticais ascendentes que geram zonas de baixa pressão. Isso faz com que massas de ar densas dos pólos se desloquem para estas regiões. Somado a este fenômeno, devemos levar em considera¸cão que embora a velocidade angular de rota¸cão da terra seja obviamente igual em todas as latitudes, próximo ao equador temos uma velocidade superficial de cerca de 600 Km/h, enquanto que nos pólos ela é zero. Diversos outros fatores contribuem para um modelo bastante complexo e geralmente computado somente numericamente: friçcão com superf´ıcie, inércia de massas de ar, diferen¸cas de permeabilidade da atmosfera à luz (nuvens, poeira), quantidade de vapor d’água no ar, albedo, evapotranspira¸cão da camada de vegeta¸cão e espelhos d’água.

Também caracterizamos movimentos atmosféricos e climáticos em diversas escalas de tempo-espa¸co. Por exemplo, embora ambos sejam “vento”, o estudo de rajadas e mudan¸cas de padrões eólicos devido a fenômenos como o El Ninõ seguem metodologias completamente distintas para

(35)

suas análises. Também quando falamos de altera¸cões climáticas devido ao aquecimento global, é incorreto associá-las a um fenômeno climático espec´ıfico que aconteceu em algum lugar e dia espec´ıfico, embora isso seja muitas vezes feito pela m´ıdia.

Altera¸cões climáticas são como uma grande linha de base sobre a qual estão superpostas diversas senóides de diferentes per´ıodos e amplitudes. O próprio ciclo diário de rota¸cão terrestre, movimentos lunares e esta¸cões do ano geram perturba¸cões climáticas que fazem com que a estimativa do tempo e regimes eólicos seja poss´ıvel somente através de métodos numéricos e estocásticos.

A Figura 2.2 mostra em escala logar´ıtmica o tempo e o espa¸co no qual a análise dos perfis eólicos é mais relevante para três disciplinas: (1) o projeto de máquinas elétricas e sistemas eólicos, (2) a escolha de um s´ıtio de fazenda eólica e (3) a avalia¸cão de recursos eólicos de um estado ou pa´ıs. Correntes de jato Squall lines Tempestades Tornados Deep convections Redemoinhos Termais Wakes Tempestades ciclônicas Furacões 10000 Km Monsões Ventos alísios Ventos do oeste Turbulência, pequena escala para desenho de

turbinas eólicas

Turbulência, pequena escala para desenho de

turbinas eólicas Grande escala, para

escolha de sítios de instalação de usinas

Grande escala, para escolha de sítios de instalação de usinas Escala climática,

para avaliação de recursos

Escala climática, para avaliação de recursos

1000 Km 100 m 100 Km 10 Km 1 Km 10 m 1 m

seg. min. hora dia sem. mês ano déc.

Figura 2.2: Compara¸c˜ao entre escalas de tempo e espa¸co para movimentos atmosf´ericos[7]

2.5 Potencial de Recurso E´

olico

A energia presente no vento pode ser calculada através da equa¸cão de continuidade de mecânica dos fluidos, a saber:

dm

dt = ⇢AU (2.1)

(36)

Cap´ıtulo 2. Energia E´olica

z

y

x

U

A

Figura 2.3: Parâmetros relevantes para gera¸cão eólica onde A é a área da se¸cão ortogonal ao fluxo e U é a sua velocidade. Se a energia cinética é dada por

P = 1 2 dm dt U 2 ₌ 1 2⇢AU 3 _(2.2)

a potência por unidade de área será expressa por: P

A =

1 2⇢U

3 _(2.3)

Desta equa¸cão inferimos (1) que a potência varia com a área A varrida pelo gerador, ou seja, o quadrado do tamanho das pás. Também dela sabemos (2) que essa energia é proporcional ao cubo da velocidade U e (3) que é proporcional à densidade do ar ⇢. Quando medida a 15 C à altura do mar, ela é 1,225 kg/m3_.

Se aplicarmos equa¸c˜ao de gases ideais, temos ⇢ = 3, 4837p

T (2.4)

e uma vez que a pressão atmosférica até 5000m pode ser estimada por

p = 101, 29 0, 011837z + (4, 793_{· 10} 7)z2 (2.5)

na qual z é a eleva¸cão em rela¸cão ao n´ıvel do mar, temos a equa¸cão resultante P A = 1 2⇢U 3 ₌ (176, 4319 0, 020618z + (8, 3486· 10 7)z2) T U 3 _(2.6)

A estimativa de densidade energia eólica é feita geralmente através dos registros horários de energia média ao longo de um per´ıodo longo de tempo como um ano. Essa estimativa é dada por:

(37)

¯ P A = 1 2⇢ ¯U 3_K e (2.7)

no qual ¯P é a média anual de velocidade eólica e Ke é o fator de padrão energético, dado por Ke= 1 N ¯U3 N X i=1 Ui3 (2.8)

no qual Ui são médias horárias e N é o número de horas consideradas, tipicamente 8760 (número de horas em um ano). Valores consideráveis para instala¸cões eólicas são de ¯P /A 400W/m2_.

2.6 Turbulˆ

encia

As turbulência são causadas por perturba¸cões no perfil de fluxo laminar e consequentes redemoinhos ou eddies que têm diferentes tamanhos e convertem a energia cinética em energia térmica.

Os impactos da turbulência na aferi¸cão do fluxo laminar podem ser vistos como uma fun¸cão de densidade de probabilidade sobre a velocidade média Ui com uma intensidade de turbulência T I (Turbulence Intensity), medida tipicamente em um intervalo de dez minutos, de acordo com

T I = u U = q 1 NS 1 PNS i=1(ui U )2 U (2.9)

sendo N o número de medi¸cões ui de velocidade de vento; medi¸cões realizadas ao menos a 1Hz. Como nossa esta¸cão meteorológica utilizada não fornece dados a essa velocidade, a medi¸cão de turbulência não é poss´ıvel, e pode somente ser inferida imprecisamente através da velocidade máxima de rajadas, que é um dos parâmetros informados pela WH-1080.

Além do parâmetro geral de intensidade de turbulência T I, a turbulência também pode ser expressa como uma fun¸cão densidade probabilidade normal (ou Gaussiana), que fazendo uso do desvio padrão u é

p(u) = 1 u p 2⇡exp  (u U )2 2 u2 (2.10) Também há interessantes análises da turbulência como superposi¸cões de senóides de diferen-tes frequências e análise de autocorrela¸cão, mas elas fogem do escopo deste trabalho.

2.7 Fluxo laminar e sua varia¸c˜

ao com a altitude

A varia¸cão da velocidade média do vento Ui de acordo com a eleva¸cão z é importante tanto para a corre¸cão dos dados de anemômetros a diferentes alturas, como para o desenho de máquinas, turbinas e pás. Afinal, a varredura de áreas A que apresentam um gradiente dU

dz influencia na distribui¸c˜ao de carga de toda a mecˆanica.

(38)

Cap´ıtulo 2. Energia Eólica Existem duas maneiras principais de se estimar o perfil eólico para altitudes superiores às medidas por anemômetro: a lei de log e a lei de potências.

2.7.1 Lei de log

A lei de log se baseia na equa¸c˜ao de momento, que perto da superf´ıcie terrestre ´e @p

@x = @

@z⌧xz (2.11)

sendo que ⌧xz ´e a tens˜ao de cisalhamento entre planos xy.

Como a pressão perto da superf´ıcie não depende de z, integrando a equa¸cão obtém-se ⌧xz = ⌧0 + z

@p

@x (2.12)

Como o gradiente de pressão no eixo x é pequeno perto da superf´ıcie, também podemos descartar o segundo termo à direita.

Ora, de acordo com a teoria de mistura de comprimentos de Prandtl, a tens˜ao de cisalha-mento tamb´em pode ser dada por

⌧xz = ⇢l2 ✓ @U @z ◆ (2.13) Uma vez combinando as duas ´ultimas equa¸c˜oes temos

@U @z = 1 l r ⌧0 ⇢ = U⇤ l (2.14)

onde U⇤ _{é a friçcão à velocidade.}

Se a superf´ıcie não é rugosa, pode-se assumir que l = kz, com k = 0, 4 (constante de von Karman), e assim a equa¸cão anterior pode ser integrada de z0 a z, na qual z0 é o comprimento da rugosidade da superf´ıcie, perfazendo

U (z) = U⇤ k ln ✓ z z0 ◆ (2.15) que ´e conhecida como o perfil logar´ıtmico e´olico.

A integra¸cão é feita a partir de z0 e não zero pois as superf´ıcies sempre apresentam rugosi-dades, mostradas na Tabela 2.1

A ´ultima equa¸c˜ao pode ser escrita como ln(z) = k

U⇤U (z) + ln(z0) (2.16)

a partir da qual com dados experimentais se pode determinar os parâmetros U⇤ e z0. Essa lei é tipicamente utilizada para determinar as rela¸cões entre U a diferentes alturas

fc = U (z) U (zr) = ln⇣_zz 0 ⌘ ln⇣zr z0 ⌘ (2.17)

(39)

Quadro 2.1: Valores de rugosidade de terreno[7] Descri¸c˜ao de terreno z0 (mm) Gelo ou barro muito liso 0,01

Mar aberto e calmo 0,20 Mar agitado 0,50 Neve 3,00 Grama 8,00 Pasto alto 10,00 Pousio 30,00 Cultivo 50,00 Algumas árvores 100,00 Muitas árvores, cercas e alguns prédios 250,00 Floresta 500,00 Subúrbios 1500,00 Centros de cidades com prédios altos 3000,00

A equa¸cão 2.17 foi utilizada em nossos cálculos para, a partir de medi¸cões a 5m de altura, comprimento médio de rugosidade z0 de 0,1m (árvores esparsas) e altura de hub de 100m obter fc = 1.7658 (fator de corre¸cão de velocidade de vento para a atual instala¸cão da esta¸cão meteorológica).

Uma maneira melhor de se realizar a estima¸cão do fator z0 de rugosidade seria realizar duas medi¸cões a diferentes alturas e assim deduzir z0 a partir da curva log de perfil de velocidade. Dado o escopo limitado deste projeto essa medi¸cão a diferentes alturas não foi realizada, mas pode ser um dos parâmetros adicionais interessantes para futuros trabalhos.

2.7.2 Lei de potˆ

encias

A lei de potências representa um modelo para perfil de U (z) que segue U (z) U (zr) = ✓ z zr ◆↵ (2.18) no qual ↵ também é um parâmetro experimental. Existem diversas maneiras de se estimar ↵, mas a que creio que seja mais interessante é a proposta por Counihan[17] , que propõe um ↵ em fun¸cão do parâmetro z0, tal que

↵ = 0, 096log₁₀z0+ 0, 016(log10z0)2+ 0, 24 (2.19) v´alida para 0, 001m < z0 < 10m, sendo a rugosidade z0 em metros.

2.8 Estimativas de recurso e´

olico

Ao estimar a gera¸cão elétrica em determinada usina, ao invés de simplesmente avaliar a potência gerada por P = (1/2)⇢AU3_{, devemos levar em considera¸cão a curva real de gera¸cão} do gerador, que leva em considera¸cão diversas perdas aerodinâmicas, mecânicas e elétricas,

(40)

Cap´ıtulo 2. Energia Eólica assim como limites de opera¸cão. O ponto de cut-in é a velocidade na qual se inicia a gera¸cão, enquanto em cut-out ela é interrompida devido à velocidade excessiva de vento e o eixo é freado para proteger os sistemas mecânicos e elétricos.

Duas estratégias diferentes para controle de altas velocidades de turbinas se destacam quando analisamos essa curva: controle de pitch e controle stall. No controle de pitch, as pás de uma turbina giram em próprio eixo, reduzindo a sustenta¸cão e assim o torque resultante. No controle de stall o desenho aerodinâmico das pás provoca redu¸cão de torque a partir de determinada velocidade, produzindo um efeito parecido

Nota-se que após ser atingida a potência nominal, em turbinas com controle de pitch, há um platô de potência máxima, enquanto nas turbinas com controle por stall, há um decréscimo da potência nominal, até o ponto de cut-o↵.

Potência (k W) Velocidade de vento (m/s) Velocidade Cut-In 0 50 100 150 200 250 300 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Velocidade Cut-out Potência Nominal

Controle por Stall Controle por Pitch

Figura 2.4: Curva de gera¸c˜ao t´ıpica de geradores e´olicos[7]

Existem métodos estat´ısticos para estimar a distribui¸cão da velocidade de ventos, como distribui¸cões de Rayleigh e Weibull, mas como temos N dados diretos de medi¸cões tabelados, podemos integrá-los numericamente para obter a gera¸cão eólica estimada. Logo, a média dos dados tabelados pelo sistema é

¯ U = 1 N N X i=1 Ui (2.20)

(41)

U = v u u t 1 N 1 N X i=1 (Ui U )¯ 2 = v u u t 1 N 1 ( _N X i=1 U2 i N ¯U2 ) (2.21) enquanto a potência média por unidade de área é

¯ P A = 1 2⇢ 1 N N X i=1 U_i3 (2.22)

A potência média da máquina é

Pw = 1 N N X i=1 Pw(Ui) (2.23)

onde Pw(Ui) é a potência de sa´ıda definida pela curva de potência de um gerador. Dessa maneira, a energia gerada por uma máquina é

Ew = N X

i=1

Pw(Ui)( t) (2.24)

que ´e o resultado que nos interessa calcular neste trabalho.

2.9 Dados para an´

alise de recursos e´

olicos

Geralmente a análise do potencial para instala¸cão de s´ıtios de gera¸cão eólica passa por uma fase inicial de levantamento através de atlas eólicos que são gerados por métodos numéricos e algumas aferi¸cões pontuais. No nosso caso brasileiro, a referência principal é o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro[8].

Embora sejam extremamente úteis, é necessário ter sempre em conta as suas limita¸cões dado o escopo do trabalho: os atlas geralmente endere¸cam grandes áreas, e não têm informa¸cões detalhadas sobre o posicionamento de s´ıtios onde devam ser instaladas turbinas eólicas. Além disso, muitas das informa¸cões utilizadas para sua constru¸cão são provenientes de dados aferidos com propósitos meteorológicos e/ou de tráfego aéreo, e devem ser adaptadas para as estimativas de gera¸cão eólica. A Figura 2.5 mostra um exemplo de mapa eólico da região nordeste gerado por esses métodos.

A caracteriza¸cão de perfis eólicos pode ter diferentes propósitos como

• Instrumentos desenhados para medi¸cão e caracteriza¸cão de recursos eólicos (espec´ıfico para esse uso)

• Instrumentos usado por servi¸cos de meteorologia voltada a previsão de tempo • Instrumentos usados por meteorologia voltada a tráfego aéreo

• Instrumentos de alta freqüência de amostragem para determinar rajadas, turbulências, e gradientes para analisar respostas de turbinas

(42)

Cap´ıtulo 2. Energia E´olica

Figura 2.5: Potencial eólico na região nordeste do Brasil de acordo com o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro[8]

(43)

Para cada tipo de aferi¸cão eólica o instrumental utilizado assim como as alturas das torres meteorológicas são diferentes. Embora a esta¸cão utilizada em nosso sistema não seja ótima para nenhum dos casos citados e seja desenhada para uso amador, seu baixo custo e fácil disponibilidade no mercado a fazem candidata para os propósitos deste trabalho. Caso seja necessária maior precisão das aferi¸cões (vide Tabela 3.6 para precisão dos sensores da esta¸cão WH1080), este trabalho poderia ser estendido para outros fabricantes e modelos com diferentes excursões de valores, exatidão e precisão.

Embora geralmente para estimar recursos eólicos os anemômetros sejam instalados de 20 a 150m de altura, no nosso caso a esta¸cão foi instalada a 5m de altura, próxima às esta¸cões da Embrapa e do Cepagri na Unicamp.

(44)

Cap´ıtulo

3

Sistema de aquisi¸c˜ao de dados

3.1 Arquitetura

Figura 3.1: A esta¸cão meteorológica WH1080, o hub e suas conexões

A arquitetura do sistema constru´ıdo segue o seguinte princ´ıpio: a informa¸cão é coletada nos sensores S1, S2, ..., Sn conectados ao hub através da interface USB. Hoje, os sensores presentes são os dispon´ıveis na esta¸cão meteorológica WH1080, mostrada na Figura 3.1.

O hub por sua vez agrega estas informa¸cões e as transmite periodicamente para o servidor através de uma conexão com a Internet. Quando não é poss´ıvel realizar esta conexão, os dados podem ser armazenados em um cartão de memória SD e posteriormente transmitidos quando a conexão for estabelecida. O hub também depende da internet para sua sincroniza¸cão de relógio

(45)

com os servidores NTP1_.

As transmissões de dados para o servidor são sempre iniciadas pelo hub cliente, e um script CGI2_{escrito na linguagem Python é executado a cada requisi¸cão. Esses scripts são responsáveis,}

entre outros aspectos, pela inser¸cão dos dados no banco de dados, que é uma instância do PostgreSQL3_{. Estes servidores são mostrados na Figura}_3.2 _{com o nome Capture Server.}

J´a o aplicativo de interface com usu´ario foi contru´ıdo sobre a arquitetura Vaadin4_{. Esta}

arquitetura permite que programas para a web sejam escritos em Java da mesma maneira como seriam escritos para desktop, fazendo a comunica¸c˜ao entre cliente e servidor transparente para o desenvolvedor. Na Figura 3.2 este aplicativo ´e mostrado no bloco Presentation Server.

Entre os dois blocos citados est´a o banco de dados (DB), que armazena os dados provenientes do Capture Server e permite consultas de diferentes formatos pelo Presentation Server.

Essa arquitetura permite que tenhamos snservidores tanto para captura como para interface com usuário com o mesmo banco de dados. Na ocasião do banco de dados estar no seu limite de capacidade de funcionamento e queda de performance, podemos criar bancos de dados espe-lhados ou adotar outras medidas para melhorar sua performance, mas isso não será necessário para o escopo inicial deste projeto.

No software de interface com usuário desenvolvido (Presentation Server ), é apresentada uma tela com os mapas do Google Maps na qual os marcadores são as esta¸cões meteorológicas associadas ao sistema. Quando estes marcadores são clicados, uma tela com dados em tempo real e históricos é apresentada. O sistema pode ser acessado via o site http://www.bhuunet. com/bhuuapp5. A Figura3.19 mostra uma captura de tela deste sistema.

3.2 Hub

Para o hardware do hub foi aproveitado o desenvolvimento previamente dispon´ıvel e parci-almente abandonado pelo projeto Bhuu6_{, mas que carecia de firmware para seu funcionamento.}

Este hardware é baseado no microcontrolador PIC32 de 32 bits. Ele possui também um controlador CAN, um controlador ETHERNET7 _{um conector para cartões SD que podem ser}

acessados via SPI8_{. No hardware também está dispon´ıvel um módulo Zigbee, mas ele não foi}

utilizado nesta fase do desenvolvimento do prot´otipo. Futuramente seria interessante ativ´a-lo para que sensores possam se conectar ao hub sem a necessidade de fios.

1_{Network Time Protocol} 2_{Common Gateway Interface} 3_{http://www.postgresql.org} 4_{http://www.vaadin.com}

5_{A ´epoca da publica¸c˜ao deste trabalho a interface com o usu´}_` _{ario (UI) apresentava lentid˜}_{ao devido `}_{a grande}

quantidade de pontos coletados. Uma nova vers˜ao dessa interface pode ser no futuro adaptada para essa quan-tidade de dados. Todas as an´alises quantitativas deste trabalho foram feitas o✏ine, independentemente da UI

6_{O projeto Bhuu ´e uma iniciativa sem fins lucrativos que tem como objetivo distribuir esta¸c˜}_{oes meteorol´}_ogicas

em diversas regiões do globo e ser uma fonte independente de informa¸cões climáticas focada na intera¸cão do grande público com a meteorologia através de redes sociais

7_{O padr˜}_{ao ETHERNET geralmente ´e utilizado em conjunto com o popular padr˜}_{ao de “cabeamento azul”}

CAT5.

8_{Serial Peripheral Interface Bus}

(46)

Cap´ıtulo 3. Sistema de aquisi¸c˜ao de dados

(47)

Figura 3.3: Arquitetura multi-servidor balanceada do sistema de captura “Bhuu”

(48)

Cap´ıtulo 3. Sistema de aquisi¸cão de dados Para o desenvolvimento de software é necessária a instala¸cão do ambiente de desenvolvimento do fabricante, chamado MPLAB. Há também uma versão mais moderna dispon´ıvel chamada MPLABX, mas na época do desenvolvimento deste sistema (2011–2013) ele ainda era instável e apresentava problemas em sua interface com o programador e o debugger.

Essencial para o desenvolvimento do firmware também são as bibliotecas fornecidas pelo fa-bricante do microcontrolador que permitem a utiliza¸cão de sistemas de arquivos (FAT9_{, FAT32),}

dispositivos externos `a CPU (controlador ETHERNET), protocolos de comunica¸c˜ao TCP10_,

IP11_{, NTP}12 _{e USB, dentre outras. Estes recursos foram amplamente utilizados.}

3.3 Aspectos gerais de Firmware

O firmware foi constru´ıdo como um sistema não preemptivo. A própria pilha USB fornecida pelo fabricante não necessita de um RTOS, e isto reduz as complexidades inerentes à interrup-¸cão de processos concorrentes como rela¸cões inter-processos e dispositivos compartilhados. Não utilizar um RTOS também traz a vantagem de ter como resultado um sistema mais determi-n´ıstico. O cuidado que se deve ter ao desenvolver esse tipo de sistema deve ser que uma tarefa nunca deve consumir a CPU por um tempo arbitrariamente longo, como esperar um input do usuário ou do servidor. Geralmente estes problemas relacionados à espera de um agente externo são contornados por máquinas de estado, sendo que a mais emblemática delas é a máquina de estado da aplica¸cão de cliente que envia os dados do hub para o servidor através do protocolo TCP/IP.

A Figura3.4mostra o funcionamento deste sistema, na qual ´e representado um loop principal. Neles est˜ao inseridas:

1. as atividades da pilha USB e da Pilha TCP/IP, que s˜ao m´aquinas de estado que devem ser executadas periodicamente.

2. Upload de dado instantâneo: esta rotina tenta enviar o instantâneo de todas as medi¸cões periodicamente para o servidor. Caso ela não consiga enviar o pacote por algum problema na conexão, ela irá guardar o dado em um arquivo local.

3. Upload de dado em arquivo: se houver um arquivo no hub e a conexão estiver ativa, esta rotina enviará os dados deste arquivo para o servidor e em caso de sucesso da transmissão, apagará os dados da memória.

4. Download de firmware: esta rotina faz o download de um novo firmware quando ele se encontra dispon´ıvel no servidor do Bhuu. Um script deve ser atualizado no servidor para que informe as esta¸cões de que uma nova versão de firmware está dispon´ıvel.

9_{File Allocation Table}

10_{Transmission Control Protocol} 11_{Internet Protocol}

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5. Atualiza¸cão de firmware: este servi¸co verifica atualiza¸cões de firmware, e faz o download desta nova imagem no cartão. Ainda não foi implementado um bootloader que fa¸ca a atualiza¸cão do software do hub a partir desta imagem, mas este recurso é previsto.

Figura 3.4: Principais fun¸c˜oes do programa (firmware) em execu¸c˜ao no hub

3.4 Interface de Mem´

oria SD

A Figura 3.5 mostra as conexões elétricas do esquema elétrico, ligando as E/S de dados do cartão SD diretamente ao microcontrolador, no controlador SPI.

Na constru¸cão f´ısica deve-se atentar ao padrão microSD, que tem uma pinagem ligeiramente diferente do cartão SD regular. Segue na Figura 3.2 um exemplo das conexões de ambos os cartões de memória.

Há diversos parâmetros que devem ser configurados tanto para a inicializa¸cão do controlador SPI como os parâmetros do sistema de arquivos. Também foram feitas algumas altera¸cões nas biliotecas originais do fabricante para atender ao desenho do hardware, mas especificar este n´ıvel de detalhes foge ao escopo de trabalho. Após a configura¸cão correta, a inicializa¸cão e opera¸cão do cartão SD é toda através da API de acesso ao sistema de arquivos, que é muito semelhante às bibliotecas padrão para acesso a arquivos em um computador de mesa.

A interface SPI é um protocolo serial s´ıncrono criado pela Motorola que opera em modo full-duplex, ou seja, bidirecional simultâneo. Geralmente utilizado para um circuito integrado mestre para se comunicar com alguns poucos escravos dentro do mesmo dispositivo. O SPI é um protocolo simples que possui quatro conexões, a saber:

• SCLK: Serial Clock (output from Master)

• SDI/MOSI: Serial Data In/Master Output Slave Input

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Figura 3.5: Conexões elétricas do cartão de memória SD

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• SDO/MISO: Serial Data Out/Master Input Slave Output • CS/SS: Chip Select/Slave Select

A comunica¸cão é iniciada pelo circuito integrado mestre (no nosso caso o microcontrola-dor) através da habilita¸cão de um sinal de CS, e então é produzido um sinal de relógio em SCLK dentro dos parâmetro aceitáveis pelos escravos (no nosso caso o cartão SD). A partir da sequência de inicializa¸cão do cartão SD, é poss´ıvel haver dados trafegando em SDI e em SDO. A transmissão se enc.a com a parada dos pulsos de CLK e suceptiva desativa¸cão do sinal de CS. O sistema constru´ıdo é capaz de ler cartões de memória SD (Secure Digital ). A leitura e escrita é feita numa parti¸cão FAT32 ou FAT16 neles existente. São seis os sinais para a comunica¸cão entre o micro-controlador e o cartão de memória

Quadro 3.1: Sinais de comunica¸cão do cartão de memória Sinal SD Correspondente SPI Nome (SD)

CS SS Card Select

DI MOSI Data Input

DO MISO Data Output

SCLK SCLK Interface Clock

CD Card Detect

WP Write Protection

A transmissão de dados o corre já descrita, com o acrécimo opcional dos sinais de deteçcão de cartão CD e prote¸cão de escrita WP, que detectam a inser¸cão do cartão e impedem a grava¸cão. Esses sinais adicionais não foram utilizados.

3.5 Interface USB

A interface USB (Universal Serial Bus) é consideravelmente mais complexa que os antigos padrões RS232, RS485 ou SPI. Isso porque o USB além de sua interface f´ısica, tem uma in-terface lógica de endere¸camentos de dispositivos e reconhecimento automático (o conceito de plug-and-play). Apesar disso, é importante entender o funcionamento deste protocolo para re-alizar a interface com dispositivos como a esta¸cão meteorológica utilizada. Isso se dá pois na ausência de manuais detalhados, com frequência é necessário fazer engenharia reversa a partir das transmissões que acontecem entre o dispositivo e um PC. Esta comunica¸cão é interceptada por programas espec´ıficos, detalhados à frente.

Esta se¸cão do trabalho é basicamente uma parafraseamento do conteúdo da documenta¸cão USB[18], da documenta¸cão da Classe Human Interface Device (HID)[19] e do documento USB In a Nutshell[20]. Não serão feitas referências singulares, mas nestes três documentos pode-se encontrar grande parte do material aqui descrito.

O protocolo USB foi concebido com a finalidade de se fazer daisy-chaining de dispositivos, ou seja, ligar um no outro, reduzindo o número de cabos necessário. Entretanto ele é inerentemente um protocolo com topologia de estrela e assim, os dispositivos USB são geralmente ligados a um hub central e não dispõe de sa´ıdas para outros dispositivos.

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3.5.1 Interface f´ısica

O padrão USB admite em um hub até 127 dispositivos, sendo que podemos ligar um hub a outro, aumentando a capacidade de dispositivos conectados ao mesmo barramento. O hub também é responsável pela alimenta¸cão de seus dispositivos, e de fato, muitos deles como mouses e teclados fazem uso somente desta fonte de energia. Este também é o nosso caso, pois o receptor de rádio da esta¸cão meteorológica embora possa ser alimentado a baterias, também pode ser alimentado somente via USB.

Figura 3.8: Tipos de conectores USB – Adaptado de [10]

Figura 3.9: Codifica¸c˜ao f´ısica dos sinais USB – Adaptado de [10]

A Figura 3.8mostra os tipos de conectores USB comuns. Há também um padrão para a cor dos fios nos cabos e pinagem dos conectores, que é apresentada na Tabela 3.2.

Na Figura 3.9 os sinais elétricos, a codifica¸cão NZRI13_{, os dados resultantes e a divisão dos}

pacotes enviados é mostrada. Vemos nesta figura o “come¸co dos pacotes” que é um sinal de sincronia, “o identificador do tipo de pacote (PID)” e o “fim do pacote”, que tem um sinal NZRI não definido (ambos os sinais D+ e D– em zero por dois per´ıodos de bits).

13_{Non-Return-to-Zero Inverted – Quando h´}_{a invers˜}_{ao do n´ıvel do sinal (transi¸c˜}_{oes 0}

! 1 ou 1 ! 0) temos um 0 l´ogico. Quando o sinal permanece igual (0_{! 0 ou 1 ! 1) temos um 1 l´ogico.}