ASPECTOS DA CALIBRAÇÃO DE ANEMÔMETROS NOS EMPREENDIMENTOS EÓLICOS
Jorge Antonio Villar Alé - [email protected]
Gabriel Cirilo da Silva Simioni - [email protected]
Pedro da Silva Hack - [email protected]
CE-EÓLICA - Centro de Energia Eólica (www.pucr.br/ce-eolica )
Faculdade de Engenharia - Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS
Resumo: O trabalho descreve aspectos sobre a importância da calibração de anemômetros nos
empreendimentos eólicos, apresentando de modo geral a metodologia utilizada na calibração de anemômetros de copos em túnel de vento tomando como referência o procedimento da MEASNET. São apresentados resultados de calibração obtidos em túnel de vento projetado para tal finalidade.
1. INTRODUÇÃO
O levantamento do potencial eólico com qualidade é um dos passos iniciais e principais para quantificar o recurso energético e verificar se ele apresenta condições apropriadas para implantação de parques eólicos. Neste contexto os sistemas anemométricos (Fig.1) auxiliam na prospecção eólica, sendo utilizados na indústria eólica nas seguintes aplicações: (a) Levantamento do potencial eólico (velocidade e direção do vento, intensidade de turbulência). (b) Determinação do perfil de velocidade da camada limite atmosférica no local da torre. (c) Avaliação da energia gerada de parques eólicos. (d) Levantamento da curva de potência de turbinas eólicas. (e) Monitoramento da turbina para operar em sistemas de controle. (f) Monitoramento dos dados de vento de parques eólicos para alimentar modelos computacionais de meso-escala que permitem a previsão da energia produzida. Para estas aplicações podem ser utilizados anemômetros de copos, anemômetros tipo hélice e anemômetros sônicos. No mercado atual prevalece a utilização dos anemômetros de copos devido a sua simplicidade, robustez e custo atrativo.
SISTEMA SISTEMA ANEMOM ANEMOMÉÉTRICOTRICO
RECURSO E
RECURSO EÓÓLICOLICO CURVA DE POTÊNCIACURVA DE POTÊNCIA CONTROLE DA TURBINACONTROLE DA TURBINA SISTEMA
SISTEMA ANEMOM ANEMOMÉÉTRICOTRICO
RECURSO E
RECURSO EÓÓLICOLICO CURVA DE POTÊNCIACURVA DE POTÊNCIA CONTROLE DA TURBINACONTROLE DA TURBINA
Figura 1. Aplicações dos anemômetros em energia eólica.
A indústria eólica depende de medições de qualidade, principalmente dos dados de velocidade do vento. No processo de financiamento de parques eólicos, os bancos internacionais apresentam exigências específicas para assegurar que a energia prevista do empreendimento tenha a menor
margem de erro possível. Uma das exigências é que a campanha de levantamento de dados de vento seja realizada com anemômetros de qualidade com certificados de calibração. No Brasil, em função de leilões, o EPE (Empresa de Pesquisa Elétrica), vinculado ao MME, solicita certificação dos dados de vento para a habilitação técnica de empreendimentos eólicos.
O sistema anemométrico também ocupa papel relevante na avaliação do desempenho de turbinas eólicas. Uma das informações mais importantes de uma turbina eólica é sua curva de potência. Essa relaciona a potência de saída da máquina em função da velocidade do vento. Num parque eólico, a utilização da informação do recurso eólico junto com a curva de potência de cada uma das máquinas utilizadas permite avaliar a energia gerada. Tal informação da produção de energia pode ser utilizada numa avaliação financeira para verificar a atratividade ou não de um empreendimento eólico. Normas para levantar a curva de potência [5] apresentam recomendações para a instalação e funcionamento dos anemômetros assim como a importância da calibração destes sensores no levantamento da curva. Para prospecção eólica são utilizadas torres anemométricas com alturas de 50m, 80m e 100m de altura. Nas torres são instalados sistemas de aquisição de dados, anemômetros, sensores de direção do vento, temperatura, umidade e pressão atmosférica. Através da velocidade medida pelo anemômetro é possível coletar informações que são processadas estatisticamente obtendo-se velocidades médias, máximas, mínimas, desvios padrão, intensidade de turbulência e distribuição de velocidade. Essas informações permitem determinar a energia contida no vento, denominada densidade de potência (W/m2). Para determinar o perfil de velocidade e poder extrapolar a velocidade na altura da turbina são instalados 02 anemômetros a diferentes alturas. A qualidade dos resultados obtidos esta diretamente relacionada com a qualidade dos anemômetros utilizados, sendo a calibração do anemômetro o principal mecanismo de confiabilidade da sua correta operação.
2. QUALIDADE NAS MEDIÇÕES DA VELOCIDADE DO VENTO
A energia eólica disponível no vento esta relacionada com o cubo da velocidade do vento (V3). Os anemômetros apresentam uma determinada incerteza na mediação da velocidade e pode-se realizar uma análise entre esta incerteza e sua influencia na energia disponível. A Fig.2 mostra que existe um aumento da variação da energia em função da incerteza do anemômetro para diferentes velocidades médias. Por exemplo, para uma velocidade média de 7,0m/s, e utilizando um anemômetro com incerteza de ±0,5m/s, a variação na energia gerada pode ser maior que ±21%. Para tornar confiáveis os resultados de energia disponível, Peter e van Emden [1] recomendam a utilização de anemômetros com incerteza compreendida entre 0,1 m/s a 0,2 m/s. De modo geral, em um levantamento de potencial eólico, outros fatores contribuem para o aumento da incerteza da velocidade medida. No trabalho de Albers e Klug [2] mostra-se que a determinação da velocidade do vento para a estimativa da produção de energia depende da qualidade do anemômetro e sua calibração, da correta instalação na torre, do período da campanha das medições, das correlações a longo prazo de estas medições assim como da extrapolação da velocidade do vento. O resumo da faixa de incertezas é apresentado na Fig.3. Observa-se que campanhas de medições poderão apresentar incertezas de 1,5% até 14%. Isto representa uma incerteza na produção de energia de um parque eólico na ordem de 3,0% a 30%. Desta forma um levantamento de potencial eólico será de alta qualidade quando a energia produzida apresentar uma incerteza menor que 3,0%. Taylor et al.[3] apresentam o efeito da incerteza do anemômetro no erro cometido para obter por extrapolação (lei logarítmica) a velocidade do vento no cubo da turbina. Para isto se considera uma torre com anemômetro instalado na altura máxima da torre (50m) e outro anemômetro instalado numa altura inferior (Fig.4) concluindo que o erro aumenta quando os anemômetros estão muito próximos, contudo o segundo anemômetro não pode estar posicionado muito próximo do nível do solo podendo ocorrer erros por efeito da rugosidade do local.
0% 5% 10% 15% 20% 25% 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 incerteza na velocidade (m/s) V a ri a c a o ( % ) d a E n e rg ia V=6,0m/s V=7,0m/s V=8,0m/s V=9,0m/s
Figura 2. Efeito da incerteza na energia do vento.
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14%
INCERTEZA TOTAL NA VELOCIDADE Extrapolação da velocidade e micro-sítio Correlação a longo prazo (MCP) Período da campanha de medições Escolha do local para medição Instalação do anemômetro na torre Tipo de anemômetro
Calibração do anemômetro Incerteza Máxima Incerteza Mínima
Figura 3. Incerteza de medidas em empreendimentos eólicos.
Altura do anemômetro inferior (m)
E rr o d a v e lo c id a d e (% ) n a a lt u ra d o c u b o d a tu rb in a . Incerteza do anemômetro A lt u ra d a to rr e : 5 0 m
Fonte: Taylor et al. [2004]
3. PROCEDIMENTOS PARA CALIBRAÇÃO
Normas e procedimentos para calibração de anemômetros são fornecidos pela IEC e pela MEASNET (Fig.5). A MEASNET é uma rede internacional de metrologia que agrupa instituições e laboratórios de energia eólica com finalidade de padronizar os procedimentos para (a) Calibração de anemômetros (b) Curva de potência de turbinas eólicas (c) Nível de ruído de turbinas eólicas (d) Qualidade de energia de turbinas eólicas. Atualmente existem 15 instituições membros de 05 países, principalmente da Europa. Procedimentos para calibração de anemômetros são fornecidos no documento “Cup Anemometer Calibration Procedure” V.1, 1997 [4]. A norma IEC 61400-12-1[5] para levantamento da curva de potência de turbinas eólicas aborda no seu Anexo F os procedimentos para calibração de anemômetros.
Figura 5. Procedimentos padronizados na indústria eólica.
A calibração de anemômetros é realizada num túnel de vento e consiste em instalar o anemômetro na seção de teste e correlacionar para diferentes velocidades à freqüência de saída do anemômetro. A velocidade nesta seção é determina com auxilio de tubos de Pitot. No procedimento são utilizados transdutores para medir a pressão diferencial dos tubos de Pitot, temperatura media o ar, pressão atmosférica e umidade relativa. Um sistema de aquisição de dados permite o condicionamento dos sinais assim como o registro das variáveis envolvidas. O procedimento é realizado na faixa de 4m/s a 16m/s. Após o levantamento dos dados se realiza uma análise de regressão linear determinando parâmetros estatísticos como os coeficientes angular e linear que definem a equação da reta que representa a velocidade do vento em função da rotação do anemômetro. A freqüência da amostragem deve ser de pelo menos 1Hz durante pelo menos 30 segundos. A velocidade média de referência é determinada medindo a pressão diferencial no tubo de Pitot e levando em consideração as correções do coeficiente de correção do tubo de Pitot, do túnel de vento e do efeito de bloqueio. A massa específica do ar é determinada em função da temperatura média do ar, da umidade relativa, e da pressão atmosférica.
Após a coleta dos dados, deve-se realizar uma análise de regressão linear com o objetivo de obter os seguintes parâmetros da regressão: coeficiente linear (offset), coeficiente angular (slope), desvio
padrão, e coeficiente correlação. Na regressão linear se correlaciona a velocidade de referência,
obtida no túnel de vento a partir da pressão dinâmica dos tubos de Pitot, com a freqüência de saída do anemômetro. O procedimento de calibração é considerado satisfatório quando o coeficiente de correlação é maior que 0,99995. A Fig.6 mostra um esquema básico do processo de calibração.
Calibra Calibraçção deão de Anemômetros Anemômetros Pressão Pressão Dinâmica Dinâmica (Pa) (Pa) Freq Freqüüênciaência
(Hz) (Hz) Temperatura Temperatura ( (°°C)C) Pressão Pressão Atmosf Atmosfééricarica
( (hPahPa)) Umidade Umidade Relativa Relativa (%) (%) Calibra
Calibraçção deão de Anemômetros Anemômetros Pressão Pressão Dinâmica Dinâmica (Pa) (Pa) Freq Freqüüênciaência
(Hz) (Hz) Temperatura Temperatura ( (°°C)C) Pressão Pressão Atmosf Atmosfééricarica
( (hPahPa)) Umidade Umidade Relativa Relativa (%) (%) Aquisi Aquisiçção ão e Tratamento e Tratamento de Dados de Dados Coeficientes de Coeficientes de Corre Correçção ão
y = 0,0493x + 0,2278 R2 = 0,999972 5 7 9 11 13 15 17 100 150 200 250 300 350 Freqüência de Saída (Hz) V elo c id ad e d o V e n to (m /s ) Certificado Certificado de Calibra de Calibraççãoão
Figura 6. Procedimentos para calibração de anemômetros.
4. CALIBRAÇÕES NO CE-EÓLICA
O CE-EÓLICA foi inaugurado na PUC-RS em outubro de 2007 uma parceria com a ELETROBRÁS/PROCEL para capacitação laboratorial na área de energia eólica. A partir de março de 2008 foram iniciadas as atividades para calibração de anemômetros seguindo as recomendações da MEASNET. Para realizar os procedimentos de calibração no CE-EÓLICA são utilizados a infra-estrutura, equipamentos e instrumentação do laboratório de aerodinâmica e anemometria. O laboratório conta com um túnel de vento (Fig.7) projetado pela própria equipe do CE-EÓLICA, o qual opera por insuflamento acionado por um ventilador centrífugo de 70 kW cuja rotação é controlada por um inversor de freqüência. O túnel apresenta uma câmara de estabilização de 3,0m x 3,0m. A seção de teste é de 1,0m x 1,0m na qual pode ser alcançada uma velocidade de 25m/s. No procedimento de calibração o túnel opera numa faixa de 4,0m/s a 16m/s conforme recomenda a MEASNET. A intensidade de turbulência obtida nos procedimentos de calibração de anemômetros é da ordem de 1%. Antes de iniciar a calibração de um anemômetro, todo o processo é realizado com um anemômetro de referência para verificar o correto funcionamento de todo o procedimento e a repetibilidade dos resultados.
4.1 Automação do processo de Calibração
Para a automação do processo foi desenvolvido um conjunto de programas computacionais que reproduzem a faixa de velocidades necessárias para calibração de anemômetros. Os aplicativos permitem controlar a velocidade do túnel de vento assim como controlar a aquisição de dados pelo sistema de aquisição de dados. Essa automação minimiza a possibilidade de erros por interferência humana na calibração. Depois de instalado o anemômetro na seção de teste, o operador dá o comando para iniciar o procedimento monitorando as variáveis adquiridas, não sendo necessária nenhuma intervenção durante este processo. Também foi aperfeiçoado o procedimento para determinar a massa específica do ar, resultando numa menor incerteza na velocidade do vento. Para acompanhamento do processo de calibração foi desenvolvido um aplicativo supervisório (Fig.8) que permite o monitoramento on-line de todo o processo. Após completar o processo, os dados coletados são transferidos a uma planilha eletrônica, também automatizada, calculando as incertezas resultantes das variáveis coletadas, gerando automaticamente o armazenamento da informação e emitindo o relatório e o certificado de calibração.
Figura 8. Supervisório do processo de calibração
As variáveis são adquiridas com taxa de amostragem de 1 Hz sendo coletadas 120 amostras para cada faixa de velocidade. No processo a velocidade inicia em 4 m/s e incrementa em intervalos de 2 m/s até alcançar a velocidade de 16 m/s. Posteriormente a velocidade é decrementada para 15 m/s e continua sendo decrementada em intervalos de 2m/s até a velocidade de 5m/s, varrendo toda a faixa velocidades requerida (4m/s a 16m/s). A Fig.9(a) mostra este escalonamento da velocidade. A Fig.9(b) mostra a influência da temperatura na determinação da massa específica.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 amostras V e lo c id a d e ( m /s )
(a) Amostra de velocidades
1,176 1,177 1,178 1,179 1,180 1,181 1,182 1,183 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Amostras M a s s a E s p e c íf ic a ( k g /m 3 ) 26,6 26,8 27,0 27,2 27,4 27,6 27,8 28,0 28,2 28,4 T e m p e ra tu ra A m b ie n te ( °C )
(b) Amostra de temperatura e massa específica Figura 9. Exemplo de amostras de velocidade e temperatura nos testes.
5. RESULTADOS
A Fig.10 mostra o resultado de uma calibração de um anemômetro de copos. Da regressão linear são obtidos o coeficiente angular (0,04017) e o coeficiente linear (0,20134) assim como o coeficiente de correlação o qual atende as exigências da MEASNET (R > 0,99995). A Fig.10 também mostra o resíduo da velocidade obtido quando comparada a velocidades de referencia com a velocidade determinada a partir da equação de regressão linear.
y = 0,04017x + 0,20134 R2 = 0,99999 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Freqüência do Anemômetro (Hz) V e lo c id a d e d o V e n to ( m /s ) -0,30 -0,20 -0,10 0,00 0,10 0,20 0,30 R e s íd u o ( m /s )
Velocidade do Vento (m/s) Resíduo (m/s)
Figura 10. Exemplo de resultado da calibração de anemômetro.
A análise de incerteza é realizada seguindo as recomendações da MEASNET e utilizando a Ref.[6] e Ref.[7]. A incerteza do anemômetro calibrado em túnel de vento é função das incertezas tipo A e tipo B. As incertezas tipo A levam em conta as variações randômicas, quantificadas por desvios padrão das medições. As incertezas tipo B dependem de fatores como incertezas dos instrumentos, e das incertezas de correções do túnel. Na Fig.11 é apresentado o resultado das incertezas nas velocidades no intervalo de velocidades de 4,0m/s até 16m/s. Na figura mostra-se a incerteza total expandida (UT) obtida em função das incertezas tipo A (uA) e tipo B (uB). Nos resultados utiliza-se um fator de abrangência k=2 para um nível de confiança de aproximadamente 95%. Observa-se que nos resultados obtidos a incerteza percentual é sempre menor que 1,2% para todos os intervalos de velocidades.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 2 4 6 8 10 12 14 16 Velocidade de referencia (m/s) In c e rt e z a ( m /s ) 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0% In c e re tz a ( % ) Incerteza (m/s) Incerteza (%)
6. CONCLUSÕES
O trabalho apresentou uma revisão dos principais fatores que devem ser considerados para minimizar as incertezas em empreendimentos eólicos em função do uso de anemômetros de copos. Foram apresentados os procedimentos para calibração de anemômetros seguindo as recomendações da MEASNET. Os resultados mostram que o túnel de vento apresenta a qualidade desejada para realizar estes procedimentos.
7. REFERÊNCIAS
[1] Peter H. van Emden “Accuracy of Wind Speed Data: a key-factor in the economic analysis of wind energy projects” www.ekopower.nl/know_how_accur.htm (2008).
[2] Albers A. and Klug H. “High Quality Wind Speed Measurements for Site Assessment” DEWI Magazine (1999) No 15, pag.6-16.
[3] Taylor M., Mackiewicz P., Brower M.C., Markus M. “An Analysis of Wind Resource Uncertainty in Energy Production Estimates”. EWEC 2004.
[4] MEASNET “Cup anemometer Calibration Procedure” V.1 Sept. 1997.
[5] IEC 61400-12-1 First Ed. 2005-12 (2005). “Wind turbines – Part 12-1: Power Performance Measurements of Electricity Producing Wind Turbines”.
[6] Guia para Expressão da Incerteza de Medição Ed. Brasileira, ABNT, INMETRO 2003.
[7] Eecen, P.J. and M. de Noord (2005). ECN-C-05-66, “Uncertainties in cup anemometer calibrations: Type A and Type B uncertainties “. Energy Center Netherlands.
