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RAMOS, Daniel Agnese.
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ÍNDICE ANALÍTICO
CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO ...............................................................................
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II.4.2.3 Dipolo do Atlântico..............................................................................................
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III.3.3 Restrições Burocráticas............................................................................... 68
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CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO
O presente trabalho tem como objetivo a elaboração de uma metodologia
confiável para o estudo do...
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Para usufruir de tal fonte é necessário se assegurar que a qualidade desse recurso
é realmente satisfatória na área a se...
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para a ampliação do uso desse tipo de geração era o desafio de conectar e operar, de
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I.3.1 História e Configuração Atual
O primeiro registro histórico da utilização da energia eólica se dá pela utilização
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Atualmente, tem-se mais de uma solução possível para a configura...
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Figura 6 - Diferentes tipos de arranjo em um aerogerador de eixo horizontal (fonte: CRESESB)
I.3.2 Energia e Potencia Ex...
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A potência disponível no vento não pode ser totalmente apr...
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Figura 8 - Perdas de velocidade do vento ao passar pelas pás da turbina (fonte: CRESESB)
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Também é preciso levar em conta a eficiência da máquina eólica, dada por 𝜂,
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I.3.3 Fator de Capacidade
O fator de capacidade é uma taxa percentual que exprime a relação entre a
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A razão pela qual essas duas condições foram adotadas como referência é
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CAPÍTULO II – CLIMATOLOGIA
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Para uma melhor compreensão do recurso eólico de uma determinada região é
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Figura 13 - Variação Angular da Incidência de Raios Solares. (Figura adaptada de Tempo e Clima
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Figura 14 - Esquema da Circulação Geral da Atmosfera (Figura adaptada de Tempo e Clima no
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Imagens de satélite foram utilizadas por Citeau et al. (1985, 1988a, 1988b) e
Uvo (1989) para identificar a banda máxim...
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Figura 17 - Imagem do Satélite GOES-13 com formação do VCAN próximo ao Recôncavo Baiano
II.2.3 Linhas de Instabilidade
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II.2.4 Frentes Frias
Outro importante mecanismo causador de chuva no NE está ligado à penetração
de frentes frias até a...
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Figura 19 - Imagem do Satélite GOES-13 com formação das Ondas de Leste bem definida
II.3 Efeitos de mesoescala que afet...
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II.3.1 Brisas
A proximidade com o mar e a altitude local são dois controladores muito
importantes do clima local denomi...
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II.3.1.2 Brisa Vale/Montanha
Em regiões altas, durante a noite, o ar se resfria mais do que nos vales. O ar frio
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II.4 A influência dos oceanos e alguns fenômenos anômalos
A última seção desse capítulo visa tanto descrever – novament...
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vento dessa tal região. A Figura 22 mostra a anomalia da TSM do Pacífico Tropical
para o período que vai de 13/10/2015 ...
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II.4.2.2 La Niña
La Niña representa um fenômeno oceânico-atmosférico com características
opostas ao EL Niño, e que se c...
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CAPÍTULO III – FUNDAMENTOS DA AVALIAÇÃO DO POTENCIAL
EÓLICO
Assim como tratado na introdução do trabalho, é de suma imp...
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Seguindo uma ordem lógica, essa subseção tratará os dois parâmetros
necessários para a avaliação do terreno – a topogra...
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Figura 23 – Tipos Existentes de Dados Topográficos para uma Mesma Área (gerados no ArcGIS)
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Algebricamente, z0 é apenas uma constante de integração do perfil vertical de
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Figura 25 - Raster de Rugosidade do Nordeste Brasileiro (fonte: banco de dados do Meteodyn)
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Tabela 2 - Faixa de Valores de Comprimento de Rugosidade (z0) por Tipos de Uso do Solo
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Dessa forma, fica evidente que o geoprocessamento no seu viés mais amplo é
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chamadas de isóbaras16
. Na atmosfera livre, devido às forças barométricas, que também
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A área da camada limite próxima ao solo é chamada de camada de Prandtl17
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III.1.2.1.1 Perfil Logarítmico
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III.1.2.1.2 Perfil Exponencial
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Tabela 4 - Coeficiente de Atrito para vários tipos de terreno em diferentes condições atmosféricas
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III.1.2.2 Obstáculos e Esteira
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A região de esteira é caracterizada por um déficit de velocidade e incremento da
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III.1.2.3 Estabilidade Atmosférica
A estabilidade da atmosfera é um dos fatores fundamentais para o estudo dos
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Tabela 6 - Tabela de Classificação da Estabilidade Atmosférica
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onde: 𝛾 corresponde à razão 𝑐 𝑝/𝑐 𝑣 e 𝑐 𝑣 é o calor específico a volume constante por
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III.2.1 Tipos de Dados de Vento
Uma premissa muito importante para todo o conteúdo dessa seção, referente à
medição e a...
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Atualmente, existem duas alternativas de sensores, em oposição à solução
clássica da torre anemométrica, que medem info...
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reanálise muito utilizada para a avaliação de potencial eólico, a série Modern-Era
Retrospective analysis for Research ...
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Reanalysis (CFSR) – fornecida pelo National Centers for Environmental Prediction
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III.2.2 Sensores (Custo, Local...
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para fins de validação, tem o valor máximo de 2 km, sendo necessária a instalação de
outra coleta de dados fora dessa r...
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Dessa forma, os sensores que serão abordados a seguir, nessa subseção, medem
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configuração foi inventada por John Thomas Rommey Robinson22
em 1846 e
aperfeiçoada por J. Patterson23
em 1926.
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III.2.2.3.2 Birutas (“Wind Vanes”)
A medição de dados referentes à direção do vento horizontal é necessária para a
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III.2.2.3.3 Termo-higrômetros
Outro sensor de ampla utilização em campanhas de medição é o termo-
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Figura 36 - Barômetro desenvolvido pela empresa Vaisala
Entretanto, devido à dificuldade de medir de forma acurada a pr...
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  1. 1. ESTUDO DO ESCOAMENTO ATMOSFÉRICO DE UMA REGIÃO COM OROGRAFIA COMPLEXA VIA ANÁLISE CFD PARA IMPLEMENTAÇÃO DE UM PROJETO EÓLICO Daniel Agnese Ramos Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica, da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção de título de Engenheiro. Orientador: Profº. Ph.D. Fernando Pereira Duda Rio de Janeiro Maio de 2016
  2. 2. ii ESTUDO DO ESCOAMENTO ATMOSFÉRICO DE UMA REGIÃO COM OROGRAFIA COMPLEXA VIA ANÁLISE CFD PARA IMPLEMENTAÇÃO DE UM PROJETO EÓLICO Daniel Agnese Ramos PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO Aprovado por: Prof. Fernando Pereira Duda, Ph.D. (Orientador) Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, Ph.D. Prof. Flávio de Marco Filho, D.Sc. Vanessa Gonçalves Guedes, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MAIO DE 2016
  3. 3. iii RAMOS, Daniel Agnese. Estudo do Escoamento Atmosférico de uma Região com Orografia Complexa via Análise CFD para Implementação de um Projeto Eólico/ Daniel Agnese Ramos - Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016. X 132 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Fernando Pereira Duda Projeto de Graduação - UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2016 Referências Bibliográficas: p. 112 1. Energia Eólica 2. Escoamento Atmosférico 3. CFD 4. Otimização I. Fernando Pereira Duda II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica III. Estudo do Escoamento Atmosférico de uma Região com Orografia Complexa via Análise CFD para Implementação de um Projeto Eólico
  4. 4. iv “Este trabalho é dedicado à memória de Maria da Gloria Cosenza Agnese”
  5. 5. v AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado saúde durante todo o período de desenvolvimento desse trabalho. Agradeço a toda a minha família. Em especial: aos meus pais, Maria Cristina Cosenza Agnese e Fabio de Oliveira Ramos, que me ensinaram todos os meus valores, demonstrando a prática do bem acima de qualquer outra questão; à Monica Ramos de Macedo Soares, que sempre me lembrou da importância da família, mantendo a família Ramos sempre unida e presente em sua morada; e à minha namorada Luiza Brener Magalhães, por estar presente na minha vida e ser uma grande parceira nessa jornada. Agradeço a todos os meus amigos, que representam a extensão da minha família. Em especial: aos amigos do surfe – esporte que pratico com todo o afinco e dedicação – do posto 7 da Barra da Tijuca, por me socorrerem quando me acidentei na Indonésia; aos amigos da faculdade, por transformarem a jornada da graduação na Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro em uma tarefa mais agradável; e aos outros amigos que tive o prazer de conhecer durante a vida, por trazerem mais leveza ao enfrentamento dos desafios no cotidiano. Agradeço a todas as pessoas que me ajudaram profissionalmente, cuja ajuda foi diretamente responsável pelo trabalho desenvolvido. Em especial: ao meu orientador Fernando Pereira Duda, que além de me orientar nesse projeto também foi meu orientador acadêmico durante toda a jornada da graduação, auxiliando na tomada de decisões importantes para o meu futuro profissional; aos pesquisadores do Cepel, Vanessa Gonçalves Guedes e Sérgio Roberto Ferreira Cordeiro de Melo, que, primeiramente, também estão inclusos no agradecimento aos amigos e que tiveram a enorme solidariedade de me ajudar na execução desse trabalho; e a todos os professores que tive a oportunidade de conhecer durante todo o período da graduação e do ensino básico e médio. Por fim, agradeço a todas as empresas que me ajudaram. Em especial: à Natural Energia, por ter sido o meu primeiro emprego na área de energia eólica, que me proporcionou a oportunidade de conhecer um pouco desse setor fascinante; e ao Cepel, por ter disponibilizado toda a infraestrutura necessária para a realização desse trabalho.
  6. 6. vi Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. Estudo do Escoamento Atmosférico de uma Região com Orografia Complexa via Análise CFD para Implementação de um Projeto Eólico Daniel Agnese Ramos Maio de 2016 Orientador: Fernando Pereira Duda Curso: Engenharia Mecânica O desenvolvimento de um projeto eólico é uma tarefa multidisciplinar e, por esta razão, necessita do conhecimento e da integração de várias áreas do saber. Dessa forma, o trabalho foi idealizado com a intenção de realizar uma revisão bibliográfica da teoria que embasa a avaliação do potencial eólico de uma região e da criação de uma metodologia confiável para o desenvolvimento de um projeto eólico em condições de terreno complexo, visto que essa situação traz uma série de desafios à modelagem. Palavras-chave: Energia Eólica, Parque Eólico, Metodologia, Otimização.
  7. 7. vii Abstract of Undergraduate Project presented to Poli/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineering. Simulation of Atmospheric Flow over Complex Terrain using CFD tools and Development of an Eolic Project Daniel Agnese Ramos May of 2016 Advisor: Fernando Pereira Duda Course: Mechanical Engineer The development of an eolic project is a multidisciplinary task and demands the knowledge of many fields of science. Thus, this work was idealized to review all the theory behind the assessment of the wind resource and to create a reliable methodology to deal with complex terrain situation while developing an eolic project. Keywords: Wind Power, Atmospheric Flow, CFD, Optimization.
  8. 8. viii ÍNDICE ANALÍTICO CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO ......................................................................................1 I.1 MOTIVAÇÃO ............................................................................................................... 1 I.2 CONTEXTO ECONÔMICO ................................................................................................ 2 I.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE AEROGERADORES......................................................................... 4 I.3.1 História e Configuração Atual ......................................................................... 5 I.3.2 Energia e Potencia Extraída do Vento............................................................. 8 I.3.3 Fator de Capacidade ..................................................................................... 12 I.4 ESCOLHA DA REGIÃO DE INTERESSE PARA O ESTUDO DE CASO............................................... 12 CAPÍTULO II – CLIMATOLOGIA ................................................................................ 14 II.1 CIRCULAÇÃO GERAL DA ATMOSFERA .............................................................................. 15 II.1.1 Movimentos verticais................................................................................... 16 II.1.2 Movimentos horizontais............................................................................... 17 II.2 EFEITOS DE ESCALA SINÓTICA QUE AFETAM A REGIÃO DE INTERESSE ..................................... 18 II.2.1 Zona de Convergência Intertropical do Atlântico ........................................ 18 II.2.2 Vórtice Ciclônico de Altos Níveis .................................................................. 20 II.2.3 Linhas de Instabilidade................................................................................. 21 II.2.4 Frentes Frias................................................................................................. 22 II.2.5 Ondas de Leste ............................................................................................. 22 II.3 EFEITOS DE MESOESCALA QUE AFETAM A REGIÃO DE INTERESSE .......................................... 23 II.3.1 Brisas ............................................................................................................ 24 II.3.1.1 Brisa Marítima/Terrestre.................................................................................... 24 II.3.1.2 Brisa Vale/Montanha ......................................................................................... 25 II.3.2 Complexos Convectivos de Mesoescala ....................................................... 25 II.4 A INFLUÊNCIA DOS OCEANOS E ALGUNS FENÔMENOS ANÔMALOS........................................ 26 II.4.1 Influência dos oceanos Atlântico e Pacífico na climatologia do NEB .......... 26 II.4.2 Anomalias nas temperaturas da superfície dos oceanos............................. 26 II.4.2.1 El Niño ................................................................................................................ 27 II.4.2.2 La Niña................................................................................................................ 28
  9. 9. ix II.4.2.3 Dipolo do Atlântico............................................................................................. 28 CAPÍTULO III – FUNDAMENTOS DA AVALIAÇÃO DO POTENCIAL EÓLICO .................. 29 III.1 TERRENO NO ESCOAMENTO ATMOSFÉRICO ................................................................... 29 III.1.1 Classificação, Obtenção e Tratamento de Dados ....................................... 29 III.1.1.1 Topografia ......................................................................................................... 30 III.1.1.2 Rugosidade do Terreno ..................................................................................... 32 III.1.1.3 Geoprocessamento de Dados ........................................................................... 35 III.1.2 Implicações do Terreno na Modelagem Física............................................ 36 III.1.2.1 Camada Limite Atmosférica (CLA)..................................................................... 36 III.1.2.1.1 Perfil Logarítmico ...................................................................................... 39 III.1.2.1.2 Perfil Exponencial...................................................................................... 41 III.1.2.2 Obstáculos e Esteira .......................................................................................... 43 III.1.2.3 Estabilidade Atmosférica................................................................................... 45 III.2 MEDIÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS DADOS DE VENTO................................................. 47 III.2.1 Tipos de Dados de Vento............................................................................. 48 III.2.2 Sensores (Custo, Localização, Calibração e Tecnologias) ........................... 51 III.2.2.1 Localização ........................................................................................................ 51 III.2.2.2 Custos de Medição ............................................................................................ 52 III.2.2.3 Tipos de Sensores.............................................................................................. 52 III.2.2.3.1 Anemômetros ........................................................................................... 53 III.2.2.3.2 Birutas (“Wind Vanes”) ............................................................................. 55 III.2.2.3.3 Termo-higrômetros................................................................................... 56 III.2.2.3.4 Barômetro ................................................................................................. 56 III.2.2.3.4 Piranômetro .............................................................................................. 57 III.2.2.4 Calibração e Montagem .................................................................................... 58 III.2.3 Análise Estatística dos Dados de Vento ...................................................... 60 III.2.3.1 Intensidade de Turbulência (IT)......................................................................... 60 III.2.3.2 Distribuição de Weibull ..................................................................................... 61 III.2.3.4 Rosa Setorial de Frequência.............................................................................. 63 III.2.3.5 Correlação e Validação de Dados...................................................................... 64 III.3 RESTRIÇÕES PARA A IMPLEMENTAÇÃO DE UM PROJETO EÓLICO ......................................... 65 III.3.1 Restrições Técnicas...................................................................................... 65 III.3.2 Restrições Ambientais................................................................................. 68
  10. 10. x III.3.3 Restrições Burocráticas............................................................................... 68 III.4 MODELAGENS PARA SIMULAÇÃO DO VENTO.................................................................. 68 III.4.1. Modelagem do Software de Simulação do Escoamento via CFD .............. 69 III.4.1.1 Embasamento Teórico....................................................................................... 69 III.4.1.1.1 Equações Governantes.............................................................................. 70 III.4.1.1.2 Equação da Continuidade ......................................................................... 70 III.4.1.1.3 Equação de Navier-Stokes......................................................................... 72 III.4.1.1.4 Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANS)................................ 74 III.4.1.2 Modelo de Turbulência 𝑲- 𝜺 (Parametrização do WindSim)............................ 75 III.4.2 Modelo de Esteira ....................................................................................... 77 III.4.2.1 Modelo Comprimento de Mistura (AINSLIE, 1986)........................................... 77 III.4.2.1.1 Modelagem Matemática........................................................................... 78 III.4.2.1.2 Simplificações à Modelagem Matemática ................................................ 81 III.4.2.2 Metodologia Deep Array ................................................................................... 82 III.4.2.2.1 Aspectos Teóricos da Metodologia Deep Array........................................ 82 III.4.2.2.2 Acoplamento da Metodologia Deep Array com o Modelo ‘Comprimento de Mistura’................................................................................................................. 86 CAPÍTULO IV – ESTUDO DE CASO ............................................................................ 88 IV.1 MANIPULAÇÃO E OBTENÇÃO DE DADOS DE TERRENO ...................................................... 88 IV.2 OBTENÇÃO E CORRELAÇÃO DOS DADOS DE VENTO ......................................................... 89 IV.2.1 Correlação da Climatologia Local ............................................................... 90 IV.3 SIMULAÇÃO DO ESCOAMENTO ATMOSFÉRICO................................................................ 92 IV.3.1 Simulação de “Larga Escala” ...................................................................... 92 IV.3.2 Metodologia Nesting .................................................................................. 97 IV.4 DEFINIÇÃO E OTIMIZAÇÃO DO LAYOUT DO PARQUE EÓLICO............................................ 106 CAPÍTULO V – CONCLUSÃO................................................................................... 112 CAPÍTULO VI – REFERÊNCIAS................................................................................. 113 ANEXOS DOS RESULTADOS DO ESTUDO DE CASO ................................................. 115
  11. 11. 1 CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO O presente trabalho tem como objetivo a elaboração de uma metodologia confiável para o estudo do escoamento atmosférico de regiões de terreno complexo e do consequente desenvolvimento de um projeto eólico em uma cadeia de montanhas, localizada no estado do Ceará. Para isso, o trabalho foi realizado com a finalidade de revisar toda a bagagem teórica referente à avaliação do potencial eólico de uma região e, posteriormente, aplicar tais conceitos em um estudo de caso, elaborando uma metodologia que pode ser aplicada na análise de qualquer projeto eólico em terreno complexo. Em suma, a introdução do trabalho irá contextualizar o desafio apresentado com o momento econômico atual – e com projeções para até 2040 realizadas pela International Energy Agency (IEA) –, definir a escolha da área que será estudada e apresentar os princípios básicos do mecanismo que possibilita a extração de energia do escoamento dos ventos, o aerogerador. I.1 Motivação A crescente demanda por energia elétrica ainda é um problema muito presente na atualidade e fonte de inspiração para inúmeras soluções de engenharia. Nas últimas décadas, a exploração de recursos renováveis ou de fluxo foi gradativamente viabilizada, tanto no que tange à sua geração quanto à sua inserção no sistema elétrico, e recursos como a radiação solar e a energia dos ventos representam, atualmente, uma parcela significativa da produção de energia de determinados países - dentre os quais se destacam Portugal, Alemanha, Noruega e Dinamarca. No cenário nacional a opção da exploração da energia proveniente dos ventos se torna ainda mais interessante devido à sua complementaridade com a principal matriz energética do Brasil, as hidroelétricas, e ao potencial promissor do recurso eólico em determinadas regiões do país.
  12. 12. 2 Para usufruir de tal fonte é necessário se assegurar que a qualidade desse recurso é realmente satisfatória na área a ser explorada, e para isso são necessárias campanhas de medições de longa duração no local. Entretanto, assim como na exploração dos recursos tradicionais, como o petróleo e outras commodities, o investimento para todo esse processo de investigação e certificação da qualidade do prospecto é caro e demorado, o que torna ainda mais importante escolher bem o lugar que se vai investir tempo e capital para comprovar a qualidade do vento. E é nessa conjuntura que estudos preliminares como a modelagem do escoamento atmosférico utilizando como entrada séries históricas de longo prazo de reanálise e dados de topografia e rugosidade disponíveis se tornam muito importantes, uma vez que feita tal análise é possível estimar um provável fator de capacidade característico da região e determinar se é válido ou não investir na área em questão – sem a necessidade de investir a priori para determinar tal veredito. I.2 Contexto Econômico De acordo com o relatório do ano de 2009 da World Wind Energy Association (WWEA), a energia eólica era um business com a considerável marca de 50 bilhões de euros de receita e mais de 550.000 postos de trabalho gerados ao redor do mundo. Naquele ano, 159,2 GW de potência instalada em parques eólicos estavam ligados na rede elétrica. Esse mesmo relatório também demonstrava outro fator interessante para aquela época, o crescimento da taxa de ampliação da soma da potência instalada em parques eólicos no mundo. O mercado eólico mundial, que havia crescido 21,3% no ano de 2004, cresceu 31,7% no ano do referido relatório, 2009. Dessa forma, fica notório que o mercado eólico já era representativo no cenário mundial – apesar de, se comparado à indústria do petróleo, ser muito menor em valores absolutos de demanda mundial – daquela época. A situação do mercado de energia eólica foi impulsionada, principalmente, pela necessidade de alguns países implementarem um forma de geração de energia elétrica alternativa à baseada em fontes fósseis, seja por metas de redução de emissão de carbono ou por questões estratégicas de diversificação das fontes energéticas – vale ressaltar que uma das maiores barreiras
  13. 13. 3 para a ampliação do uso desse tipo de geração era o desafio de conectar e operar, de forma à garantir a segurança energética de um sistema elétrico, uma forma de geração intermitente de energia. Outro relatório que também foi avaliado nesse trabalho foi o World Energy Outlook (WEO) da IEA do ano de 2014, contendo previsões para o futuro do mercado energético mundial – inclusive o mercado eólico. Nesse relatório foram avaliados três cenários possíveis de incentivo à geração de fontes renováveis: o cenário New Policies, que considerava medidas mitigadoras da emissão de carbono anunciadas mas ainda não implementadas pelos países; o cenário Current Policies, que considerava apenas as medidas mitigadoras da emissão de carbono existentes nos países; e o cenário 450, o cenário menos realista, que considerava que todos os países adotariam medidas necessárias para bater a meta mundial de controle do aumento temperatura do planeta. De acordo com as projeções do WEO para 2040, fica constatado que, em todos os cenários projetados, a inserção de energias renováveis no sistema – sobretudo a energia eólica – aumenta em todos os países e blocos econômicos analisados pelo estudo. A Figura 1 ilustra o investimento acumulado, projetado para o período de 2014 a 2040, dividido por fontes energéticas e expresso em bilhões de dólares de 2013. Figura 1 - Investimento acumulado mundial no mercado energético (New Policies Scenario – WEO)
  14. 14. 4 Na Figura 1, é possível notar a significativa parcela de investimentos que é projetada para energias renováveis nos próximos vinte e cinco anos. Nesse diagrama, enquanto todas as fontes fósseis acumulam um investimento de 33.111 bilhões de dólares de 2013, as fontes renováveis – sozinhas – acumulam a quantia de 7.377 bilhões de dólares de 2013, o que significa que o investimento total projetado para as fontes renováveis já representaria 23 % do investimento destinado para as fontes fósseis. Por fim, a última projeção analisada no WEO de 2014 foi a projeção da potência instalada da soma dos parques eólicos nos países, blocos econômicos e continentes para o ano de 2040 (Figura 2) – os destaques dessa projeção seriam: a potência instalada na China, que se aproximaria de 400 GW; e o percentual das eólicas na matriz energética da União Europeia, que está projetada para representar 20 % da geração de energia. Figura 2 – Potência instalada de parques eólicos em 2040 (New Policies Scenario – WEO) I.3 Princípios Básicos de Aerogeradores A seguinte seção tem como finalidade apresentar conhecimentos teóricos básicos em relação à extração da energia do deslocamento de massas de ar, definindo, também, a configuração de aerogerador utilizada no estudo de caso do projeto – aerogeradores de eixo horizontal – e o parâmetro mais utilizado para definir a eficiência de um projeto eólico, o fator de capacidade.
  15. 15. 5 I.3.1 História e Configuração Atual O primeiro registro histórico da utilização da energia eólica se dá pela utilização de cata-ventos, para realizar tarefas como bombeamento de água e moagem de grãos, na Pérsia antiga, por volta de 200 A.C.. Esse tipo de moinho de eixo vertical veio a se espalhar pelo mundo islâmico sendo utilizado por vários séculos. Acredita-se que antes da invenção dos cata-ventos na Pérsia, a China – por volta de 2000 A.C. – e o Império Babilônico – por volta de 1700 A.C. – também utilizavam cata-ventos rústicos para irrigação (DUTRA, 2008). A imagem a seguir (Figura 3) ilustra um exemplo de cata- vento antigo encontrado na província de Razavi Khorasan1 – na imagem ainda é possível notar a dimensão considerável da máquina, por volta de 15 m, comparando-a com o tamanho do indivíduo ao lado dela. Figura 3 - Cata-Vento rústico encontrado no nordeste do Iran 1 Província localizada na região nordeste do Iran.
  16. 16. 6 Com o avanço da rede elétrica, foram feitas, no início do século XX, várias pesquisas para o aproveitamento da energia eólica em geração de energia elétrica. Enquanto os Estados Unidos estavam difundindo o uso de aerogeradores de pequeno porte nas fazendas e residências rurais isoladas, a Rússia investia na conexão de aerogeradores de médio e grande porte diretamente na rede. A França também se empenhou nas pesquisas de aerogeradores conectados à rede elétrica. Entre 1958 e 1966 foram construídos diversos aerogeradores de grande porte – entre os principais estavam três aerogeradores de eixo horizontal e três pás, que é a configuração utilizada comercialmente nos dias atuais. Um dos modelos apresentava 30 m de diâmetro de rotor com potência instalada de 800 kW (DUTRA, 2008). Dessa forma, durante o período que compreende o século passado, houve uma evolução significativa da tecnologia agregada à fabricação de aerogeradores de pequeno, médio e grande porte. A Figura 4 demonstra a mudança da dimensão e da potência instalada das máquinas de grande porte ao longo das últimas décadas do século passado até o ano de 2005 – nesse estudo é interessante notar que as projeções para o ano de 2010 foram alcançadas recentemente, como demonstra o aerogerador Enercon E-126 do fabricante alemão Enercon (Figura 5), que possui 126 m de diâmetro de rotor e uma potência instalada de 7,6 MW. Figura 4 - Evolução dos aerogeradores (fonte: CRESESB)
  17. 17. 7 Figura 5 - Enercon E-126 (7,6 MW de potência instalada) Atualmente, tem-se mais de uma solução possível para a configuração de um aerogerador, mas apenas uma é amplamente utilizada comercialmente – e, por esta razão, será a única configuração contemplada no trabalho em questão –, os aerogeradores de eixo horizontal. A disposição dos equipamentos de um aerogerador de eixo horizontal pode ser feita de maneiras diferentes, porém as mais comuns são mostradas na figura 6. A principal diferença entre elas é o tamanho e formato da nacele2 , presença ou não de caixa multiplicadora3 e o tipo de gerador utilizado, podendo esse ser convencional ou multipolos – que é o caso do aerogerador da Enercon apresentado anteriormente. 2 Nacele é a carcaça montada sobre a torre, onde se situam o gerador, a caixa de engrenagens (quando necessária), todo sistema de controle, medição do vento e motores para rotação do sistema para o melhor posicionamento em relação ao vento. 3 A caixa multiplicadora transmite a energia mecânica entregue pelo rotor para o gerador.
  18. 18. 8 Figura 6 - Diferentes tipos de arranjo em um aerogerador de eixo horizontal (fonte: CRESESB) I.3.2 Energia e Potencia Extraída do Vento A energia no vento é proveniente de seu movimento, logo, as pás da turbina extraem parte da energia cinética (𝐸) presente na massa de ar que atravessa a turbina. A energia cinética é dada pela equação abaixo (eq. 1.1). 𝐸 = 1 2 𝑚 𝑣2 (1.1) onde: 𝑚 é a massa de ar que atravessa a turbina [kg]; e 𝑣 é a velocidade do vento [m/s]. Considerando a mesma massa de ar 𝑚 em movimento a uma velocidade 𝑣, perpendicular a uma sessão transversal de um cilindro imaginário (Figura 7), pode-se demonstrar que a potência disponível no vento (𝑃) que passa pela seção 𝐴, transversal ao fluxo de ar, é dada por: 𝑃 = 1 2 𝜌 𝐴 𝑣3 (1.2) onde: 𝜌 é a massa específica do ar [kg/m3 ]; e 𝐴 é a área da seção transversal [m2 ].
  19. 19. 9 Figura 7 - Fluxo de vento através da turbina (fonte: CRESESB) A potência disponível no vento não pode ser totalmente aproveitada pelo aerogerador na conversão de energia elétrica. Para levar em conta esta característica física, é introduzido um índice denominado coeficiente de potência 𝐶 𝑝, que pode ser definido como a fração da potência eólica disponível que é extraída pelas pás do rotor. Em cálculos feitos pelo físico alemão Albert Betz4 , a seguinte equação (eq. 1.3) foi obtida para o coeficiente de potência: 𝐶 𝑝 = 1 2 [1 + 𝑣3 𝑣1 ] [1 − ( 𝑣3 𝑣1 ) 2 ] (1.3) onde: 𝑣1 representa a velocidade do vento na região anterior às pás [m/s]; 𝑣2 a velocidade do vento no nível das pás [m/s]; e 𝑣3 a velocidade no vento após deixar as pás [m/s] – que podem ser vistos esquematicamente na Figura 8. 4 Alber Betz (1885-1968), físico alemão. Foi um pioneiro no desenvolvimento do aerogerador moderno.
  20. 20. 10 Figura 8 - Perdas de velocidade do vento ao passar pelas pás da turbina (fonte: CRESESB) É possível plotar a curva do coeficiente de potência em relação à razão de velocidades 𝑣3 𝑣1 ⁄ , esse gráfico pode ser visto na Figura 9. Figura 9 - Distribuição do coeficiente de pressão (fonte: CRESESB) É possível então achar um valor máximo para o coeficiente de pressão, chamado de Coeficiente de Betz (𝐶 𝑝 𝐵𝑒𝑡𝑧 ), dado por (eq. 1.4): 𝐶 𝑝 𝐵𝑒𝑡𝑧 = 16 27 = 0,59 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑣3 𝑣1 = 1 3 (1.4)
  21. 21. 11 Também é preciso levar em conta a eficiência da máquina eólica, dada por 𝜂, logo, a potência aproveitada do vento é dada por (eq. 1.5): 𝑃 = 𝜂 𝐶 𝑝 1 2 𝜌 𝐴 𝑣3 (1.5) Dessa forma, uma conclusão pertinente na temática “energia e potência extraída do vento”, é que a velocidade do vento é um parâmetro de alta sensibilidade da variável potência do aerogerador – a potência varia com o cubo da velocidade do vento. Por fim, é possível traçar curvas de potência teóricas para cada modelo de aerogerador. Tais curvas dependem da configuração do gerador utilizado, dos parâmetros de controle da máquina – velocidades de cut-in5 e cut-out6 –, da eficiência eletromecânica da turbina eólica e da velocidade do vento incidente e determinam a potência despachada pelo aerogerador. A validação das curvas teóricas é realizada por testes em campo, seguindo a norma IEC 61400-12. A Figura 10 demonstra uma curva de potência de uma máquina com cut-in de 3,5 m/s e cut-out de 25 m/s. Figura 10 - Curva de potência de um aerogerador convencional 5 Velocidade do vento incidente a partir da qual o aerogerador entra em operação. 6 Velocidade do vento incidente a partir da qual o aerogerador para sua operação.
  22. 22. 12 I.3.3 Fator de Capacidade O fator de capacidade é uma taxa percentual que exprime a relação entre a energia elétrica gerada e a sua capacidade nominal de produção. Considerando o período de um ano padrão – 365 dias ou 8760 horas –, tem-se que a energia anual gerada (EAG) em kWh é expressa pela fórmula a seguir (eq. 1.6): 𝐸𝐴𝐺 = ∑[𝑓(𝑣)𝑃(𝑣)] x 8760 (1.6) onde: 𝑓(𝑣) é a frequência percentual de ocorrência da velocidade do vento [%]; e 𝑃(𝑣) é a potência produzida pela turbina na velocidade do vento 𝑣 [kW]. Dessa forma, pode-se expressar o fator de capacidade (𝐹𝐶) de um modelo de turbina eólico pela equação 1.7: 𝐹𝐶 = 𝐸𝐴𝐺 (𝑃𝑛 x 8760)⁄ (1.7) onde: 𝑃𝑛 é a potência nominal do vento [kW]. Por fim, também é válido resaltar que o fator de capacidade não é a eficiência da máquina – apesar de ser um parâmetro muito utilizado para medir a eficiência de um parque eólico – e, por conseguinte, não se limita a um coeficiente máximo teórico, podendo registrar valores superiores ao coeficiente de Betz – o fator de capacidade mede a eficiência de operação de uma turbina eólica em relação à máxima energia que ela poderia gerar no período de um ano. I.4 Escolha da região de interesse para o estudo de caso A escolha da área de interesse é um tópico fundamental para a elaboração de todo o trabalho que vem a seguir. Como já fora antecipado, existiam duas condições que guiaram a definição dessa escolha: a condição de um terreno com orografia acidentada e a localidade dessa região, que deveria ser dentro dos limites do estado do Ceará.
  23. 23. 13 A razão pela qual essas duas condições foram adotadas como referência é devido, primeiramente, a desafiante tarefa de descrever o escoamento atmosférico sob uma cadeia de montanhas e a condição climatológica do estado do Ceará – trabalhada no capítulo II do presente trabalho – que é determinante na boa qualidade do vento da região. Desse modo, foram mapeadas cadeias de montanhas no estado do Ceará com potencial adequado para a realização do estudo, utilizando dados da base de sensoriamento remoto disponível: o atlas eólico do estado do Ceará e o sistema de informações georreferenciadas do setor elétrico (SIGEL). Após essa etapa de determinação de hot spots7 , foi escolhida a localidade final do projeto (Figura 11) guiada pelos seguintes parâmetros limitantes: a oferta de dados de vento observado próximos a região de interesse; a não existência de áreas de influências de aeroportos e de projetos eólicos já outorgados; a existência de propriedades privadas com regularização fundiária em dia; e a proximidade com linhas de transmissão do sistema interligado nacional com capacidade de atender a demanda de energia despachada pelo projeto – essa dinâmica será melhor descrita na seção do capítulo III que trata do estudo das restrições. Figura 11 - Área de interesse para o estudo do projeto (fonte: Google Earth Pro) 7 Hot spots são lugares associados a condições favoráveis dentro de um critério de avaliação.
  24. 24. 14 CAPÍTULO II – CLIMATOLOGIA Os diferentes fenômenos meteorológicos que ocorrem na atmosfera do planeta possuem dimensões espaço/temporais típicas. Tais fenômenos podem ser descritos por quatro escalas espaço/temporais distintas: a microescala com dimensões espaciais inferiores a 1 km e duração temporal inferior à uma hora; a mesoescala com dimensões espaciais na faixa de 1 km a 100 km e duração temporal superior a uma hora e inferior a um dia; a escala sinótica com dimensões espaciais na faixa de 100 km a 2000 km e duração temporal da ordem de semanas ou até meses; e a escala global com dimensões espaciais superiores a 2000 km e duração temporal da ordem de meses. O impacto mais significativo que a análise das diferentes escalas atmosféricas gera nos estudos climatológicos é a determinação da resolução espacial e temporal de certa amostra de dados – sejam eles de pressão, temperatura ou qualquer outra grandeza – necessária para o estudo de um determinado fenômeno meteorológico. A Figura 12 ilustra as diferentes dimensões das escalas citadas. Figura 12 – Diferentes Escalas dos Fenômenos Atmosféricos.
  25. 25. 15 Para uma melhor compreensão do recurso eólico de uma determinada região é necessário entender o clima local, tanto a influência de efeitos de escala sinótica quanto os de microescala. O clima é definido como a média das condições do tempo ao longo de um período de algumas décadas e está diretamente relacionado com a dinâmica dos fluidos presentes na atmosfera ˗ o ar e a água. Por outro lado, as diferentes escalas dos fenômenos que influenciam na climatologia tratam desde os efeitos locais que afetam o clima de uma região – micro e mesoescala –, tais como a brisa marítima/terrestre e a brisa vale/montanha, até os fenômenos globais que influenciam nesse clima – escalas sinótica e global –, tais como ciclones, anticiclones e frentes frias. A dinâmica dos fenômenos climatológicos será brevemente descrita neste capítulo. Contudo, será empregado um foco especial para os efeitos que caracterizam o clima e, por conseguinte, o recurso eólico da região estudada no projeto. II.1 Circulação geral da atmosfera O Sol não aquece o planeta de forma homogênea e proporciona a formação de gradientes térmicos que impulsionam o deslocamento dos fluidos na atmosfera. O aquecimento diferenciado da superfície terrestre ocorre pela inclinação dos raios solares incidentes. Quanto mais próximos de uma incidência vertical, maior a taxa de aquecimento da superfície. Devido à inclinação do eixo de rotação da Terra com relação ao plano da órbita, os raios solares incidem, ao meio-dia, muito próximo da vertical nas regiões tropicais e quase na tangente nas proximidades dos polos. Quando o Sol está na vertical, os raios solares chegam perpendicularmente à superfície que recebe a máxima quantidade de energia. Para outras inclinações a mesma energia é repartida por uma área maior, resultando em um valor menor de energia incidente por segundo por metro quadrado. A Figura 13 ilustra esse fenômeno.
  26. 26. 16 Figura 13 - Variação Angular da Incidência de Raios Solares. (Figura adaptada de Tempo e Clima no Brasil/ Iracema F. A. Cavalcanti) Dessa forma, a região tropical possui um excesso de energia, ao passo que as regiões polares possuem um déficit de energia, e o deslocamento dos fluidos presentes na atmosfera, previamente descrito nessa seção, atua no sentido de redistribuir o calor das regiões com excesso de energia para as regiões com déficit. A maneira como a atmosfera realiza essa redistribuição se dá por meio de movimentos horizontais – os ventos geostróficos8 – e de movimentos verticais. II.1.1 Movimentos verticais O excesso de energia nos trópicos, especificamente nas regiões equatoriais, faz o ar aquecido se elevar. O ar que sobe nas proximidades do equador desce nos subtrópicos, por meio de uma célula de circulação denominada célula de Hadley. Nessas regiões onde o ar desce – a aproximadamente 30 graus de latitude norte e sul –, definem-se os sistemas de alta pressão subtropical. Por outro lado, do encontro entre as massas frias e massas quentes, no cinturão de baixas pressões – localizado a aproximadamente 60 graus de latitude norte e sul –, ocorre o levantamento do ar que vai descer nos subtrópicos e polos. Dessa forma, ficam definidas três células de circulação vertical, que recebem os nomes de célula de Hadley, célula de Ferrell – ou célula de latitudes médias – e célula polar. Essa dinâmica é ilustrada na figura abaixo (Figura 14). 8 Ventos geostróficos: vento horizontal, não acelerado que sopra ao longo de trajetórias retilíneas.
  27. 27. 17 Figura 14 - Esquema da Circulação Geral da Atmosfera (Figura adaptada de Tempo e Clima no Brasil/ Iracema F. A. Cavalcanti) II.1.2 Movimentos horizontais Até o momento não foram considerados no estudo da circulação geral da atmosfera os efeitos da rotação da Terra em torno de seu próprio eixo. Ao acrescentarmos a influência dos movimentos do planeta nessa análise, viabilizamos a existência de movimentos horizontais na dinâmica da circulação atmosférica. O efeito mais importante na dinâmica dos movimentos horizontais é o Efeito Coriolis9 , que é a tendência que qualquer corpo em movimento sobre a superfície terrestre tem de mudar sua trajetória devido à rotação da Terra. Tal tendência pode ser modelada pela descrição de vetores velocidade e aceleração para um referencial não- inercial em rotação, quando observados de um referencial inercial fixo. Portanto, a massa de ar que caminha de uma zona de alta pressão para uma zona de baixa pressão, nos níveis inferiores das células de recirculação vertical, não segue 9 Gaspard-Gustave Coriolis (1792-1843), matemático francês. É conhecido principalmente pelo teorema da mecânica que leva seu nome e pela força inercial de Coriolis.
  28. 28. 18 uma trajetória retilínea na vertical. O que origina os ventos alísios de nordeste no Hemisfério Norte e de sudeste no Hemisfério Sul, que convergem na Zona de Convergência Inter Tropical (ZCIT). A Figura 15 ilustra a formação dos alísios devido ao Efeito Coriolis e a formação da ZCIT. Figura 15 - Efeito Coriolis (Figura adaptada de Tempo e Clima no Brasil/ Iracema F. A. Cavalcanti) II.2 Efeitos de escala sinótica que afetam a região de interesse Assim como descrito na introdução do trabalho, a região de interesse para este projeto é a região nordeste do Brasil (NE). Portanto, os sistemas meteorológicos que serão brevemente abordados nessa seção estão diretamente relacionados com a climatologia e o regime de ventos da região nordeste brasileira. II.2.1 Zona de Convergência Intertropical do Atlântico A Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) é considerada o sistema mais importante gerador de precipitação sobre a região equatorial dos oceanos Atlântico, Pacífico e Índico, assim como sobre áreas continentais adjacentes. Na escala planetária, a ZCIT está localizada no ramo ascendente da célula de Hadley, atuando no sentido de
  29. 29. 19 transferir calor e umidade dos níveis inferiores da atmosfera das regiões tropicais para os níveis superiores da troposfera e para médias e altas latitudes. A ZCIT é formada principalmente pela confluência dos ventos alísios do hemisfério norte com os ventos alísios do hemisfério sul - assim como já fora demonstrado na seção anterior que tratava da circulação geral da atmosfera - nas condições de: baixas pressões, altas temperaturas da superfície do mar e intensa atividade convectiva. Esse sistema é visualizado em imagens de satélite como uma banda de nuvens convectivas que se estende em uma faixa ao longo da região equatorial, como ilustra a figura abaixo (Figura 16). Figura 16 - Imagens do satélite GOES da Zona de Convergência Inter Tropical (ZCIT) Considerando a região do Atlântico Equatorial, a ZCIT migra sazonalmente, em anos considerados normais, de sua posição mais ao norte (em torno de 14ºN), durante agosto-setembro, para sua posição mais ao sul (em torno de 2ºS), durante abril-março. Essa migração sazonal da ZCIT tem papel importante na determinação da estação chuvosa na região norte do NE.
  30. 30. 20 Imagens de satélite foram utilizadas por Citeau et al. (1985, 1988a, 1988b) e Uvo (1989) para identificar a banda máxima de cobertura de nuvens como representativa da ZCIT. Para tais autores, essa permanência por um período prolongado da ZCIT em suas posições mais ao norte ou mais ao sul que determina a qualidade da estação chuvosa de regiões como o Sahel10 , a costa noroeste da África e o norte do Nordeste do Brasil (NEB). No norte do NE, se a ZCIT somente iniciar a sua migração para o norte em fins de abril e início de maio, as chuvas provavelmente serão abundantes. II.2.2 Vórtice Ciclônico de Altos Níveis Os Vórtices Ciclônicos de Altos Níveis (VCANs) são sistemas meteorológicos caracterizados por centros de pressão relativamente baixos que se originam na alta troposfera e se estendem até os níveis médios, dependendo da instabilidade atmosférica. Eles se desprendem do escoamento atmosférico associado, são quase estacionários, mas podem se deslocar lentamente tanto para leste quanto para oeste, e também se caracterizam por um tempo de vida de vários dias. Os VCANs que penetram na região Nordeste do Brasil formam-se no oceano Atlântico, principalmente entre os meses de novembro e março, e sua trajetória normalmente é de leste para oeste. O tempo de vida desses sistemas que atuam no NEB varia em média, entre 4 a 11 dias. Os efeitos desse sistema sobre a precipitação no Nordeste do Brasil são bastante evidentes, principalmente quando os VCANs se originam no continente. Na periferia dos VCANs há formação de nuvens causadoras de chuva e no centro há movimentos de ar de cima para baixo (subsidência), aumentando a pressão e inibindo a formação de nuvens. A Figura 17 ilustra essa dinâmica. 10 Sahel é uma faixa territorial de 500 km a 700 km de largura e 5.400 km de extensão, situada na África Subsaariana.
  31. 31. 21 Figura 17 - Imagem do Satélite GOES-13 com formação do VCAN próximo ao Recôncavo Baiano II.2.3 Linhas de Instabilidade As Linhas de Instabilidade (LI) são bandas de nuvens causadoras de chuva organizadas em forma de linha – essa é a razão pela qual são nomeadas Linhas de Instabilidade. Sua formação se dá basicamente pelo fato de que com a grande quantidade de radiação solar incidente sobre a região tropical ocorre o desenvolvimento de nuvens com consequentes chuvas. Outro fator que contribui para o incremento das LI é a proximidade com ZCIT. Também é válido ressaltar que a convecção profunda nos trópicos tem um papel fundamental na circulação global e energética da atmosfera tropical, por meio da extração de calor da camada limite planetária – o conceito de camada limite será melhor explicado no capítulo de avaliação do potencial eólico –, o qual é redistribuído na alta troposfera. Assim, essas LIs constituem um dos sistemas mais importantes no transporte de calor para a alta troposfera.
  32. 32. 22 II.2.4 Frentes Frias Outro importante mecanismo causador de chuva no NE está ligado à penetração de frentes frias até as latitudes tropicais entre os meses de novembro a janeiro. As frentes frias são bandas de nuvens organizadas que se formam na região de confluência entre uma massa de ar frio, mais densa, com uma massa de ar quente menos densa. A massa de ar frio penetra por baixo da massa de ar quente, como uma cunha, e faz com que o ar quente e úmido suba, forme as nuvens e, consequentemente, as chuvas. A imagem abaixo (Figura 18) ilustra essa dinâmica. Figura 18 - Diagrama esquemático de formação de Frentes Frias II.2.5 Ondas de Leste As Ondas de Leste se formam no campo de pressão atmosférica, na faixa tropical do globo terrestre, na área de influência dos ventos alísios, e se deslocam de oeste para leste, ou seja, desde a costa oeste da África até o litoral leste do Brasil. Este fenômeno provoca chuvas principalmente na Zona da Mata que se estende desde o Recôncavo Baiano até o litoral do Rio Grande do Norte, mas, quando as condições oceânicas e atmosféricas estão favoráveis, as ondas de Ondas de Leste também provocam chuvas no estado do Ceará nos meses de junho a agosto, principalmente na parte centro-norte do estado. A Figura 19 ilustra esse fenômeno.
  33. 33. 23 Figura 19 - Imagem do Satélite GOES-13 com formação das Ondas de Leste bem definida II.3 Efeitos de mesoescala que afetam a região de interesse Traçando um paralelo com a seção anterior, essa seção irá descrever brevemente alguns fenômenos de mesoescala que afetam a climatologia e o regime de ventos do NEB. A escala dos fenômenos estudados nessa seção – a mesoescala – caracteriza alguns efeitos locais que não encontram definição quando a escala utilizada é a escala sinótica ou a escala global. Logo, fenômenos presentes na escala em questão são de suma importância para a caracterização do microclima de um sistema e, por conseguinte, fundamentais na análise de um terreno de orografia11 complexa. 11 A orografia é a parte da geografia física que se dedica à descrição de montanhas. Através das suas representações cartográficas, é possível visualizar e estudar o relevo de uma região.
  34. 34. 24 II.3.1 Brisas A proximidade com o mar e a altitude local são dois controladores muito importantes do clima local denominados, respectivamente, brisa marítima/terrestre e brisa vale/montanha. II.3.1.1 Brisa Marítima/Terrestre A brisa terrestre ocorre durante a noite, quando a terra se resfria mais rapidamente do que o oceano. Este, por ter capacidade calorífica maior que a da terra demora mais que a superfície terrestre tanto a se aquecer quanto a se resfriar. Dessa forma, o gradiente de pressão formado pela diferença de temperatura do ar que está sobre a terra e do ar que está sobre o mar gera um deslocamento da massa de ar da terra para o mar. Por outro lado, durante o período do dia observa-se exatamente o oposto, e a brisa marítima sopra do mar para a terra. Tal dinâmica é demonstrada na Figura abaixo (Figura 20). Figura 20 - Diagrama esquemático da dinâmica da brisa marítima
  35. 35. 25 II.3.1.2 Brisa Vale/Montanha Em regiões altas, durante a noite, o ar se resfria mais do que nos vales. O ar frio é mais denso e flui para os vales formando a brisa de montanha, também conhecida como fluxo catabático. Assim como na brisa marítima/terrestre, ocorre uma inversão no período diurno para a brisa vale/montanha. Durante o dia, o sol aquece as encostas com face para leste antes de aquecer os vales, gerando a brisa de vale para montanha (Figura 21). Figura 21 - Diagrama esquemático da dinâmica da brisa vale/montanha II.3.2 Complexos Convectivos de Mesoescala Os Complexos Convectivos de Mesoescala (CCMs) são aglomerados de nuvens que se formam devido às condições locais favoráveis como temperatura, relevo, pressão, etc., e provocam chuvas fortes e de curta duração, normalmente acompanhadas de fortes rajadas de vento. Normalmente chuvas associadas a esse fenômeno meteorológico ocorrem de forma isolada. Os CCMs, na região subtropical, ocorrem preferencialmente durante os meses de primavera e de verão do hemisfério sul, formando-se no período noturno com um ciclo de vida entre 10 e 20 horas.
  36. 36. 26 II.4 A influência dos oceanos e alguns fenômenos anômalos A última seção desse capítulo visa tanto descrever – novamente de forma breve – fenômenos anômalos que interferem na climatologia do nordeste brasileiro (NEB), quanto organizar o conceito da influência que os oceanos exercem no clima, uma vez que vários fenômenos já descritos anteriormente – tanto de escala sinótica quanto de mesoescala – possuíam relação direta ou indireta com os oceanos, principalmente com a temperatura superficial média (TSM) dos oceanos. II.4.1 Influência dos oceanos Atlântico e Pacífico na climatologia do NEB Retomando um pouco do que já foi dito previamente nesse capítulo, a temperatura superficial dos oceanos é de extrema importância para o comportamento da maioria dos mecanismos meteorológicos já descritos até então. O posicionamento da Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) é influenciado principalmente pelo perfil norte-sul da TSM no Atlântico Tropical e a região de máxima cobertura de nuvens localiza-se sobre ou muito próxima à região de águas superficiais mais quentes (et al. Pike 1971). O trabalho de Hanstenrath (1978), além de associar alterações no período chuvoso no estado do Ceará com variações nas TSM do Atlântico Sul e Norte, também observou influências das variações na TSM do Pacífico Leste no referido clima. II.4.2 Anomalias nas temperaturas da superfície dos oceanos Assim como descrito na subseção anterior, os sistemas meteorológicos que configuram a climatologia de uma determinada região – no caso o nordeste brasileiro – sofrem forte influência da TSM dos oceanos próximos a eles. Dessa forma, fica mais que demonstrado que alterações nos valores históricos da temperatura média dos oceanos (TSM) podem afetar o período chuvoso e o regime de
  37. 37. 27 vento dessa tal região. A Figura 22 mostra a anomalia da TSM do Pacífico Tropical para o período que vai de 13/10/2015 até 20/10/2015. Figura 22 - TSM anômala do Pacífico Tropical (fonte: INPE) Entretanto, mesmo possuindo esse caráter aleatório, tais anomalias possuem uma certa repetibilidade na história. Fato que permitiu agrupar e classificar certas ocorrências dessas anomalias e, por conseguinte, nomear tais fenômenos anômalos. II.4.2.1 El Niño El Niño é um fenômeno atmosférico-oceânico caracterizado por um aquecimento anormal das águas superficiais no oceano Pacífico Tropical, e que pode afetar o clima regional e global, mudando os padrões de vento a nível mundial, e afetando assim, os regimes de chuva em regiões tropicais e de latitudes médias.
  38. 38. 28 II.4.2.2 La Niña La Niña representa um fenômeno oceânico-atmosférico com características opostas ao EL Niño, e que se caracteriza por um esfriamento anormal nas águas superficiais do Oceano Pacífico Tropical. Alguns dos impactos do La Niña tendem a ser opostos aos de El Niño, mas nem sempre uma região afetada pelo El Niño apresenta impactos significativos no tempo e clima devido à La Niña. II.4.2.3 Dipolo do Atlântico O Dipolo do Atlântico também é um fenômeno oceânico-atmosférico e consiste na diferença entre a anomalia da Temperatura da Superfície do Mar-TSM na Bacia do Oceano Atlântico Norte e Oceano Atlântico Sul. O dipolo positivo do Atlântico quando ocorre em conjunto com o fenômeno El Niño, dependendo de sua intensidade, é responsável por anos considerados secos ou muito secos na região do nordeste brasileiro (NEB). A tabela abaixo (Tabela 1) ilustra a influência dessas três anomalias nos anos de 1995 a 2003 no clima do NEB. Tabela 1 - Influencia dos fenômenos anômalos no clima do NEB Ano El Niño La Niña Dipolo do Atlântico Classificação Climática (ano foi considerado) 1995 Moderado - Negativo Chuvoso 1996 - Fraca Positivo Normal a Chuvoso 1997 Neutro Neutra Positivo Seco 1998 Forte - Positivo Muito Seco 1999 - Forte Negativo Normal 2000 - Moderada Negativo Normal 2001 - Moderada Neutro Normal a Seco 2002 Fraco - Negativo Normal 2003 Neutro Neutra Negativo Normal Fonte: FUNCEME e INPE/CPTEC
  39. 39. 29 CAPÍTULO III – FUNDAMENTOS DA AVALIAÇÃO DO POTENCIAL EÓLICO Assim como tratado na introdução do trabalho, é de suma importância para o desenvolvimento de um bom projeto eólico a avaliação correta do potencial da região de interesse, não só do vento propriamente dito, mas de todas as variáveis que influenciam no desenvolvimento de um projeto de geração eólica. Dentre os principais parâmetros avaliados na análise do potencial eólico de uma região, se destacam: a avaliação do terreno – mapeamento da topografia e da rugosidade do local –, a campanha de medição do vento da região, o estudo de todas as restrições do projeto e, por fim, a modelagem do escoamento atmosférico e estimativa da produção energética do parque eólico. III.1 Terreno no Escoamento Atmosférico O relevo, sobre o qual um projeto eólico é desenvolvido, influi diretamente no regime dos ventos atuante na região e, também, determina algumas restrições físicas para o projeto – a inclinação do terreno pode ser responsável por inviabilizar a instalação de um aerogerador em um determinado ponto. Essa seção, do presente capítulo, tem como objetivo tratar, brevemente, todos os aspectos abordados na análise de um terreno quando o projeto eólico está em fase de desenvolvimento. III.1.1 Classificação, Obtenção e Tratamento de Dados Primeiramente, é fundamental definir os parâmetros necessários para o estudo do terreno – classificando-os quanto a suas características básicas – e descrever as ferramentas e metodologias utilizadas para o seu tratamento.
  40. 40. 30 Seguindo uma ordem lógica, essa subseção tratará os dois parâmetros necessários para a avaliação do terreno – a topografia e a rugosidade – e descreverá uma metodologia de tratamento desses dados utilizando ferramentas de geoprocessamento. III.1.1.1 Topografia A palavra "Topografia" deriva das palavras gregas "topos" (lugar) e "graphen" (descrever), o que significa, a descrição exata e minuciosa de um lugar. Sua finalidade é determinar o contorno, dimensão e posição relativa de uma porção limitada da superfície terrestre, do fundo dos mares ou do interior de minas, desconsiderando a curvatura resultante da esfericidade da Terra. Compete ainda à Topografia, a locação, no terreno, de projetos elaborados de Engenharia. (DOMINGUES, 1979). Assim como antecipa a definição acima, a topografia é um parâmetro que precisa ser considerado em projetos de engenharia. No caso de um projeto eólico, dados do terreno, referentes à topografia, são utilizados como condição de contorno para os modelos que calculam o escoamento do vento para a região do projeto e, também, determinam possíveis restrições para o posicionamento dos aerogeradores dentro do projeto. Dados topográficos podem ser matriciais (raster12 ), triangulares (Triangulated Irregular Networks13 - TIN) ou vetoriais (feição14 ). Cada forma de representação citada associa valores de altitude a uma coordenada do globo terrestre, usando técnicas diferentes. As imagens a seguir ilustram as formas existentes de dados topográficos (Figura 23) e sua visualização em três dimensões (Figura 24). 12 O formato matricial é baseado numa estrutura de grade de células (matriz). Pelo fato do valor ou código de uma célula representar todas as feições dentro de uma grade, este não mantém corretos o tamanho, a forma ou a localização, para feições individuais. 13 A grade triangular é uma estrutura topológica vetorial do tipo arco-nó formando recortes triangulares do espaço. A grade de um arquivo TIN é formada por conexão entre amostras do fenômeno, utilizando a triangulação de Delaunay. 14 Por definição, vetores são elementos de dados que permitem descrever posição e direção. Em SIG (Sistemas de Informações Geográficas), um vetor é a representação gráfica de feições como mapa, sem o efeito de generalização de uma grade matricial.
  41. 41. 31 Figura 23 – Tipos Existentes de Dados Topográficos para uma Mesma Área (gerados no ArcGIS) Figura 24 - Visualização 3D dos Dados Topográficos (gerado no Global Mapper) Na Figura 23 há quatro representações do mesmo terreno: representação do tipo TIN (1); o raster da elevação (2); o mapa vetorial com as curvas de nível do terreno (3)
  42. 42. 32 e as quatro representações sobrepostas (4). Na Figura 24 verifica-se a visualização em três dimensões dos dados topográficos da mesma região abordada na Figura 23, evidenciando, apenas, a visualização do arquivo matricial (raster) sobreposto ao arquivo vetorial (curvas de nível). Por fim, quanto à forma de obtenção de dados topográficos, existem duas vertentes possíveis, o sensoriamento remoto e as medições em campo. Ambas as técnicas, apesar de distintas, podem atuar de forma complementar, isto é, pode-se usar o sensoriamento remoto como forma de estudo prévio e as medições em campo como uma maneira de detalhar os resultados e mitigar algumas incertezas do estudo do projeto. Uma forma viável de realizar as medições via sensoriamento remoto é pela utilização de sistemas de satélite. As radiações do espectro visível e do infravermelho podem ser registradas pelos sistemas passivos de sensoriamento remoto com métodos fotográficos, de vídeo e de varredura (scanners). Esses sistemas registram a radiação eletromagnética que é refletida ou emitida pelos alvos terrestres, mapeando os valores de altimetria na resolução de medição do satélite. A outra forma de levantamento de dados topográficos é a própria medição em campo. Esta operação só pode ser realizada por um topógrafo qualificado de acordo com a norma NBR 13133 da Associação Brasileira de Normas e Técnicas (ABNT). III.1.1.2 Rugosidade do Terreno A rugosidade descreve a força com que superfície atua como sumidouro de momentum, absorvendo o impacto dos ventos. Dois parâmetros são utilizados para descrever esse efeito: o comprimento da rugosidade (z0) – amplamente utilizado nos estudos de potencial eólico – e o coeficiente de arrasto (CD). O parâmetro z0 é independente da altura, enquanto CD é função da altura de referência (SHAW; PEREIRA, 1982; WIERINGA, 1993). Dos dois parâmetros citados acima, o que possui ampla utilização no estudo e no desenvolvimento de projetos eólicos é o comprimento de rugosidade (z0).
  43. 43. 33 Algebricamente, z0 é apenas uma constante de integração do perfil vertical de velocidade horizontal do vento (eq. 3.1) acima de uma superfície com obstáculos de porte alto e sob condições adiabáticas (MONIN; YAGLOM, 1971). Assim z0 é a altura na qual a velocidade horizontal do vento tende a zero, ou seja, é o limite inferior de validade do perfil médio. A equação 3.1 correlaciona a velocidade horizontal média do vento (Uz) à altura z com o comprimento de rugosidade (z0). 𝑈𝑧 = ( 𝑢∗ 𝑘 ) ln ( 𝑧 − 𝑑 𝑧0 ) ; 𝑧 > 𝑧∗ (3.1) onde: k(=0,40) é a constante de von Kármán; 𝑢∗ é a velocidade de fricção [m/s] (eq. 3.2); 𝑧∗ é o limite superior da subcamada atmosférica rugosa (SCR) [m]; e d é o deslocamento do plano zero [m] – d é um escalar empírico para compensar o deslocamento vertical da dissipação de momentum pela superfície com obstáculos. 𝑢∗ = √ 𝜏 𝑤 𝜌 (3.2) onde: 𝜏 𝑤 é a tensão de cisalhamento na superfície do solo [N/m²]; 𝜌 é a massa específica do ar [kg/m³]. Analogamente à topografia, os dados de rugosidade de um terreno também são expressos em formatos específicos, podendo ser obtidos via sensoriamento remoto ou medições em campo – as visitas em campo também são usadas para a validação de dados de sensoriamento remoto. Os dados de rugosidade são geralmente matriciais (raster), mas, em algumas aplicações, também podem ser expressos como dados vetoriais (feições, polígonos de rugosidade ou polylines). A imagem a seguir (Figura 25) ilustra um raster de rugosidade da região nordeste do Brasil, obtido via processo de sensoriamento remoto (fonte: European Space Agency – ESA) à uma resolução de 300 m.
  44. 44. 34 Figura 25 - Raster de Rugosidade do Nordeste Brasileiro (fonte: banco de dados do Meteodyn) Assim como já fora citado, as técnicas de obtenção de dados de rugosidade são, de certa forma, similares às técnicas de aquisição de dados topográficos, salvo algumas particularidades. Em relação à obtenção de dados via imagens de satélite, metodologia mais comum no sensoriamento remoto, utiliza-se uma tabela de conversão que atribui um valor de comprimento de rugosidade (z0) para cada padrão de cor, associado a um tipo diferente de uso do solo, da imagem retirada por satélite – esse processo de classificação é feito após o tratamento da imagem bruta retirada do satélite, isto é, é necessário primeiro segmentar a imagem bruta em padrões de cor. A Tabela 2 demonstra uma tabela de conversão de rugosidade possível, utilizada pela empresa AWS Truepower – empresa desenvolvedora do software OpenWind, um dos aplicativos usados no estudo de caso desse projeto.
  45. 45. 35 Tabela 2 - Faixa de Valores de Comprimento de Rugosidade (z0) por Tipos de Uso do Solo Tipo de Uso do Solo Faixa de Valores de Z0 (m) Água 0,001 Área Urbana 0,3 – 0,75 Floresta 0,9 – 1,125 Área Alagada 0,15 – 0,66 Mata Arbórea Arbustiva 0,1 – 0,2 Mata Antropizada 0,03 – 0,07 Fonte: AWS Truepower Por fim, as visitas in loco – metodologia mais acurada de obtenção de dados de rugosidade do terreno – devem ser realizadas por profissionais habilitados a classificar os diferentes tipos de vegetação e uso do solo (engenheiros ambientais, geólogos e etc.). Uma vez mapeados todos os diferentes tipos de uso do solo e vegetação da área estudada, aplica-se uma tabela de conversão semelhante à mostrada acima para se obter um arquivo matricial (ou vetorial) relacionando valores de comprimento de rugosidade (z0) a uma coordenada específica do globo terrestre. As medições feitas pessoalmente na área de estudo também são necessárias para validar os padrões definidos pela metodologia de sensoriamento remoto que utiliza imagens de satélite. III.1.1.3 Geoprocessamento de Dados Geoprocessamento é um conjunto de técnicas computacionais que opera sobre bases de dados – que são registros de ocorrência – georreferenciados, para transformá- los em informação (XAVIER DA SILVA, 2001). No caso do desenvolvimento de um projeto eólico, o geoprocessamento de dados é fundamental para o tratamento de informações do terreno – rugosidade e topografia – e continua presente em todas as outras etapas do desenvolvimento do projeto, por exemplo, todas as simulações e otimizações que serão realizadas mais a frente nos estudos do projeto são georreferenciadas.
  46. 46. 36 Dessa forma, fica evidente que o geoprocessamento no seu viés mais amplo é parte integrante de todo o estudo de avaliação do potencial eólico de uma região. As técnicas citadas anteriormente para a obtenção e o tratamento de informações de topografia e rugosidade do terreno são implementadas, atualmente, por ferramentas GIS (Geographic Information System) disponíveis no mercado, tais como o ArcGIS, o Global Mapper – software que será utilizado no estudo de caso – entre outros mais. III.1.2 Implicações do Terreno na Modelagem Física Como elucidado no início desse capítulo, as informações de terreno definem condições de contorno para as simulações do regime dos ventos de uma determinada região. Do ponto de vista da modelagem física, as informações de comprimento de rugosidade (z0) e de altitude realizam o acoplamento das equações de transporte, que regem o comportamento do vento, com o terreno sob o qual o escoamento se desenvolve – a formulação de teorias e equações empíricas que definem a influência do terreno na forma como o vento se comporta serão abordadas nas subseções a seguir. III.1.2.1 Camada Limite Atmosférica (CLA) A superfície da Terra exerce importante influência sobre o escoamento atmosférico na Troposfera15 . O escoamento do vento nessa camada da atmosfera é fortemente influenciado pelas tensões cisalhantes e forças de empuxo térmico devido à sua interação com a superfície terrestre, pela aceleração de Coriolis devido à rotação da Terra e também pelos movimentos de grande escala na atmosfera – os ventos geostróficos e térmicos. Dessa interação do escoamento atmosférico com o terreno, observou-se que o atrito das correntes de ar com a superfície terrestre produz, devido a efeitos viscosos, uma força horizontal contrária ao fluxo incidente e decrescente com a altura, até um ponto chamado de camada limite planetária ou atmosférica, além do qual chamamos de atmosfera livre – região onde o vento circula ao longo de linhas da mesma pressão, 15 A Troposfera corresponde à camada atmosférica mais próxima do solo. Tal camada estende-se do nível do solo até aproximadamente 12 km acima dele.
  47. 47. 37 chamadas de isóbaras16 . Na atmosfera livre, devido às forças barométricas, que também dependem da altura, os ventos crescem linearmente até atingirem a tropopausa, de onde voltam a cair de valor. A altura da camada limite atmosférica não é constante, variando com o tempo e a localização geográfica. Ela é influenciada por diversos fatores, como a aceleração de Coriolis, a velocidade do vento, a rugosidade da superfície e processos de troca de calor. Dependendo da hora do dia e das condições atmosféricas, a faixa em que a velocidade do vento é não perturbada está entre 600 e 2000 m. Portanto, alterações no tipo do uso do solo e/ou da vegetação do terreno influem diretamente na intensidade da média do vento local. A Figura 26 ilustra essa dinâmica. Nessa ilustração esquemática são apresentados três perfis de velocidade para três terrenos diferentes, considerando o mesmo vento geostróficos de 4,5 m/s e as mesmas condições atmosféricas – a modelagem desse tipo de análise será explicada na próxima subseção que trata dos perfis verticais de velocidade do vento horizontal. Figura 26 – Perfis de velocidade em diferentes terrenos (figura de Renewable Energy/ Kaltschimitt) 16 Isóbaras é um termo meteorológico que representa linhas de um mapa que ligam pontos de igual pressão atmosférica, medido em bares. Além da pressão, o mapa de isóbaras também pode dar informações sobre a intensidade da média do vento e de sua direção, em uma determinada região.
  48. 48. 38 A área da camada limite próxima ao solo é chamada de camada de Prandtl17 . As condições de fluxo nessa área são dominadas pelo atrito do fluxo do ar contra a superfície terrestre. A altura da camada de Prandtl varia com as condições meteorológicas. Durante a noite, ela tem somente 10 a 50 m de espessura, ao passo que durante o dia a extensão vertical está entre 50 e 150 m. Investigações mostram que o rotor de um aerogerador a 60 m de altura tem somente cerca de 30% das horas anuais dentro da camada de Prandtl. A Figura 27 apresenta de forma esquemática a porção da CLA correspondente a Camada de Prandtl e a compara com a dimensão média de um aerogerador padrão de grande porte disponível no mercado – para aplicações onshore a altura de uma turbina eólica de grande porte está na faixa de 86 a 120 m. Figura 27 - Camada Limite Atmosférica (Figura de Fundamentos de Energia Eólica/ Milton Pinto) 17 Ludwig Prandtl (1875-1953), físico alemão. Foi um dos pioneiros da aerodinâmica, tendo desenvolvido a base matemática para os princípios fundamentais da aerodinâmica subsônica na década de 1920. Entre seus estudos mais importantes estão a camada limite, os aerofólios finos e a teoria da linha de sustentação.
  49. 49. 39 III.1.2.1.1 Perfil Logarítmico Assim como descrito anteriormente na formulação do comprimento de rugosidade (z0), existe uma lei empírica (eq. 3.1) que descreve como a média da velocidade horizontal do vento varia com a altura para um determinado valor de z0. O perfil vertical resultante dessa equação empírica também é conhecido como perfil logarítmico e descreve de forma satisfatória os efeitos formulados na teoria de camada limite – para alturas inferiores a 50 m aproximadamente – essa altura varia durante o dia devido à estabilidade atmosférica –, onde há uma predominância dos efeitos do terreno no desenvolvimento vertical do escoamento atmosférico. Considerando o comportamento logarítmico da velocidade do vento, é possível estimar a média de velocidade horizontal do escoamento numa determinada altura com a informação da média de velocidade horizontal em outra altura, conforme equação 3.3 – descrita para dois referenciais distintos de altura para o mesmo perfil vertical. 𝑈1 𝑈2 = ln( ℎ1 𝑧0 ⁄ ) ln( ℎ2 𝑧0 ⁄ ) (3.3) onde: ℎ1 é a altura acima do solo no referencial 1 [m]; ℎ2 é a altura acima do solo do referencial 2 [m]; 𝑈1 é a velocidade horizontal do vento no referencial 1 [m/s]; e 𝑈2 é a velocidade horizontal do vento no referencial 2 [m/s]. Para alturas superiores à, aproximadamente, 50 m, o comportamento logarítmico do vento sofre alguns desvios. A influência da rugosidade do terreno sobre o escoamento diminui e o efeito do empuxo térmico passa a ser mais atuante. Para alturas de interesse que excedem esse limite aproximado de 50 m, o escoamento quente da superfície adquire grande importância, fazendo com que o perfil de velocidade passe a se comportar conforme descrito na equação mais genérica abaixo (eq. 3.4). 𝑈𝑧 = 𝑢∗ 𝑘 [ln ( 𝑧 − 𝑑 𝑧0 ) − 𝛹(𝐿, 𝑧, 𝑑)]
  50. 50. 40 (3.4) onde: 𝛹(𝐿, 𝑧, 𝑑) é o fator empírico de correção do perfil atmosférico devido à influência do fluxo de calor no solo [adimensional] – a função 𝛹 faz a correlação da influência do fluxo de calor do solo no comportamento da camada limite e é fortemente dependente de estratificação atmosférica18 . Para condições estáveis, temos a equação 3.5: 𝛹(𝐿, 𝑧, 𝑑) = −4,7 ( 𝑧 − 𝑑 𝐿 ) (3.5) Para condições instáveis, temos a equação 3.6: 𝛹(𝐿, 𝑧, 𝑑) = [1 − 16 ( 𝑧 − 𝑑 𝐿 )] 1 4 (3.6) onde: 𝐿 é o comprimento de estabilidade de Monin-Obukov [m]. Uma interpretação física, pertinente ao viés de análise de potencial eólico, do comprimento de Monin-Obukov seria a altura em relação a superfície terrestre em que as forças de empuxo passam a exercer domínio em relação ao efeito viscoso na produção de turbulência (STULL, 1988). Esse parâmetro pode ser determinado pela equação abaixo (eq. 3.7): 𝐿 = 𝑇0 𝑘 𝑔 𝐶 𝑝 𝑢∗ 3 𝐻0 (3.7) onde: 𝑇0 é a temperatura absoluta da superfície [K]; 𝐶 𝑝 é o calor específico do ar à pressão constante [J/(kg.K)]; 𝑔 é a aceleração da gravidade [m/s²]; e 𝐻0 é o fluxo de calor na superfície [J/s]. 18 A estratificação da atmosfera é a sua segmentação em regiões características. A estratificação que afeta o potencial eólico se da na Troposfera, região na qual cada estrato, camada, apresenta um comportamento diferente quanto à variação de temperatura e pressão em relação à altura.
  51. 51. 41 III.1.2.1.2 Perfil Exponencial Outra forma de determinação da velocidade do vento em alturas diferentes é através do perfil exponencial, também conhecido como lei de potência (Power Law), dado pela equação 3.8. 𝑈2 = 𝑈1 ( ℎ2 ℎ1 ) 𝛼 (3.8) onde: 𝛼 é o coeficiente de atrito [adimensional]. A tabela abaixo (tabela 3) expressa alguns valores típicos do coeficiente de atrito 𝛼 para determinadas características do terreno. Tabela 3 - Coeficiente de Atrito para vários tipos de terreno Características do Terreno Coeficiente de Atrito (𝜶) Calma superfície aquática ou solo suave 0,10 Grama alta ao nível do solo 0,15 Arbustos e cercas 0,20 Áreas rurais com muitas árvores 0,25 Pequenas cidades com árvores e arbustos 0,30 Grandes cidades com prédios elevados 0,40 Fonte: Rohatgi, 1994 (adaptado) Trabalhos mais recentes também estudam a influência da estabilidade da atmosfera no parâmetro 𝛼, considerando condições distintas da atmosfera de uma região atuando no mesmo tipo de terreno (KALTSCHIMITT, 2007). A tabela a seguir (Tabela 4) demonstra a influência da estabilidade atmosférica na magnitude do coeficiente 𝛼.
  52. 52. 42 Tabela 4 - Coeficiente de Atrito para vários tipos de terreno em diferentes condições atmosféricas Estabilidade Superfície Aquática Aberta Superfície Plana Vilarejos e Cidades Instável 0,06 0,11 0,27 Neutra 0,10 0,16 0,34 Estável 0,27 0,40 0,60 Fonte: Kaltschimitt, 2007 Também é possível observar que as variáveis da equação 3.3 são praticamente as mesmas da equação 3.8, com exceção do z0 e do coeficiente de atrito 𝛼 – variável que engloba os efeitos da superfície e da estabilidade atmosférica, dentre outras influências, no escoamento local. A magnitude do 𝛼 pode variar de 0,06 em locais lisos com condições atmosféricas instáveis até 0,6 em locais com alta rugosidade e com condições atmosféricas estáveis (Tabela 4). Todavia, tanto a formulação exponencial em (eq. 3.8) quanto a logarítmica em (eq. 3.3) são aproximações que somente oferecem um valor inicial da variação da velocidade do vento com a altura. Na realidade, nada é melhor do que as medidas de campo. A correlação entre o coeficiente de atrito 𝛼, também conhecido como expoente de Hellman, e a forma logarítmica pode ser mensurada na seguinte aproximação (eq. 3.9). 𝛼 = 1 ln(𝐻 𝑧0⁄ )⁄ (3.9) onde: H é a altura de referência [m] – o valor padrão de 1/7 para 𝛼 (também chamado de expoente de cisalhamento do vento) provém de assumir uma altura de 10 m para um comprimento de rugosidade de 0,01 m.
  53. 53. 43 III.1.2.2 Obstáculos e Esteira Outro conceito importante na temática “influência do terreno no desenvolvimento do escoamento dos ventos”, que será tratado na presente seção do trabalho, é o estudo dos obstáculos. Qualquer forma de barreira física – árvores, edificações, formações rochosas, dunas, aerogeradores, entre outras formas possíveis – atua como um obstáculo ao interagir com o deslocamento de uma massa de ar passante, causando perturbações ao escoamento que, posteriormente, se dissipam ao longo de uma determinada extensão territorial, devido a efeitos, principalmente difusivos, de amortecimento de tais perturbações. O fenômeno que mais interessa ao estudo de desenvolvimento de um projeto eólico, relacionado às perturbações que um obstáculo provoca no escoamento, é o efeito esteira. O termo esteira é, geralmente, aplicado à região do escoamento de um fluido de vorticidade19 não nula a jusante20 de um obstáculo (BATCHELOR, 1967). A Figura 28 a seguir ilustra a dinâmica da formação da esteira atrás de um obstáculo. Figura 28 – Esteira formada atrás de um obstáculo (Figura adaptada de Fundamentos de Energia Eólica/ Milton Pinto) 19 Vorticidade é um conceito matemático utilizado em mecânica dos fluídos. Ela pode ser entendida como a quantidade de circulação ou rotação de um fluido por unidade de área de um ponto no campo de escoamento. 20 Jusante, em hidráulica, é a região do escoamento entre o observador e a foz do curso de um rio. O emprego desse termo na temática “escoamento atmosférico” faz referencia a região do escoamento posterior a um objeto, considerando o vento incidente como anterior a esse objeto.
  54. 54. 44 A região de esteira é caracterizada por um déficit de velocidade e incremento da intensidade de turbulência e, por esta razão, é um fator importante na definição do layout de um projeto eólico, visto que a configuração ideal de um parque eólico deve atender a condição de mínima influência da esteira de aerogeradores à montante21 em aerogeradores à jusante – a modelagem matemática desse fenômeno será apresentada mais a diante nesse capítulo. A Figura 29 ilustra a influência da formação de esteira de um aerogerador à montante num outro à jusante – nessa imagem o gradiente de cor indica a variação da média de velocidade horizontal do vento, onde vermelho seria a média mais intensa e azul a média menos intensa. Figura 29 – Influência da esteira de aerogeradores dentro do mesmo parque Por fim, a última consideração qualitativa, acerca da dinâmica “obstáculos e formação de esteiras” seria a distinção entre duas situações: o relevo e a vegetação atuando ora como uma rugosidade no solo, ora como obstáculo. Este efeito dual do terreno em análises de recurso eólico é devido ao referencial principal do estudo: o aerogerador. Dependendo da altura de um objeto e da sua distância em relação ao parque eólico, a esteira formada por esse objeto – árvore, edificação e etc. - pode ser percebida ou não na região do parque. Dessa forma, um vilarejo, uma floresta ou uma cidade – entre outras várias formas possíveis de obstáculo – só devem ser encaradas como um obstáculo para o projeto se estiverem até uma determinada distância do mesmo. 21 Montante, em hidráulica, é a região do escoamento entre a nascente do curso de um rio e o observador. O emprego desse termo na temática “escoamento atmosférico” faz referencia a região do escoamento anterior a um objeto, considerando o vento incidente como anterior a esse objeto.
  55. 55. 45 III.1.2.3 Estabilidade Atmosférica A estabilidade da atmosfera é um dos fatores fundamentais para o estudo dos fenômenos de dispersão de efluentes e poluentes (SEINFIELD; PANDIS, 2000). Essa afirmação foi retirada de um artigo da revista brasileira de meteorologia e faz referência à aplicação mais usual do conceito de estabilidade atmosférica. Entretanto, também seria correto afirmar que a estabilidade da atmosfera local é um fator de considerável relevância para a avaliação do potencial eólico de uma região. Como antecipado na subseção que tratava dos perfis verticais das médias de velocidade horizontal do vento, variações nas condições de estabilidade da atmosfera local são capazes de causar impactantes alterações na forma como essas médias de velocidade variam com a altura, isto é, a estabilidade atmosférica afeta o movimento vertical do ar – a convecção e a turbulência são aumentadas quando a atmosfera está na condição instável e inibidas quando a condição é estável. Dessa forma, faz-se necessário o conhecimento de metodologias capazes de determinar a estabilidade atmosférica de uma região, dado um determinado intervalo temporal – a estabilidade da atmosfera varia consideravelmente durante o dia –, para uma avaliação mais detalhada do potencial eólico. Uma boa solução para o problema de determinação da condição atmosférica foi desenvolvida pelo meteorologista inglês Frank Pasquill. O sistema de classificação de Pasquill (PASQUILL, 1961) é provavelmente a metodologia mais usada para classificar a estabilidade atmosférica baseando-se em condições meteorológicas observacionais – metodologia empírica. Estas classes dependem da velocidade do vento, juntamente com a radiação solar durante o dia ou a fração de cobertura de nuvens durante a noite (Tabelas 5 e 6). Tabela 5 - Classes da Tabela de Pasquill A – extremamente instável C – levemente instável E – levemente estável B – moderadamente instável D - neutra F – moderadamente estável Fonte: Pasquill, 1961
  56. 56. 46 Tabela 6 - Tabela de Classificação da Estabilidade Atmosférica Vento Superficial Insolação durante o dia Nebulosidade durante a noite (Medido a 10 m) [m/s] Forte Moderado Leve >4/8 <3/8 < 2 A A – B B - - 2 – 3 A - B B C E F 3 - 5 B B - C C D E 5 – 6 C C – D D D D > 6 C D D D D Fonte: Pasquill,1961 Alternativamente à metodologia observacional de Pasquill, também é possível calcular a condição de estabilidade atmosférica de forma algébrica. Um método algébrico possível consiste no cálculo do fluxo turbulento vertical de empuxo – a média do produto das flutuações de velocidade vertical e temperatura potencial – para a determinação da condição de estabilidade. Se o fluxo turbulento vertical de empuxo é positivo, a atmosfera é considerada estar em condições instáveis, devido à instabilidade experimentada por uma parcela de ar que se move verticalmente e adiabaticamente sob tais condições. Quando o fluxo é negativo, a parcela de ar é inibida de movimento turbulento vertical e assim a atmosfera é caracterizada como estável. Se o fluxo é igual a zero, a atmosfera é dita estar em condições neutras. Entretanto, a utilização desse método para aplicações práticas é inibido pela grande dificuldade de realizar medições de temperatura potencial em campo. A temperatura potencial é definida na equação abaixo (eq. 3.10). 𝜃 = 𝑇0 ′ ( 𝑝 𝑝0 ) −(𝛾−1) 𝛾⁄ (3.10)
  57. 57. 47 onde: 𝛾 corresponde à razão 𝑐 𝑝/𝑐 𝑣 e 𝑐 𝑣 é o calor específico a volume constante por unidade de massa de ar [adimensional]; 𝑝 é a pressão atmosférica na altura de referência [KPa]; 𝑝0 é a pressão ao nível do solo [KPa]; e 𝑇0 ′ é a temperatura absoluta na altura de referencia [K]. III.2 Medição e Análise Estatística dos Dados de Vento Para qualquer empreendimento eólico desenvolvido em território brasileiro, é exigido, pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), um certo número de medições – esse número varia com a área do projeto e com a complexidade do terreno – com um intervalo mínimo de três anos de duração para a validação do projeto do parque eólico. A importância de uma boa campanha de medição, comprovada pela exigência das agências reguladoras, está relacionada à mitigação de incertezas da variável mais significativa da avaliação do potencial eólico de uma região, o vento – isto é, o campo de médias de velocidade do vento. Como será elucidado mais adiante nesse capítulo, os dados de vento são utilizados como entrada para qualquer ferramenta computacional de simulação do regime de ventos. Logo, o fornecimento de dados problemáticos, isto é, com alguma espécie de erro de calibragem, de medição, ou de qualquer outra origem, é capaz de gerar um campo de médias de velocidade do vento com um erro considerável e com nenhuma representatividade com o escoamento real – devido à natureza fortemente não- linear dos fenômenos descritos pela modelagem utilizada em tais simulações. Em suma, esta subseção irá descrever brevemente os tipos de dados de vento, questões práticas de uma campanha de medição de vento – sensores, estratégias de posicionamento, calibração e custos de medição –, a avaliação estatística dos dados de vento e algumas técnicas de correlação e validação desses dados.
  58. 58. 48 III.2.1 Tipos de Dados de Vento Uma premissa muito importante para todo o conteúdo dessa seção, referente à medição e análise do vento, é a discretização dos principais tipos de dados de vento. Uma segmentação tradicional desse tipo de dados distingue-os quanto a sua natureza. Portanto, tem-se dois grupos bem característicos de dados de vento possíveis: os dados observados, isto é, medidos em campo, e as séries de reanálise. O primeiro grupo, os dados observados (medidos), como o nome já adianta, é obtido pela medição direta em campo. Sua medição é feita tradicionalmente por sensores instalados em torres treliçadas – solução convencional para se medir dados na altura de interesse – conectados a um datalogger que armazena e envia tais informações. A imagem a seguir (Figura 30) ilustra uma configuração padrão de uma torre treliçada com sensores de aquisição de dados de vento – essa solução também é conhecida como Torre Anemométrica ou Meteorological Tower. Figura 30 – Esquema representativo de uma torre anemométrica
  59. 59. 49 Atualmente, existem duas alternativas de sensores, em oposição à solução clássica da torre anemométrica, que medem informações do vento de alturas consideráveis – de 25 m até 1500 m – sem a necessidade de estarem fisicamente alocados em tais alturas, ou seja, tais sensores são capazes de realizar medições de ventos em alturas superiores a 100 m estando posicionados ao nível do solo. Esses sensores são de dois tipos distintos: Light Detection And Ranging (LIDAR) – utiliza a emissão e recepção de sinais de laser para a medição das variáveis de interesse – e Sonic Detection And Ranging (SODAR) – utiliza a emissão e recepção de sinais sonoros para a medição das variáveis de interesse. A imagem a seguir (Figura 31) ilustra a utilização dessas duas novas tecnologias de medição de dados de vento em projetos eólicos. Figura 31 - Tecnologias modernas de obtenção de dados de vento (SODAR e LIDAR) Por fim, o segundo tipo possível de dados de vento é formado pelas séries de reanálise. As séries de reanálise de dados de vento são desenvolvidas através de modelos numéricos de previsão do tempo com base na manipulação de dados de variáveis físicas coletados em diversas fontes – estações sinóticas, radiossondas, satélites, boias oceânicas, dentre outras – para a geração de séries históricas em cada um dos pontos de uma malha global atrelada a cada tipo de série de reanálise. A Figura 32 ilustra a malha, referente a uma pequena porção do globo terrestre, de uma série de
  60. 60. 50 reanálise muito utilizada para a avaliação de potencial eólico, a série Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications (MERRA). Figura 32 - Malha da série de reanálise MERRA para uma reião do leste canadense Diferentemente dos dados observados, os dados advindos de séries de reanálise não foram medidos por sensores posicionados na localidade de suas coordenadas. Esse fato adiciona uma considerável incerteza a esse tipo de dado de vento. Por esta razão, a utilização desse tipo de dado é mais usual em estudos preliminares da avaliação do potencial eólico, quando, por alguma razão, não há disponibilidade de dados observados no local avaliado e/ou o intervalo de tempo medido é inferior ao mínimo necessário para a avaliação do prospecto de vento. Das séries de reanálise existentes na atualidade, três são usadas com mais frequência para fins de estimativa do recurso do vento para o desenvolvimento de projetos eólicos: a série Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications (MERRA) – fornecida pela National Aeronautics and Space Administration (NASA), a série ERA-Interim – fornecida pelo European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) e a série Climate Forecast System
  61. 61. 51 Reanalysis (CFSR) – fornecida pelo National Centers for Environmental Prediction (NCEP). III.2.2 Sensores (Custo, Localização, Calibração e Tecnologias) Quando consideramos questões práticas de uma campanha de medição de vento, é necessário, primeiro, estabelecer a localização da campanha de medição – coordenadas e alturas –, o tipo de informação que será requisitada, os tipos de sensores que serão utilizados nessa campanha, e, por fim, realizar a montagem, calibração e monitoramento dos dados coletados. III.2.2.1 Localização A localização da coleta dos dados de uma campanha de medição de vento, para fins de aproveitamento do recurso eólico, deve ser tal que a região onde a medição está localizada seja representativa quanto ao comportamento global da área estudada. Em outras palavras, dentro de uma região de interesse, para uma campanha de medição, existem inúmeras situações que provocam particularidades no escoamento atmosférico – formações abruptas do relevo, regiões com elevado comprimento de rugosidade, entre outras – que, se escolhidas como sede de tais campanhas, iriam produzir resultados, nas simulações, incompatíveis com a realidade, uma vez que tais simulações utilizariam essas situações particulares como referência para todo o restante da área estudada. Dessa forma, é de bom tom que se conheça a área que será avaliada previamente ao início de qualquer campanha de medição. Existem opções de avaliação do posicionamento ideal das medições de vento em algumas das ferramentas computacionais de avaliação de potencial eólico, mas é sempre recomendável a visita in loco para ajustes mínimos do posicionamento final de tais medições. Ainda referente a representatividade dos dados de uma campanha de medição, existem normas e recomendações da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) quanto ao número mínimo de medições em relação a área que necessita ser validada. Essa norma varia de acordo com a qualidade do terreno e determina que, para um relevo complexo – foco do estudo de caso desse trabalho –, o raio de influência de uma local de medição,
  62. 62. 52 para fins de validação, tem o valor máximo de 2 km, sendo necessária a instalação de outra coleta de dados fora dessa região de influência para áreas do projeto que não forem englobadas por tal circunferência de 2 km de raio, centrada no local da medição realizada. III.2.2.2 Custos de Medição Na determinação das médias de velocidade horizontal do vento, obtém-se incertezas consideráveis no cálculo da produção energética. Os custos envolvidos na medição do vento giram em torno de 0,1 % do custo total do parque eólico, valores bem menores se comparados com a redução do risco do investimento. Os custos das campanhas medição são devidos: ao transporte, instalação e montagem da estrutura necessária para a coleta dos dados, à compra e instalação (comissionamento) dos sensores e do datalogger, à manutenção preventiva, geralmente mensal, da estrutura – uma campanha de medição não pode possuir um intervalo maior que quinze dias sem medição, sob pena da invalidação de toda a campanha de medição já realizada – e ao monitoramento e tratamento das informações medidas – essas duas últimas formas de custo perduram durante todo o período de medição. Por fim, o montante de todos os custos discriminados anteriormente pode variar de trezentos mil reais – projetos tradicionais com sensores alocados em torres anemométricas – até valores acima um milhão de reais – campanhas de medição usando um LIDAR ou um SODAR – (dados de 2015), dependendo da tecnologia utilizada. III.2.2.3 Tipos de Sensores Assim como descrito anteriormente, a escolha do sensor de uma campanha de medição está diretamente relacionada com a definição de quais variáveis interessam para o estudo. No estudo de avaliação do potencial eólico de uma região, as variáveis de interesse são: a média e a direção da velocidade horizontal do vento, a pressão, a temperatura absoluta, a umidade relativa do ar e, em alguns casos, a velocidade vertical e a radiação global.
  63. 63. 53 Dessa forma, os sensores que serão abordados a seguir, nessa subseção, medem as variáveis descritas anteriormente. Todavia, para cada variável – como será tratado na subseção “Análise Estatística dos Dados de Vento” do presente capítulo – existem parâmetros estatísticos específicos que devem ser medidos, visto que para algumas dessas variáveis a medição de todos as grandezas estatísticas não agregaria informações relevantes na análise do potencial eólico. A Tabela 7 abaixo demonstra os parâmetros estatísticos de interesse para cada variável medida numa campanha de medição – convencionais e não convencionais. Tabela 7 - Parâmetros estatísticos de interesse associados às variáveis físicas medidas Variáveis Físicas Parâmetros Estatísticos de Interesse Velocidade Horizontal [m/s] Média, Desvio Padrão, Máx./Mín. Direção do Vento [graus] Média, Desvio Padrão, Máx. na direção da rajada Temperatura Absoluta [o C] Média, Máx./Mín. Radiação Solar [W/m2 ] Média, Máx./Mín. Velocidade Vertical [m/s] Média, Desvio Padrão, Máx./Mín. Pressão [kPa] Média, Máx./Mín. Umidade Relativa [%] Média, Máx./Mín. Fonte: AWS Truepower III.2.2.3.1 Anemômetros A velocidade do vento é medida por um instrumento chamado anemômetro (do grego anemus que significa vento). Há, atualmente, uma gama de tipos desse sensor disponíveis no mercado: rotacionais, de pressão, termoelétricos, a laser e sônico ou de fase – além do tipo de tecnologia empregada, os tipos possíveis de anemômetros também se subdividem em sensores que medem a velocidade horizontal do vento e sensores que medem a velocidade vertical do vento. Dos tipos possíveis de anemômetros disponíveis comercialmente, o que tem ampla utilização em campanhas tradicionais de medição de vento é o anemômetro de copo – da classe de sensores rotacionais, que medem a velocidade horizontal. Essa
  64. 64. 54 configuração foi inventada por John Thomas Rommey Robinson22 em 1846 e aperfeiçoada por J. Patterson23 em 1926. O anemômetro rotacional de copo é um mecanismo de arrasto, em outras palavras, ele é movimentado pela interação com vento incidente, predominantemente, por forças de arrasto e mede a sua velocidade de forma indireta convertendo a informação de intensidade de rotação do sensor. A Figura 33 ilustra um modelo de anemômetro de copo muito usado em campanhas de medição de vento: o sensor Thies First Class Advanced Anemometer. Figura 33 - Thies First Class Advanced Anemometer 22 John Thomas Rommey Robinson (1792-1882), astrônomo e físico irlandês. É conhecido entre os meteorologistas como o inventor do anemômetro de copos. 23 John Patterson (1872-1956), meteorologista e físico canadense. Responsável pelo desenvolvimento da configuração atual de anemômetro de copo, que possui um erro inferior a 3% quando submetido a velocidades inferiores a 60 mph.
  65. 65. 55 III.2.2.3.2 Birutas (“Wind Vanes”) A medição de dados referentes à direção do vento horizontal é necessária para a modelagem espacial da distribuição do recurso eólico de uma área de interesse. Para a realização desse tipo de medição utiliza-se um sensor chamado wind vane. A configuração mais usual desse tipo de sensor utiliza uma haste vertical acoplada a uma cauda horizontal que gira solidária a direção do vento. A imagem a seguir (Figura 34) ilustra um modelo de wind vane da empresa Renewable NRG Systems, opção de ampla utilização em projetos eólicos. Figura 34 – RNRG 200P Wind Vane Em relação a questões práticas de instalação desse tipo de sensor, é recomendável que, para a mesma torre anemométrica, sejam instalados dois wind vanes em hastes diferentes e/ou alturas diferentes. Essa técnica de instalação e montagem atua no sentido de garantir a validade do resultado final da direção do vento medido.
  66. 66. 56 III.2.2.3.3 Termo-higrômetros Outro sensor de ampla utilização em campanhas de medição é o termo- higrômetro. Este mecanismo é capaz de auferir medições de temperatura absoluta e umidade relativa do ar – variáveis físicas usadas na estimativa da massa específica do ar da região do projeto, que, por sua vez, é utilizada para estimativas de produção energética do parque eólico. A Figura 35 ilustra um modelo de termo-higrômetro comum em campanhas de medição com torres anemométricas – na imagem o sensor está encapsulado dentro de um suporte branco que protege o sensor contra o aquecimento devido à radiação direta do sol, impedindo que a exposição a esse tipo de radiação interfira na medição. Figura 35 - Exemplo de termo-higrômetro usado em torres anemométricas III.2.2.3.4 Barômetro A tomada de dados relativos à pressão do ar, assim como a coleta de informação de umidade e temperatura, também é guiada pela necessidade de estimar com maior precisão a massa específica do ar da região do projeto. Esse tipo de medição é realizada tradicionalmente por barômetros (Figura 36).
  67. 67. 57 Figura 36 - Barômetro desenvolvido pela empresa Vaisala Entretanto, devido à dificuldade de medir de forma acurada a pressão do ar em ambientes sujeitos à significativa atividade de ventos – a pressão induzida pela interação da massa de ar em movimento com o sensor pode acrescentar erros em relação a resposta final de pressão desse sensor – e a baixa sensibilidade da variável física alvo, a massa específica do ar, em relação a pressão do ar, é comum não incluir medições desse tipo em campanhas de medição , utilizando, por conseguinte, dados de pressão de estações meteorológicas próximas à área do projeto como fonte de dados para as análises do projeto. III.2.2.3.4 Piranômetro Dados de radiação são geralmente associados a projetos de geração solar, seja ela fotovoltaica, solar térmica ou qualquer outra tecnologia. Todavia, há também uma considerável relevância desse tipo de informação em projetos de geração eólica. Esse tipo de dado, quando associado com informações de médias de velocidade do vento, pode ser usado para o cálculo da estabilidade atmosférica, que, como já fora apresentado, é muito influente na forma como o vento se comporta.

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