PROPOSTAS PARA DIMENSIONAMENTO DE UM PARQUE EÓLICO NA REGIÃO DE ARARAQUARA

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1 PROPOSTAS PARA DIMENSIONAMENTO DE UM PARQUE EÓLICO NA REGIÃO DE ARARAQUARA JOSÉ EVANGELISTA CHIUSO ADM. DE EMPRESAS ALUNO DE PÓS-GRADUAÇÃO FEM/UNICAMP ADRIANO JERONIMO DA SILVA MSC. ENG. ELETRICISTA ALUNO DE DOUTORADO FEM/UNICAMP 1. RESUMO Este trabalho é motivado pela necessidade de fontes alternativas de energia viáveis técnico, econômico e ambientalmente. Este artigo apresenta um exercício acadêmico de dimensionamento de um parque eólico para fornecimento de energia a determinado setor de uma empresa fabricante de implementos agrícolas na região de Araraquara. Considerando que não se dispõe de dados de medição no local em questão, este trabalho pretende ser encarado como uma proposta teórica de alternativa para dimensionamento de parque eólico a partir de dados aproximados de velocidades de vento.. ABSTRACT This work is motivated by the need to develop alternative source which are viable technically, economically and environmentally. This article presents an academic exercise to size a wind energy generator for energy supply to one of departments of a agricultural implements manufacturer company in the region of Araraquara. Considering that data measurement in the site, locational the company, was not done, this work is to be considered as a theoretical proposal for to size a wind energy generator based on available wind data of the region. 3. INTRODUÇÃO Este trabalho simula a implantação de um parque eólico de geração de energia elétrica para suprir um determinado setor de uma empresa de implementos agrícolas da região de Araraquara-SP. A base da energia eólica, o vento, é a atmosfera em movimento. Ele originase da associação da radiação solar e da rotação planetária. Trata-se de um mecanismo solar-planetário permanente, cuja duração é mensurável na escala de bilhões de anos, logo, a energia eólica é renovável. O ar é composto de moléculas e, portanto, possui massa; a densidade do ar é da ordem de 1 a 1,93 kg/m 3. Como energia cinética é massa em movimento, o vento é energia. Na exploração da energia eólica pode ser utilizada diretamente na forma mecânica para bombeamentos d água ou trabalhos mecânicos assim como para a geração de energia elétrica, através da conexão de um gerador ao eixo rotor. A energia elétrica resultante da fonte de energia eólica é a base dessa simulação, não representando, pois, qualquer tipo de política da empresa em

2 questão, tampouco uma solução ótima do ponto de vista energético-ambiental ou econômico-financeiro. 4. CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA O Município de Araraquara está localizado no centro do Estado de São Paulo, tendo como coordenadas geográficas 1º47'37" (latitude sul) e 48º10'5" (longitude oeste) e possui uma altitude média de 646 metros em relação ao nível do mar. A área total do município é de 1.31 km², dos quais 77,37 km² são considerados área urbana. O setor da empresa em questão, situada no Município de Araraquara, requer uma potência máxima da ordem de 50 kw. O setor consome em torno de 8 MWh ao mês e funciona 8 horas por dia, dias por mês. A potência média requerida é definida pela razão entre a energia consumida mensalmente e o número de horas de funcionamento por mês. A potência média é calculada como: P média [ kwh] =, h 8.[ dia] dia que resulta em P média = 45,45 kw. A potência máxima é definida pela soma das potências dos equipamentos que são simultaneamente utilizados no processo de produção do setor em horário de exigência máxima dos equipamentos. A soma destas potências é de 50 kw. 5. GERAÇÃO EÓLICA Dados estatísticos mostram que quatro países detêm em torno de 75% da capacidade instalada mundial de produção de energia com base eólica. O país que possui a maior capacidade instalada de energia eólica no mundo é a Alemanha, com MW (33%), seguido pelos EUA com.514 MW (13%), e depois pela Dinamarca e Espanha, com 13% e 1% da capacidade instalada mundial respectivamente. O Brasil possui um parque eólico de 0 MW de potência instalada (ANEEL, 00). O CBEE (00) estima que o nordeste brasileiro possui um potencial eólico de aproximadamente MW, o que equivale a quase metade de uma usina do porte de Itaipú. Abaixo, a Figura 1 mostra um mapa com o Atlas eólico do Brasil onde estão indicadas, através de cores, as velocidades dos ventos em cada região brasileira. Terciote e Jannuzzi, amparados em Gipe (1995), demonstram a equação para a determinação do potencial eólico de uma turbina. Na seqüência o raciocínio apresentado por Terciote e Jannuzzi (001) é reproduzido ao se fazer uma demonstração mais sucinta da mesma equação. A energia eólica é proveniente da energia cinética Ec do vento que é dada por: 1 Ec =. mv., onde m é a massa de ar que se desloca a uma velocidade V.

3 Uma determinada massa de ar pode ser expressa em termos da densidade do ar ρ e do volume de ar v. Por sua vez, o volume v pode ser expresso pelo produto da área do rotor da turbina A r por uma determinada distância S. O que resulta em: 1 Ec =. ρ. Ar. SV.. ( Ec) Sabendo que a potência é a derivada da energia no tempo, P =, t temos que: 1 ( S) P =. ρ. Ar.. V. t Sabendo também que a velocidade é a derivada do espaço no tempo e acrescentando-se o coeficiente aerodinâmico de potência do motor e a eficiência do conjunto gerador / transmissões mecânicas e elétricas quando usado em aplicações práticas, a equação anterior fica como a Equação 1. Equação 1: Cálculo da potência de um aerogerador. 1 3 P =. ρ. Ar. V. C p.η, onde: P = potência em Watts; ρ = densidade do ar em kg/m 3 (1-1, ao nível do mar: 1,93). A r = área de varredura do rotor em m (π.d /4 - d=diâmetro do rotor); V = velocidade do vento em m/s; C p = coeficiente aerodinâmico de potência do motor (max. 0,45. teórico 0,593); e η = eficiência do conjunto gerador/transmissões mecânicas e elétricas (~0,93-0,98). Figura 1: Atlas eólico brasileiro (dados preliminares de 98). Fonte: CBEE,(00). O coeficiente aerodinâmico é variável com a velocidade do vento, rotação das pás e parâmetros de controle da turbina. A partir da equação acima podemos ver como o potencial de geração depende da velocidade. A Figura mostra esta dependência.

4 Figura : Curva típica de potência de uma turbina. Fonte: Atlas eólico SEMC-RS. Usualmente, o aproveitamento do conteúdo energético do vento se justifica apenas a partir de velocidades de vento da ordem de,5 a 3 m/s. Velocidades superiores a aproximadamente 1-15 m/s ativam o sistema automático de limitação de potência do aerogerador. A potência da máquina pode ser controlada a partir da variação do ângulo de passo das pás ou por estol aerodinâmico, dependendo do modelo de turbina. Em casos de ventos muito fortes, com velocidade superior a 5m/s, como apresentado na Figura, atua o sistema automático de proteção. Ventos muito fortes são raros de ocorrer e não são desejáveis do ponto de vista de geração de energia dado o possível comprometimento da estrutura do aerogerador; em casos assim, a rotação das pás é reduzida e o sistema elétrico é desconectado da rede elétrica. Atualmente, turbinas eólicas de grande porte têm controle inteiramente automático através de atuadores rápidos, software e microprocessadores alimentados por sensores duplos ("fail safe"). Neste trabalho considerou-se turbinas de médio porte no dimensionamento. A densidade do ar também é muito importante, ela é variável com a altitude (pressão) e a temperatura, a Figura 3 apresenta a variação da densidade conhecidas a altura com relação ao nível do mar e a temperatura do ar. Figura 3: Variação da densidade do ar. Fonte: Atlas eólico SEMC-RS.

5 Outros fatores influem na geração eólica, como por exemplo a rugosidade do terreno em que se situa a planta de geração. Quanto mais rugoso é o terreno, maior dificuldade de o ar se movimentar e, portanto, maiores serão as chances de irregularidades de vento e turbulências. Como foi apresentado na Equação 1, a capacidade de geração de um aerogerador depende diretamente da área de varredura das pás do rotor. Neste trabalho adotou-se a utilização de aerogeradores com 15 metros de diâmetro das pás do rotor e 16 kw de potência máxima em regime permanente. Trata-se de um modelo comercial de aerogerador. 6. DIMENSIONAMENTO DO PARQUE EÓLICO Neste trabalho são abordados dois métodos distintos de determinação do número de aerogeradores necessários ao atendimento de um parque eólico. O primeiro método utiliza a idéia de um aerogerador equivalente, este método considera as características técnicas invariáveis com o tamanho do aerogerador. O segundo método utiliza a curva específica de potência para um determinado aerogerador. Esta curva é obtida a partir da curva típica apresentada na Figura. 6.1 MÉTODO 1: AEROGERADOR EQUIVALENTE: Com base no dado de altitude de aproximadamente 640 metros (Araraquara, 00) e considerando uma temperatura de trabalho de 5 ºC, pode-se determinar a densidade do ar através da Figura 3. Para uma altitude de 640 m e temperatura de 5ºC, tem-se a densidade do ar de aproximadamente 1,1 kg/m3. A partir da Figura 1 tem-se que a velocidade média dos ventos na região de São Paulo é em torno de 5 m/s. Terciote e Jannuzzi (001), fizeram medições de velocidades de ventos. A maioria das medições situava-se na faixa de 6 m/s. Esse será o valor usado. Considerando os máximos valores para o coeficiente aerodinâmico e o rendimento das plantas, tem-se que Cp=0,45 e η= 0,98 Cp.η= 0,441. Pode-se, assim, determinar a área de varredura de um aerogerador equivalente para atender essa demanda usando a Equação 1. Dados de entrada: Potência a ser atendida (demanda): 50kW Velocidade média dos ventos na região: 6 m/s Densidade do ar: 1,1 kg.m 3. Transmissão mecânica e rendimento do gerador, C p.η= 44,1% Área= / (6 3.1,1.0,441) aerogerador equivalente deveria ter uma área de, no mínimo, Ar= 937,3 m. Tomando uma turbina de 15 m de diâmetro, tem-se uma área de varredura de: Ar=π.15/4 = 176,71 m. Um número N mínimo de turbinas desse tipo, necessárias para atender à demanda estipulada equivale a N= 937,3/176,71 = 5,3. Ou seja, 5 turbinas quase atenderiam, porém para pleno atendimento são necessárias 6 turbinas.

6 6. MÉTODO : CURVA TÍPICA DE POTÊNCIA: Usando a Figura para uma turbina de 16 kw de potência e velocidade do vento de 6 m/s tem-se que a potência da turbina é estabelecida no patamar de 1,6 kw. Então o número N de unidades de turbinas de 16kW para atender à demanda 50 kw será de N=50kW/1,6kW = 3,97. O que resulta em 4 turbinas. 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS Este trabalho apresentou duas metodologias simples para dimensionamento de aerogerador. O trabalho se baseou em dados aproximados de medição de velocidades de vento. Uma das justificativas para a discrepância observada ao se aplicar os dois métodos é o fato da curva típica de potência do aerogerador apresentada neste artigo levar em conta a densidade do ar de 1,5 kg/m3. A curva típica foi utilizada no método. Se fosse utilizada essa mesma densidade no método 1, ele resultaria num valor de N=4,85 turbinas, ou seja, 5 turbinas. A discrepância diminuiria. Além disto, a temperatura utilizada pode não se verificar na realidade. Outra justificativa é a grande probabilidade da curva típica não representar a realidade de todas as tecnologias de aerogeradores. Cabe ressaltar também que os valores de medição de velocidade de ventos encontrados por Terciote e Jannuzzi (001) representam em torno de 40% das medições. Em torno de 30 % das medições ficaram por volta de 4m/s e 18% em torno de 8m/s. Em adição ressalta-se que estas medições foram realizadas em Campinas, 680 m acima do nível do mar, e os empreendimentos pensados seriam para uso em Araraquara. Considerando que a rugosidade do terreno é um fator que dificulta a movimentação atmosférica, provavelmente os terrenos apresentem rugosidades bem distintas, enfim, estas nuances sugerem o acréscimo de um coeficiente de segurança, principalmente devido à relativamente pequena representatividade das medições observadas na bibliografia. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas de energia elétrica do Brasil 153p pp Brasília, 00 html em novembro/00. ARARAQUARA Página oficial da prefeitura municipal de Araraquara: em novembro de 00: CBEE Centro Brasileiro de Energia Eólica UFPE, em novembro/00. GIPE, P., 1995, "Wind Energy Comes of Age", J. Wiley, New York, 536 p. apud Terciote e Jannuzzi (001). SEMC-RS Secretaria de Energia, Minas e Comunicações do Rio Grande do Sul. Atlas eólico 70p, Porto Alegre, 00 em novembro/00. TERCIOTE, R.; JANNUZZI, G. M. Avaliação Técnica e Econômica de um Aerogerador de 500W em Campinas, SP Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica COBEM, Campinas, 001.