PEA ENERGIA EÓLICA FUNDAMENTOS E VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA. Aula 2 Recursos Eólicos e suas características

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1 PEA ENERGIA EÓLICA FUNDAMENTOS E VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA Aula 2 Recursos Eólicos e suas características

2 Potencial energético do vento Energia Cinética: ocasionada pelo movimento de massas de ar E = 2 m v 2 joules E = seg 2 m seg v 2 Fluxo de massa Massa = kg V = metros / s. m = m / seg Potência disponível no vento E seg = P Joules/seg= Watts P = 2. m v 2

3 ρ = m V Potência eólica volume Anel circular Área, A=00m 2 Massa específica do ar = kg/m 3. m V = ρ = seg A = área L ρ seg A L = distância percorrida (m) Ar Velocidade V= 0m/s L/seg = v = velocidade de escoamento do ar. m = ρav P = 2. m v 2 Comprimento = 0m

4 Potência eólica P Av 2 = ρ 3 Watts A P A = Densidade de Potência 3 = ρ Watts/m 2 D= diâmetro do rotor π v 2 4 D 2 A= 2/3 ( largura máxima do rotor até o centro ) (altura do rotor)

5 Equação para correção da massa específica em função da T ( o C) e altitude do local (m) ρ = Hm 353, ,5 + T 5,2624 ρ Massa específica do ar (kg/m 3) Hm = altitude do local (m) T = temperatura ambiente ( o C) Obs: equação considerando ar seco

6

7 Potência do vento em função da velocidade P A 2 3 = ρ (Watts/m 2 ) V ρ =,2256 kg/m3 V = 8m/s P = 34W / m2 V = 6 m/s P= 2509 W / m2 8 vezes mais potência 34Watts = 5 lâmpadas de 60 Watts Curva da potência do vento em função da velocidade

8 Curva de potência de uma turbina Fonte: Dewi

9 Circulação Geral da Atmosfera Modelo simplificado da circulação atmosférica: Três células Resultante do aquecimento desigual do planeta, do efeito da rotação da Terra associado ao seu formato achatado (raio de curvatura variável com a latitude)

10 Modelos de circulação local Os movimentos atmosféricos são governados por sistemas climáticos associados a diferentes escalas de tempo e espaço. Estas escalas dependem fundamentalmente te das condições geográficas do local. Fonte: Silva, 2003 Alguns exemplos de fenômenos atmosféricos

11 Escalas temporais e espaciais dos fenômenos atmosféricos Grande Escala Escala temporal: dias a meses Escala espacial: > 200 km Ex.: El Nino, efeito estufa, fenômenos sazonais e interanuais 7/3/203

12 Escalas temporais e espaciais dos fenômenos atmosféricos Meso Escala Escala temporal: horas a dias Escala espacial: km a 200 km Ex: Ciclones (furacões), tornados, brisas, ilhas de calor, frentes frias 7/3/203 2

13 Modelo local de circulação de ventos EX: Brisas Brisa marítima Brisa de vale Brisa terrestre Brisa de montanha

14 Escalas temporais e espaciais dos fenômenos atmosféricos Micro Escala Escala temporal: até uma hora Escala espacial: de m a km Ex: Turbulência mecânica e térmica, circulações locais, tempestades de poeira, transporte de poluentes 7/3/203 4

15 Escalas temporais Variações lentas Variações inter-anuais Variações sazonais Fonte: Silva, 2003

16 Importância das medições de longo prazo Recomendável medições por períodos de 05 a 0 anos

17 Escalas temporais Variações diárias Variações de curta duração Variações rápidas

18 Variação na direção dos ventos Rosa do ventos : Diagrama que mostra a distribuição temporal da direção dos ventos Normalmente utilizado para representar dados anuais, sazonais ou mensais.

19 O VENTO E SUAS CARACTERÍSTICAS

20 Fatores que influenciam na distribuição local do vento

21 CAMADA LIMITE ATMOSFÉRICA geostrófico

22 Distribuição da velocidade do vento com a altura Lei da potência Perfil exponencial CAMADA LIMITE V - velocidade na altura desejada Vo - velocidade na altura conhecida H - altura desejada Ho - altura conhecida n - fator de rugosidade do terreno ( ) V = V H / H o ρ =,2256 kg/m3 o n Descrição do terreno n Terreno sem vegetação 0,0 Terreno gramado 0,2 Terreno cultivado 0,9 Terreno com poucas árvores 0,23 Terreno com : muitas árvores, cerca 0,26 viva ou poucas edificações Florestas 0,28 Zonas urbanas sem edificações altas 0,32 (Ao nível do mar, T=5 o C, atm)

23 Efeito de n na estimativa da velocidade e densidade de potência do vento com a altura Ex: Se Vo=5m/s à 0m de altura, qual será a velocidade do vento na altura de 30m? n=0, 0,43 0,3 v30m (m/s) 5,58 5,85 6,95 P/A (W/m2) 06,4 22,6 205,6 % de aumento acima de 0m 39 62,2 68,5 ρ =,2256 kg/m3 n varia com: Altura Hora do dia Estação Natureza do terreno Velocidade do vento Temperatura Misto entre parâmetros térmicos e mecânicos

24 Distribuição da velocidade do vento com a altura Menores alturas V ( z) = L V ( z) = T k c v K = o o g c v k ln o c c z z o ln p v H V ( z) 3 o o z z o = V ( z Alturas maiores que 50m r Ψ z ln zo ) zr ln zo z L Fator de correção do perfil atmosférico devido à influencia do fluxo de calor do solo ( função empírica) Lei logarítmica Z o comprimento de rugosidade V(Z) velocidade do vento na altura Z Zr altura de referência H o calor na superfície Kc Constante de Von Karman Vo velocidade de atrito Cp calor específico à pressão constante G aceleração da gravidade To temperatura absoluta L comprimento de estabilidade de Monin-Obukhov ( m2/kg)

25 Valores de comprimento de rugosidade para alguns tipos de terrenos - Zo D e s c r iç ã o d o te r r e n o Z 0 (m m ) L is o, g e lo, la m a 0.0 M a r c a lm o M a r a g ita d o N e v e G r a m a d o P a s to a c id e n ta d o C a m p o e m d e c liv e C u ltiv a d o P o u c a s á r v o r e s M u ita s á r v o r e s, p o u c o s e d ifíc io s,c e r c a s F lo r e s ta s S u b ú r b io s Z o n a s u r b a n a s c o m e d ifíc io s a lto s Fonte : Manwell, 2004

26 INFLUÊNCIA DO TERRENO NO PERFIL DO VENTO Fluxo em terreno plano com a mudança de rugosidade Comprimento de rugosidade altura onde a velocidade do vento é zero, caso o vento tenha um comportamento logaritmo com a variação de altura

27 Perfil do vento em terrenos planos com obstáculos Os obstáculos são elementos de dimensões conhecidas e podem causar reduções na velocidade e produzem o efeito chamado de sombreamento. Os obstáculos não apenas obstruem o movimento de partículas de ar como também modificam a distribuição da velocidade. Ex. de obstáculos: pedras, rochas,edifícios, agrupamento denso de árvores de grande altura,, silos, etc O perfil do escoamento é influenciado por vários fatores como: forma dos obstáculos, distância entre eles, sua porosidade, etc A área influenciada pela presença de obstáculos sheltering effectpode estender-se até três vezes a sua altura, no sentido vertical, e até quarenta vezes essa mesma altura, no sentido horizontal, na direção do vento.

28 Perfil do vento em terrenos com obstáculos H = altura do edifício

29 INFLUÊNCIA DO TERRENO NO PERFIL DO VENTO Orografia : variações na altura do terreno. Ex: presença de colinas, vales e depressões Elevações no terreno

30 Orientação de Morros Perpendicular (ótimo) Oblíquo (bom) Paralelo (ruim) Côncavo (bom) Convexo (regular)

31 Gargantas e Passagens Acidentes geográficos

32 Falésias e Chapadas

33 Acidentes geográficos

34 CARACTERIZAÇÃO DO REGIME DE VENTO E LEVANTAMENTO DE POTENCIAL EÓLICO O Regime de vento pode ser caracterizado por: fatores geográficos indicações da direção em que sopram altura de medição características do terreno parâmetros atmosféricos ( temperatura, pressão) Informações utilizadas para não só estimar a produção de energia de uma turbina como também escolher o melhor local para instalação considerando aspectos de produção, custos, impactos ambientais, etc

35 MÉTODOS DE ANÁLISE DOS DADOS E CARACTERIZAÇÃO DO RECURSO EÓLICO Assumindo que uma grande quantidade de dados é coletada, há inúmeras formas de compactar estes dados de tal modo que possamos avaliar o recurso eólico ou o potencial de produção de potência eólica num determinado local. Incluem-se técnicas diretas e estatísticas. Algumas dessas técnicas também podem ser usadas quando se tem uma limitada quantidade de dados de um local ( Ex: apenas a velocidade média) Métodos direto ( não-estatístico) Técnicas de avaliação Análise estatística Estimativa da produção de energia usando técnicas estatísticas A estimativa do potencial eólico consiste na determinação da produção de energia e potência de saída de uma turbina eólica em um determinado local onde os dados de vento estão disponíveis ou no formato de série de dados ou numa forma compactada (velocidade média, desvio padrão, função de distribuição, etc ).

36 Curva de potência de uma turbina eólica A potência disponível no vento é: P = ρ A v 2 Na prática, a potência Pe fornecida por uma turbina eólica em função da velocidade do vento é determinada pela curva de potência da turbina A curva de potência ilustra três importantes velocidades características: 3 Ve Velocidade a partir da qual a turbina começa produzir energia Vn Velocidade do vento em que a turbina atinge a sua potência nominal Vc velocidade do vento a partir da qual a turbina é desligada para evitar problemas estruturais

37 - Método do uso direto dos dados Grandezas estatísticas utilizadas na determinação do regime de ventos Velocidade média V = v+ v flutuação Velocidade instantânea σ r Desvio padrão - Velocidade média do período ( longo prazo) = V N N = número de V i observações i= N 2- Desvio padrão σ r N N Vi V = V N i= N i= = 2 2 i N V 2

38 3- Densidade média de potência (eólica) P/A (Watts/m 2 ) P A = ρ 2 N N i= 3 V i

39 2- Método de Classes de velocidades EX: Largura V = m/s Histograma de velocidade do vento

40 f j freqüência absoluta = número de observações em cada classe ou intervalo j. N número total de observações F r freqüência relativa = associada a cada intervalo( j) = f j /N fr j = f j N N = I j= f j EX: Largura V = m/s I = número total de classes ou intervalos de velocidade Ex: 20

41 - Velocidade média = = I j j m j f N V = = I j j j r V N f m N 2 2 σ = = = I j I j j j j j r f m N N f m N 2 2 σ Para este caso: 2- Desvio padrão

42 3- Densidade média de potência (eólica) = Watts/m 2 P A = ( / 2) ρ N I j= 3 m j f j

43 3- Análise estatística das velocidades dos ventos Representações analíticas para a distribuição probabilidades de velocidade de vento Histograma Registros contínuos 4,0% 2,0% 0,0% Registros discretos fr(%) 8,0% 6,0% 4,0% 2,0% f rj = f j N p( v j ) = f j N I j= 0,0% fr j = ( Va V Vb ) = V (m/s) p( V ) dv = b p p( V ) Va F o V = dv V0 ( V ) = p( V V ) p( V dv 0 0 ) 0 Distribuição de probabilidade Função densidade de probabilidade Função distribuição ou probabilidade acumulada

44 Curva de freqûencia acumulada e duração da velocidade dos ventos,0 0,9 0,8 0,7 f rj = f j N 0,6 fr(%) 0,5 0,4 0,3 0,2 0, I j= fr j = 0, V (m/s) Frequência Acumulada Duração Curva de frequência : F(Vo) =p(v V o )= (fr +fr 2 +fr fr I ) Curva de duração :-F(V o )= P (V V o ) =-(fr +fr 2 +fr fr I )

45 3- Curva de duração de velocidade e potência a partir dos dados Curvas de duração de velocidade e potência pode ser útil na comparação do potencial energético de locais candidatos. O eixo x representa o número de horas no período em que uma determinada velocidade é que um certo valor Exemplo de curva de duração de velocidade para vários sítios, (Manwell,2005)

46 Se p(v) é conhecido, os seguintes parâmetros podem ser calculados: Velocidade média: V = Vp( V ) dv c Desvio padrão: σ V = c 2 V V p( V ) dv Potência eólica média por unidade de área : P/A = Watts/m 2 ( ) 3 / 2 ρ V p( V ) dv = (/ 2) ρ P/ A = V 0 3

47 Distribuições probabilísticas utilizadas para representar o comportamento dos ventos Distribuição normal ou Gaussiana Distribuição exponencial Distribuição de Rayleigh Distribuição de Weibull

48

49 Ex: de curvas de distribuição de Weibull Regimes e ventos mais constantes A função densidade de probabilidade de Weibull requer o conhecimento de dois parâmetros conforme mostrado na equação a seguir: p( v) k = c v c k e k v c c = onde: p(v) probabilidade de ocorrência de velocidade de vento v velocidade do vento c fator de escala k fator de forma Os parâmetros c e k podem ser calculados analiticamente pelas seguintes equações:.086 c k = σv V = ( / k) k V V Γ + k

50 De acordo com estudos, a Distribuição de Weibull consegue retratar bem um grande número de padrões de comportamento do vento. Isso se deve principalmente porque a distribuição de Weibull incorpora tanto a distribuição exponencial (k=) quanto a distribuição de Rayleigh (k=2), além de fornecer uma boa aproximação da distribuição normal (quando o k é próximo de 3,5) Uma outra grande utilidade da função de Weibull é retratar o comportamento do ventos extremos

51 k = 2 (constante) Ventos menos constantes Fonte:Silva,G S. Mestrado, 2003

52 Os parâmetros de Weibull com a altura n h h C C = 2 2 = 0 0,088 ln ) 0,88 ln( 0,37 h C n = 0 0,088 ln 0 0,088 ln 2 2 h h k k As expressões acima não consideram a influência da rugosidade do solo. Aplica-se a apenas a áreas abertas com poucos obstáculos

53 Ex: de curvas de distribuição de Rayleigh A função densidade de probabilidade de Rayleigh á a mais simplificada e fica definida apenas com o conhecimento da velocidade média. É mais adequada para representação de velocidades moderadas 4-8m/s. É definida pela seguinte expressão: ( ) p V π V 2 V π V e 4 V = 2 2

54 SUMÁRIO Exemplo de Caracterização de potencial eólico OUTUBRO 2003 Estação N o : Latitude: Período analisado: N o de registros: de 0/0/2003 a 3/0/2003 Anemógrafo: NRG9200P Longitude: Dados válidos: 00% Parâmetros de Vento Principais 50 metros 30 metros Velocidade média: 7,09 m/s 6,7 m/s 4464 Desvio padrão médio: 0,98,02 Direção predominante: ESE (57,5%) ESE (48,43%) Intensidade de turbulência: 3,8% 5,2% Fator de forma de Weibull, k: 4,44 4,30 Fator de escala de Weibull, c: 7,74 m/s 7,33 m/s Densidade de potência média: 235,83 W/m² 202,06 W/m² Expoente do gradiente vertical: 0, Temperatura média do ar: 2,79 C Variação média (24h): 8,8 C Velocidade de vento máxima Informações Adicionais 50 metros 30 metros valor dia hora valor dia hora média diária (24h): 8,45 m/s - 8,04 m/s - média horária (h): 0,92 m/s 8 :00 h 0,36 m/s 8 :00 h média do intervalo de 0min: 3,78 m/s 25 4:50 h 3,38 m/s 25 4:50 h rajada (2s): 7,50 m/s 20 3:00 h 6,42 m/s 20 3:00 h Valores de temperatura extremos máximo dia hora mínimo dia hora (intervalos de 0min): 28,66 C 2 3:0 h 7,55 C 04:50 h

55 Exemplo de Caracterização de potencial eólico Diagramas (50 metros) Velocidades médias do vento 2,0 Velocidade média (m/s) Velocidade média (m/s) 0,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0,0 horária diária Dia do mês Variação diurna de velocidade de vento 0, Hora do dia Direção do vento Distribuição de frequência da velocidade N 60% 25 W E Frequência (%) Dado s W eibu ll S u < 4 4 u < 8 u Velocidade do Vento (m/s)

56 Início do estudo Escolha do local Implementação de um projeto eólico - Etapas - Medir o vento no local Estudar os dados de vento Escolher aerogeradores Definir a capacidade da planta eólica Definir o lay-out dos aerogeradores Estimar a energia gerada pela planta Definir a conexão com a rede Determinar os investimentos Estudo de viabilidade técnico e econômica Implantar a central eólica

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