ESTIMATIVA DE OBTENÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DO VENTO EM UMA ÁREA DADA
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- Sara Damásio Brás
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1 1 de 6 ESTIMATIVA DE OBTENÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DO VENTO EM UMA ÁREA DADA G.P.Viajante, J.R.Camacho,D.A.Andrade Universidade Federal de Uberlândia s: ghunterp@gmail.com, jrcamacho@ufu.br, darizon@ufu.br Resumo Este trabalho apresenta uma metodologia para a estimativa de obtenção de energia a partir do vento em uma área dada. São apresentados os conceitos básicos relacionados ao projeto de fazendas eólicas, levando em consideração diversos aspectos como: características dos aerogeradores, comportamento do vento e sua representação através da distribuição de Weibull, influência da densidade do ar no calculo da energia gerada bem como a disposição das turbinas no parque. É apresentado o projeto de um parque eólico de 0,5km 2 contendo seis aerogeradores de 2.300kW. A energia gerada anualmente é estimada e os resultados são apresentados. I. INTRODUÇÃO A evolução da energia eólica ao longo dos últimos 20 anos mostrou significativos progressos tecnológicos e importantes reduções no custo da energia gerada. A energia eólica apresenta-se como uma importante opção energética visto os baixos impactos ambientais por ela produzidos. Das características ambientais positivas da energia eólica podem ser citadas a não necessidade do uso da água como elemento motriz ou mesmo como fluido de refrigeração, e também a não produção de resíduos radioativos e emissões de poluentes atmosféricos. Estima-se que 99% de uma área usada em um parque eólico pode ser utilizada para outros fins, como a pecuária e atividades agrícolas [7]. Além da não emissão de gases de efeito estufa durante sua operação. A European Wind Energy Association EWEA mostra que, quando comparada a outras tecnologias renováveis, a turbinas eólicas mostra-se como uma das alternativas mais baratas de redução das emissões de CO2 emitido em centrais termelétricas convencionais. Finalmente, uma das mais importantes qualidades da energia eólica está justamente da geração de energia elétrica a partir do recurso renovável vento. A utilização de recursos renováveis provenientes dos diversos ciclos da natureza tem assumido relevância, principalmente devido aos conflitos geopolíticos que envolvem as fontes de origem fósseis e pelos efeitos de aquecimento global. A energia eólica tem se mostrada madura o suficiente para uma participação mais agressiva na matriz de geração de energia elétrica mundial. Estudos realizados por EWEA mostram a viabilidade tanto na disponibilidade de recursos quanto no desenvolvimento tecnológico, sendo a energia eólica capar de prover 12% da demanda mundial por energia elétrica até Neste contexto, a implementação de usinas eólicas, tem sido apresentada com uma alternativa estratégica contemporânea tornando-se viável como fonte comercial de energia. Assim, o objetivo deste documento é apresentar conceitos relacionados aos projetos de parques eólicos a partir da análise e tratamento de dados em uma determinada área. O texto apresenta a metodologia de análise do potencial eólico e de estimativa da energia gerada. Utiliza-se a distribuição de Weibull para a análise do regime de vento no local. A estimativa de energia de um parque eólico com seis aerogeradores instalados em uma área de aproximadamente 0,5Km 2 é apresentada. II. AVALIAÇÃO DO POTENCIAL EÓLICO Para o aproveitamento dos ventos como fonte de energia, uma previsão da velocidade do vento é de fundamental importância. É necessário avaliar a sua variação ao longo do dia, das estações do ano e com a altura, pois a caracterização do potencial eólico de um local configura-se em um dos principais passos em um projeto eólico. O cálculo da velocidade média diária, mensal e anual constitui-se em uma importante característica para a definição da condição técnica
2 2 de 6 de uma área para aproveitamento de geração eólica e é definida pela equação 1. v i n i 1 V = n n v i i= 1 é a velocidade do vento registrada em [m/s] é o número de registro [adimensional] Identificação do registro Após a medição dos dados, é efetuado o tratamento estatístico destes, de forma a proceder-se à análise dos dados para estimativas do comportamento dos ventos, baseadas no período em que foram realizadas as medições. Do tratamento dos dados obtem-se parâmetros estatísticos como a velocidade média e o desvio padrão, importantes para a definição do regime de ventos e, em conseqüência, do potencial eólico de um dado local. A função de densidade de probabilidade mais adequada à distribuição do vento é a função de Welbull, dada pela equação 2 [5]. (1) fator essencial em um projeto, tendo em vista que a localização dos mesmos devera ser tal que seja minimizado o comprometimento da captação energética individual. A potência disponível no vento que passa em uma área A, transversal ao fluxo de ar é dada pela equação 3 [5]. P 1 ρ AV 2 = 3 (3) P é a potência do vento [W] ρ é a massa específica do ar [kg/m 3 ] A é a área da seção transversal [m 2 ] V é a velocidade do vento [m/s] Verifica-se nesta equação uma relação direta entre a potência disponível no vento e a massa específica do ar. Esta por sua vez varia com a temperatura e a pressão atmosférica. Uma expressão para a estimativa da massa específica do ar, ou densidade, em função da altitude do local e da temperatura ambiente é dada pela equação 4 [5]. v c i k 1 k v k k v f ( v) = e (2) c c é a velocidade do vento registrada em [m/s] é o fator de escala [m/s] é o fator de forma [adimensional] Onde : ρ z 353, ,15 + T 5,2624 ρ é a massa específica do ar [kg/m 3 ] (4) O fator de escala c está relacionado com a velocidade média do vento no local. Já o fator de forma k relaciona-se com a variância da velocidade do vento em torno da velocidade média. Sabe-se que o vento varia também em direção. Assim, deve-se levar em conta este comportamento. Normalmente, as direções são divididas em setores onde são feitos os estudos do comportamento do vento e apresentados graficamente através da rosa dos ventos.. A determinação da direção predominante do vento é importante para a definição da direção de posicionamento dos aerogeradores. O estudo da distribuição dos mesmos constitui z é a altitude do local [m 2 ] T é a temperatura ambiente [ C] III. EXTRAÇÃO DA POTÊNCIA DO VENTO A extração da energia cinética do vento é realizada por aerogeradores. A ação dos ventos sobre um rotor eólico transforma sua energia cinética em energia mecânica que é transformada em energia elétrica por meio de um gerador. Na figura 1 estão apresentados os elementos componentes de um aerogerador.
3 3 de 6 Figura 2 Curvas de desempenho do aerogerador E-70 da ENERCON [1] Figura 1 Esquemático de um aerogerador.[2] A potência desenvolvida por uma turbina eólica depende da velocidade do vento e da velocidade rotacional. As relações entre potência, a velocidade do vento e a velocidade rotacional são, normalmente, apresentadas por coeficientes adimensionais, a fim de tornar esta informação aplicável em diversas circunstâncias. Um parâmetro adimensional largamente utilizado é o coeficiente de potência Cp. Ele indica a relação entre a potência realmente extraída do vento por uma turbina eólica e a potência disponível no vento. Sua expressão é apresentada na equação 5 [5]. Percebe-se na figura 2 que o Cp da turbina eólica varia de acordo com a velocidade do vento. Esta variação se refere ao fato das pás do rotor alterarem sua eficiência aerodinâmica em função da variação do vento incidente. O ponto máximo de Cp indica a máxima eficiência da turbina. No caso da potência, verifica-se que aumenta com a velocidade do vento, até que alcance a potência nominal da turbina e permanece constante. Para o caso de velocidade do vento excessivamente alta, a turbina é retirada de operação para evitar o estresse mecânico do conjunto. IV. ESTIMATIVA DA ENERGIA GERADA Cp = Pt 1 ρ AV 2 3 (5) Neste trabalho foi utilizado o software livre ALWIN para auxiliar na geração de gráficos e cálculos de estimativa. Para a realização da estimativa da energia gerada em uma fazenda eólica foram seguidas as seguintes etapas: Cp Pt é o coeficiente de potência [adimensional] é a potência produzida pela turbina [W] ρ é a massa específica do ar [kg/m 3 ] A é a área da seção transversal [m 2 ] V é a velocidade do vento [m/s] A curva de Potência e do coeficiente Cp em função da velocidade do vento de um aerogerador modelo E-70 da ENERCON é apresentado na figura 2. Escolha do local fictício Medição fictícia do vento no local Tratamento dos dados de vento Escolha dos Aerogeradores Definição da capacidade da fazenda eólica Definição do layout do Aerogeradores Cálculo da energia gerada na fazenda eólica. Para a escolha do local a ser instalado uma fazenda eólica, alguns fatores devem ser levados em consideração. O regime
4 4 de 6 de vento da região deve ser analisado, uma vez que a potência de um aerogerador varia proporcionalmente com o cubo da velocidade do vento. Deve-se ainda levar em consideração a interligação com a rede elétrica, o que sugere que o local esteja próximo das linhas de transmissão para que as perdas na transmissão sejam o mínimo possível. O local escolhido possui dimensões de 0,5 km 2 de área plana e velocidade média anual de vento em torno de 7,0m/s. A tabela 1 apresenta os dados fictícios de medição com um anemômetro instalado a uma altura de 50m do solo. Considerou-se que as medidas foram realizadas em várias direções para se obter o gráfico de rosa dos ventos e assim escolher a melhor posição de instalação dos aerogeradores. Esses dados foram adotados como para o local fictício escolhido. que é a mais adequada para representar a distribuição dos ventos, conforme (2). O histograma da figura 3 foi construído a partir da base de dados correspondente às distribuições das freqüências relativas da velocidade do vento durante um tempo t mínimo, resultante das medições ficticias. O histograma representa, graficamente, a freqüência de cada velocidade com base nos dados amostrais colhidos. As barras representam a ocorrência de um intervalo de velocidades em células e descreve o comportamento dos mesmos, quanto à sua tendência central, forma e dispersão. Na mesma figura é apresentada a forma da curva de Weibull. TABELA 1- MEDIÇÃO DA VELOCIDADE DO VENTO COM ANEMÔMETRO[6] Vel. do Vento Anemômetro [m/s] [N. de ocorrências] [% de ocorrências] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,00 Para realizar a análise do potencial eólico do local selecionado, utilizou-se a função de probabilidade Weibull Figura 3 Distribuição de freqüência - Histograma A função de Weibull considera o desvio padrão dos dados coletados, que é um importante parâmetro estatístico, pois introduz uma informação acerca das incertezas com que podem ocorrer as velocidades previstas a partir dos dados coletados no período. A determinação da direção predominante é dada pelo diagrama Rosa dos Ventos que é elaborado para evidenciar as freqüências e a velocidade dos ventos que sopram sobre os cardeais, colaterais e sub-colaterais. O comprimento de cada "pétala" mostra a ocorrência de ventos registrada em dado período de tempo, e as gradações sobre as pétalas mostram a freqüência da velocidade dos ventos. O programa ALWIN faz uma distribuição estatística da velocidade do vento, setorizada, em um intervalo de tempo, classificando o vento em 12 setores com 30 de abertura cada, iniciando com 0 ao norte.
5 5 de 6 A figura 4 apresenta a rosa dos ventos do local onde será instalada a fazenda eólica. Figura 5 Cálculo da potência média e energia pelos métodos da média e distribuição de Weibull. Figura 4 Rosa dos ventos do local a ser instalada a fazenda eólica O Aerogerador escolhido foi o modelo E-70 do fabricante ENERCON. Suas principais características são apresentadas na tabela 2. Serão instalados a uma altura de 50m do solo. TABELA 2 PARÂMETROS DO AEROGERADOR E-70 ENERCON [1] Parâmetro Valor Potência Diâmetro do Rotor 2300 KW 71 m Número de pás 3 Cut-out m/s Os indicadores observados figura 5 são identificados como segue: Potência Média: significa: a potência media do aerogerador, de acordo com os dados medidos (média das velocidades de vento x curva de potência) ou com a distribuição de Webull. Fator de capacidade: significa o % de aproveitamento do aerogerador. t equivale à área do intervalo de velocidade de vento usado, do gráfico da velocidade de vento x % de ocorrências da figura 3. T : equivale à área total dos dados do gráfico da velocidade de vento x % de ocorrências da figura 3. A curva de Potência e do coeficiente Cp em função da velocidade do vento de um aerogerador modelo E-70 da ENERCON é a mesma ja apresentada na figura 2. O cálculo da produção de energia leva em consideração e os efeitos das variações da densidade do ar no cálculo da produção de energia pelo uso de dados referentes à altitude e temperatura dos locais e as alturas das torres das turbinas. A determinação da energia gerada foi realizada pelo cruzamento da velocidade do vento (figura 3) com a curva de potência do aerogerador (figura 2). O cálculo foi desenvolvido para os valores médios de velocidade do vento medidos e também da distribuição de weibull. O resultado é apresentado na figura 5. Verifica-se na figura 5 que a potência média do aerogerador é de 414,1 kw. O fator de capacidade 20,2, significa que apenas 20,2 % da potência do aerogerador está sendo efetivamente aproveitada. Considerando que o ano contém 8760 horas, a EAG Energia Anual Gerada para cada aerogerador em kwh é dada pela equação 6 [5]. = [ f ( v) P( v) ] 8760 EAG (6) v é a velocidade do vento [m/s] f (v) é a freqüência de ocorrência do vento P (v) é a potência produzida pelo aerogerador na velocidade do vento
6 6 de 6 Assim, para os valores médios de velocidade do vento, a EAG de cada aerogerador é : EAG = 414,1kW 8760 EAG = 3, 62MWh Considerando a distribuição de Weibull a EAG é dada por: EAG = 424,9kW 8760 EAG = 3, 72MWh Para uma área de aproximadamente 0,5Km 2 a o layout da fazenda eólica é apresentado na figura 6. III. CONCLUSÃO Este trabalho apresentou uma metodologia para a estimativa de obtenção de energia a partir do vento em uma área dada. Os resultados do projeto de um parque eólico de 0,5km 2 contendo seis aerogeradores de 2.300kW e a estimação da energia gerada anualmente foram apresentados. Verificou-se que apesar do uso de aerogeradores de 2.300kW, sua potência média foi de 414,1 kw, ou seja, apenas 20,2 % da potência do aerogerador foi efetivamente aproveitada. Isso se deve a variação constante do vento ao longo de um período de tempo e a capacidade de extração da potência disponível no vento pelos aerogeradores. Finalmente, percebeu-se que a seleção de um local adequado para a instalação de uma usina eólica é de suma importância, tendo em vista que o regime de vento da região deve ser analisado, uma vez que a potência do aerogerador varia proporcionalmente da velocidade do vento. REFERÊNCIAS Figura 6 Layout da fazenda eólica Foi levada em consideração a distância entre as turbinas para aumentar a eficiência da fazenda eólica projetada. Na figura 6, os aerogeradores estão espaçados à uma distância de três vezes o valor diâmetro em um sentido e oito vezes o valor do diâmetro no outro sentido. A Energia Anual Gerada pelos seis aerogeradores instalados na fazenda eólica considerando a média das velocidades de vento lidas e pela distribuição de weibull é apresentada na tabela 3. TABELA 3 EAG DA FAZENDA EÓLICA MÉTODO EAG Vel. Média Weibull 21,72MWh 22,32MWh [1] Em 02/09/2010, 10:20h. [2] RETScreen Engineering & Cases. Textbook. Clean Energy Project Analysis, Canada, [3] B.Tony. S. David, J.Nick WIND ENERGY HANDBOOK. EUA, [4] D.A. Shafer, K.R. Strawmyer, R.M. Conley, WindPACT Turbine Design Scaling Studies:Technical Area 4 Balance-of- Station Cost, EUA, 2001 [5] S.C. Ronaldo, Energia Eólica para a Produção de Energia Elétrica, Brasil, 2007 [6] Em 02/09/2010, 10:25h. [7] Em 01/09/2010, 09:35h. [8] Em 01/09/2010, 22:15h.
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