VARIABILIDADE TEMPORAL E ESPACIAL DO VENTO MÉDIO E DE RAJADA NO PARANÁ

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1 VARIABILIDADE TEMPORAL E ESPACIAL DO VENTO MÉDIO E DE RAJADA NO PARANÁ José E. Prates (1) jeprates@simepar.br Marcelo Brauer Zaicovski (1) brauer@simepar.br Alexandre K. Guetter (1) guetter@simepar.br (1) Instituto Tecnológico SIMEPAR Cx. P.: CEP: Abstract The hourly wind gust data and mean wind were analyzed for SIMEPAR s mesonet covering the three year period from Jan/01/1998 to Dec/31/2000. A quality control procedure was applied to hourly mean wind and gust data to exclude spurious records and to fill the gaps. The quality control procedure applied three tests: (1) limit test, (2) spike test and (3) flatline test. The statistical description of mean wind and gusts comprised three parameters: (1) average, (2) largest observed record and (3) lowest observed record which is usually zero. The mean wind and gust daily cycle was computed for all stations of the mesonet and the spatial distribution was depicted for 15h00 local. The maximum wind gust is lower than 25 m/s and average wind gust at local 15h00 varies in the range from 2 m/s to 10 m/s. 1 INTRODUÇÃO. O regime de ventos em determinado local é o resultado da interação entre processos atmosféricos de grande escala e efeitos locais associados, principalmente, a aspectos fisiográficos tais como: proximidade de montanhas grandes lagos e oceano. Nesta áreas, desenvolvem-se sistemas de ventos locais que em grande parte determinam as características do regime de ventos influenciando aspectos de interesse para a geração eólica de energia elétrica. As características e qualidade de aspectos particulares do regime de ventos relacionados à exigências técnicas da usina de geração, se mal avaliados pode comprometer o sucesso ou o fracasso de um empreendimento eólico. Portanto, a utilização dos ventos para geração de energia elétrica exige procedimentos de medição, tratamento dos dados e análise detalhada do comportamento do vento em relação ao local de instalação da usina. Este trabalho tem como objetivo central a análise do padrão de distribuição espacial regime de vento e de rajada no Paraná, abordando as características de velocidade média horária e rajada máxima horária. Ressalta-se que não se trata de um estudo de potencial de geração eólica para o Paraná o que exigiria uma série mais longa e análise de dados em diferentes períodos de integração e alturas de medição. 2 MATERIAL E MÉTODOS O desenvolvimento deste estudo foi realizado em quatro etapas: (1) Recuperação dos dados horários do banco de dados do SIMEPAR de 01/jan/1998 a 31/dez/2000. (2) Aplicação de testes de controle de qualidade nos dados horários, com parâmetros derivados da amostra de 3 anos. (3) Cálculos das estatísticas (média, mínimo e máximo) para cada uma das 24 horas do dia e para cada mês de janeiro a dezembro do período (4) Traçado dos mapas do vento médio e da rajada de média, máxima e mínima horário, para as 9h00, 15h00 e 21h00, para cada um dos meses de janeiro a dezembro.

2 2.1 Dados Os dados meteorológicos utilizados são coletados automaticamente pelas estações da rede telemétrica do SIMEPAR constituída por 36 estações automáticas indicadas com pontos vermelhos na Figura 2. Figura 1 Rede de estações telemétricas meteorológicas do SIMEPAR Os dados horários estão identificados da hora 0h00 à hora 23h00. As medidas da velocidade do vento são gerenciadas por um Data Logger com capacidade de processamento e armazenamento de dados. O data logger está programado para comparar duas medidas subsequentes da velocidade do vento realizadas a cada 10 segundo e armazenar a de maior valor. A cada hora o valor máximo e a média são armazenados e consiste na rajada de vento dentro do intervalo de uma hora e o vento médio horário, respectivamente. O vento médio representa a média dos valores registrado dentro da hora, portanto, representa a média de aproximadamente 360 valores amostrados durante a hora. A rajada de vento e a velocidade média para cada hora são transmitidos por satélite para a antena na sede do SIMEPAR em Curitiba e assimilada no Banco de Dados Oracle. O ciclo de transmissão dos dados das estações meteorológicas é de 3 horas. Sendo que em cada ciclo de transmissão o banco de dados assimila um grupo de 3 valores horários, sendo um para cada hora O anemômetro instalado nas estações da rede meteorológica do SIMEPAR é o YOUNG Model A, que usa quatro hélices cuja rotação produz um sinal AC senoidal cuja freqüência é proporcional à velocidade do vento, cada revolução completa da hélice induz três ciclos da onda senoidal que corresponde a 0,0980 m/s Hz.. O equipamento é instalado a 10 metros de altura. Os anemômetros são mantidos e recalibrados segundo um programa pré-estabelecido de manutenção preventiva. O potenciômetro requer uma voltagem DC de excitação que não exceda 15 V. Os limites de operação do anemômetro variam de 0.0 m/s a 60 m/s, com sensibilidade de 1 m/s. A Tabela 2.2 resume as especificações do anemômetro.

3 Tabela 1 Especificações do anemômetro Parâmetro Modelo Banda de medição Resolução Especificação Young 0,0 m/s 60 m/s 1 m/s Os mapas com a distribuição espacial da rajada de vento no Paraná foram gerados para os horários (hora local): (1) 9h00; (2) 15h00 e (3) 21h00. A escolha destes horários obedece, em primeiro lugar, às normas de observação meteorológica recomendada pela Organização Meteorológica Mundial (OMM) e adotada nas redes de observação meteorológica oficiais (mantidas pelo Governo Federal), em segundo lugar, ao fato de se constituir em horários representativos da variação diurna dos elementos meteorológicos. Neste trabalho serão apresentados os resultados do mapeamento da velocidade média do vento e de rajada para o horário das 15h Controle de Qualidade dos Dados Horários O procedimento para controle de qualidade consiste em, inicialmente, realizar análise de disponibilidade dos dados com objetivo de determinar o percentual de falhas em cada horário. Com base no resultado desta análise preliminar, são aproveitados para análise apenas os horários com disponibilidade igual/superior a 60%. As estatísticas dos horários com disponibilidade inferior a 60% são identificadas por um código de falhas (adotado como ). Em geral, as disponibilidades foram superiores a 98%, sendo que a menor disponibilidade do período de análise foi de 84% para abril/1999. Os testes de controle de qualidade aplicados para a rajada de vento foram: (1) Teste de Extremos (2) Teste de Salto (3) Teste de Persistência Teste de Extremos O limite superior foi definido em 25 m/s e 20 m/s para a rajada e vento médio respectivamente e o limite inferior em 0 m/s para ambos. Os valores suspeitos foram analisados individualmente. Somente os dados suspeitos que excederam 100 mm/hora foram excluídos da análise Teste de Persistência Os dados de vento foram considerados suspeitos quando satisfizer a condição: o registro permaneceu com o mesmo valor durante, pelo menos, cinco horas consecutivas Teste de Salto Um salto é definido como um valor central sendo superior ou inferior aos valores anterior e seguinte. Para saltos superiores ao limite, apenas o valor central foi considerado suspeito. Confirmado que o dado não é bom, considerou-se que o dado é impróprio e se atribuiu o código de falha a esse valor. Parametrizou-se o valor do salto para em 25 m/s e 20 m/s para a rajada de vento e vento médio respectivamente. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A descrição das características do vento médio e de rajada em escala horária foi efetuada para os 36 postos de observação, em termos de médias anuais e para cada mês do ano, por exemplo, a média das 12h00 foi calculada ao longo do ano e para cada mês. Foi analisado também a distribuição espacial, com o resultado apresentado na forma de mapas mensais, dos valores médios da velocidade do vento e de rajada horários para as 9h00 e 15h00 e 21h00 local. Neste trabalho serão apresentados os mapas apenas para o vento médio e rajada das 15h00 local. As linhas que aparecem nos mapas tratam-se das linhas de transmissão da COPEL. A

4 superposição da rede de transmissão da COPEL ao campo de vento permite o planejamento das características estruturais das linhas de transmissão assim como o grau de risco ao qual se encontram submetidas as estruturas já existentes. A Figura 2 e 3 apresentam os mapas de velocidade do vento média horária para cada mês do ano no estado do Paraná para as 15h00 local. A análise dos mapas revela pouca variabilidade espacial, com os meses de Junho, Setembro e Novembro apresentando os maiores valores anuais. O mês de Setembro concentra os maiores valores de velocidade média - entre 5 m/s e 6m/s, observados na região de Maringá. De forma geral o aumento da velocidade do vento médio horário reflete a instabilidade atmosférica característica dos meses de transição das estações de outono/inverno, mês de Junho e inverno/primavera, mês de Setembro. Em relação à distribuição espacial, verifica-se que as regiões Oeste (Cascavel), Norte (Maringá), Sul (Francisco Beltrão, Guarapuava) e Centro (Ponta Grossa) apresentam os maiores valores de velocidade média do vento ao longo do ano. Figura 2 Campo de velocidade média do vento às 15h00 local para os meses de Jan-Fev-Mar-Abr entre os anos de 1998 a (continua)

5 Figura 2 (Continuação)

6 Figura 3 Campo de velocidade média do vento às 15h00 local para os meses de nov-dez entre os anos de 1998 a 2000 A Figura 4 e 5 apresentam o mapeamento do ciclo anual da rajada de vento médias mensais para as 15h00 local. A análise dos mapas revela pouca variabilidade espacial, com os meses de Janeiro, Setembro e Outubro apresentando os maiores valores anuais. O mês de Outubro concentra os maiores valores de velocidade de rajada - entre 8m/s e 10m/s, observados na região de Maringá. De forma geral os maiores valores de rajada se concentram na estação primavera/verão refletindo o efeito de processos convectivos locais na formação de vendavais observados com certa freqüência nas regiões Oeste (Cascavel), Norte (Maringá e Londrina) e Sul (Francisco Beltrão). Figura 4 Campo de velocidade de rajada média às 15h00 local para os meses de jan-fev entre os anos de 1998 a 2000 (continua)

7 Figura 4 (Continuação)

8 Figura 5 Campo de velocidade de rajada média às 15h00 local para os meses de set-out-nov-dez entre os anos de 1998 a CONCLUSÃO Os valores médios do vento médio de 1 hora variam entre 1 m/s e 5 m/s no horário de 15h00. Os meses de Junho, Setembro e Novembro se caracterizam pela maior intensidade do vento médio horário. As regiões Oeste (Cascavel), Norte (Maringá e Londrina) e Sul (Francisco Mourão) apresentam os maiores valores em relação às demais regiões do Paraná durante todo o ano. Em relação à velocidade de rajada, os valores mais intensos de rajada máxima horária tendem a se concentrar nos períodos de final de tarde e período noturno (não mostrado). No período analisado (1998 a 2000) os valores de rajada máxima não ultrapassaram 25 m/s. Os valores de rajada média situam-se entre 2m/s e 10 m/s. Os meses nos quais foram registradas rajadas médias de maior intensidade são os de Janeiro, Setembro e Outubro.

9 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PRATES, J. E.; GUETTER, A.,K.; ZAICOVSKI,M.B.; BUCHOLDZ, M.R. Mapeamento do Vento Médio Horário para Projetos de Linhas de Transmissão. Curitiba: SIMEPAR, Relatório Técnico 13/2001,2001,102p. PRATES, J. E.; GUETTER, A.,K.; ZAICOVSKI,M.B.; BUCHOLDZ, M.R. Mapeamento da Rajada de Vento para Projetos de Linhas de Transmissão. Curitiba: SIMEPAR, Relatório Técnico 14/2001,2001,82p