Parte 1 ENERGIA EÓLICA. Profa Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas. Escola Politécnica Universidade de São Paulo

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1 ENERGIA EÓLICA Profa Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas Escola Politécnica Universidade de São Paulo Fundamentos e viabilidade técnica e econômica Parte 1

2 SUMÁRIO 1.1 Introdução Evolução comercial das turbinas eólicas Estado da arte e o futuro da energia eólica no Mundo Histórico e evolução da energia eólica no Brasil O recurso eólico Potência contida no vento O vento e suas características Modelos de circulação do vento Parâmetros que influenciam no perfil do vento Variações temporais da velocidade do vento Variações na direção do vento Características do vento e estimativa do potencial eólico Método direto de análise dos dados Classes de velocidade Análise estatística dos dados Instrumentos e procedimentos de medida Equipamentos de medição Normas para instalação, coleta e tratamento dos dados Métodos de análise do potencial eólico 34 2

3 1.1 INTRODUÇÃO A energia eólica é vista hoje, como uma fonte de geração de eletricidade com perspectivas de gerar quantidades substanciais de energia sem os impactos ambientais provocados por grande parte das fontes convencionais. Sua escala de desenvolvimento dependerá mais dos cuidados que se deve tomar ao escolher a turbina ideal e o local mais apropriado para implantação da mesma. A energia eólica já vem sendo utilizada há milhares de anos para moagem de grãos, bombeamento d água e outras aplicações mecânicas. Atualmente, existem milhares de turbinas eólicas em operação ao redor do mundo, não apenas para gerar energia mecânica com também eletricidade. Para esta última aplicação, as turbinas são descritas normalmente como sistemas de conversão de energia eólica ou aerogeradores. Pesquisas voltadas à geração de eletricidade através do aproveitamento dos ventos vêm sendo realizadas desde o século XIX (com vários graus de sucesso). Existe hoje, uma extensa gama de turbinas comerciais, disponíveis, fabricadas por aproximadamente 30 empresas instaladas ao redor do mundo. O custo de uma turbina eólica vem decrescendo desde A tecnologia continua sendo aperfeiçoada com o objetivo de baratear os custos e tornar-se mais segura. Assim sendo, esperase que em poucos anos, este tipo de geração se torne competitiva com as tecnologias convencionais. O funcionamento de uma turbina eólica envolve vários campos do conhecimento, incluindo meteorologia, aerodinâmica, eletricidade, controle, bem como a engenharia civil, mecânica e estrutural. A busca por fontes alternativas de energia tem levado vários países a investirem na transformação e complementação de seus parques energéticos. As questões ambientais, principalmente no que se refere aos impactos causados pelas formas tradicionais de geração, têm levado, também, a uma procura por fontes renováveis de energia. O consumo de energia elétrica nos últimos anos tem crescido nas áreas industriais, comerciais e residenciais. Esse crescimento tem levado os governos de todo o mundo a traçarem uma estratégia de fornecimento de energia a curto e longo prazo. As preocupações com o aumento do consumo e as questões ambientais têm justificado um planejamento mais rigoroso quanto às novas formas de fornecimento de energia. É nesse contexto que a importância das fontes renováveis tem crescido de modo global. O uso de fontes alternativas não se limita mais a comunidades isoladas, ou seja, aquelas afastadas da rede elétrica convencional (até então um importante nicho de aplicação). Aplicações efetivas de fontes alternativas de energia, como a energia solar fotovoltaica, energia de biomassa, pequenas centrais hidrelétricas, energia eólica, entre outras, têm sido dirigidas também para aplicações que visam a complementação energética da rede convencional. Neste caso, a energia eólica se mostra como uma excelente opção. Vários países da Europa e EUA têm investido amplamente na instalação de um número cada vez maior de parques eólicos para fornecimento de energia elétrica. Com potências cada vez maiores, e novas tecnologias aplicadas no desempenho e na confiabilidade do sistema, as turbinas eólicas têm conquistado importantes espaços na matriz energética mundial. A energia eólica vive um crescimento de mercado onde se nota queda nos preços dos aerogeradores nas últimas décadas. Não se trata apenas de questões de custo. Nesse mesmo período de queda de preços, a tecnologia aplicada à energia eólica melhorou muito suas características operacionais tornando-a ainda mais competitiva com as outras fontes de geração de energia. O curto espaço de tempo necessário para sua instalação e operação imediata, o custo zero do seu combustível, o baixo custo de manutenção, entre outros motivos, são fatores pelos quais a energia eólica tem consolidado seu espaço entre as demais fontes de energia. 3

4 1.2 A evolução comercial de turbinas eólicas de grande porte O comércio das turbinas eólicas no mundo se desenvolveu rapidamente em tecnologia e tamanhos durante os últimos 15 anos. A figura 1.1 mostra o impressionante desenvolvimento do tamanho e da potência de turbinas eólicas desde A grande variedade de tipos e modelos disponíveis no mercado ainda não parou de crescer. Atualmente, a grande maioria das turbinas comerciais da classe de MW está instalada na Alemanha, fato esse que mostra a importância do mercado alemão no desenvolvimento técnico mundial. Em termos gerais, os aerogeradores ainda não alcançaram seus limites de tamanho tanto onshore quanto offshore. Figura Evolução no tamanho dos aerogeradores Em termos comerciais, a Alemanha transformou sua indústria que, em alguns momentos, foi considerada obsoleta, no mais importante parque industrial de turbinas eólicas. Essa indústria, em um primeiro momento subsidiada pelo governo, aprimorou-se na busca de novos mercados investindo em tecnologias de novos modelos. Com um mercado crescente e promissor, a indústria eólica passou a investir na viabilidade técnica e comercial de novos modelos de turbina operando com potência na faixa de 2,5MW. Sem dúvida, a intervenção do estado com leis de subsídios foi fundamental para o crescimento do mercado [7] No Estados Unidos o grande passo foi a viabilização política-institucional possibilitadas pelas leis americanas. A lei que regulamenta a geração de eletricidade pela iniciativa privada, denominada PURPA (Public Utilily Regulatory Purchase Act), além de instituir a compra de energia pelas companhias de eletricidade, beneficia os investimentos em máquinas eólicas de geração com incentivos fiscais. Na Alemanha, programas institucionais destinados ao fomento do mercado eólico interno tiveram início no final da década de 80, com o Programa Experimental de 250 MW e, mais tarde, no início da década de 90, com a Lei de Alimentação de Eletricidade. Essa lei vigorou por toda a década de 90 garantindo a expansão da indústria alemã tanto para o mercado interno quanto para o mercado externo. O crescimento da indústria eólica na Europa e nos estados Unidos possibilitou investimentos privados direcionados a modelos cada vez maiores para o mercado onshore e também para o incipiente e promissor mercado offshore. Diversos países, entre eles a Dinamarca, Suécia, Reino Unido e Estados Unidos, empenharam-se, entre os anos de 1977 e 1986, em estudos de viabilidade técnico-econômica para aplicações de grande escala offshore. Todos os grandes projetos serviram de importante referência nos Estudos realizados pela Agência Internacional de Energia (AIE) através do seu programa de energia eólica. O estudo apresentado pelo AIE mostrou comparações nos tipos de instalações das turbinas, variação no diâmetro do rotor entre 70 e 100 metros além da faixa de potência que deveria estar entre 3 e 6 MW. De uma maneira geral, o 4

5 estudo feito pelo AIE mostrou-se muito otimista quanto à utilização em larga escala de turbinas eólicas e também quanto aos impactos do custo da geração. A primeira fazenda eólica offshore a operar comercialmente foi a fazenda eólica de Vindeby, projetada pela concessionária dinamarquesa ELKRAFT, usando onze turbinas BONUS de 450 kw. As turbinas foram instaladas entre 1,5 a 3 km da costa em águas rasas (2,5 a 5 metros de profundidade). Cada turbina utilizou uma larga fundação de base cônica pesando aproximadamente 1000 t no total. Cerca da metade do peso da fundação era formado por cascalho e areia do fundo do mar, melhorando fundamentalmente sua sustentação. A tabela 1.1mostra a quantidade de fazendas eólicas offshore instaladas e em operação. Várias empresas já desenvolvem modelos específicos para operação offshore. Já existem modelos de turbinas operando na faixa de 1,5MW. Espera-se que em poucos anos modelos de 2-2,5 MW estejam disponíveis para o mercado offshore. Empresas como Bônus, Tacke, Vestas e Neg-Micon já desenvolveram protótipos de 2 MW, variantes de seus modelos de mais alta potência. A empresa Enercon, cuja versão de 1,8 MW do modelo E-66 está disponível no mercado desde início de 1999, já anunciou o desenvolvimento do modelo E-112 de 4,5 MW com torres de 130 m e rotor de 112 m para aplicações offshore [9] Tabela 1.1 Fazendas eólicas offshore Localização Início de Potência Fabricante Operação Instalada (MW) Nogersund (Suécia) ,22=0,22 Wind World Vindby (Dinamarca) ,45=4,95 Bonus Lely, Ijsselmeer (Países Baixos) ,50=2,00 NedWind Tuno Knob (Dinamarca) ,50=5,00 Vestas Dronten, Ijsselmeer (Países Baixos) ,60=16,80 Nordtank Bockstigen, Valar, Báltico (Suécia) ,50=2,50 Wind World Blyth (Reino Unido) ,00=4,00 Vestas Middelgrunden (Dinamarca) ,00=40,00 Bonus Utgrunden (Suécia) ,425=10,00 Enron Wind Yttre Stengrund (Suécia) ,00=10,00 NEG Micon Horns Rev (Dinamarca) ,00=160,00 Vestas Samso (Dinamarca) ,30=23,00 Bonus Frederikshavn I+II (Dinamarca) ,00=3,00 Vestas Fonte: Tolmasquim, 2004 Os custos de unidades offshore ainda são elevados se comparados às instalações convencionais onshore. Novos estudos estão sendo feitos no sentido de baratear os custos das fundações e cabeamento para ligação à rede. Novas pesquisas no sentido de melhorar a tecnologia. Barateando seus custos, para aplicações offshore têm sido incentivados pelo perfil do vento no mar, que nos resultados das experiências de Vindby e Tuno Knob, mostraram ganhos surpreendentes. Os resultados obtidos nos primeiros anos de operação mostraram uma produção energética entre 20 e 30% maior do que a prevista pelos métodos tradicionais de modelamento e análise do perfil de vento para geração eólica. O mar, sem dúvida, é a nova fronteira para o desenvolvimento da energia eólica. Mesmo com poucos projetos instalados, a pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias para essa nova concepção de fazendas eólicas proporcionarão a viabilização de novos projetos. 5

6 1.3 Estado da arte e o futuro da energia eólica no Mundo Diversos países têm dado suporte ao desenvolvimento da tecnologia eólica com incentivos governamentais como reconhecimento às vantagens ambientais. Subsídios estaduais objetivam estimular o mercado, reduzir os custos e compensar as desvantagens do uso dos combustíveis convencionais. Uma larga faixa de mecanismos de estimulação do mercado tem sido aplicada em diferentes países. O apoio a iniciativas em pesquisa e desenvolvimento e acesso favorável das centrais eólicas à rede elétrica são ingredientes importantes para o contínuo sucesso dessa tecnologia. Com o rápido crescimento do mercado eólico na Europa e nos Estados Unidos, o desenvolvimento tecnológico gerou a necessidade de novos modelos de turbinas eólicas mais potentes principalmente para a manutenção dos espaços comerciais até então fortemente concorridos por diversas indústrias dinamarquesas e alemãs. A evolução das turbinas durante a década de 90 deu grandes saltos tecnológicos com modelos de 20 m de diâmetro com 100 kw largamente utilizados no início da década de 90 até turbinas com 60 a 80 m de diâmetro de 4,5 MW de potência já comercializados no início do séc XXI. Conforme boletim publicado pela Associação Mundial da Energia Eólica- WWEA, a geração através de turbinas eólicas é a que tem mais crescido no mundo. Entre 1997 e 2004, a capacidade mundial instalada aumentou 600 % passando de MW em 1997 para MW em 2004 A figura1.2 apresenta a evolução anual na capacidade anual instalada em turbinas eólicas. A figura 1.3 mostra a distribuição da capacidade instalada por região com destaque para o continente europeu que possui 72,7% da capacidade instalada. A Alemanha é a líder no mercado Energia Eólica - Capacidade Mundial Instalada (MW) Figura 1.2 Energia Eólica Capacidade Mundial Instalada (MW) (WWEA) Energia eólica - Capacidade Instalada por Continente 2004 (total: 47,6 GW) Asia 10% Austrália Pacífico 1% África 1% America 15% Europa 73% Figura 1.3 Energia Eólica Capacidade Instalada por continente (Total 47,6 GW) (WWEA) 6

7 A tabela 1.2. mostra a distribuição da capacidade instalada nos diversos países. Tabela 1.2 Distribuição da capacidade instalada em diversos países : 2004 País Capacidade adicional em 2004 (MW) Taxa de crescimento em 2004 (%) Capacidade total instalada ao final de 2004 (MW) Alemanha 2.019,7 13, ,8 Espanha 2.061,0 33, ,0 USA 370,0 5, ,0 Dinamarca 7,0 0, ,0 Índia 875,0 41, ,0 Itália 221,0 24, ,0 Holanda 170,0 18, ,0 Japão 390,2 77,1 896,2 Inglaterra 240,0 37,0 888,0 China 197,0 46,0 606,0 Áustria 191,0 197,9 415,0 Portugal 223,0 74,6 522,0 Grécia 124,0 34,0 489,0 Canadá 122,0 37,9 444,0 Suécia 43,0 10,8 442,0 França 138,0 55,6 386,0 Austrália 181,8 92,2 379,0 Irlanda 152,9 82,2 338,9 Egito 120,0 66,7 300,0 Noruega 176,0 176,0 276,0 Nova Zelândia 131,6 362,5 167,9 Bélgica 27,0 39,7 95,0 Finlândia 29,5 57,8 80,5 Costa Rica 0,0 0,0 79,0 Ucrânia 12,2 21,6 68,6 Korea 48,3 209,3 68,4 Polônia 6,0 10,5 63,0 Marroco 0,0 0,0 53,9 Luxemburgo 13,0 59,1 35,0 Argentina 0,9 3,5 26,6 Latvia 2,0 8,3 26,0 Brasil 0,0 0,0 23,8... Mundo , ,4 Fonte: WWEA 7

8 1.4 Histórico e evolução da energia eólica no Brasil A energia eólica, no Brasil, tem sido usada, já há muito tempo, de forma isolada e em pequenas escalas. O uso da energia eólica destinava-se, principalmente, para sistemas de bombeamento de água usando cata-ventos. Os avanços tecnológicos dos últimos anos possibilitaram uma maior penetração das turbinas eólicas para geração de energia elétrica. Mesmo que ainda incipiente no Brasil, a tecnologia eólica de pequeno porte, para geração elétrica doméstica, tem crescido principalmente nas comunidades isoladas que ainda não são atendidas pela rede elétrica convencional. O Brasil, mesmo com seu grande potencial hidrelétrico, não deixou de acompanhar a tendência mundial para o uso da energia eólica. Existem atualmente vários projetos pilotos em funcionamento e também com plantas comerciais conectadas à rede elétrica convencional. Durante a década de 90 várias entidades nacionais firmaram acordos de cooperação com entidades estrangeiras para o desenvolvimento de fontes alternativas no Brasil. Os primeiros projetos em energia solar e eólica foram implantados tanto nos estados nordestinos como também nos estados da região norte onde a carência de abastecimento elétrico é um das mais acentuadas e graves no Brasil. Por apresentar várias comunidades carentes, isoladas e sem o fornecimento das fontes convencionais de energia, vários projetos foram ali implementados com instalações de sistemas fotovoltaicos e eólicos para geração descentralizada de energia elétrica. Hoje no Brasil existem diversos grupos envolvidos com energia eólica, sua tecnologia e aplicações além da quantificação e qualificação de importantes áreas onde esta energia tem se mostrado abundante. Os primeiros estudos voltados para o desenvolvimento da tecnologia datam de 1976, nos laboratórios do Centro Técnico Aerospacial (CTA). Inicialmente, foram desenvolvidos vários protótipos de aerogeradores de pequena potência (1 a 2 kw) o que incentivou uma das primeiras avaliações do potencial eólico para a geração de energia elétrica no Nordeste. O projeto tomou uma grande proporção quando o Centro Aéreo Espacial da Alemanha (DFVLR) firmou parcerias com o CTA para execução do projeto DEBRA que consistiria em um aerogerador de 100 kw com rotor de 25 m de diâmetro. Coube ao CTA a montagem das pás que, em 1983, estavam prontas e embarcadas para a Alemanha. Entre as aplicações da energia eólica, certamente aquelas voltadas para o meio rural ganham um importante destaque para a utilização no Brasil. Várias características do país justificam a utilização da energia em pequena escala: - as dimensões continentais do país fazem com que as distâncias sejam grandes, encarecendo as linhas de transmissão e, conseqüentemente tornando inviável, em curto prazo, a eletrificação de todas as áreas rurais. - as grandes dimensões tornam antieconômica a geração de eletricidade utilizando derivados de petróleo nas comunidades isoladas, devido as dificuldades e ao custo elevado do transporte de combustível. - a necessidade de buscar energéticos alternativos para substituição dos combustíveis fósseis, que apresentam custos crescentes, face à dificuldade de exploração e às restrições ambientais (poluição do ar, danos à saúde,etc). - a existência de extensas áreas cultivadas que exigem irrigação, bem como a existência de extensas áreas que, com irrigação, são potencialmente promissoras. - As velocidades médias dos ventos em alguns locais, caracterizadas por valores relativamente baixos, não apresentam maiores problemas nas aplicações de baixas potências encontradas no meio rural. - As razões de cunho social são numerosas, quando se trata de levar certo conforto e informação à área rural, de forma a propiciar a fixação do homem no campo. Muitas entidades em todo o Brasil, fabricantes, universidades, organizações não governamentais, órgãos federais, entre outros, tornaram suas ações mais expressivas principalmente na segunda metade da década de 90 quando os principais projetos de grande porte em fontes alternativas passaram a ser implementados no país. O novo cenário de privatizações do setor elétrico provocou 8

9 a formação de novos paradigmas para o desenvolvimento das fontes alternativas de energia no Brasil. Mas no que nunca, a necessidade de se conhecer a potencialidade dos recursos renováveis, em especial a energia eólica, tornou-se de fundamental importância para o futuro de novas formas de geração de energia elétrica de baixo impacto ambiental e de rápida implementação. Aspectos técnicos, políticos e econômicos têm sido cada vez mais debatidos em vários encontros com o objetivo de se conseguirem novos meios para a efetiva participação na matriz energética nacional. No Brasil, os melhores potenciais para instalação de turbinas eólicas são encontrados na região norte e nordeste. Comparada com outras fontes alternativas disponíveis para geração de energia elétricas no norte e nordeste, a energia eólica apresenta várias vantagens que a colocam como uma importante opção para novos investimentos em geração de energia elétrica. Várias instituições já se empenharam no mapeamento eólico em ambas as regiões, principalmente na costa, onde se observam fortes e constantes ventos, praticamente durante o ano todo (principalmente na costa norte da região nordeste). Estudos feitos pela Companhia Hidrelétrica do São Francisco, (CHESF), e pela Companhia Elétrica do Ceará (COELCE), mostram que a costa nordestina entre o Rio Grande do Norte e o Cera apresentam um recurso eólico estimado de MW (Dutra, 20). A região nordeste é uma das pioneiras na instalação de energia eólica devido ao seu potencial de ventos favoráveis para aproveitamento na geração de energia elétrica. Como pode ser visto na tabela 1.3, a grande maioria dos projetos implantados no Brasil se encontra na região nordeste. Os programas de implantação experimental de energia eólica no Brasil somam hoje um total de aproximadamente 2,6 MW (incluindo a turbina de 300 kw instalado no Centro Brasileiro de Energia Eólica CBEE operando em pesquisas e testes). Os projetos implementados pela iniciativa privada somam um total de 28,625 MW distribuídos conforme mostra a tabela 1.3 Os valores apresentados para as instalações em operação hoje no Brasil ainda se mostram modestos frente às metas estipuladas para 2005 pelo foro permanente, na Declaração de Belo Horizonte. Mesmo pequenas, as instalações já em operação mostram uma importante iniciativa tanto das concessionárias brasileiras responsáveis pelos projetos experimentais como das empresas autoprodutoras de energia que, dentro do novo cenário do setor elétrico, investiram no desenvolvimento do aproveitamento eólico para geração de energia elétrica. 9

10 Tabela.1.3 Usinas Eólicas em operação no Brasil (2003) Fonte: Site da Aneel No Brasil, estudos feitos por BITTENCOURT, 1999 mostram que existe a possibilidade de complementaridade da oferta de energia elétrica de fonte hídrica através da energia eólica. A tendência de estabilização sazonal na oferta de energia utilizando a energia eólica como complemento foi comprovada ao se estudarem os níveis médios de vazão dos rios atendendo a algumas usinas da região nordeste e da região sul. A complementariedade na geração de energia tem se mostrado um tema de grande interesse, uma vez que o consumo de energia elétrica no Brasil apresenta expectativas de crescimento de 5% ao ano. O crescimento do consumo e a busca de novas fontes de energia, desafios presentes no setor elétrico atual, faz com que a energia eólica seja uma opção cada vez mais presente nos novos projetos de geração e expansão. A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), como instituição responsável pela regulação do setor elétrico, tem trabalhado intensamente na criação de incentivos para a difusão da energia eólica no Brasil. Atualmente, o grande incentivo dados às fontes alternativas de energia está na criação do PROINFA, editado pela Lei n o de abril de 2002, que em sua primeira fase, promove a instalação de 3300 MW de potência repartidos igualitariamente pelas fontes eólica, hidráulica, e biomassa. Mesmo com o novo cenário de privatizações do setor elétrico, novas formas de tarifas governamentais e reforço na rede e na transmissão de energia, ainda não existe nenhuma lei específica para a tecnologia eólica. A importância do potencial eólico no Brasil tem despertado o interesse de vários fabricantes e representantes dos principais países envolvidos com a energia eólica. As perspectivas do crescimento da energia eólica no Brasil nunca tiveram um momento tão promissor quanto o novo cenário que se forma a partir de novas legislações no Setor Elétrico. O grande interesse das empresas alemãs pode ser evidenciado na instalação da Wobben Wind Power, empresa subsidiária da Enercon GbH que, inicialmente, tinha a responsabilidade da construção de pás das turbinas eólicas dos modelos da Enercon e que hoje já possui infra-estrutura e parcerias que viabilizaram a manufatura do modelo E kw, com alto índice de aproveitamento de matéria prima e mão de obra nacionais. 10

11 Diversas empresas estrangeiras já mostram grande interesse em estudos de viabilidade técnica para implementação de grandes parques eólicos no Brasil. Existem cerca de 6,5 GW em projetos eólicos autorizados pela ANEEL. Empresas como a Wobben Wind Power Indústria e comércio Ltda, SIIF Énergies do Brasil Ltda., Fuhrmet Energy do Brasil Ltda, Energias renováveis do Brasil, e outras mostram seu grande interesse no aproveitamento do potencial eólico no Brasil, onde já mantém torres de medições e estudos de infraestrutura para instalação e operação de parques eólicos que, nesta fase, em sua grande maioria, encontram-se planejados para instalação ao longo da costa do nordeste. A procura de melhores condições de financiamento, juntamente com uma legislação que assegure a compra da energia gerada, tornará possíveis novos projetos de geração eólica no Brasil. A energia eólica se mostra como uma grande opção em novos projetos de fornecimento de energia elétrica. Com o aumento das pressões de cunho ambiental, em novos projetos, a energia eólica tem se mostrado uma excelente opção em vários países do mundo que já empregam essa tecnologia no seu parque gerador. A Lei Federal n o que instituiu o PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas vem criar importantes dispositivos que ajudarão a alavancar projetos em fontes alternativas de energia e, em particular a energia eólica. Pela Lei, a Centrais Elétricas Brasileiras S.A (Eletrobrás), em uma primeira fase, fica obrigada a adquirir até 3300 MW, em contratos a serem assinados em até 24 meses a partir da publicação da lei, de instalações de produção que tenham o início de seu fornecimento previsto até 30 de dezembro de 2006, assegurando a compra de energia pelo prazo de 15 anos, a partir da data de entrada em operação definida no contrato. Para fins de remuneração da energia adquirida, será tomado o valor econômico correspondente à tecnologia específica de cada fonte, valor este a ser definido pelo poder Executivo, mas tendo como piso 80% da tarifa média nacional de fornecimento ao consumidor final. Uma vez atingidos 3300 MW de potência instalada em projetos eólicos, biomassa e pequenas centrais hidrelétricas, o programa entra em sua segunda fase onde a geração de energia utilizando as três fontes de energia teria como meta atingir 10% do consumo anual de energia elétrica no país, num prazo de 20 anos. Nesta mesma lei, foi criada a Conta de Desenvolvimento Energético (CDE) visando o desenvolvimento energético dos estados e a competitividade da energia produzida a partir de fontes eólica, pequenas centrais hidrelétricas, biomassa, gás natural e carvão mineral nacional, nas áreas atendidas pelos sistemas interligados e também contribuir para a universalização do serviço de energia elétrica em todo o território nacional. Os recursos deste fundo têm como objetivo, entre outros, cobrir a diferença entre o valor econômico correspondente à tecnologia específica de cada fonte e o valor econômico correspondente à energia competitiva, quando a compra e venda se fizerem com o consumidor final. Os valores econômicos atualmente em vigor para cada uma das fontes que participam do PROINFA são: A figura 1.4 apresenta a localização das principais usinas eólicas no Brasil 11

12 Figura 1.4 Localização dos principais sistemas eólicos no Brasil [13] 2- RECURSO EÓLICO 2.1 Potência contida no vento A potência é definida como a razão pela qual a energia é usada ou convertida por unidade de tempo, por exemplo, joules/seg. A unidade da potência é o watt (W) e um watt é igual a 1 joule/seg de acordo com a unidade do Sistema Internacional (SI). A energia contida no vento é a energia cinética, ocasionada pela movimentação de massas de ar. A energia cinética do vento (E) é dada pela seguinte equação: onde E = ½ mv 2 joules (2.1) m = massa de uma partícula de ar em kilogramas v = a sua velocidade em m/seg. Podemos calcular a energia cinética do vento se, primeiro, imaginarmos o ar passando através de um anel circular (circundando uma área A em m 2, Ex: 100m 2 ) a uma velocidade v (Ex: 10m/s) (figura 2.1). À medida que o ar vai se movendo a uma velocidade de 10m/s, um cilindro de ar com um comprimento de 10 metros vai se formando a cada segundo. Portanto, um volume de ar de = 1000 metros cúbicos passará pelo anel a cada segundo. Multiplicando este volume pela densidade do ar ( kg/m 3 ao nível do mar), obtemos a massa de ar movendo através do anel a cada segundo. Em outras palavras: A massa de ar que se move através de uma determinada área na unidade de tempo (seg) é dada pela: densidade do ar volume de ar passando a cada segundo, que é igual a: densidade do ar área comprimento do ar passando a cada segundo (velocidade do ar), ou seja: m = ρav (2.2) onde ρ é densidade do ar; v a sua velocidade em m/s e A a área (em m 2 ). O produto Av representa a taxa de fluxo volumétrico de ar passando pelo anel circular. 12

13 Área, A=100m 2 Anel circular Ar Velocidade V= 10m/s Comprimento = 10m Figura 2.1 Volume de ar passando através de um anel circular, a um velocidade de 10m/s Substituindo a equação da massa m na equação 2.1, energia cinética por segundo ou em outras palavras a potência do vento será igual à: P = ½. ρ. A. v 3 ( joules por segundo = watts) (2.3) Considerando a área do anel circular da figura 2.1 como sendo a área varrida pelas pás de uma turbina do tipo hélice de eixo horizontal, como a indicada na figura 2.2, o cálculo da mesma se efetua usando a seguinte equação: A π 4 D 2 = onde, D é o diâmetro do rotor (2.4) Figura 2.2 Área varrida pelas pás de uma turbina de eixo horizontal Para a turbina Darrieus de eixo vertical, como a mostrada na figura 2.3, a determinação da área é mais complexa, pois envolvem integrais elípticas. No entanto, aproximando a formato das pás à parábola, obtém-se a seguinte expressão simplificada: 13

14 2 A=. ( largura máxima do rotor até o centro ) (altura do rotor) (2.5) 3 Figura 2.3 Turbina de eixo vertical: Modelo Darrieus [2] Para fins de comparação da potência eólica a diferentes velocidades e em diversos locais é mais prático considerar a potência por unidade de área (P/A). P/A = ½. ρ. v 3 ( Watts/ m 2 ) (2.6) P/A é a potência contida no vento que atinge a parte frontal da turbina. Esta varia linearmente com a densidade do ar e com o cubo da velocidade do vento. Como veremos mais adiante, apenas uma parte desta potência é aproveitada nas pás do rotor. A parte não aproveitada é levada pelo ar que deixa as pás movendo-se com velocidade reduzida. A densidade do ar ρ varia com a pressão e temperatura conforme a seguinte expressão: onde p σ = (2.7) R. T p = pressão do ar T= temperatura em escala absoluta R= constante do gás A densidade do ar ao nível do mar, temperatura de 15 o C e 1 atm é de kg/m 3. Portanto para um mesmo local, a velocidade do vento varia com a altura acima do nível do terreno pelo menos até os níveis de interesse prático (cerca de 150 m). A mudança na velocidade do vento com a altura e também com as características topográficas do local será estudada com maior nível de detalhamento mais adiante neste capítulo. Os aspectos mais relevantes são que a potência do vento depende da área de captação e é proporcional ao cubo de sua velocidade. Pequenas variações da velocidade do vento podem ocasionar grandes alterações na potência. A figura 2.4 mostra a curva da potência em função da velocidade do vento. Para uma velocidade do vento de 8m/s, por exemplo, a potência por m 2 contida no vento é de 314W/m 2. Com o dobro da velocidade (16m/s), a potência cresce para 2509W/m 2, ou seja, oito vezes maior. Assim 14

15 verificamos a sensibilidade da produção de energia em função da variabilidade da velocidade do vento. Figura 2.4 Curva de potência do vento em função de sua velocidade [4] 2.2 O vento e suas características Modelos de circulação do vento Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de circulação global e local. Os ventos de circulação global são resultantes das variações de pressão causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela radiação solar. A quantidade de radiação solar absorvida pela superfície da terra próximo ao equador é maior do que a absorvida nos pólos. Isto faz com que ventos das superfícies frias circulem dos pólos para o equador para substituir o ar quente que sobe nos trópicos e move-se pela atmosfera superior até os pólos, fechando o ciclo. A rotação da Terra também afeta esses ventos planetários. A inércia do ar frio, que se move perto da superfície em direção ao equador, tende a girá-lo para o oeste, enquanto o ar quente, movendose na atmosfera superior em direção aos pólos, tende a ser desviado para o leste. Isso causa uma grande circulação anti-horária em torno de áreas de baixa pressão no hemisfério norte e circulação horária no hemisfério sul. Uma vez que o eixo de rotação da Terra é inclinado em relação ao plano no qual ela se move em torno do Sol, ocorrem variações sazonais na intensidade e direção do vento em qualquer lugar na superfície da Terra. Adicionalmente ao gradiente de pressão e as forças causadas pela rotação da terra (Força de Coriolis), forças gravitacionais, inércia do ar e fricção do mesmo com a superfície da terra (resultando em turbulência) afetam os ventos atmosféricos. A figura 2.5 mostra os ventos de circulação global que cobrem todo o planeta Figura 2.5 Ventos de circulação global [4] 15

16 Enorme quantidade de energia é constantemente transferida do Sol aos ventos da Terra, correspondendo a uma capacidade de potência total estimada em GW. Entretanto, apenas ventos das camadas atmosféricas mais baixas (até 150 m de altitude), apresentam interesse prático para conversão de sua energia. As diferentes superfícies da Terra (topografia), compostas por massas de água, terra e vegetação, afetam significativamente o fluxo de ar devido às variações de pressão, absorção de diferentes quantidades de radiação solar e umidade. Onde há ausências de massas de terra, como no Mar Antártico, a circulação de ar é forte e razoavelmente uniforme. Mas onde há predominância de terra, a atmosfera envolvente é chamada a atuar como um trocador de calor entre o oceano próximo, estático termicamente, e as áreas de terras aquecidas no verão e resfriadas no inverno, produzindo circulação geral menos uniforme, que é muito influenciada pela topografia local. Adicionalmente ao sistema de vento global (equador pólos) há também os modelos de vento locais, como os do mar para o continente e vice-versa e o dos vales para as montanhas e viceversa. Figura 2.6 Circulação local dos ventos [2] As brisas marinhas e terrestres são geradas nas áreas costeiras como resultado da diferença nas capacidades de absorção de calor da terra e do mar. Durante o dia, devido à maior capacidade da terra de refletir os raios solares, a temperatura do ar aumenta e, como conseqüência, forma-se uma corrente de ar que sopra do mar para a terra (brisa marinha). À noite, a temperatura da terra cai mais rapidamente do que a temperatura da água e, assim, ocorre a brisa terrestre que sopra da terra para o mar. Os ventos das montanhas e vales são criados quando durante o dia, o ar frio da montanha se aquece e, quando este ar quente se eleva, dá lugar ao ar frio que flui dos vales. No período noturno, o fluxo se inverte, com o ar frio da montanha penetrando nos vales e o ar quente dos vales subindo em direção à montanha. 16

17 2.2.2 Parâmetros que influenciam no perfil do vento Os ventos locais sofrem a influência de diversos parâmetros do local, e estes devem ser conhecidos quando se deseja estimar o regime de vento em um determinado local através do conhecimento dos dados de vento de outros locais. Os fatores que influenciam na velocidade dos ventos em um determinado local são: Obstáculos próximos ao local de medição Rugosidade do terreno. Tipo de vegetação, tipo de utilização da terra e construções. Orografia. Existência de colinas e depressões Informações sobre as condições de contorno do local podem ser obtidas através de mapas topográficos, dados de satélites ou visitas ao local de instalação. A velocidade do vento varia também com a altura. Normalmente os anemômetros das estações de medição são instalados a uma altura de 10 metros do solo. Em função da altura de instalação do cubo do aerogerador, a velocidade do vento tem que ser corrigida. Existem leis que regem a influência da altura na velocidade do vento e que serão detalhadas a seguir nesta seção. Variação da velocidade com a altura com relação ao solo Da mecânica dos fluídos, experimentos mostram que a velocidade de um fluído que escoa próximo a uma superfície, é nula, função do atrito entre o ar e a superfície do solo. Levantando-se o perfil de velocidade do fluído com a altura, verifica-se que, no sentido perpendicular à altura, a velocidade passa de um valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento V. Esta mudança é mais acentuada próxima a superfície e menos nas grandes alturas. A região junto à superfície em que ocorre esta rápida mudança no valor de velocidade é conhecida como camada limite. No interior da camada limite, normalmente o ar escoa com uma certa turbulência, tendo em vista a influência dos parâmetros tais como: densidade e viscosidade do fluido, o acabamento da superfície (rugosidade), a forma da superfície (presença de obstáculos). A potência contida no vento, como demonstrado na equação 2.3 é função da densidade do ar. Conforme a equação 2.7 a densidade do ar é função da temperatura e pressão sendo estes variáveis com a altura em relação ao solo. Como as turbinas eólicas são instaladas no interior da camada limite (até 150 metros), torna-se importante conhecer a distribuição da velocidade do vento com a altura tendo em vista que: 1) esta determina a produtividade de uma turbina instalada em uma torre de uma certa altura, e 2) o perfil do vento influencia na vida útil das pás do rotor, pois estas ao girarem dentro do perfil vertical dos ventos são submetidas a cargas cíclicas. Os ventos turbulentos são causados pela dissipação da energia cinética em energia térmica através da criação e destruição de pequenas rajadas progressivas. Estes ventos são também caracterizados por um número de propriedades estatísticas: Intensidade, função densidade de probabilidade, autocorrelação, escala integral de tempo, função densidade espectral de potência. Manwell, 2004 apresenta estas propriedades de forma resumida e Rohatgi and Nelson, 1994, descreve as mesmas com mais detalhes. Em estudos do aproveitamento energético dos ventos, dois modelos ou Leis matemáticas são comumente utilizados para representar o perfil vertical dos ventos: Lei da potência e Lei logarítmica A lei de potência resultou de estudos da camada limite sobre uma placa plana. É a mais simples de ser aplicada, porém sem uma precisão muita apurada. A lei de potência é expressa por: 17

18 Onde: V= V r (H/H r ) n (2.8) V velocidade do vento na altura desejada V r velocidade do vento na altura de referência (medida) H altura desejada H r altura de referência n expoente da lei de potência A topografia do terreno e obstáculos, tais como árvores e construções afetam o perfil vertical do vento, como será demonstrado mais adiante. A influência do terreno é considerada na equação 2.8 através do fator n. A tabela 2.1 apresenta alguns valores do fator n para diferentes tipos de superfície. Tabela 2.1 Fator de rugosidade para terrenos planos Descrição do terreno n Terreno sem vegetação 0,10 Terreno gramado 0,12 Terreno cultivado 0,19 Terreno com poucas árvores 0,23 Terreno com muitas árvores, cerca viva ou poucas edificações 0,26 Florestas 0,28 Zonas urbanas sem edificações altas 0,32 Fonte: [6] O modelo baseado na Lei Logarítmica é mais complexo, pois leva em conta que o escoamento na atmosfera é altamente turbulento. Na modelagem é utilizado o parâmetro conhecido como L Comprimento de mistura definido com a utilização da constante de Von kárman K c, e do comprimento da rugosidade Z o, que considera que a superfície da Terra nunca se apresenta totalmente lisa. Para velocidades elevadas, o perfil vertical do vento usando a lei logarítmica é dados por: V ( z) = v K o c ln z z o (2.9) onde V(z) é a velocidade do vento na altura z, z o é o comprimento de rugosidade (caracteriza a rugosidade do terreno), k c é a constante de Von Kárman (K c =0,4) e v o é a velocidade de atrito relacionada com a tensão de cisalhamento na superfície τ e a massa específica do ar ρ pela expressão: τ. = ρ v o 2 No caso de velocidades moderadas, o perfil vertical do vento se desvia do perfil logarítmico quando z é superior a algumas dezenas de metros devido às forças de empuxo da turbulência. Desta forma, há de se acrescentar à rugosidade, os parâmetros necessários para descrever o fluxo de calor na superfície. Para perfis verticais genéricos, utiliza-se a expressão: 18

19 v o z z V ( z) = ln Ψ (2.10) kc zo L onde Ψ é uma função empírica. O parâmetro L mistura de comprimento é definido por: L 3 T c o pvo = (2.11) kc g H o onde T o é a temperatura absoluta, H o é o fluxo de calor na superfície, C p é o calor específico do ar à pressão constante, g é a aceleração da gravidade. Influência do terreno nas características do vento Os terrenos são comumente classificados como lisos ou planos e terrenos acidentados. Pode se considerar como terrenos planos aqueles com pequenas irregularidades com a presença de gramados, áreas cultivadas, árvores, poucas edificações etc ou seja, terrenos cuja rugosidade não interfere significativamente no fluxo de vento da área a ser considerada. Terrenos acidentados são caracterizados pela presença de elevações e depressões tais como colinas, cumes, vales, montanhas, etc. Rugosidade do terreno Na expressão da lei de potência, o parâmetro n, bem como o valor Z o na lei logarítmica, estão associados à rugosidade do terreno. Na maioria dos terrenos, a superfície (rugosidade) do solo não é uniforme e muda significativamente de uma localização a outra. A rugosidade do terreno é uma grandeza que muda com as mudanças naturais na paisagem. Na figura 2.7, observa-se a influência da mudança da rugosidade de um valor z o1 (Ex: terreno gramado) para z o2 (Ex: terreno com árvores) no perfil vertical do vento. Figura 2.7 Influência da mudança da rugosidade no perfil vertical do vento [6] A tabela 2.2 mostra alguns exemplos de comprimentos de rugosidade para vários tipos de terrenos. 19

20 Tabela 2.2 Valores de comprimento de rugosidade para alguns tipos de terrenos Descrição do terreno Z 0 (mm) Liso, gelo, lama 0.01 Mar calmo 0.20 Mar agitado 0.50 Neve 3.00 Gramado 8.00 Pasto acidentado Campo em declive Cultivado Poucas árvores Muitas árvores, poucos edifícios,cercas Florestas Subúrbios Zonas urbanas com edifícios altos Fonte: Manwell,2004. Obstáculos Os obstáculos também influenciam no perfil vertical da velocidade dos ventos provocando o efeito de sombreamento.. Deve-se analisar a posição do obstáculo relativo ao ponto de interesse, suas dimensões (altura, largura e comprimento) e sua porosidade, esta última definida como a relação entre a área livre e a área total de um obstáculo. Como exemplo de obstáculos destacam-se edifícios, silos, árvores, entre outros. A porosidade de árvores, por exemplo, varia com a queda das folhas, isto é, com a época do ano. Para obstáculos construídos pelo homem, é comum consideralos como uma caixa retangular bem como considerar o fluxo como sendo bidimensional. Orografia Variações na altura do terreno, por exemplo, presença de colinas, vales, depressões, provocam um aumento na velocidade e considerável mudança de direção. Para descrever o relevo de uma superfície normalmente são utilizadas curvas de nível. A figura 2.8 ilustra o escoamento de uma colina ideal, mostrando o desenvolvimento do perfil de velocidades a montante e no topo da colina. Figura 2.8 Escoamento em torno de uma colina ideal [6] Variações temporais da velocidade dos ventos No aproveitamento da energia eólica para fins de geração de eletricidade, torna-se importante distinguir os vários tipos de variações temporais da velocidade dos ventos, a saber: variações anuais, sazonais, diárias e de curta duração. 20

21 Variações anuais Para se obter dados confiáveis de velocidade média anual dos ventos em um determinado local, é recomendável que se realize medições por pelo menos 5 anos. Com uma maior quantidade de dados, a determinação do regime dos ventos torna-se mais confiável. Variações sazonais - O aquecimento desigual da terra durante as estações do ano provocam variações significativas na velocidade média ao longo dos meses. Como a energia contida no vento é proporcional ao cubo da velocidade do vento, a utilização de médias anuais ao invés de médias sazonais pode levar a resultados menos realistas. Variações diárias O aquecimento desigual da superfície terrestre, função da variação ao longo do dia da quantidade de radiação solar incidente, provoca alterações na velocidade do vento em regiões de diferentes latitudes. Estas variações também ocorrem e tem um comportamento diferente em função da altitude.. Variações de curta duração Estão associadas a pequenas flutuações como também às rajadas de vento. É importante o conhecimento destas variações, pois as mesmas podem afetar a integridade estrutural do sistema eólico. A figura 2.9 mostra as variações típicas de curta duração para um dia Variações na direção dos ventos Figura 2.9 Variações de curta duração [4] Variações na direção dos ventos podem ocorrer numa mesma escala de tempo em que ocorrem as variações na velocidade. Variações sazonais na direção dos ventos podem ser pequenas, em torno de 30 o, porém, podem ocorrer variações bruscas (de curta duração) na direção dos ventos em função do seu comportamento turbulento. O conhecimento das variações na direção dos ventos é importante no projeto da turbina eólica e escolha dos locais mais adequados para instalação da mesma. Turbinas de eixo horizontal precisam de mecanismos que coloquem as pás sempre na direção perpendicular à direção dos ventos para captarem o máximo de energia. Mudanças repentinas na direção dos ventos podem causar fadiga nas pás e nos mecanismos de controle de guinada. A figura 2.10 ilustra direção dos ventos. 21

22 Figura 2.10 Rosa dos ventos A rosa dos ventos, é um diagrama que mostra a distribuição temporal da direção dos ventos e distribuição azimutal da velocidade do vento em um dado local. Ë normalmente utilizada para representar dados anuais, sazonais ou mensais. 2.3 Caracterização dos dados de vento e estimativa do potencial eólico O ponto de partida para se dimensionar um sistema para aproveitamento da energia eólica é ter um bom conhecimento do regime de vento. Os sistemas de aquisição de dados medem continuamente as velocidades, porém, como procedimento usual, fornecem a cada intervalo de tempo ou período de amostragem (ex: 10 min, 1 hora) um valor médio. Dessa forma, pode-se verificar a variabilidade da velocidade do vento em diferentes períodos. O regime de vento pode ser caracterizado por fatores geográficos, indicações de direção em que sopram, altura de medição, características do terreno, parâmetros atmosféricos (temperatura, pressão), dados estes utilizados não apenas para estimar a produtividade energética de uma determinada turbina, como também escolher o melhor local para sua instalação considerando aspectos de produção (fator de capacidade), custos, impactos ambientais, entre outros. Em suma, o conhecimento detalhado do regime de vento é de crucial importância tendo em vista que erros na predição dos ventos conduzem a um mau dimensionamento do sistema e erros na estimativa de produção de energia com conseqüentes riscos financeiros. Lembrar que pequenas variações na velocidade do vento causam grandes variações na sua potência devido a relação cúbica entre ambas. Vamos supor que se obteve uma série de dados coletados de uma estação anemométrica por um determinado período de medição. Ou seja, dados de velocidade e direção dos ventos, valores médios, fornecidos a cada intervalo de tempo (Ex: a cada 10 minutos) por um determinado período (Ex: um ano). Existem várias formas de se compactar este enorme volume de dados de tal forma que se possa representar e avaliar o potencial eólico de um determinado local. Isto pode ser feito utilizando-se de duas técnicas: 1) Método direto de análise dos dados e 2) Análise estatística dos dados. Algumas dessas técnicas podem ser usadas também quando não se tem uma série de dados e sim pouca informação (Ex: velocidade média anual dos ventos apenas) de um determinado local. A estimativa do potencial eólico consiste na determinação da produtividade de uma turbina eólica instalada em um determinado local a partir do uso da série de dados medidos ou do uso dos dados representados em uma forma compacta (Ex: velocidade média e desvio padrão). A potência 22

23 contida no vento é dada pela equação 2.3 mostrada na seção 2.1. Na prática, a potência fornecida por uma turbina eólica em função da velocidade do vento é ditada pela curva de potência da turbina, fornecida pelo fabricante. A figura 2.11 mostra um modelo de curva de potência de uma turbina eólica. Figura 2.11 Curva de potência de uma turbina eólica A curva de potência ilustra três importantes velocidades de vento: - V e (Velocidade de entrada). Velocidade do vento a partir da qual a turbina começa a produzir energia - V n (Velocidade nominal). Velocidade do vento em que a turbina atinge sua potência nominal - V c (velocidade de corte). Velocidade do vento a partir da qual a turbina é desligada para evitar problemas estruturais A caracterização dos dados de vento bem como a determinação da produtividade energética de uma turbina eólica pode ser feita usando os métodos descritos a seguir: Método direto de análise dos dados, caracterização do recurso eólico e estimativa da produção de energia de uma turbina eólica. Método Direto A série de dados obtidas de uma determinada estação anemométrica pode ser usada para calcular os seguintes parâmetros: 1) A velocidade média V de um determinado período ( Ex: um ano, ou do período total de medição). A velocidade média pode ser calculada pela seguinte equação: onde: = V 1 N N V i i= 1 (2.12) N Número de observações 23

24 2) O desvio padrão σ V de uma velocidade média individual. Pode ser calculada pela seguinte equação: 2 N N σ V = Vi V = Vi NV (2.13) N 1 i= 1 N 1 i1 O desvio padrão representa a variabilidade de um determinado conjunto de valores da velocidade 2 do vento. A variância é definida como a média dos quadrados dos desvios ( σ V ). Caracteriza a 2 dispersão do valores da variável V i. Assim, um pequeno valor de σ V indica que os valores da variável concentram-se próximo de uma valor médio. 3) A densidade média de potência, A P representa a potência média disponível por unidade de área. É calculada pela seguinte expressão: onde: ρ - densidade do ar (kg/m 3 ) N P = ρ V i (2.14) A 2 N i= 1 3) A potência média da turbina, e P, é calculada por: onde: P e = 1 N N i= 1 P e ( V ) i (2.15) P e (V i ) é a potência disponibilizada pela turbina definida pela curva de potência dada pelo fabricante Classes de velocidades Uma outra forma de resumir os dados e com estes determinar a produtividade energética de uma turbina é dividir os dados em classes de velocidades as quais se associa um intervalo de tempo ou freqüência de ocorrência a qual chamamos de freqüência absoluta. Observe o gráfico mostrado na figura Neste gráfico, são representadas no eixo horizontal, classes de velocidades ou intervalos de velocidades. É conveniente que estas classes ou intervalos de dados tenham a mesma largura ( V ). No caso do gráfico os intervalos são de 1m/s. Registrou-se ventos variando de 0 a 20m/s e assim sendo dividiu se os dados em 20 intervalos iguais de 1m/s (I = 20). A cada intervalo existe um número de ocorrências ou freqüência de ocorrência (freqüência absoluta) f j. A freqüência relativa f r associada a cada intervalo j, é obtida dividindo-se a freqüência de ocorrência absoluta f j pelo número total de observações N. 24