Avaliação do potencial eólico em três localidades cearenses

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1 Avaliação do potencial eólico em três localidades cearenses Francisco José Lopes de Lima 1, 3, Emerson Mariano da Silva 2, Enilson Palmeira Cavalcanti 3 1 Bolsista CAPES/CNPq do Curso de Mestrado em Meteorologia. 2 Mestrado em Ciências Físicas Aplicadas (MCFA). Universidade Estadual do Ceará (UECE). Av. Paranjana, 1700 Fortaleza-CE/Brasil. 3 Departamento de Ciências Atmosféricas - DCA. Universidade Federal de Campina Grande (UFCG). Av. Aprígio Veloso, 882, Bodocongó, Campina Grande-PB/Brasil. ABSTRACT: It is presented in this study, an assessment of wind potential in three regions of Ceará using data obtained than wind speed from Data Collection Platform (DCP) da Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME). Data are the municipalities of Jaguaruana in hinterland, Acaraú, Barroquinha in northern coast of Ceará, in the period from September 2004 to August The results showed that Acaraú presents the best results for generation of wind resources, with a capacity factor of 20.4% and shape parameter of This indicates the wind regime is more regular among the regions investigated. Key words: Wind power; Weibull distribution; capacity factor. 1. INTRODUÇÃO. Os diversos levantamentos e estudos realizados e em andamento (locais, regionais e nacionais) têm dado suporte e motivado a exploração comercial da energia eólica no País. Encontra-se na literatura que os primeiros estudos nessa linha de pesquisa foram realizados na região nordeste, em particular, nos Estados de Pernambuco e Ceará (Campos, 2004). Segundo Sauer et al. (2006), o Brasil oferece excelentes sítios para instalação de parques eólicos, sendo que as melhores áreas para esse fim se encontram ao longo da costa. No entanto, indica que no interior, particularmente nos estados do nordeste, onde está inserido o Estado do Ceará, encontram-se potenciais sítios com capacidade de geração de energia eólica. Leite e Filho (2006), ressaltam a importância dos estudos relacionados à quantificação dos regimes de vento na fase de projeto de implantação de futuros parques de geração de energia eólica. Citam também que a velocidade do vento é uma variável aleatória, com ocorrência de variações que vão da escala anual até a escala horária nos valores médios estimados dentro de uma série de observações. Dessa forma, fica evidente a importância da utilização de uma análise criteriosa dos valores de velocidade do vento a serem assumidos como geradores de potencial eólico numa determinada região. Assim, concordando com os autores citados acima, o objetivo desse estudo é avaliar o potencial eólico relacionado aos dados de ventos observados em três regiões do estado do Ceará: municípios de Jaguaruana, de Acaraú e Barroquinha. 2. METODOLOGIA São utilizados nesse estudo dados de velocidades horárias médias do vento e suas respectivas direções. Esses dados foram obtidos da rede de Plataforma de Coleta de Dados (PCD s) da Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME). Os sensores de medição estão instalados a 10 metros acima no nível do solo, em estações nos município de Jaguaruana, Acaraú e Barroquinha, no período de setembro de 2004 à agosto de Escolheu-se uma turbina comercial e a partir da densidade de potencia eólica calculada através dos parâmetros da distribuição de Weibull se obteve a produção de energia

2 elétrica nas regiões em estudo. O modelo da turbina é o E-33, fabricada pela empresa Enercon, com potência nominal de 330kW, diâmetro do rotor de 33,4 metros e altura de cubo aproximadamente 50 metros. A potência P v do fluxo instantâneo do vento, considerando uma área de diâmetro D é dada por: π 2 3 Pv = ρ DV (1) 8 Os parâmetros da distribuição de Weibull foram determinados seguindo o mesmo procedimento adotado Por Kuhnen et al. (2004). O fator de forma (k) determina a forma da curva de distribuição de Weibull. Esse parâmetro indica a variabilidade dos ventos, ou seja, quanto maior o valor de k, maior será a regularidade do regime de vento, em termos de velocidade, e assim, mais estreita será a curva da distribuição. O parâmetro de escala (c) é o fator característico da distribuição que apresenta a mesma unidade de medida da grandeza analisada. Com os valores obtidos dos parâmetros da distribuição de Weibull calculou-se o valor da função acumulada de Weibull (Eq.2) para cada valor de velocidade do vento medido. k v Fv () = 1 exp (2) c A função descrita acima indica a probabilidade de se encontrar um valor de velocidade entre 0 (zero) e v, onde v é a velocidade do vento. Ao multiplicar esse valor pelo número de horas do período em que os dados foram coletados tem-se a fração do tempo em que a velocidade permaneceu entre os dois valores. Em seguida, através da Eq. (3), pode-se determinar o valor da potência média equivalente fornecida pelo aerogerador no intervalo de tempo a ser analisado. v P = DV ( ) dfv ( ) (3) v0 Em que P representa a potência média em função da velocidade do vento, de acordo com a curva de potência do aerogerador. A energia produzida por um aerogerado depende da potência de saída e do tempo de permanência do aerogerador nessa potência. Já a potência de saída depende da velocidade do vento e do rendimento do aerogerador. A energia produzida pode ser obtida pela Eq (4): v E = D( V) TF( V) (4) v0 Em que, T é o intervalo de tempo entre as medidas, nesse estudo é de 1 hora. O fator de capacidade (FC), que é utilizado para se avaliar a eficiência de geração de um determinado sítio, em função de determinado aerogerado, é dado pela Eq. (5): E FC = (5) P N T Em que P N representa a potência nominal do aerogerador, fornecido pelo fabricante. O FC representa a razão entre a energia produzida, ou esperada, num determinado intervalo de tempo T, e a energia máxima capaz de ser gerada naquele sítio, por um determinado aerogerador que operasse continuamente com potência nominal no intervalo T. Valores de FC acima de 0,20 são considerados satisfatórios e bons quando acima de 0,30, (Carvalho, 2003). Os dados de vento foram medidos a 10m de altitude, por esta razão foi utilizada a expressão do perfil logaritmo do vento (Eq.6) para estimar a velocidade do vento na altura do cubo da turbina. Assim, V( Zr ) é velocidade do vento na altura de referência Zr = 10m e V( Z) é a velocidade na altura desejada Z = 50m e Z0 é o parâmetro de rugosidade da região, que nesse caso foi admitido como sendo 0,03m.

3 z ln z0 V( z) = V( zr ) z r ln z0 (6) 3. RESULTADOS Na Figura 1, são apresentadas as médias mensais das velocidades do vento obtidas na altura do aerogerador (50m) em Jaguaruana, Acaraú e Barroquinha. Nas Figuras 2 e 3 têm-se, respectivamente, os ajustes da distribuição de Weibull e as direções média horárias dos ventos no período estudado. Figura 1. Velocidade média mensal do vento no período de setembro de 2004 a agosto de As características dos ventos para as três regiões consideradas indicam valores de velocidade média mensal entre aproximadamente 2,50m/s e 8,0m/s. Ressalta-se que na estação de Acaraú se obteve as maiores médias de velocidade, em seguida, tem-se a estação de Jaguaruana. Assim, pode se observar um aumento sistemático na velocidade média do vento nos meses de maio/05 a setembro/04 e diminuição relativa nos meses de outubro/04 a abril/05. A regularidade do vento é apresentada na Figura 2 pelo fator de forma k da distribuição de Weibull. Os valores de k obtidos para as estações de Jaguaruana, Acaraú e Barroquinha são, respectivamente, 2,25; 2,76 e 1,94, que segundo Martinez (2003) está dentro da faixa de valores típicos de regime de vento com baixa turbulência. Já a intensidade média dos ventos, representada pelo fator de escala (c), concorda com os valores médios de velocidade do vento observados nas estações. Figura 2. Ajuste da velocidade do vento a distribuição estatística de Weibull para as três localidades avaliadas. Foram construídos gráficos de rosa dos ventos para as três localidades analisadas, mostrado na Figura 3. Observa-se que, em Jaguaruana, Acaraú e Barroquinha se tem direção predominante dos ventos entre leste e sudeste, assim, o principal forçante de grande escala nessas regiões são os ventos Alísios, que quando acoplados as circulações locais, como as brisas marítimas intensificam a velocidade vento nessas regiões.

4 Figura 3. Rosa dos ventos para (a) Acaraú, (b) Jaguaruana e (c) Barroquinha. Na Figura (4), tem-se a curva de potência do aerogerador E-33 da empresa Enercon. Figura 4. Curva de potência do aerogerador E-33 da empresa Enercon, com potência nominal de 330 kw, 33,4m de diâmetro e altura do cubo de 50m. De acordo com essa curva, o aerogerador só estaria operando com potência nominal para velocidades superiores 14m/s, então mesmo com excelentes médias de vento nas três localidades, na maior parte do tempo o aerogerador estará operando abaixo da potência nominal. Na figura (5) é mostrada a Curva de duração de Potência para o período de um ano (8760 horas), que indica o número de horas em que o aerogerador esteve operando acima de certo valor de potência. Por exemplo, em Acaraú, o E-33 funcionaria aproximadamente 2000 horas com potência aproximada de 140kW. Figura 5. Curva de duração de Potência para Acaraú, Jaguaruana e Barroquinha. A velocidade média, os parâmetros da distribuição de Weibull, bem como a potência média anuais é mostrada na Tabela 1, juntamente com os fatores de capacidade para cada localidade. Tabela 1: Principais variáveis encontrados nas três localidades em estudo. Estações\Variáveis V médio k c P médio (kw) E (KWh/ano) FC (%) Acaraú 6,00 2,76 6,75 67,3 589,152 20,4 Jaguaruana 5,38 2,25 6,07 55,2 483,477 16,7 Barroquinha 4,70 1,94 5,6 45,8 400,857 13,9 4. CONCLUSÕES.

5 Esses resultados mostram que nas regiões em estudo, principalmente em Acaraú a variabilidade do vento é baixa, o período de ventos mínimos coincide com o período chuvoso e o período máximo do vento, com o período seco das regiões. Em relação a direção predominante dos ventos, em geral, tem-se variação leste a sudeste, com os ventos Alísios atuando como principal forçante de grande escala, intensificados os ventos locais através do acoplamento com as circulações locais. Os resultados obtidos para o fator de capacidade, considerado satisfatório, apontam satisfatório potencial de geração de energia eólica nas três localidades investigadas. Em Acaraú, no litoral norte do Estado do Ceará, obteve-se o melhor resultado desse estudo, com um fator de capacidade de 20,4% e parâmetro k de Weibull de 2, REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. CAMPOS, F. G. R. Geração de Energia a Partir de Fonte Eólica com Gerador Assíncrono Conectado a Conversor Estático Duplo f. dissertação (Mestrado em Engenharia) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, CARVALHO, P. Geração Eólica. Fortaleza: Imprensa Universitária, f. LEITE, M. L., FILHO, J. S. V., Avaliação da Velocidade Média e Direção Predominante do Vento em Ponta Grossa - PR. Revista Brasileira de Agrometeorologia. v.14, n.02, KUHNEN, G., PASSOS, J.C., COLLE, S., REGUSE, W., BEYER, H.G; Metodologia de Avaliação do Potencial de Geração Eólica para o Estado de Santa Catarina. III Congresso Nacional de Engenharia Mecânica MARTÍNEZ, Princípios de Conversión de La Energia Eólica cap. 2 in Sistemas Eolicos de Producción de Energia Electrica. Ed. Rueda S. L SAUER, I. L.; QUEIROZ, M. S.; MIRAGAYA, J. C. G.; MASCARENHAS, R. C.; JÚNIOR, A. R. Q.; Energia Renováveis: Ações e Perspectivas na Petrobras. Bahia Análise e Dados. Salvador. v.16, n.01,

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