Determinação de Potencial Eólico no Estado do Rio de Janeiro

Determinação de Potencial Eólico no Estado do Rio de Janeiro 1 Valdo S. Marques, 1 José C. Mendonça, 1 Francisca M. A. Pinheiro, 1 Rosane R. Chaves, 2 Romisio G. B. André 1Laboratório de meteorologia LAMET/CCT/UENF Rod. Amaral Peixoto, km 163 Av. Brennand s/n. Imboassica 22925-310 Macaé RJ(valdo@lenep.uenf.br; mendonca@uenf.br; francisca@lenep.uenf.br; rosane@lenep.uenf.br) 2Meteorologista, consultor CDP/INMET, Brasília-DF, romisio.andre@inmet.gov.br. ABSTRACT: This work presents complementary method to calculate the wind potential energy in Rio de Janeiro State. The data used were measurements from specified locations, velocity probability distributions models and information collected from Atlas Eólico. The preliminary results shown that anemometric towers at 50 meters high given a better evaluation of wind potential energy compared with results based in measurements from towers oat 10 meters obtained from conventional meteorological stations. Palavras-chave: Potencial Eólico, Atlas Eólico, medidas de vento. 1 INTRODUÇÃO Algumas regiões do Estado do Rio de Janeiro apresentam potencial eólico satisfatório para aproveitamento energético, segundo o Atlas Eólico do Estado do Rio de Janeiro (Amarante et al., 2004). Entretanto, a simples visão espacial mostrada no referido Atlas, assim como no Atlas do Potencial Eólico Brasileiro (Amarante et al., 2001) não é suficiente para a escolha de sítios para a instalação de parques eólicos. Para isto é necessário a realização de estudos detalhados nas áreas pré-determinadas pelos Atlas, afim de que se possam conhecer as reais condições dos sítios para a instalação dos aerogeradores capazes de converter energia cinética do vento em energia elétrica. Por outro lado, os levantamentos eólicos a partir de medidas de vento no Brasil têm sido feitos com base em medidas a 10 metros de altura que é o padrão de nossas estações meteorológicas. Isso tem mascarado o potencial devido à influência da rugosidade da superfície e de obstáculos próximos aos pontos de medida. Portanto, esses levantamentos não são necessariamente representativos das áreas geográficas para fins de instalação de equipamentos de conversão de energia. Atualmente existem modelos capazes de extrapolar esses dados para alturas maiores, como o WAsP usados para mapeamento eólico, mas ainda há margens de incertezas nos resultados. Por essas razões, se fazem necessárias as medidas em alturas compatíveis com aquelas dos atuais aerogeradores de grandes, médios e pequenos portes, para que os resultados sejam mais realísticos e não ocorram surpresas negativas. O presente trabalho apresenta estudos de levantamento eólico no Estado do Rio de Janeiro, a partir de torres anemométricas de 25 e 50 metros instaladas em regiões de bom potencial eólico determinado pelo mapeamento do Atlas Eólico do Estado do Rio de Janeiro. 2 - REVISÃO DA LITERATURA Na década de 1990 iniciaram-se medidas em torres com alturas superiores a 20 metros de altura em alguns estados como o Ceará, a Bahia, Minas Gerais e Paraná. Em meados da década de 1990, foi apresentado um relatório da CHEFS Companhia Hidroelétrica do Vale do São Francisco, consolidando os primeiros dados com essa rede inicial e mostrando o enorme potencial eólico, principalmente nos litorais do Rio Grande do Norte e do Ceará. Nos anos seguintes outras iniciativas foram levadas a efeito em alguns estados, como no caso do Paraná que usou 5 anos de dados medidos em 25 locais usando-se torres de 18 e 64 metros de altura, usando o software WindMap, com resolução de 2km na horizontal, levando-se em conta as condições de rugosidade e relevo do território, com técnicas de geoprocessamento, indicando um bom potencial eólico no interior do estado com médias anuais de 6,5 m/s. No final da década de 1990, outras iniciativas foram viabilizadas principalmente nos estados do Nordeste e do Sul do País. Em 2001 foi publicado o Atlas do Potencial Eólico do Estado do Ceará, usando-se a metodologia do WindMap, para 50 e 70 metros de altura, com resolução horizontal de 500 metros, demonstrando que o litoral cearense apresentava um ótimo

potencial, com velocidades médias anuais de 9m/s. Nesta mesma linha foi elaborado o Atlas Eólico do Estado do Rio de Janeiro (Amarante et al., 2004), determinando o potencial eólico para as alturas de 50m, 75m e 100m. Na elaboração deste Atlas foi utilizado o modelo MesoMap, cujo núcleo é um modelo de mesoescala denominado MASS - Mesoscale Atmospheric Simulation System (Brower et al., 2002). A partir dos resultados do MASS, dos dados de terreno (rugosidade e topografia), conveniente mente digitalizados em malhas de 200x200m, e de algumas medições anemométricas, o modelo WindMap calcula as velocidades e as direções médias do vento para resoluções adequadas à elaboração do mapa, que no caso do Rio de Janeiro foi de 3,6 km. Os principais resultados são representados pelas médias anuais e sazonais do vento a 50m, 75m e 100m de altura, rosas-dos-ventos, regimes diurnos, além de alguns parâmetros das distribuições estatísticas de vento. Marques et al. (1990), apresentaram um estudo sobre a estimativa do potencial eólico para algumas localidades do Estado do Rio de Janeiro, usando-se dados de 10 estações meteorológicas convencionais a 10 metros de altura, para períodos variáveis de até 27 anos de observações. Esses estudos mostraram que somente três das estações pesquisadas apresentavam potencial eólico satisfatório: Ilha Rasa (nas proximidades da cidade do Rio de Janeiro), Cabo Frio e São Pedro d Aldeia (na região dos Lagos Fluminenses). Victer et al. (2004) apresentaram um estudo sobre as energias renováveis no Brasil, destacando-se as oportunidades de desenvolvimento no Estado do Rio de janeiro, incluindo a energia eólica, com dois projetos de geração eólica com capacidades de 28 MW e 135 MW, respectivamente. Neste trabalho são destacados os potenciais demonstrados pelo Atlas Eólico, com destaque para três regiões do Estado, conforme mostra o mapa da Figura 1. Fig. 1 Áreas com maiores potenciais eólicos no Estado do Rio de Janeiro. Fonte: Atlas Eólico do Estado do Rio de Janeiro. 3 - MATERIAL E MÉTODO No presente trabalho apresentam-se os registros de medidas de velocidade do vento a partir de torres instaladas nas regiões indicadas pelo Atlas com altos potenciais eólicos no Estado do Rio de Janeiro. Para as medidas usaram-se duas torres anemométricas de 25 e 50 metros de altura, instaladas, respectivamente, em Macaé (Lat.: 22º 24 14 ; Long.: 41º 51 33 ) e Campos dos Goytacazes (Lat: 21º 45 23 ; Long: 41º 19 40 ). A torre de Macaé registra os dados nos níveis de 3, 6, 12, 15 e 25 metros e a de Campos nos níveis de 3, 10, 15, 30 e 50 metros. A medida nos níveis de 25 metros na primeira torre e de 50 metros na segunda torre é feita por anemômetro sônico bidirecional, modelo WAS-425, com resolução de 1º para a direção e 0,01 m/s para a velocidade. Nos demais níveis os anemômetros são do tipo de hélice, modelo RM-YOUNG, modelo 05106, com resolução de ± 3º para a direção e 0,03 m/s, para a velocidade. Os dados são registrados em Datalogger CR 1000 da Campbell Sci. e transmitidos

às centrais de coleta por meio físico e com a utilização do software Loggernet-SDK, com armazenamento no banco de dados em intervalos de 20 minutos. Foram usadas duas séries de dados: A série referente à torre de Campos corresponde ao período de 25 de junho de 2007 a 31 de marco de 2009, ou seja, 823 dias, e a de Macaé, é bem mais curta, com 270 dias, correspondente ao período de: 29 de agosto de 2009 a 25 de maio de 2010. A potência disponível em uma da corrente de ar de velocidade v é proporcional ao cubo da velocidade, dado pela equação (Marques et. al. 2009): P d = k v 3 (1) na qual k= ½ ρa, sendo ρ a massa especifica do ar, e A a área varrida pelo ar através das pás da turbina eólica. Entretanto, nem toda a potência disponível pode ser convertida em energia, pois há perdas inerentes às imperfeições aerodinâmicas e perdas mecânicas e elétricas das turbinas eólicas. Considerando-se a velocidade media não perturbada, antes do impacto com a turbina, v 1 e a velocidade de saída da turbina, v 2, num intervalo de tempo Δt, a potência a ser gerada é: P Δt = ½ m(v 1 + v 2 ) 3 (2) em que a massa de ar é dada por m = ρa (v 1 + v 2 )/2. Assim, a potência pode ser calculada pela equação: P = ¼ ρa(v 1 + v 2 ) 2 (v 1 + v 2 ) (3) Comparando-se com a potência disponível que é calculada com a velocidade do vento não perturbada, P d, dada pela eq. (1), tem-se: P/P d = ½ [1 (v 2 /v 1 ) 2 ] [1 + (v 2 /v 1 )] (4) A experiência mostra que a relação máxima entre a potência extraída, ou seja, potência gerada, P g, e a potência disponível, P d, ocorre quando a relação v 2 /v 1 = 1/3. Aplicando-se este valor na eq. (4) é fácil verificar que o valor máximo da potência extraída do vento é igual a 0,59 da potência disponível. Ou seja, os aerogeradores atuais são capazes de converter no máximo 59% da energia eólica em força utilizável. Portanto, a potência gerada deve ser calculada por P g = η P d, onde η = 0,59 e P d é dada pela eq. (1). Entretanto, para se calcular o rendimento real de um aerogerador é necessário obter valores do vento na altura em que se deseja instalar a turbina e medir concomitantemente os valores da potência gerada. Assim, pode-se obter o coeficiente de rendimento real pela equação: η r = P g / P d, (5) em que a potência gerada é dada pelas características do aerogerador que está sendo usado, e a potência disponível deve ser calculada pelas características do aerogerador, bem como a velocidade do vento e a densidade do ar na região de teste. 4 - RESULTADOS 4.1 Aerogeradores No presente trabalho usaram-se dois tipos de aerogeradores, com as seguintes características: Gerador do tipo 1: Diâmetro das pás: 2,46 m; Potência gerada, para V=12 m/s: 1000 W; Velocidade mínima para início da geração: 4 m/s. Gerador do tipo 2: Diâmetro das pás: 5,55 m; Potência gerada, para V=12 m/s: 6000 W; Velocidade mínima para início da geração: 4 m/s. Para o aerogerador do tipo 1 calculou-se o rendimento para diferentes valores de velocidade do vento, considerando-se a densidade do ar com um valor médio de

ρ = 1,225 kg/m 3 (estimado para uma temperatura de 20º C e uma pressão atmosférica de 1000 hpa), e em função das características da curva de calibração da turbina, tendo-se obtido os seguintes resultados, mostrados na Tabela 1. TABELA 1 Rendimentos calculados para o gerador do tipo 1. Velocidade (m/s) Potência nominal Rendimento (η r ) 4 75 0,40 5 125 0,34 6 200 0,32 7 300 0,30 8 500 0,32 9 600 0,28 10 700 0,24 11 900 0,21 12 1000 0,20 Observa-se que o rendimento é maior para menores valores de velocidade do vento, mostrando que a turbina tem um mecanismo de melhorar a seu desempenho para compensar a diminuição da velocidade do vento. No caso real, os geradores deste tipo estão instalados em torres de 9 m e 12 m de altura. O vento real está sendo medido em 10 m e 15 m, dando, portanto uma razoável correspondência para o cálculo da energia produzida. Para o aerogerador do tipo 2, não se dispõe da curva de calibração, mas apenas o valor nominal para a velocidade do vento de 12 m/s, que é de 6000 W. Assim, aplicando-se a equação (5), obtém -se um rendimento de 24 %, que é melhor do que o anterior. Este aerogerador está instalado em uma torre de 15 metros de altura. 4.1 - Potencial eólico O cálculo do potencial eólico para esses locais foi facilitado pela instalação de torres anemométricas nos próprios sítios de instalação dos aerogeradores. As medidas obtidas nas torres de Campos dos Goytacazes e Macaé, com intervalos de 20 minutos, permitiram determinar o potencial eólico nos locais de medida, para diferentes níveis. Para a torre de 50 metros, dispõe-se de dados medidos durante cerca de três anos, sendo um total de 26.280 medidas por ano, em cada nível. No presente trabalho, para evidenciar a diferença entre o potencial eólico em diferentes alturas, apresentam-se apenas os gráficos referentes aos potenciais de três alturas (50, 30 e 10 met ros), para 785 dados, que correspondem a aproximadamente 10 dias, para cada nível, conforme pode ser visto na Figura 2. Fig. 2 Potencial eólico em Campos dos Goytacazes, para os níveis de 10, 30 e 50 metros.

Os resultados mostrados na Figura 2 evidenciam claramente as diferenças que se obtêm para o potencial eólico quando calculado para diferentes níveis acima do solo. Assim, os dados de vento fornecidos pelas estações meteorológicas convencionais, medidos a 10 metros de altura não são suficientes para a estimativa do potencial eólico de uma dada região, o que justifica plenamente o esforço para se instalar torres anemométricas de 50 metros ou até acima deste nível, pois os aerogeradores são instalados em torres 50 e até 100 metros de altura. Entretanto, é preciso observar detalhes das séries de dados para avaliar corretamente o potencial eólico de um determinado sitio, pois as médias da velocidade do vento calculadas para intervalos de 20 minutos, não incluem as freqüências dos valores máximos que ocorrem neste intervalo. A Tabela 2 mostra as variações da potência calculada com valores médios e com valores máximos médios calculados para o intervalo citado de 20 minutos, no período de 10 dias. Tabela 2 Potencial eólico calculado para os níveis de 10, 30 e 50 m, para Campos, RJ Nível (m) Vmédio (m/s) Vmáximo (m/s) Potência média (W) Potência máxima (W) 50 4,20 5,52 308,10 697,85 30 3,17 4,43 132,14 360,70 10 1,65 3,06 18,66 118,88 Pela Tabela 2, nota-se que apenas uma pequena variação entre a velocidade média e a velocidade máxima, implica num considerável aumento da potência a ser gerada, em todos os níveis pesquisados. 5 - CONCLUSÕES Os Atlas eólicos representam um primeiro passo para o conhecimento do potencial eólico de uma da região. Eles têm a vantagem de apresentarem uma visão espacial, muito útil para o conhecimento preliminar de uma área em termos de aproveitamento da energia eólica. Entretanto, é indispensável que, após o conhecimento das áreas propicias, se obtenham medidas reais de vento nos sítios de interesse. Por outro lado, como mostram os resultados deste trabalho é recomendável a instalação de torres anemométricas com alturas superiores às torres das estações convencionais de 10 metros, pois senão corre-se o risco de subestimar fortemente o potencial eólico de uma região. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPERJ (Processos E 26/ 190.036/2007 e E26/190.038/2008), pelo apoio financeiro que permitiu a realização deste trabalho. 6 - BIBLIOGRAFIA AMARANTE, O. A. C. et al. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Ministério das Minas e Energia, 2001. AMARANTE, O. A. C. et al. Atlas Eólico do Estado do Rio de Janeiro. Secretaria de Estado de Energia, da Indústria Naval e do Petróleo, RJ, 2004. BROWER, M. et al. Micrositing Using the MesoMap System. American Wind Energy Association, 2002. (http://www.truewind.com). MARQUES, V. S.; WASHINGTON, D. C.; SUCHAROV, E. C. Estimativa do potencial eólico para algumas localidades do Rio de Janeiro. In: Anais do VI Congresso Brasileiro de Meteorologia, Vol. 2, p. 583-587, Salvador, BA, 1990. MARQUES, V. S. et al. A park for renewable energy at the State University of the Northern Rio de Janeiro. In: Global Symposium on Recycling Waste Treatment and Clean Technology. Cancun, México, REWAS 2008, Vol. 1, p. 01-06, 2008. MARQUES, V. S.; PINHEIRO, F. M. A. & CHAVES, R. R. Energia Eólica e Solar. In. Energias Renováveis, Novos Materiais e Sustentabilidade, p. 17-27. Alves, M. G. & Marques V. S. (Orgs.). EDUENF, Campos dos Goytacazes, 2009. VICTER, W. SILVA, L. A. A. & MARQUES, V. S. Renewable energy in Brazil. In: World Renewable Energy Congress, Scotland, 22-27 May, p. 141-147, 2005.