Métodos de Extrapolação de Velocidade do Vento para Regiões Litorâneas do Nordeste Brasileiro Henrique do Nascimento Camelo, Paulo Henrique Santiago de Maria, Paulo Cesar Marques de Carvalho 3, Thiago de Brito Pereira Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Piauí IFPI, campus Parnaíba, email: henriquecamelo3@yahoo.com.br. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE. 3 Universidade Federal do Ceará UFC, Dep. de Engenharia Elétrica. ABSTRACT: In this paper an extrapolation of the average wind speed is done, vertical profile, for Paracuru and Camocim, west coast of Ceará, in the Brazilian Northeast Region. For these sites, the method of extrapolation which leads to a lower mean square error is the power law. The period in which the average wind speed shows the highest values is the dry season (September to December, for both sites. For heights used for electricity generation, as m, in the dry period, a variation of the average wind speed was observed between 9. and. m/s for Camocim and between 9.5 and.5 m/s for Paracuru. The estimation of the wind speed vertical profile has significant importance, since a standard relative to the height can be identified, and thus, the viability of the electricity generation. Palavras-chave: Velocidade de Vento, Extrapolação, Comprimento de rugosidade. INTRODUÇÃO No Brasil, no início da década de 99 os primeiros anemômetros para medir o potencial eólico visando geração de eletricidade foram instalados no Estado do Ceará e na ilha de Fernando de Noronha. A partir deste período muitos estudos têm sido feitos, para se divulgar o potencial eólico tanto a nível nacional como também a nível regional. O Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, lançado pelo Centro de Pesquisas em Energia Elétrica (CEPEL, órgão filiado à Eletrobrás (CEPEL, revelou localidades ao longo da faixa lito rânea do Nordeste, em especial os Estados do Ceará, Piauí e Rio Grande do Norte, cuja velocidade média anual dos ventos a 5 m de altura possui valores superiores a,5 m/s. Uma das primeiras etapas para se observar a viabilidade de se explorar o potencial eólico de uma dada região, para fins de geração de energia elétrica é a medição local do vento através de torres anemométricas geralmente instaladas a um nível de erência de ou 3 metros de altura. Outros fatores importantes são o perfil vertical da velocidade do vento e o comprimento de rugosidade; esta variável representa a altura na qual a velocidade do vento possui valor nulo e varia em função do tipo de terreno. Portanto, uma vez que seja possível fazer uma estimativa deste último parâmetro, a extrapolação da velocidade do vento em função da altura pode ser calculada. Em ( Carvalho, 3 é possível ter uma idéia da influência do terreno, onde tem-se a representação da rugosidade média para diferentes tipos de superfícies. O presente trabalho tem como objetivo contribuir cada vez mais para a divulgação do potencial eólico de regiões litorâneas do Nordeste brasileiro, observando qual o melhor método de extrapolação de velocidade do vento que pode ser utilizado para fins de geração de eletricidade via eólica. - MATERIAL E MÉTODOS
Os dados de velocidade do vento foram coletados através de duas torres anemométricas, localizadas em Paracuru (LAT: 3, S, LON: 3 59, W e Camocim (LAT: 5 5,7 S, 53 9, W, no período de setembro de a agosto de 5, ambos municípios pertencente ao litoral oeste do Estado do Ceará, nordeste brasileiro. Esta serie temporal é composta de médias a cada minutos, sendo que as medidas são registradas a cada segundos. Os sensores de velocidade do vento foram instalados a m, m e m em relação ao nível do solo. Na Figura. tem-se a localização dos municípios no Ceará. Figura Mapa do Estado do Ceará destacando os municípios em estudo. Na literatura os métodos mais utilizados para a estimativa da variação de velocidade de vento com a altura podem ser descritos por dois modelos matemáticos: lei logarítmica e a lei de potência (Manwell et al,. A lei logarítmica é uma combinação de pesquisa teórica e empírica originada do fluxo da camada limite em dinâmica dos fluidos. Esta lei é usada para variação de velocidade de vento vertical modelada em uma condição de terreno particular. A lei logarítmica é determinada pela seguinte equação: v( h v ln( h / z ln( h / z, ( onde h representa a altura de erência da medida da velocidade, v a velocidade nesta altura de erência e z é o comprimento de rugosidade. O valor de z pode variar com a direção da velocidade do vento e ainda entre os meses de verão e de inverno. Esses parâmetros devem ser levados em consideração quando se analisa a característica eólica de uma região. Dessa forma, a Eq. (, possui limitação representando apenas uma estimativa média do comprimento de rugosidade. No Ceará, como exemplos de fatores que exercem influência na rugosidade da superfície podem ser citadas as variações sazonais de vegetação observadas no interior do estado em conseqüência da alternância das estações chuvosa e seca. De acordo com (SEINFRACE,, dentre as principais espécies de vegetação do interior do Ceará, pode ser citada a jurema preta como a de maior influência na variação sazonal da rugosidade. A lei de potência é um modelo semelhante à lei logarítmica que representa o perfil da velocidade do vento pela equação:
v ( h v h h, ( onde é chamado de expoente de camada limite e varia em função da rugosidade da superfície. Para terrenos planos, cobertos com capim, pode ser aplicada aproximadamente igual a,. A lei de potência varia com parâmetros como altura, tempo do dia, estações do ano, terreno e temperatura. Uma correlação com este modelo e o comprimento de rugosidade é determinada por (Manwell et al, :,9 log z,(log z,. (3 Vale ressaltar que o uso das Eqs. ( e ( se aplicam para terrenos planos e homogêneos, ou seja, possuem limitações em relação à dependência do tipo de terreno, da velocidade do vento, modificações na rugosidade da superfície e também da influência de variáveis meteorológicas, como por exemplo, a temperatura do ar e pressão atmosférica. Através de uma análise de erros é verificado qual o melhor método de extrapolação dos dados de velocidade do vento, ou seja, lei logarítmica ou lei de potência, apresentados na seção 3.. O erro quadrático médio, E, representa as diferenças individuais quadráticas entre a variável de erência v, no presente estudo, a velocidade média do vento e a de extrapolação v ext, ou seja, E N N i ( v i v exti, ( onde N significa o número de observações. Pela Eq. ( o erro q uadrático médio é calculado através dos valores extrapolados e medidos (variável de erência, ao nível de altura de m em relação ao solo. Uma vez feita à análise de erros, para ambos os métodos do perfil vertical da velocidade do vento, a que obtiver o menor valor, é definida como sendo a melhor escolha para a extrapolação da velocidade média do vento em relação à altura. Nesse trabalho, a extrapolação dos dados da velocidade média do vento perfil vertical, recebe uma maior atenção até o nível de m de altura, isso em virtude deste nível compreender a maioria dos Atlas do Potencial Eólico já confeccionado no Brasil. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Através dos dados de velocidade de vento em nos niveis de altura ( m e m, em relação ao solo para os dois municípios foi possível calcular o comprimento de rugosidade e o expoente da camada limite com o uso das eqs. ( e (. Os valores do comprimento de rugosidade e do expoente da camada limite foram necessários para o cálculo da extrapolação da velocidade média do vento em função da altura. Uma vez feita a extrapolação, identificou-se que o menor erro quadrático médio se deve à lei de potência, e dessa forma foi possível observar que para Camocim e Paracuru, a lei de potência é a melhor escolha para se fazer uma estimativa do perfil vertical da velocidade média do vento no litoral do Ceará. Na Figura é possível observar o perfil vertical da velocidade média do vento em Camocim, utilizando-se a lei de potência no período chuvoso e seco. Na altura de erência ( m, o maior valor da velocidade média do vento é de aproximadamente,5 m/s e foi encontrado no mês de fevereiro, que representa o inicio da estação chuvosa no Ceará. Entre
5 e m de altura, os valores da velocidade média do vento variam entre aproximadamente e m/s. No período seco em Camocim, na altura de erência, o maior valor da velocidade média do vento é verificado no mês de outubro com aproximadamente 9, m/s. Ainda na Figura, entre 5 e m de altura os valores da velocidade média do vento variam de aproximadamente, a, m/s, ou seja, valores maiores em comparação ao período chuvoso. Na Figura 3, tem-se a representação do perfil vertical da velocidade média do vento em Paracuru, utilizando-se a lei de potência para o período chuvoso. O maior valor da velocidade média na altura de erência nesse período foi de m/s no mês de fevereiro. A m de altura, o maior valor também foi encontrado no mês de fevereiro em aproximadamente,5 m/s. No período seco em Paracuru, o maior valor da velocidade média de erência é de aproximadamente,5 m/s em setembro. Entre 5 e m de altura os valores variam entre aproximadamente de 9,5 a,5 m/s. Em todos os gráficos mostrados, foi observado que as maiores intensidades de velocidade média do vento foram encontradas no período seco, como era de se esperar de acordo com (SEINFRACE,. Para alturas de interesse em aplicações em geração eólio-elétrica, como por exemplo a 5 m, para Camocim e Paracuru, considerando as duas estações sazonais, a velocidade média do vento varia aproximadamente entre 5 e m/s e,5 e,5 m/s. Esse resultado também esta de acordo com (SEINFRACE,. É possível observar no Mapa do Potencial Eólico do Ceará, que em Camocim a velocidade média a 5 m de altura nos períodos chuvoso e seco são de aproximadamente de, e m/s, respectivamente. Enquanto em Paracuru também no mesmo nível de altura, a velocidade média nos períodos chuvoso e seco são de aproximadamente de e 9 m/s. 9 7 5 3 Fevereiro Março Abril Maio 3 5 7 9 Setembro Outubro Novembro Dezembro 3 5 7 9 (a (b Figura - Extrapolação da velocidade média do vento no período chuvoso (a e seco (b para Camocim, utilizando a lei de potência.
9 7 5 3 3 5 7 9 Fevereiro Março Abril Maio 3 5 7 9 Setembro Outubro Novembro Dezembro (a (b Figura 3 - Extrapolação da velocidade média do vento no período chuvoso (a e seco (b para Paracuru, utilizando a lei de potência. CONCLUSÕES Nesse trabalho foi verificado, que a lei de potência, para a extrapolação da velocidade média do vento no perfil vertical, conduz a um menor erro nos valores extrapolados tanto no período chuvoso como no período seco, nas regiões do litoral oeste do estado do Ceará, em especial Paracuru e Camocim. Em todos os gráficos mostrados para a extrapolação da velocidade média do vento pode ser observado que as maiores intensidades foram encontradas no período seco (de setembro a dezembro como era de se esperar de acordo com os resultados do Mapa do Potencial Eólico do Estado do Ceará (SEINFRACE,. Com relação a altitudes de interesse para geração eólio-elétrica, como por exemplo a 5 m, em Camocim e Paracuru, foi observado que a velocidade média do vento nos períodos chuvoso e seco varia aproximadamente entre 5 e m/s e,5 e,5 m/s, respectivamente. A estimativa do perfil vertical da velocidade média do vento tem significativa importância, na medida em que pode ser observado um padrão da velocidade média do vento relativo à altura, e com isso, ser verificado a viabilidade de geração eólio-elétrica na região de estudo. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMARANTE, O.; SCHULTZ, D., Wind energy resource map of the state of Paraná, Brazil. DEWI, Magazin, Bremen, v. 5, n. 5, p. 7 75, Aug. 999. CARVALHO, P. Geração Eólica, Imprensa Universitária UFC, 3. CEPEL, Wind energy ATLAS of Brazil, DEWI Magazin, Bremen, v. 9, n. 9, p. 3-9, Aug.. MANWELL, J. F.; MCGOWAN, J. G.; ROGERS, A. L. Wind energy explained. New York: Wiley,. 59 p. SEINFRACE. Disponível em:< http://www.seinfrace.ce.gov.br/downloads/atlas.zip>. Acesso em: abril de.