Sistemas de Energia Solar e Eólica Professor: Jorge Andrés Cormane Angarita

Medição do Vento Sistemas de Energia Solar e Eólica

Medição do Vento No passado informações sobre os recursos eólicos eram obtidas e avaliadas exclusivamente do ponto de vista meteorológico Hoje as campanhas de medição permitem avaliar as condições de vento em diferentes alturas e tipos de relevo do ponto de vista da produção de energia 3

Medição do Vento A medição e caracterização dos dados de vento em uma área tem como principais objetivos : Verificar a existência de recursos suficientes Identificação do potencial Obter dados representativos Definição da localização dos equipamentos Estimar o desempenho dos equipamentos Calcular a viabilidade técnica e financeira do projeto 4

Medição do Vento O regime de vento do local de interesse pode ser estimado de duas formas: Mapas ou atlas eólicos Informações obtidas de satélites, combinadas e validadas com dados de diversas estações meteorológicas Dados de medições de outros locais Informações resultantes de interpolações ou extrapolações de dados conhecidos de diversos locais Identificação preliminar das áreas para realizar a campanha de medição 5

Medição do Vento A qualidade das medições é um fator importante na concepção de um parque eólico Um simples erro de 10% nas medições pode ocasionar uma diferença de 33% na potência gerada 6

Medições Anemométricas no Brasil Período de medição A legislação brasileira aceita projetos com períodos de medição de 24 meses consecutivos, no local do parque eólico e com perda de dados inferior a 10% Portaria MME 29, de 28 de janeiro de 2011 Equipamentos utilizados Torres com alturas de 50, 80 e 100 m Instrumentação para medições anemométricas e climatológicas Meteorologistas recomendam campanhas de medição com períodos de 5 a 10 anos 7

Medições Anemométricas no Brasil Os objetivos da campanha de medição Determinar a existência de recurso eólico em uma dada área Quantificar o potencial energético Identificar os locais específicos para instalação das turbinas Terrenos com orografia irregular: a medição é feita na posição de cada turbina Terrenos com orografia regular: considera-se que o perfil de vento é uniforme nessa área 8

Medições Anemométricas no Brasil A empresa de pesquisa elétrica EPE órgão responsável por receber os dados dos registros anemométricos e climatológicos dos candidatos aos leiloes de energia de fonte eólica 9

Medições Anemométricas no Brasil Cadastro da estação de medição A estação de medição deve ser posicionada na parte frontal do parque eólico tendo como referência a direção predominante dos ventos, em local representativo do parque e onde a interferência por obstáculos naturais ou turbulência produzida por aerogeradores de parques adjacentes seja mínima. Localização geográfica referenciada Identificação e certificação de calibração dos instrumentos Conexão via Internet no Sistema AMA e ao Sistema Geodésico Brasileiro (SIRGAS 2000) 10

Medições Anemométricas no Brasil Instrumentos de medição 3 anemômetros de copo Tipo Clase 1 ou melhor (padrão IEC 61400-12-1) Calibração inicial: realizada por instituição acreditada MEASNET Recalibração: a cada 24 meses de uso de acordo com ISO/IEC 17025 11

Medições Anemométricas no Brasil Anemômetro superior: instalado no topo da estação de medição. Altura do solo igual à do eixo das turbinas do parque eólico e, no mínimo, a 50 (cinquenta) metros de altura do solo. Anemômetro intermediário: distância de até 2,5 m abaixo do anemômetro superior. Anemômetro inferior: distância mínima de 20 m abaixo do anemômetro superior e, preferencialmente, na altura inferior da ponta da pá das turbinas. 12

Instruções para Medições Anemométricas no Brasil Instrumentos de medição 2 medidores de direção do vento (windvanes) precisão igual ou melhor que 3 (três graus) resolução igual ou menor que 1º (um grau) banda morta não superior a 6 velocidade de partida igual ou menor que 1 m/s 13

Instruções para Medições Anemométricas no Brasil Medidor superior de direção de vento: distância mínima de 1,5 m abaixo do anemômetro superior e máxima de 10% da altura do eixo das turbinas do parque eólico. Medidor inferior de direção de vento: distância mínima de 1,5 m abaixo do anemômetro inferior 14

Medições Anemométricas no Brasil Instrumentos de medição 1 higrômetro precisão igual ou melhor que ±2% entre 5% e 95% RH 1 barômetro precisão igual ou melhor que ±5 hpa entre 800 hpa e 1060 hpa 1 termômetro precisão igual ou melhor que ±0,5ºC entre -15 C e 60 C. 15

Instruções para Medições Anemométricas no Brasil Barômetro, Higrômetro e termômetro: entre 1,5 metros e 10 metros abaixo do topo da estação de medição. 16

Instruções para Medições Anemométricas no Brasil Instrumentos de medição 1 registrador de medições (datalogger) Frequência de amostragem: 1 Hz (1 registro/s) Intervalo de Integralização e registro: 10 minutos Memória: suficiente para garantir o armazenamento de pelo menos 30 dias de medições Sistema de posicionamento global (GPS) Abastecimento de energia elétrica independente; A estação deve continuar operando normalmente durante a recalibração de equipamentos 17

Medições Anemométricas no Brasil Registrador de medições: normalmente instalado na base da torre. 18

Medições Anemométricas no Brasil Registro das medições Índice de perda de dados por equipamento calculado para o ano-calendário (01/jan 31/dez) não poderá exceder 15% IPD Medidas Inválidas 144 dias ano-calendário 19

Medições Anemométricas no Brasil Registro das medições Atrasos ocasionais no envio das medições à EPE, motivados por interrupção temporária de comunicação remota não poderão exceder 60 dias Período contínuo de interrupção de medições ou perda de dados por qualquer dos instrumentos de medição não poderá exceder 30 dias 20

Medições Anemométricas no Brasil Registro das medições Substituição da torre de medição (acidente, vandalismo, corrosão, defeito estrutural ou alteração do projeto) não será computada para efeito de cálculo dos índices de perdas de dados (Períodos em até 90 dias) EPE deve ser informada em até 15 dias após o início da interrupção 21

Medições Anemométricas no Brasil 22

Medições Anemométricas no Brasil Operação e Manutenção Manutenção preventiva anual registrar o Relatório de Intervenção no Sistema AMA, via internet. Manutenção corretiva se necessário Proteção contra descargas atmosféricas Sinalização luminosa para o trafego aéreo 23

Medições Anemométricas no Brasil Existem normas internacionais específicas que regem os procedimentos de instalação de torres anemométricas, coleta e tratamento de dados A padronização inclui procedimentos: escolha do local de medição seleção dos equipamentos instalação e manutenção dos equipamentos período de integração taxa de amostragem 24

Medições Anemométricas no Brasil Normas Técnicas e procedimentos International Energy Agency (IEA) Wind speed measurement and use of cup anemometry; 1. Edition; Glasgow; 1999. International Measuring Network of Wind (MEASNET) Cup Anemometer Calibration Procedure; Version 1; Sep 1997. Evaluation of site-specific Wind conditions; Version 1, Nov 2009; 25

Medições Anemométricas no Brasil Normas Técnicas e procedimentos International Electrotechnical Comission (IEC) Wind turbines - Part 12-1: Power performance measurements of electricity producing wind turbines (IEC 61400-12-1:2005); 2005. Ministério da Defesa Comando da Aeronáutica Portaria Nº 256/GC5, de 13 de maio de 2011. 26

Estação Meteorológica Uma estação meteorológica para medição de dados de vento é composta por: Anemômetro de copo Velocidade do vento Windvane Direção do vento 27

Estação Meteorológica Uma estação meteorológica para medição de dados de vento é composto por: Barômetro Pressão do atmosférica Higrômetro Umidade do ar Termômetro Temperatura do ar 28

Estação Meteorológica Uma estação meteorológica para medição de dados de vento é composto por: Datalogger Registro das informações Torre Suporte dos instrumentos na altura requerida 29

Instrumentos de Medição 31

Instrumentos de Medição Os anemômetros são classificados pela forma como fazem a medição do vento Rotacionais de copo (inadequado para medir turbulências) de hélice (adequado para medir turbulências) Pressão Termoelétricos Laser Sônico 33

Instrumentos de Medição Anemômetro de copo Funcionamento Quantifica a rotação do eixo em mediadas de distância por unidade de tempo 34

Instrumentos de Medição Anemômetro de Hélice Funcionamento similar ao anemômetro de copos, com a diferença que produz uma resposta apenas aos ventos que incidem paralelamente ao seu eixo 35

Instrumentos de Medição Anemômetro de Pressão (Tipo Placa) Funcionamento Consiste em uma placa equilibrada no final de um braço horizontal que é acoplado a um eixo vertical em torno do qual o braço pode girar livremente 36

Instrumentos de Medição Anemômetro de Pressão (Tipo tubo de Pitot) Funcionamento Usa a equação de energia de Bernoulli para calcular a velocidade do vento 1 P2 Patm C2 v 2 1 P1 Patm C1 v 2 2 2 v 2 P1 P2 C C 1 2 1 2 37

Instrumentos de Medição Anemômetro Termoelétrico Funcionamento Baseia-se na troca de calor para determinar a velocidade do fluido. A velocidade do vento e proporcional a quantidade de calor retirada do fio ou filme quente 39

Instrumentos de Medição Anemômetro Sônico Funcionamento Sensores detectam as mudanças na velocidade de propagação das ondas sonoras v v v 1 som v v v 2 som v v v 1 2 2 40

Instrumentos de Medição Anemômetro Laser Funcionamento A velocidade é calculada com base na quantidade de luz que foi refletida pelas partículas em movimento 41

Sistema de aquisição de dados (datalogger) São sistemas cuja função é registrar e armazenar os dados a serem utilizados para posterior análise e tratamento Características Microprocessador e memória Número limitado de canais Baixa taxa de amostragem Bateria de backup Disponibilidade de diversos protocolos de comunicação 43

Sistema de aquisição de dados (datalogger) 44

Sensoriamento Remoto Dois sistemas de sensoriamento remoto baseados na emissão de luz e som em combinação com o efeito Doppler, encontraram aceitação na comunidade dos produtores de energia Não precisam de da altas torres para seu funcionamento Fornecem medidas de velocidade do vento para alturas acima de 300 m do dispositivo 45

Sensoriamento Remoto Descrição pulsos acústicos ou feixes de luz são emitidos verticalmente e em pequenos ângulos com a posição vertical Funcionamento a intensidade e o desvio de frequência do sinal de retorno são analisados para determinar o perfil do vento. As variações se devem aos diferentes níveis de absorção na atmosfera 46

Sensoriamento Remoto SODAR Sound Detection and Ranging LIDAR Light Detection and Ranging Fenômenos ambientais como a chuva pode ser considera da uma fonte de ruído As partículas suspensas no ar, a névoa e a chuva podem atenuar seriamente o feixe de luz Na atmosfera, a luz experimenta menor espalhamento que o som 47

Sensoriamento Remoto SODAR LIDAR 48

Sensoriamento Remoto SODAR LIDAR 49

Medidas Inválidas IPD 144 dias 1 2 ano-calendário 1 P2 Patm C2 v 2 1 2 P1 Patm C1 v 2 2 P1 P2 v C C 1 2 2 v v v 2 1 som v v v som v1 v2 v 2 51

Medições Anemométricas no Brasil Anemômetro superior: instalado no topo da estação de medição. Altura do solo igual à do eixo das turbinas do parque eólico e, no mínimo, a 50 (cinquenta) metros de altura do solo. Medidor superior de direção de vento: distância mínima de 1,5 m abaixo do anemômetro superior e máxima de 10% da altura do eixo das turbinas do parque eólico. Anemômetro intermediário: distância de até 2,5 m abaixo do anemômetro superior. Barômetro, Higrômetro e termômetro: entre 1,5 metros e 10 metros abaixo do topo da estação de medição. Anemômetro inferior: distância mínima de 20 m abaixo do anemômetro superior e, preferencialmente, na altura inferior da ponta da pá das turbinas. 52