ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA DO VENTO PARA AS ONDAS OCEÂNICAS DE SUPERFÍCIE NA REGIÃO COSTEIRA DO SUL DE SC, BRASIL: ANÁLISE ESTATÍSTICA TEMPORAL Breno Pereira Dela Bruna 1, Carla Abreu D Aquino 2, 1 UFSC / LABHIDROGEO / Curso de Engenharia de Energia / brenodelabruna@gmail.com 2 UFSC / LABHIDROGEO / Curso de Engenharia de Energia / cadaquino@gmail.com Resumo:. O presente trabalho busca realizar uma análise preliminar nos dados de uma boia meteoceanográfica fundeada na região de Santa Marta SC, entre os anos de 2009 a 2015, com exceção de 2010, com o intuito de estudar a direção e velocidade do vento próximo do nível do mar, além da direção média das ondas da região, como base para a realização de um modelo de transferência de energia entre os recursos undi-eólicos. O método utilizado para análise e verificação da qualidade dos dados foi o software MatLAB, possibilitando a confecção de rotinas de programação para correções de padrões de direção do vento (norte geográfico), análises subdivididas por períodos anuais, mensais e por estações, resultando assim em 25 rotinas destinadas à cálculos e confecção de gráficos. No sul de Santa Catarina, a altura significativa de ondas observada apresentou valores médios entre 1,5 e 2,1 m, com períodos médios entre 8,1 e 10,4 s. Além disso, se destacam a intensidade do vento compatível com a necessária para a exploração offshore, assim como a comprovação, condizente com a de outros autores, das direções do vento predominantes de norte-nordeste e sul-sudoeste. Dessa forma, o estudo ainda fará o uso de equações matemáticas para a quantificação da energia em transição e buscará correlacionar as forçantes envolvidas no processo, maximizando o entendimento do comportamento das correntes, ondas e o vento da região. Como resultados, pode-se salientar a obtenção de parâmetros médios para as fases seguintes do projeto, como altura significativa, período de pico de onda, direção e intensidade do vento, distribuídos mensal, anual e sazonalmente. Palavras-Chave: MatLAB, estatística descritiva, recurso undi-eólico, transferência de energia. 1 INTRODUÇÃO O Brasil dispõe de cerca de 8700 km de zona costeira. Essa extensão litorânea permite a exploração abundante de fontes renováveis offshore, como ondas, marés e principalmente o vento oceânico. Além disso, a geração por fonte eólica no Brasil teve um aumento de 125 % de 2014 a 2015, com 357 empreendimentos em operação atualmente. No panorama global, pela primeira vez na história, o investimento total em energia renovável e combustíveis nos países em desenvolvimento, em 2015 excedeu aqueles com economias desenvolvidas, totalizando um investimento de US$ 156 bilhões, 19% maior comparado a 2014 (REN21, 2016). Sabendo do crescimento do setor eólico offshore mundial, e que o Brasil apresenta uma vasta área de exploração deste recurso, torna-se necessário estudar a influência das correntes e ondas no regime de ventos de uma região, assim como o papel dessas forçantes na transferência de energia e da disponibilidade dos recursos undi-eólicos. A análise consistiu na regularidade, intensidade, direção e comportamento do vento, correntes e ondas oceânicas. Uma boia mete-oceanográfica localizada em Santa Marta SC, mostrada na Figura 1, pertencente ao GOOS - Brasil (Global Ocean
Observatory System) e fundeada a uma profundidade de 200m foi a fonte dos dados. A partir da análise estatística temporal e comportamental dos dados, nas próximas etapas será utilizada a Eq. (1) para descrever o perfil de vento na camada limite entre a atmosfera e o oceano, onde é a constante de von Kármán, é o comprimento de rugosidade e refere-se à velocidade de fricção, calculada na Eq. (2), sendo a tensão de cisalhamento na superfície. ( ) A Equação (3) define o objetivo final do projeto, que pretende quantificar a energia transferida do escoamento médio do vento para as ondas por unidade de área de superfície livre, apresentando como variáveis a densidade do ar, a velocidade de fase da onda na superfície, o número de onda, a frequência angular, além das citadas acima. Figura 1 Boia Mete-oceanográfica Santa Catarina Fonte: GOOS-Brasil (2016) 2 METODOLOGIA O software MatLAB foi utilizado para a programação de rotinas de cálculo estatístico e geração de gráficos, além de parâmetros de controle de qualidade de dados.
O ponto inicial foi a seleção das variáveis mete-oceanográficas de interesse e o grau de qualidade aceitável. São elas: velocidade do vento a 10 m de altura; direção do vento a 4,7 m de altura; temperatura do ar e da superfície do oceano; pressão atmosférica; altura significativa, direção e período médio de ondas. Como método de controle de qualidade dos dados, foram analisados os identificadores qualitativos segundo a metodologia da Marinha do Brasil, chamados de flags, exibidos na Figura 2. Apenas foram classificados dados com flags referentes a Dados Bons ou Dados possivelmente Bons. Figura 2 Flags de controle de qualidade dos dados Em seguida o software MatLAB foi amplamente utilizado. Foram criadas 25 rotinas de programação, separando os dados em períodos mensais, anuais e por estações. Para exibição gráfica, foram utilizadas médias de períodos, calculadas através da Eq. (4), onde refere-se ao número de observações e aos valores observados: Também foram calculadas as frequências relativas da existência de dados num determinado período. O método de cálculo é mostrado na Eq. (5), onde refere-se ao tamanho da amostra e à frequência absoluta. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 apresenta os valores médios, máximos e mínimos da velocidade do vento, altura significativa e período médio de onda para cada ano. Destacam-se que os ventos para todos os anos apresentam valores superiores a 7 m/s próximos a superfície. Segundo Grubb e Meyer (1993), os ventos devem possuir uma velocidade mínima do
vento de 7 a 8 m/s a uma altura de 50 m para ser consideravelmente aproveitável. Isso indica um bom potencial eólico offshore para a região, uma vez que em maiores altitudes a velocidade tende a aumentar conforme diminui a influencia do atrito, comportamento compatível com a Eq. (1). A Figura 3 mostra a direção e velocidade do vento a 4,7 m de altura nos anos de 2009 a 2015, com exceção de 2010. Figura 3 Gráficos de radar de direção do vento a 4,7m de altura A direção é quantificada a partir do norte geográfico, medido no sentido horário. Observa-se que o vento apresenta as direções distribuídas de forma diferenciada para
cada ano, porém com sempre com ocorrências de norte-nordeste e sul-sudoeste, fator já foi verificado por SILVEIRA et al. (2014) e MONTEIRO (2011). Observando os dados de altura significativa (Tabela 1) destaca-se que os anos de 2011 e 2012 apresentam as maiores médias, porém no ano de 2013 observa-se a maior altura significativa para todo o período. Tabela 1 Valores médios, máximos e mínimos de velocidade do vento e altura significativa de onda Ano Velocidade do Vento a 10m de altura [m/s] Altura significativa de onda [m] Período médio de onda [s] Média Máximo Mínimo Média Máximo Mínimo Média Máximo Mínimo 2009 7,71 19,5 0,1 1,57 3,55 0,64 10,4 20,0 4,0 2011 8,11 19,8 0 2,15 6,46 0,8 9,4 20,0 3,7 2012 7,76 19,2 0,2 2,01 5,45 0,58 9,3 20,0 3,6 2013 7,92 20,9 0 1,95 12,38 0,23 9,6 19,5 4,2 2014 7,69 14,3 0 1,7 4,95 0,17 8,1 16,4 2,4 2015 7,37 18,5 0 1,86 6,66 0,43 9,1 19,2 1,9 A Figura 4 mostra o histograma de frequência de distribuição da direção média de ondas, onde se observa a predominância de direções sul e nordeste. Segundo Alves et al. (2009), os campos de ondulações provenientes de Sudoeste dominam praticamente todo o Oeste do Atlântico Sul. Figura 4 Histograma de frequência de direção média de ondas. Toldo Jr et al. (2006) afirmam que incidem sobre a costa do RS, ondulações geradas no Oceano Atlântico Sul e vagas geradas pelos fortes ventos locais de verão e primavera, provenientes de Nordeste. Exceto pela passagem das frentes frias de Sul e Sudeste, quando é caracterizada por ondas com altura significativa de 1,5m e período entre 7 e 9 s. No sul de Santa Catarina, a altura significativa de ondas média foi entre 1,5
e 2,1 m, com períodos médios entre 8,1 e 10,4 s. Pianca et al. (2010) verificaram que durante a primavera, as ondas dominantes são de NE (35,2%), com alturas que variam de 1,0 a 2,0 m (16,4%). No período de verão, há a predominância de ondas no sentido de NE (28.4%) e S (26.7%). Já no outono, a direção predominante de ondas é de S (36,7%), com alturas entre 2,0 e 3,0 m (14,1%) e os períodos de 10 a 12 s (15,9%). E no inverno, a direção de incidência das ondas dominantes é de S (30,2%), com altura variando de 2,0 a 3,0 m (12,9%) e períodos entre 10 a 12 s (12,5%). A Figura 5 exibe gráficos para comparação anual de velocidade do vento, altura significativa e período de pico de onda. Nos anos de 2011 e 2012 a altura significativa média das ondas é maior no inverno, acompanhada por uma maior velocidade do vento próximo a superfície. Em 2009, ocorre aumento na velocidade do vento entre os meses de abril e maio, com aumento no período de pico de ondas. Figura 5 Gráficos anuais com comparação por médias mensais. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Através do tratamento estatístico exploratório dos dados foi possível observar e comparar os valores médios e as direções mais frequentes com o que já foi relatado na literatura anteriormente. Bem como, perceber a relação entre o incremento na altura
significativa e a velocidade do próximo à superfície. Essas observações reforçam a curiosidade cientifica para o estabelecimento da relação entre a energia fornecida pelo vento e altura significativa de ondas já desenvolvidas que chegam próximas à costa. Além disso, o calculo dos valores médios das velocidades do vento demonstram o potencial para aproveitamento da energia eólica offshore, instigando analises mais aprofundadas para o cálculo da potência a 100 m de altitude. Além disso, as ondas apresentam grande potencial, uma vez que o mesmo tem relação direta com o quadrado da altura, fato que será investigado na segunda etapa do presente projeto. REFERÊNCIAS ALVES, J. H. G. de M.; RIBEIRO, E. O.; MATHESON, G. S. G.; LIMA, J. A. M.; RIBEIRO, C. E. P. Reconstituição do clima de ondas no sul-sudeste brasileiro entre 1997 e 2005. Revista Brasileira de Geofísica, Rio de Janeiro, vol. 27, n. 3, p. 427-445, 2009. GRUBB, Michael J; MEYER, Niels I. Wind Energy: Resources, Systems, And Regional Strategies. In: JOHANSSON, Thomas B. et al. Renewable Energy: Sources for Fuels and Electricity. Washington: Island Press, 1993. Cap. 3. p. 157-212. MATLAB Function Reference Copyright 1984 2016. The MathWorks, Inc. 3 Apple Hill Drive, Natick, MA 01760-2098. Disponível em: <http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/matlab_refbook.pdf>. Acesso em: 10 de agosto de 2016. MONTEIRO, M.A; CARDOSO. C.S; CALEARO. D.S; DIAS. C.O; LOPEZ. F. Comportamento do vento no litoral sul do Brasil. Simpósio Internacional de Climatologia (SIC). João Pessoa PB. 16 a 19 de outubro de 2011. Disponível em: <http://sic2011.com/sic/arq/95107642835209510764283.pdf>. Acesso: 10 de agosto de 2016. PIANCA, C.; MAZZINI, P. L. F.; SIEGLE, E. Brazilian offshore wave climate based on NWW3 reanalysis. Brazilian Journal of Oceanography, São Paulo, vol. 58, n. 1, p. 53-70, 2010. REN21. 2016. Renewables 2016 Global Status Report (Paris: REN21 Secretariat). ISBN 978-3-9818107-0-7. Disponível em: <http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2016/06/ GSR_2016_Full_Report_REN21.pdf>. Acesso em: 10 de agosto de 2016. SILVEIRA, R.B.; ALVES, M.P.A.; MURARA,P. Estudo de caracterização da direção predominante dos ventos no litoral de Santa Catarina. In: Anais do XI Simpósio Brasileiro de Climatologia Geográfica SBCG, Curitiba, v.1, p. 380-392, 2014. TOLDO JR, E. E.; ALMEIDA, L. E. S. B.; NICOLODI, J. L.; ABSALONSEN, L.; GRUBER, N. L. S. O controle da deriva litorânea no desenvolvimento do campo de dunas e da antepraia no litoral médio do Rio Grande do Sul. Instituto de Geociências, UFRGS, Porto Alegre, vol. 33, n. 2, p. 35-42, 2006.