ANÁLISE EXPLORATÓRIA DOS DADOS DE VENTOS, ONDAS E RADIAÇÃO SOLAR PARA O FAROL DE SANTA MARTA Simone Moratelli 1, Carla de Abreu D Aquino 2 1 Universidade Federal de Santa Catarina Campus Araranguá/simone_moratelli_@hotmail.com 2, Universidade Federal de Santa Catarina Campus Araranguá /carla.daquino@ufsc.br Resumo: A busca por formas mais sustentáveis de utilizar e gerar energia elétrica está avançando significativamente no Brasil. Um dos motivos é que o país depende cerca de 66% da energia gerada pelas hidrelétricas, assim, está sujeito ao regime hidrológico e suas flutuações. Em períodos de estiagem, combustíveis fósseis são utilizados para suprir a demanda energética, consequentemente as tarifas de energia aumentam e a poluição associada à queima e extração dessas fontes se agravam. Uma solução seria diversificar a matriz energética, tornando-a mais segura, sendo que cada fonte possui regime e intensidade diferentes, para isto, análises exploratórias de dados devem ser feitas para avaliar a viabilidade na utilização de fontes renováveis para produção de energia. Para a região do Farol de Santa Marta, foram utilizados dados retirados da Boia Santa Catarina do Programa Nacional de Boias (PNBOIAS), estando localizada a 200 metros da costa, sendo assim, recursos offshore foram avaliados. Analisou-se como variam a velocidade do vento a 10 metros de altura do mar, a altura significativa das ondas e a radiação solar durante diversos períodos observados. Correlações entre as fontes foram feitas, visando avaliar a influência que uma pode exercer na outra. O potencial energético de cada recurso e a variação de sua intensidade durante os dias também foram analisados. Por fim, discutiu-se a complementaridade energética dos ventos, ondas e da radiação solar para a região estudada, sendo uma alternativa de tornar a matriz energética deste local mais segura e trazendo qualidade de vida para a população. Palavras-Chave: Análise exploratória, Recursos offshore, Matriz energética, Complementaridade energética. 1 INTRODUÇÃO O crescimento da utilização de fontes renováveis no setor energético brasileiro é indiscutível, segundo o Ministério de Minas e Energia a geração eólica cresceu 56,9% em 2015 e é fonte de geração de energia elétrica que teve maior expansão. Já se tratando da energia solar fotovoltaica, estima-se que em 2018 o Brasil deverá estar entre os 20 países com maior geração, considerando-se a potência já contratada de 2,6 GW. O Brasil possui uma extensa zona costeira com potencial para geração de energia de ondas, com uma densidade energética variável entre 10 e 30 kw/m, porém esta fonte é pouco utilizada e estudada no país. O presente estudo foi realizado na localidade do Farol de Santa Marta, no município de Laguna, localizado no extremo sul de Santa Catarina. Os dados foram retirados no Programa Nacional de Boias (PNBOIA), e os testes de Controle de Qualidade são referenciados na Documentação Técnica n 09-02 do National Data Buoy Center (NDBC). A partir da análise exploratória dos dados de vento, ondas e da radiação solar, o objetivo deste estudo é avaliar a potência disponível no local e como ela se comporta em diferentes períodos. Além da verificação das correlações existentes entre os três recursos e como cada um varia diariamente e mensalmente. Tendo conhecimento do comportamento das três fontes, torna-se possível buscar novas formas de suprir a
demanda energética da localidade sem recorrer aos combustíveis fósseis, como o carvão mineral comumente utilizado para geração de energia elétrica na região sul de Santa Catarina. 2 METODOLOGIA Primeiramente foi realizada uma revisão bibliográfica sobre estudos de análise de dados de vento, radiação solar e de ondas, equações para o cálculo das potências, além de revisões sobre a complementaridade energética e correlações utilizadas. Após, foi feita a análise exploratória, através do cálculo das médias, máximo e mínimos, da observação gráfica da distribuição das variáveis no tempo, buscando dados discrepantes e relações entre as fontes, toda realizada em ambiente MatLab. Os dados foram obtidos da Boia Santa Catarina do PNBOIA, do fabricante Axys Technologis Inc, modelo 3 Meters (3M), possui 3,4 metros de diâmetro e 1500 kg de peso. Sua profundidade de fundeio é de 200 metros. Utilizou-se uma série de dados de Janeiro a Outubro de 2012. A velocidade do vento foi medida a 4,7 e 3,7 metros de altura e é feita uma correção para 10 metros de altura. A direção é medida em graus conforme o norte magnético, e a velocidade em metros por segundo (m/s). No período analisado encontrouse um dado discrepante de velocidade de vento de 32,38 m/s no mês de junho que foi desconsiderado no restante das análises. Para os dados de ondas, são medidos a altura máxima, altura significativa, período e frequência da onda, entre outros. Porém, neste estudo somente foi utilizado dados de altura significativa. Por último, os dados de radiação solar foram medidos com um piranômetro instalado juntamente com a boia. No caso do vento, considerou-se sua velocidade e direção a 10 metros de altura, já para as ondas foi considerada a altura significativa. Em diferentes períodos e horários, foram analisados os comportamentos de cada fonte separadamente, assim como simultaneamente. Foram calculadas as densidades de potências (W/m 2 ), que é a potência disponível da fonte em função da área de interesse. Por último, foram feitas correlações diversas entre os três recursos energéticos, buscando entender a influência que uma fonte produz na outra. Com estas correlações, analisou-se a possibilidade de haver alguma complementaridade energética no Farol de Santa Marta e como as fontes estariam distribuídas neste papel.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Verificou-se a relação existente entre a velocidade do vento a 10 metros e a altura significativa das ondas e graficamente observou-se uma relação direta entre as duas fontes para diferentes horários do dia. (Figura 1). Para o período analisado a velocidade média do vento a 10 metros foi de 7,77 m/s e as direções mais frequentes foram as próximas à 200 ao norte magnético. Figura 01 Relação entre velocidade do vento a 10 metros e altura significativa das ondas para diferentes horários do dia. Os dados de radiação solar no Farol de Santa Marta estão apresentados na Figura 2. Observa-se que a intensidade da radiação é maior nos meses pertencentes à estação do verão, como já era esperado. Assim como, para o período diário (Figura 3), a maior intensidade observada foi nos horários próximos ao meio-dia (12:00 horas). A média da radiação solar para este horário foi de 525.66 W/m 2. Figura 2 Radiação solar durante o período de janeiro a outubro.
Figura 03 Radiação solar durante as 8:00, 12:00 e 16:00 horas. A densidade de potência P d do vento indica a potência avaliada por unidade de área (W/m 2 ), em função da velocidade do vento a 10 metros de altura U e da densidade do ar ρ=1,225 kg/m 3 (SILVA et al., 2015, p.417). (1) O fluxo médio de energia P (W/m) é a taxa que a energia das ondas se propaga por unidade de comprimento de crista, através de um plano vertical perpendicular à direção de propagação da onda (ASSIS et al., 2013, p. 26). É dada em função da altura
significativa H s, que pode ser definida como a média de um terço das maiores alturas de ondas observadas. (2) Onde ρ é a densidade da água do mar (1025 kg/m 3 ), g é a aceleração da gravidade (9,81 m/s 2 ) e T e é o período da onda. Nos dados fornecidos pelo PNBOIA só se encontra o período de pico da onda, então, por aproximação, será utilizado nos cálculos de potência. A radiação solar presente no conjunto de dados já é oferecida na forma de irradiância solar, que é a radiação solar em termo de potência por unidade de área (W/m 2 ), assim nenhum cálculo de potência precisa ser feito neste caso. Na Figura 4 nota-se que a potência das ondas é muito maior que a potência eólica e solar, isso se deve a alta densidade da água do mar (1025 kg/m 3 ), que comparada com a densidade do ar (1,2256 kg/m 3 ) é cerca de 1000 vezes maior. Outro fator a ser observado é que a unidade de fluxo médio de energia da onda é dada em W/m, enquanto que para as outras potências apresentadas a unidade é W/m 2. A potência solar (irradiação solar) foi retirada do horário de maior radiação, ao meio-dia, mas mesmo assim é muito menor que a potência das ondas. A média da densidade de potência eólica para o período observado foi de 364.52 W/m 2 e da irradiação solar de 525.66 W/m 2. Enquanto que a média da potência das ondas foi de 21817 W/m. Figura 04 Comparação entre as potências disponíveis no Farol de Santa Marta.
Por fim, foram feitas correlações entre os três recursos para verificar se existe alguma fonte que esteja diretamente ou inversamente relacionada à outra. O coeficiente de correlação utilizada foi o de Pearson (r), que pode ser visto como a razão entre a covariância de duas variáveis pelo produto dos desvios-padrão de cada uma delas. Este coeficiente pode variar de -1 a +1 e mostra a intensidade da relação linear entre as duas variáveis estudadas. Para um valor entre 0 e +1, as variáveis são diretamente proporcionais, já para um valor entre -1 e 0, a relação é inversamente proporcional. O quadrado da correlação (r 2 ) mostra o percentual da variância de uma das variáveis que pode ser explicado a partir do valor da outra. Para a correlação entre radiação solar a altura significativa obteve-se um coeficiente de Pearson ao quadrado de 0,007423, para a correlação entre radiação solar e velocidade do vento a 10 metros de altura o coeficiente r 2 foi de 0,002779. Todos os dois coeficientes tiveram valores muito próximos de zero, ou seja, a correlação é muito baixa. Já no caso da correlação entre altura significativa das ondas e velocidade do vento a 10 metros de altura (Figura 5) o coeficiente r 2 foi de 0,1319, o que continua sendo um valor considerado baixo. Porém nota-se uma forte concentração de dados de altura significativa entre 1 e 2,5 metros, e uma grande quantidade de dados de velocidade do vento entre 3 e 12 m/s. Figura 5 - Correlação entre altura significativa das ondas e velocidade do vento. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS A análise exploratória obtida neste estudo demonstrou o grande potencial energético que poderia ser utilizado na localidade do Farol de Santa Marta. As três variáveis analisadas indicaram potenciais elevados. Esse estudo, no entanto, está em fase inicial, precisando ainda explorar o comportamento das variáveis no domínio da frequência. No caso do vento, elevar as velocidades até alturas utilizadas por torres
eólicas offshore. A próxima etapa deste estudo será estudar a complementaridade energética entre as forçantes disponíveis. REFERÊNCIAS ASSIS, L. E. Avaliação e aproveitamento da energia das ondas oceânicas no litoral do Rio Grande do Sul. 2010. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) Instituto de Pesquisas Hidráulicas, UFRGS, Porto Alegre, 2010. COSTA, P. R.; GARCIA-ROSA, P. B.; ESTEFEN, S. F. Phase Control Strategy for a Wave Energy Hyperbaric Converter. Ocean Engineering, Rio de Janeiro, v.37, p. 1483-1490, dez 2010. EMERY, William J., THOMSON, Richard E. Data Analysis Methods in Physical Oceanography. Elsevier Science, 2001. PINHO, João Tavares; GALDINO, Marco Antonio. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CEPEL - CRESESB, 2014. RODRIGUES SILVA, A.; MENDONÇA PIMENTA, F.; TREVENZOLI ASSIREU, A.; CONSTANTINO SPYRIDES, M. H. Complementarity of Brazil s Hydro and Offshore Wind Power. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Natal, v.56, p. 413-427, abr 2016. SPIEGEL, Murray R., STEPHENS, Larry J. Estatística. São Paulo: Bookman, 2009.