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5º Simpósio de Integração Científica e Tecnológica do Sul Catarinense – SICT-Sul
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 Bruna1, Carla Abreu D’Aquino2,
1UFSC / LABHIDROGEO / Curso de Engenharia de Energia / [email protected]
2UFSC / LABHIDROGEO / Curso de Engenharia de Energia / [email protected]
Resumo:. O presente trabalho busca realizar uma análise preliminar nos dados de uma boia mete-oceanográfica 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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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