projeto final de graduaÇÃo estudo...

PROJETO FINAL DE GRADUAO

ESTUDO PRELIMINAR DE IMPLANTAO DE

PARQUE GERADOR ELICO

RAFAEL CAMBRAIA TRAJANO

VTOR CASTRO DE ALBUQUERQUE BARROS

Braslia, dezembro de 2009.

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

UNIVERSIDADE DE BRASILIA Faculdade de Tecnologia

UNIVERSIDADE DE BRASLIA


DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

ESTUDO PRELIMINAR DE IMPLANTAO DE PARQUE

GERADOR ELICO



ORIENTADOR: IVAN MARQUES DE TOLEDO CAMARGO

PROJETO FINAL DE GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

BRASLIA/DF, DEZEMBRO 2009

ii

UNIVERSIDADE DE BRASLIA


DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

ESTUDO PRELIMINAR DE IMPLANTAO DE PARQUE

GERADOR ELICO



PROJETO FINAL DE GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

APROVADO POR:

_________________________________________________

Prof. Ivan Marques de Toledo Camargo, UnB, Dr. (Orientador)

_________________________________________________

Prof. Francisco Damasceno Freitas, UnB, Dr.

_________________________________________________

Prof. Rafael Amaral Shayani, UnB, Msc.

BRASLIA/DF, 02 DE DEZEMBRO DE 2009

iii

FICHA CATALOGRFICA

BARROS, VTOR CASTRO DE ALBUQUERQUE; TRAJANO, RAFAEL CAMBRAIA.

Estudo preliminar de implantao de parque elico, 91p., 210 x 297 mm (ENE/FT/UnB),

Projeto Final de Graduao Universidade de Braslia. Faculdade de Tecnologia.

Departamento de Engenharia Eltrica

1.Energia elica 2.Implantao de parque elico

I. ENE/FT/UnB II. Ttulo (srie)

REFERNCIA BIBLIOGRFICA

BARROS, V.C.A, TRAJANO, R.C., Estudo preliminar de parque gerador elico.Projeto Final

de Graduao, Departamento de Engenharia Eltrica, Universidade de Braslia, Braslia, 2009.

CESSO DE DIREITOS

AUTORES: Vtor Castro de Albuquerque Barros e Rafael Cambraia Trajano

TTULO: Estudo preliminar de implantao de parque gerador elico

GRAU: Engenheiro Eletricista ANO: 2009

concedida Universidade de Braslia permisso para reproduzir cpias deste projeto final de

graduao e para emprestar ou vender tais cpias somente para propsitos acadmicos e

cientficos. Os autores reservam outros direitos de publicao e nenhuma parte dessa

dissertao de mestrado pode ser reproduzida sem autorizao por escrito dos autores.

____________________________

Rafael Cambraia Trajano

____________________________

Vtor Castro de Albuquerque Barros

iv

AGRADECIMENTOS

Agradeo minha famlia pelo incentivo e apoio, minha namorada pelo

amor e compreenso, aos meus mestres e orientador pelo exemplo de

dedicao e comprometimento, aos meus amigos pelo sincero

companheirismo e, especialmente, minha me pelo amor incondicional, pela

confiana e apoio irrestritos e pelas dificuldades enfrentadas sem hesitao

em nome do meu sucesso.


minha famlia, que sempre me apoiou nos momentos mais difceis.

minha namorada, pelo apoio e pacincia na minha ausncia.

Ao Prof. Ivan Marques de Toledo Camargo, orientador deste trabalho, pelos

seus ensinamentos e amizade durante todo o curso.

Aos amigos, pelo incentivo.


v

Dedicado minha me, Maria Jos Cambraia, e a meu

pai, Ricardo Wagner Trajano de Faria (in memorian)


Dedicado aos meus pais, Lincoln Jos Silva de A. Barros

e M de Ftima Castro de Albuquerque Barros


vi

RESUMO

ESTUDO PRELIMINAR DE IMPLANTAO DE PARQUE GERADOR ELICO

Autores: Rafael Cambraia Trajano e Vtor Castro de Albuquerque Barros

Orientador: Ivan Marques de Toledo Camargo

Braslia, dezembro de 2009

Este trabalho apresenta um estudo preliminar de implantao de um parque gerador elico

com base em um atlas elico. Inicialmente, so apresentados os conceitos relacionados

gerao de energia eltrica atravs da converso da energia cintica dos ventos. Aps a

apresentao dos conceitos feito um estudo de caso em que se simula a implantao parcial

de um parque elico em um stio escolhido no Estado da Bahia.

O estudo de caso realizado baseado nos resultados obtidos por uma planilha de clculos

desenvolvida pelos autores com base na reviso bibliogrfica do tema. Aps a simulao de

implantao do parque elico no stio escolhido considerando diversos modelos de

aerogeradores disponveis comercialmente, feita uma comparao dos resultados do stio

escolhido com os resultados de um segundo stio escolhido. Por fim, faz-se uma comparao

entre os dados obtidos com a planilha desenvolvida e os resultados obtidos por um software

livre especializado.

vii

ABSTRACT

PRELIMINARY WIND FARM DEPLOYMENT STUDY

Authors: Rafael Cambraia Trajano and Vtor Castro de Albuquerque Barros

Supervisor: Ivan Marques de Toledo Camargo

Braslia, december of 2009

This work presents a preliminary wind farm deployment study based on a wind atlas. First,

electrical energy generation from wind energy conversion concepts are presented. After

this presentation, a case study is made by simulating a partial deployment of a wind farm

in a chosen site in the state of Bahia, in Brazil.

The case study is based on a spreadsheet developed by the authors on the grounds of

bibliographic review on the subject. After the deployment simulation is made, considering

several wind turbine models commercially available, a comparison between the results

from both sites is made. Finally, the results obtained with the spreadsheet developed are

compared with the results from a specialized free software.

viii

SUMRIO

1. INTRODUO ............................................................................................................ 1

2. SITUAO ATUAL NO MUNDO E NO BRASIL .................................................. 3

3. ENERGIA ELICA .................................................................................................... 8

3.1 CLASSIFICAO DOS VENTOS 8

3.2 MASSAS DE AR 9

3.3 CIRCULAO GERAL DOS VENTOS 9

3.4 POTNCIA DO VENTO 11

3.5 POTNCIA APROVEITVEL 12

3.6 ANLISE DA DISTRIBUIO DAS VELOCIDADES. 13

3.7.1 Determinao dos parmetros de Weibull 16

3.8 ANLISE DA DIREO DAS VELOCIDADES. 17

4. TERRENO ..................................................................................................................... 18

4.1 CAMADA LIMITE 18

4.2 RUGOSIDADE 22

4.3 OBSTCULOS 24

5. AEROGERADORES .................................................................................................... 26

5.1 COMPONENTES BSICOS DE UM AEROGERADOR 26

5.2 AERODINMICA DOS AEROGERADORES 27

5.2.1 Fluxo de vento na p 29

5.3 CONTROLE DE POTNCIA DOS AEROGERADORES 30

5.3.1 Controle passivo de potncia (Estol) 30

5.3.2 Controle ativo de potncia (pitch) 31

5.4 CONTROLE DE FREQUNCIA DE AEROGERADOR 33

5.4.1 Aerogerador com velocidade constante 34

5.4.2 Aerogerador com velocidade varivel 34

5.5 CONFIGURAES DE AEROGERADORES 36

6. DISPOSIO DOS AEROGERADORES EM UM PARQUE ELICO ............... 40

6.1 VELOCIDADE DO VENTO ATRS DE UMA TURBINA ELICA 40

6.2 ARRANJOS DE AEROGERADORES EM UM PARQUE ELICO 44

6.2.1 Arranjo em uma fila 45

6.2.2 Arranjo em vrias filas 46

ix

6.2.3 Arranjo definido pelo relevo 47

7. ESTUDO DE CASO: PROJETO DE UM PARQUE ELICO NO MUNICPIO

DE CONDE ........................................................................................................................ 48

7.1 ATLAS ELICO DA BAHIA 48

7.2 NALISE DOS DADOS ANEMOMTRICOS DO STIO 49

7.3 ESTIMATIVA DA ENERGIA PRODUZIDA POR UM AEROGERADOR 51

7.4 DISPOSIO DOS AEROGERADORES (MICROSITING) 53

7.4.1 Disposio em uma fila 53

7.4.2 Disposio em 2 filas 57

7.5 ESTIMATIVA DA ENERGIA PRODUZIDA PELO PARQUE ELICO 59

7.5.1 Disposio em 1 fila 60

7.5.2 Disposio em 2 filas 61

7.6 ANLISE COMPARATIVA 62

7.6.1 Comparao com o programa ALWIN 75

8. CONCLUSES .............................................................................................................. 76

8.1 CONCLUSES GERAIS 76

8.2 RECOMENDAES PARA ESTUDOS FUTUROS 76

REFERNCIAS ................................................................................................................ 78

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Crescimento da potncia instalada no mundo. .................................................. 2

Figura 2.1 - Potncia instalada no mundo ao final de 2008. ................................................. 3

Figura 2.2 - Acrscimo de potncia instalada no ano de 2008. ............................................. 4

Figura 2.3 - Potencial elico brasileiro. ................................................................................. 5

Figura 2.4 - Potencial elico do estado do Rio Grande do Sul. ............................................. 5

Figura2.5 - Variao do potencial elico estimado com a altura de medio. ...................... 5

Figura 3.1 - Classificao dos ventos. ................................................................................... 7

Figura 3.2 - Circulao geral dos ventos simplificada. ......................................................... 8

Figura 3.3 - Circulao geral dos ventos na superfcie da Terra, suposta homognea ................ 9

Figura 3.4 - Variao da potncia disponvel no vento de acordo com a velocidade do

vento. ................................................................................................................................... 11

Figura 3.5 - Representao da mxima potncia extravel do vento. .................................. 12

Figura 3.6 - Histograma das freqncias de ocorrncia das velocidades. ........................... 13

Figura 3.7 - Funo de Weilbull. ......................................................................................... 14

Figura 3.8 - Representao da direo dos ventos............................................................... 16

Figura 4.1 - Balano de foras para formao do vento geostrfico. .................................. 17

Figura 4.2- Balano de foras para formao do vento prximo superfcie. .................... 18

Figura 4.3 - Perfil da camada limite atmosfrica.. .............................................................. 19

Figura 4.4 - Comportamento do vento antes e aps passagem por obstculo. .................... 23

Figura 5.1 - Perfil bsico de aerogerador moderno. ............................................................. 25

Figura 5.2 - Diagrama de foras em uma p........................................................................ 27

Figura 5.3 - Fluxo laminar de vento atravs da p. ............................................................. 28

Figura 5.4 - Fluxo turbulento de vento atravs da p. .......................................................... 29

Figura 5.5 Curva de potncia de turbina com controle passivo de velocidade. ............... 30

Figura 5.6 - Curvas de potncia para diferentes ngulos de ataque para um aerogerador de

500kW, 40m de dimetro com controle de potncia por passo, com velocidade nominal de

33 r.p.m. ............................................................................................................................... 31

Figura 5.7 Relao de uso de controle pitch por uso de controle estol. .......................... 32

Figura 5.8 - Coeficiente de potncia (Cp) versus tip speed ratio para diversos tipos de

aerogeradores. ...................................................................................................................... 34

Figura 5.9 Configuraes mais comuns de aerogeradores. .............................................. 36

Figura 6.1 Efeito esteira aps aerogeradores em parque elico off-shore. ....................... 39

xi

Figura 6.2 Representao grfica do efeito esteira em um aerogerador. .......................... 39

Figura 6.3 Recuperao da velocidade do vento e da potncia disponvel ao longo da

esteira. .................................................................................................................................. 41

Figura 6.4 Turbinas dispostas em uma nica linha. ......................................................... 43

Figura 6.5 Efeito esteira sobre aerogeradores vizinhos. ................................................... 44

Figura 6.6 Disposio em vrias filas. .............................................................................. 44

Figura 6.7 Disposio assimtrica de aerogeradores. ....................................................... 45

Figura 7.1 Sombra de aerogeradores nos aerogeradores vizinhos.................................... 51

Figura 7.2 Distribuio de direes do vento no stio de Conde. ..................................... 52

Figura 7.3 Representao da sombra de uma turbina sobre a turbina vizinha. ................ 53

Figura 7.4 Comparao entre as Distribuies de Weibull para a 1 e para a 2 fila de

aerogeradores. ...................................................................................................................... 55

Figura 7.5 - Comparativo de energia gerada pelas 17 turbinas para os dois stios. ............. 63

Figura 7.6 Grfico de fator de carga x altura para o fabricante Enercon. ........................ 64

Figura 7.7 Grfico de fator de carga x altura para o fabricante Gamesa. ......................... 64

Figura 7.8 Grfico de fator de carga x altura para o fabricante Nordex. .......................... 65

Figura 7.9 Grfico de fator de carga x potncia para o fabricante Enercon. .................... 65

Figura 7.10 Grfico de fator de carga x potncia para o fabricante Gamesa. .................. 66

Figura 7.11 Grfico de fator de carga x potncia para o fabricante Nordex. ................... 66

Figura 7.12 - Relao de distribuio de Weibull e da curva de potncia com o fator de

carga. ................................................................................................................................... 67

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 - Classes e comprimentos de rugosidade para diferentes terrenos. ................... 22

Tabela 7.1 - Dados de medio do vento e de rugosidade na estao de Conde. ................ 47

Tabela 7.2 - Dados do modelo do aerogerador E70 da ENERCON.................................... 48

Tabela 7.3 - Parmetros da funo de Weibull e velocidade mdia para a altura do

aerogerador E70 no municpio de conde. ............................................................................ 49

Tabela 7.4 - Tabela de potncia do gerador E70 ................................................................. 49

Tabela 7.5 - Tabela de recuperao da velocidade do vento em funo da distncia da

primeira turbina. .................................................................................................................. 55

Tabela 7.6 - Dados de medio dos ventos ......................................................................... 60

Tabela 7.7 - Dados do terreno ............................................................................................. 60

Tabela 7.8 - Resultados do estudo para uma turbina livre de obstculos em Conde .......... 61

Tabela 7.9 - Resultados do estudo para uma turbina livre de obstculos em Irec ............. 62

Tabela 7.10 - Resultado do estudo para o dimensionamento do parque elico em Conde

utilizando os modelos da ENERCON ................................................................................. 68


utilizando os modelos da GAMESA ................................................................................... 68


utilizando os modelos da NORDEX .................................................................................... 69

Tabela 7.13 - Resultado do estudo para o dimensionamento do parque elico em Irec

utilizando os modelos da ENERCON ................................................................................ 69


utilizando os modelos da GAMESA ................................................................................... 70


utilizando os modelos da NORDEX. ................................................................................... 71

Tabela 7.16 - Comparao dos resultados obtidos com o programa ALWIN. .................... 72

xiii

LISTA DE SMBOLOS, NOMENCLATURA E ABREVIAES

A - rea da superfcie superior da p

AC - centro aerodinmico

At - rea da seo transversal

Av - rea varrida pelo rotor da turbina

c - fator de escala da funo de weilbull

c1 - fator de escala da funo de Weilbull no ponto 1

c2 - fator de escala da funo de Weilbull no ponto 2

CERs - Certificados de Emisses Reduzidas

COELBA - Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia

Comp - comprimento do stio

Cp - coeficiente de potncia

CRESESB - Centro Referncia para Energia Solar e Elica

Cs - coeficiente de sustentao

Ct - coeficiente de empuxo da turbina

D - dimetro do aerogerador

Da - fora de arraste

De - dimetro da esteira

E - energia

Eaerogerador - estimativa anual de gerao de energia por um aerogerador

Energiaef - energia produzida por cada aerogerador dentro do parque

Energialivre - energia produzida por um aerogerador em condies de vento livre de

obstculos

Eparque - estimativa anual de energia a ser produzida pelo parque

Eproduzida - estimativa anual de energia a ser produzida pelo parque

f() - funo densidade de probabilidade

F1(v) - probabilidade de ocorrncia da velocidade v para a 1 fila

F2(v) - probabilidade de ocorrncia da velocidade v para a 2 fila

- fora de atrito exercida pela superfcie

fc - fator de carga

- fora de Coriolis

- fora resultante do gradiente de presso

xiv

GWEC - Global Wind Energy Council

h - altura em relao ao solo

h1 - altura em relao ao solo no ponto 1

h2 - altura em relao ao solo no ponto 2

ICMS - Imposto sobre circulao de Mercadorias e servios

K - constante de Von Karman

k - fator de forma da funo de Weilbull

k1 - fator de forma da funo de Weilbull no ponto 1

k2 - fator de forma da funo de Weilbull no ponto 2

kp - constante de perda da esteira

L - fora de sustentao

m - massa de ar

- fluxo de massa de ar

MDL - Mecanismo de Desenvolvimento Limpo

N - expoente da equao 4.1.4

n - nmero de aerogeradores

Ndiam - distncia lateral entre aerogeradores vizinhos

Nt - nmero de aerogeradores por fila

P - potncia

p - presso atmosfrica

P(v) - potncia de sada do aerogerador para a velocidade v

Pinst - potncia instalada do parque

Proinfa - Programa de Incentivo Fontes Alternativas

Pturbina - potncia nominal do aerogerador utilizado

R - constante do ar

- fora aerodinmica resultante

Re - fora de empuxo

Rt - raio do aerogerador

S - seo transversal

T - temperatura

t - tempo

- velocidade do vento geostrfico resultante

V - velocidade mdia do vento

xv

v - velocidade do vento

V0 - velocidade do vento antes da turbina

v1 - velocidade horizontal do vento no ponto 1

v2 - velocidade horizontal do vento no ponto 2

vat - velocidade do vento junto ao solo

Ve - velocidade do vento na esteira

Xl - distncia da turbina ao local em que se deseja saber informaes da

esteira

z0 - comprimento de rugosidade do solo

- expoente de camada limite

- ngulo de ataque do vento

- eficincia do parque elico

- ngulo da turbina em relao direo principal do vento

- tip speed ratio

- massa especfica do ar

- desvio padro das medies de velocidade do vento

- velocidade de rotao da turbina

() - funo Gamma

1

1. INTRODUO

A energia dos ventos, tambm conhecida como energia elica, tem sido utilizada pela

humanidade h mais de 3000 anos [ACKERMANN, 2005]. Desde ento, em quase todo

esse perodo at os dias atuais, sua utilizao tem se restringido apenas converso

mecnica-mecnica de energia utilizada, sobretudo, em equipamentos como bombas de

gua e moedores de gros.

Somente a partir do sculo XIX, as primeiras turbinas elicas foram desenvolvidas com a

finalidade de gerao de energia eltrica. No entanto, essas turbinas mostraram-se

altamente ineficazes tanto do ponto de vista tecnolgico quanto do financeiro, despertando

pouco interesse no desenvolvimento das tecnologias na rea.

Porm, a partir da dcada de 70, com a crise do petrleo, a gerao de energia eltrica a

partir de fontes alternativas de energia passou a tornar-se vivel para os pases que

dependiam fortemente de combustveis fsseis para gerao de energia. O alto preo do

barril de petrleo possibilitou que os olhares se voltassem tambm energia elica,

iniciando, deste modo, uma movimentao em prol do desenvolvimento tecnolgico que

viabilizasse o uso dessa fonte alternativa de energia. Alm disso, a preocupao com as

mudanas climticas, associadas emisso de carbono na atmosfera, fortaleceu o interesse

nessa fonte de energia limpa.

Na dcada de 90, surge na Alemanha, o primeiro marco regulatrio que incentiva a gerao

de energia por fontes alternativas. A Lei de Fomento Eletricidade, ou

Stromeinspeisungsgesetz, criou a feed-in tariff, no Brasil conhecida como tarifa-prmio,

que garantia aos produtores de energia que utilizassem fonte elica ou solar a compra de

toda a energia gerada por um preo equivalente, no mnimo, a 90% do preo mdio de

venda de energia que, em 2004, atingiu a marca de 0,54/kWh [BRUNEKREEFT, 2004].

Este incentivo, quase prontamente copiado por outros pases europeus e pelos Estados

Unidos, possibilitou um crescimento bastante expressivo da potncia instalada no mundo a

partir do meio da dcada de 90, chegando a uma taxa de crescimento mdia de 28,7% no

perodo entre 1996 e 2008, ver Figura 1.1.

2

Figura 1.1 Crescimento da potncia instalada no mundo [GWEC, 2009].

No Brasil, a primeira turbina comercial foi instalada em 1992, no arquiplago de Fernando

de Noronha, com o intuito de complementar o nico gerador da ilha, a diesel. No entanto,

pode-se considerar que o incio da gerao de energia a partir de fonte elica deu-se em

2002, com o incio do PROINFA (Programa de Incentivo s Fontes Alternativas). Ao

contrrio dos pases europeus e dos EUA, o Brasil possui uma matriz de energia eltrica

basicamente hdrica, pouco dependente de combustveis fsseis, o que um dos possveis

motivos da chegada tardia da tecnologia de gerao elica em territrio brasileiro.

Considerando a relevncia que esta fonte alternativa de energia adquiriu nos ltimos anos,

conforme foi brevemente comentado, e as suas perspectivas de desenvolvimento no Brasil,

surge a motivao de um estudo tcnico, ainda que preliminar, dessa nova fonte de gerao

de energia.

Este trabalho tem como objetivo apresentar conceitos relacionados gerao de energia

elica bem como a aplicao destes conceitos em um estudo preliminar de implantao de

um parque elico tendo como base dados obtidos no Atlas Elico do Estado da Bahia

[AMARANTE, 2001]. Nesse intuito, os tpicos mais relevantes so apresentados nos

captulos subsequentes. O Captulo 2 trata da situao da energia elica no Brasil e no

mundo. O Captulo 3, por sua vez, apresenta tpicos relativos ao movimento, potncia e

ao comportamento probabilstico dos ventos. No Captulo 4, tratada a influncia do

terreno e de obstculos no comportamento do vento. Caractersticas estruturais e eltricas

dos aerogeradores so tratadas no Captulo 5. As diversas disposies de aerogeradores e

seus efeitos so tratados no Captulo 6. No Captulo 7 so apresentados os clculos e

resultados referentes implantao de um parque elico em um municpio brasileiro, alm

de uma anlise comparativa entre dois stios e, adicionalmente, uma comparao entre os

resultados obtidos com as ferramentas desenvolvidas neste trabalho e com um software

3

livre. Por fim, no Captulo 8 so apresentadas as concluses e recomendaes para futuros

trabalhos sobre o tema.

2. SITUAO ATUAL NO MUNDO E NO BRASIL

Atualmente, a capacidade instalada de energia elica no mundo um pouco maior que 120

GW [GWEC, 2009], que para fins de comparao, maior do que toda a capacidade

instalada no Brasil por todas as fontes de energia eltrica, que de 108 GW [ANEEL,

2009]. No ano de 2008, os EUA ultrapassaram a Alemanha em capacidade instalada, sendo

responsveis por 20,8% de toda a potncia elica instalada no mundo. A Alemanha

(19,8%), Espanha (13,9%), China (10,9%) e ndia (8,0%) completam o rol de pases que

mais se destacam na produo, conforme mostrado na Figura 2.1.

MW %

EUA 25170 20,80%

Alemanha 23903 19,80%

Espanha 16754 13,90%

China 12210 10,10%

ndia 9645 8,00%

Itlia 3736 3,10%

Frana 2404 2,80%

Inglaterra 3241 2,70%

Dinamarca 3180 2,60%

Portugal 2862 2,40%

Restodomundo 16693 13,80%

Total10maioresprodutores

104,104 86,20%

Totaldomundo 120,798 100,00%

Figura 2.1 Potncia instalada no mundo ao final de 2008 [GWEC, 2009].

EUA

Alemanha

EspanhaChina

ndia

ItliaFrana

InglaterraDinamarca

Portugal

Restodomundo

4

No que diz respeito ao crescimento da potncia instalada, o pas que teve maior

crescimento foram os EUA, crescendo impressionantes 30,9% em relao a 2007. A China,

em segundo lugar, tambm apresentou a significante taxa de 23,3% de crescimento,

seguida por ndia (6,7%), Alemanha (6,2%) e Espanha (5,9%).

Estas taxas de crescimento indicam uma possvel mudana no ranking de potncia

instalada, mostrando que a China deve ocupar a segunda colocao em menos de uma

dcada. Os dados que ilustram o crescimento esto disponveis na Figura 2.2.

MW %

EUA 8358 30,90%

China 6300 23,30%

ndia 1800 6,70%

Alemanha 1665 6,20%

Espanha 1609 5,90%

Itlia 1010 3,70%

Frana 950 3,50%

Inglaterra 836 3,10%

Portugal 712 2,60%

Canad 526 1,90%

Restodomundo 3285 12,20%

Total10maiorescrescimentos

23766 87,80%

Totaldomundo 27051 100,00%

Figura 2.2 Acrscimo de potncia instalada no ano de 2008. [GWEC, 2009]

O Brasil possui uma capacidade instalada de energia elica muito pequena: 605 MW

[ANEEL, 2009] em novembro de 2009, o que representa apenas 0,57% da potncia total

EUA

Chinandia

Alemanha

Espanha

Itlia

Frana

InglaterraPortugal

Canad

Restodomundo

5

instalada no pas. O maior parque instalado no Brasil o de Osrio, localizado no RS, que

tem 75 aerogeradores de 2 MW, cada um com dimetro de rotor de 70 m, colocados a

altura de 100 m, totalizando 150 MW.

Apesar da pequena participao na matriz energtica, existe no Brasil, segundo estudo

desenvolvido pelo CRESESB [AMARANTE, 2001], um potencial de 143 GW, como

mostra a Figura 2.3.

Figura 2.3 Potencial elico brasileiro. [AMARANTE, 2001].

Deve-se ressaltar que essas medidas foram feitas utilizando torres anemomtricas de 50 m

de altura e, atualmente, os aerogeradores chegam a alturas de mais de 100 m de altura.

Dessa forma, com a tecnologia mais moderna, estima-se que o potencial brasileiro pode ser

bem maior do que o publicado anteriormente. Como exemplo disso, pode-se comparar o

potencial elico do estado do Rio Grande do Sul para alturas de 50 m, 75 m e 100 m, de

acordo com a Figura 2.4.

6

Figura 2.4 Potencial elico do estado do Rio Grande do Sul.

Fonte: Camargo Schubert Energia Elica, 2001

Para uma altura de 50 m, o potencial do RS de 15,84 GW. Para altura de 75 m, 54,43

GW e para a altura de 100 m o potencial de 115,19 GW, um acrscimo de 627% em

relao a medida realizada em 50 m de altura. O aumento expressivo de potencial de

acordo com o aumento da altura de medio ilustrado na Figura 2.5.

Figura 2.5 Variao do potencial elico estimado com a altura de medio

Atualmente, nota-se uma movimentao de alguns estados brasileiros, sobretudo os que

possuem territrio costeiro, em buscar mecanismos que viabilizem a incorporao de

usinas elicas na cadeia de gerao de energia eltrica. A maioria dos estados da regio

Nordeste, Sudeste e Sul j possui estudos, dados e mapas elicos consolidados, realizados

0

20

40

60

80

100

120

50m 75m 100m

Potencial(GW)

Altura(m)

7

independentemente, o que demonstra um posicionamento estratgico diferente do que

previsto no PDE 2008 2017 [MME, 2009].

Essa postura favorvel por parte dos estados tem gerado incentivos interessantes aos

empreendedores, como iseno de ICMS e outros impostos estaduais. Em contrapartida

aos incentivos aplicados, os estados esperam gerao de novos empregos advindos da

instalao de usinas e indstrias, desenvolvimento para as regies isoladas, que

coincidentemente, no caso do Nordeste, possuem grande potencial elico, e, no caso dos

estados carentes de recursos hdricos, diminuio da necessidade de importao de energia

de outras regies.

Outro ponto que tem se destacado como incentivo fonte elica, assim como a outras

fontes renovveis, o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL). Atravs desse

mecanismo apresentado no Anexo I do Protocolo de Kyoto, pode-se vender crditos de

carbono, obtidos atravs de redues certificadas de emisses de carbono (CERs), no

mercado internacional. A venda desses crditos aumenta a taxa interna de retorno dos

investimentos em energia renovvel, tornando-os economicamente mais competitivos.

8

3. ENERGIA ELICA

No incio de todo projeto de uma usina elica, de grande importncia o estudo sobre as

condies de vento. Nesse estudo, deve ser feita uma anlise das direes dos ventos, da

velocidade e da distribuio de frequncia dos ventos atravs de medies realizadas

utilizando torres anemomtricas.

3.1 CLASSIFICAO DOS VENTOS

Ao se estudar energia elica, logo se percebe a necessidade de compreender o

comportamento do vento. Isto se deve ao fato da potncia disponvel no vento ser

proporcional ao cubo da velocidade.

Uma das principais caractersticas do vento a sua variabilidade e a natureza de seu

comportamento estocstico. O vento varia no tempo e no espao. A meteorologia classifica

o movimento atmosfrico em quatro escalas de comprimento de acordo com a durao e

dimenses. Essas escalas esto representadas na Figura 3.1.

Figura 3.1 Classificao dos ventos [PEREIRA, 2009].

9

3.2 MASSAS DE AR

Grande parte da energia enviada pelo sol para Terra em forma de radiao penetra at a

superfcie terrestre. No entanto, apenas um pouco mais da metade absorvida pela Terra.

A outra parte da energia refletida para a atmosfera, chamada de radiao terrestre. H

ainda uma parte de energia absorvida pela Terra que transferida para atmosfera na forma

de calor por conduo e conveco, sendo a conduo limitada camada superficial de ar,

cerca de milmetros.

Como a radiao do Sol no uniforme, alguns locais possuem uma temperatura superior a

outros. Essa diferena de temperatura ir criar zonas de presses diferentes, ou gradientes

de presso horizontal e vertical. Estes por sua vez, so a causa do movimento das massas

de ar, principalmente o gradiente de presso horizontal.

3.3 CIRCULAO GERAL DOS VENTOS

A circulao geral dos ventos pode ser entendida a partir das Figuras 3.2 e 3.3:

Figura 3.2- Circulao geral dos ventos simplificada [CUSTDIO, 2009].

10

Figura 3.3- Circulao geral dos ventos na superfcie da Terra, suposta homognea

[PEREIRA, 2009].

No ano, a regio que recebe a maior intensidade de radiao solar a regio equatorial. Por

conta dessa diferena de temperatura h um movimento de ar do equador para os plos.

Esse movimento faz com que diminua a presso na regio equatorial e aumente na regio

polar, ocasionando assim o movimento de ar contrrio, dos plos para o equador.

A partir desse modelo, podemos definir trs clulas de circulao por hemisfrio, ilustradas

na Figura 3.3: clula tropical (clula de Hadley), clula temperada (clula de Ferrel) e

clula polar.

Na Figura 3.3, nota-se, prximo ao equador, o cinturo de calmarias. Essa regio

representa um local de baixa presso, na maior parte do tempo, devido forte incidncia de

radiao durante todo o ano. Nessa regio os ventos so fracos.

A fora de Coriolis, ou efeito de Coriolis, uma importante fora que atua nas massas de

ar. Ela provocada pela rotao da Terra e faz com que as massas de ar possuam uma

acelerao angular aparente.

O efeito que essa fora causa nas massas de ar o deslocamento circular, ou em espiral, ao

redor de centros de presso.

11

3.4 POTNCIA DO VENTO

Considere uma massa de ar m, com velocidade v, que flui atravs da rea A de varredura de

uma turbina, que apresenta formato de crculo. A energia cintica presente nessa massa de

ar dada por:

(3.1)

= Energia [ J ];

= Massa de ar [kg];

= Velocidade do vento [m/s].

A potncia dessa massa de ar dada pela derivada da energia em relao ao tempo:

(3.2)

P = Potncia [W];

= Fluxo de Energia [J/s];

= Fluxo de massa de ar [kg/s].

Sendo o fluxo de massa de ar dado por:

(3.3)

= massa especfica do ar [kg/m]

At = rea da seo transversal [m].

Substituindo a equao 3.2 na equao 3.3, a potncia disponvel no vento dada por:

(3.4)

Da equao 3.4, observa-se duas caractersticas muito importantes para a gerao de

energia eltrica a partir da energia elica. A primeira a relao da potncia com o cubo da

velocidade do vento. Assim, uma variao de 10% na velocidade do vento resulta em uma

variao de 33% na potncia disponvel. A Figura 3.4 ilustra a variao de potncia de

acordo com a velocidade:

12

Figura 3.4 Variao da potncia disponvel no vento de acordo com a velocidade do

vento.

A segunda caracterstica importante que a potncia disponvel no vento proporcional a

densidade de ar, . Esta por sua vez, funo da presso ambiente e da temperatura:

(3.5)

p = presso atmosfrica [Pa];

R = Constante do ar [287J/kg.K];

T = Temperatura ambiente [K];

Como a presso atmosfrica e a temperatura variam com a altitude, ento a densidade do ar

tambm varia e por consequncia a potncia disponvel no vento.

3.5 POTNCIA APROVEITVEL

A potncia dada pela equao 3.4 a potncia disponvel no vento. No entanto, nem toda a

energia cintica disponvel pode ser transferida para energia mecnica, ou seja, para o rotor

da turbina. Se toda a energia cintica fosse transformada em energia mecnica, toda a

massa de ar iria parar atrs da turbina. Isto no acontece.

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0,00

1,60

3,20

4,80

6,40

8,00

9,60

11,20

12,80

14,40

16,00

17,60

19,20

20,80

22,40

24,00

Den

sida

dedePo

tncia[kW/m

]

Velocidadedovento[m/s]

VariaodaPotnciacomavelocidadedovento

13

Quando a massa de ar flui pela turbina, parte de sua energia cintica transformada em

energia mecnica, e com isso a velocidade do vento diminui atrs das turbinas. O valor

mximo terico de potncia que pode ser extrado do vento foi descoberto por Betz, em

1926. O valor ficou conhecido como mximo de Betz ou coeficiente de Betz e equivale a

16/27 ou 59,3% da potncia disponvel. De forma prtica, a existncia da limitao bvia

j que, se toda a potncia disponvel fosse retirada, a velocidade do vento na sada das

turbinas seria nula.

A Figura 3.5 ilustra a mxima potncia disponvel e a mxima potncia possvel de ser

extrada do vento.

Figura 3.5- Representao da mxima potncia extravel do vento

3.6 ANLISE DA DISTRIBUIO DAS VELOCIDADES.

No dimensionamento de stios elicos, de grande importncia a medio da condio dos

ventos no local onde se pretende instalar a usina elica. E para o correto estudo do

potencial elico, a anlise probabilstica essencial.

Depois de feita a medio dos dados no local do stio onde se pretende instalar a usina,

divide-se os dados em faixas de velocidade, tipicamente faixas de 1 m/s, e analisa-se a

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0,00

1,60

3,20

4,80

6,40

8,00

9,60

11,20

12,80

14,40

16,00

17,60

19,20

20,80

22,40

24,00

Den

sida

dedePo

tncia[kW/m

]

Velocidadedovento[m/s]

Mximapotnciadisponvel LimitedeBetz

14

frequncia de ocorrncia das medies no intervalo de velocidades. A Figura 3.6 apresenta

um histograma tpico das frequncias de ocorrncia das velocidades para a altura de 113 m.

Figura 3.6 - Histograma das frequncias de ocorrncia das velocidades.

Dos dados medidos, calcula-se a velocidade mdia do local atravs da equao 3.6.

(3.6)

= Velocidade do vento medida [m/s];

n = nmero de registro [adimensional];

i = identificao do registro.

A frequncia de distribuio de velocidade pode ser representada por uma funo

densidade de probabilidade conhecida por funo de Weibull, f(v). Esta funo

representada por:

(3.7)

c = fator de escala [m/s];

k = fator de forma [adimensional].

A Figura 3.7 abaixo ilustra a funo de Weibull para valores de k e c especficos:

00,020,040,060,080,1

0,120,140,160,180,2

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Freq

uenc

ia d

e di

strib

ui

o(%

/100

)

Velocidade (m/s)

15

Figura 3.7 Funo de Weibull.

A partir da funo de Weibull, pode-se calcular a velocidade mdia:

(3.8)

O fator k representa a forma da curva, ou seja, a varincia dos dados em relao mdia. O

fator de escala c est relacionado com a velocidade mdia dos dados obtidos.

A funo de Weibull apresenta formas caractersticas de funes de densidade de

probabilidade conhecidas, dependendo do fator de forma, fator k. Alguns exemplos so

citados abaixo:

-k=1; Funo exponencial;

-k=2; Funo de Rayleigh;

-k=3,5; Funo Normal.

Em estudos preliminares, quando no se tem os dados das medies, apenas a velocidade

mdia, a funo de Rayleigh uma boa representao do perfil da velocidade. A funo de

distribuio de velocidades de Rayleigh dada por:

(3.9)

Deve-se verificar que a expresso de Rayleigh no obtida diretamente da substituio do

fator k por 2 na equao 3.7. A correspondncia entre as expresses de Weibull e Rayleigh

00,020,040,060,080,1

0,120,140,160,18

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Prob

abili

dade

Velocidade (m/s)

Distribuio de Weibull

16

no que diz respeito ao fator de forma k restringe-se apenas forma da curva caracterstica

de cada funo.

3.7.1 Determinao dos parmetros de Weibull

Para se obter a funo de Weibull necessrio definir o fator de escala, k, e o fator de

forma c. Existem vrios mtodos de obteno desses parmetros. O mtodo usado nesse

trabalho e que ser descrito abaixo o mtodo usando o desvio padro da velocidade

mdia e a funo Gamma, k .

A velocidade mdia do vento da funo de Weibull pode ser expressa por:

1 (3.10)

Da equao 3.11 encontra-se o fator de forma c: V (3.11)

O desvio padro dos dados do vento dado por:

(3.12)

O desvio padro tambm pode ser expresso em funo da funo Gamma:

1 1 (3.13)

Relacionando as expresses 3.10 e 3.13, temos a seguinte equao:

1 (3.14)

Dessa forma, supondo valores de k, em um processo iterativo, consegue-se traar uma

curva de /V em funo de k.

Para valores de k entre 1,4 e 3,9 [CUSTDIO, 2009], pode-se extrair da funo /V em

funo de k, atravs de ajuste da curva, a seguinte relao:

,

(3.15)

17

3.8 ANLISE DA DIREO DAS VELOCIDADES.

Ao realizar as medies, muito importante que alm de se medir a velocidade dos ventos,

seja medido tambm a direo dos ventos. A importncia dessa medio se tornar mais

clara na parte de dimensionamento da usina, na disposio dos aerogeradores.

A representao da direo dos ventos medida feita utilizando a rosa dos ventos dividida

em setores de 30. Nela, representa-se a predominncia da direo dos ventos em cada

setor. Na Figura 3.8 h um exemplo onde nota-se a predominncia de direo dos ventos

no setor entre 45 e 90:

Figura 3.8 Representao da direo dos ventos [AMARANTE, 2001].

18

4. TERRENO

No estudo de implantao de determinado parque elico, alm das caractersticas de

circulao de vento naquela regio, necessrio conhecer as caractersticas do terreno a ser

utilizado. Tanto as condies topogrficas (acidentes geogrficos), quanto as condies

orogrficas (nuances do relevo) influenciam sensivelmente no comportamento do vento e,

consequentemente, na produo de energia eltrica, alvo de qualquer empreendimento de

energia elica.

4.1 CAMADA LIMITE

O atrito do ar em movimento com a superfcie de determinado terreno provoca alteraes

no fluxo de ar acima dessa superfcie. Essas alteraes, contudo, decrescem com o

aumento da distncia da superfcie, chegando a um ponto em que no h mais influncia

notvel da superfcie sobre o fluxo de ventos, estado denominado de atmosfera livre.

O vento livre de influncia da superfcie da Terra chamado de vento geostrfico. A

circulao do vento geostrfico vem do eventual equilbrio entre a Fora de Coriolis

causada pela rotao terrestre e a fora advinda do gradiente de presso causado pelas

diferenas de temperatura do globo terrestre. A sistemtica de foras para formao do

vento geostrfico pode ser visto na Figura 4.1, em que Fco a fora de Coriolis, Fp a

fora resultante do gradiente de presso e V a velocidade do vento geostrfico resultante:

Figura 4.1 Balano de foras para formao do vento geostrfico.

Fonte: Garrad Hassan

19

No entanto, quanto maior a proximidade da superfcie terrestre, maior a fora de atrito

exercida pela superfcie sobre o vento, o que desequilibra o sistema de foras e resulta em

uma mudana de direo e intensidade do vetor de velocidade de circulao, resultando na

configurao exibida na Figura 4.2, em que Fco a fora de Coriolis, Fp a fora resultante

do gradiente de presso, Fa a fora de atrito exercida pela superfcie e V a velocidade

do vento geostrfico resultante.

Figura 4.2 Balano de foras para formao do vento prximo superfcie.

A alterao do vetor velocidade faz com que se forme uma zona de turbulncia prxima

superfcie terrestre. A esta zona turbulenta da troposfera d-se o nome de camada limite

atmosfrica.

A camada limite pode se estender de dezenas de metros a alguns quilmetros de altura,

variando de acordo com as caractersticas trmicas da regio [GLOSSARY OF

METEOROLOGY]. Dessa forma, o conhecimento da camada limite, que resulta no

conhecimento do comportamento do vento com a altura, essencial para o estudo de

implantao de turbinas elicas, visto que o estado da arte atual possibilita instalao de

turbinas em alturas entre 100 m e 150 m. A Figura 4.3 ilustra a forma da camada limite

atmosfrica.

20

Figura 4.3 Perfil da camada limite atmosfrica [PEREIRA, 2009].

O perfil vertical do vento, que descreve a camada limite, pode ser representado por dois

modelos, um exponencial e outro logartmico. A velocidade horizontal do vento de acordo

com o perfil logartmico descrita pela seguinte equao:

ln (4.1)

Em que:

= velocidade junto ao solo [m/s];

K = constante de Von Karman (0,38 a 0,41) [adimensional];

h = altura em relao ao solo [m];

= comprimento de rugosidade do solo [m].

A velocidade de atrito depende da tenso de cisalhamento da primeira camada de ar acima

do solo e da densidade do ar no local da medio.

21

O comprimento de rugosidade, , corresponde altura da camada superficial em que

pode-se considerar a velocidade do vento como nula [GLOSSARY OF METEOROLOGY].

Isto , a altura em relao ao solo em que se inicia a camada limite atmosfrica.

Da equao 4.1 pode-se obter a relao de velocidades em diferentes alturas, que pode ser

representada pela equao 4.2.:

(4.2)

Em que:

= velocidade horizontal no ponto 1[m/s];

= velocidade horizontal no ponto 2[m/s];

= altura do ponto 1 [m];

= altura no ponto 2 [m];

Da relao 4.2 pode-se, por exemplo, estimar a velocidade em determinada altura a partir

de uma medio efetivamente realizada em outras alturas.

Deve-se notar que tanto as expresses 4.1 e 4.2 dependem da rugosidade do terreno.

Portanto, depreende-se que as mesmas sejam adequadas somente para pequenas alturas,

cerca de 50 m a 150 m [CUSTDIO, 2009], em que o terreno tem influncia significativa

no fluxo de ventos.

Considerando o perfil vertical de vento na forma exponencial, o equivalente equao 4.2

pode ser representado pela equao 4.3:

(4.3)

Em que:

= expoente de camada limite que se ajuste curva (tipicamente entre 0,05 e 0,6)

[adimensional].

22

Por conta do perfil vertical do vento, os fatores de escala, c, e de forma, k, da funo de

Weibull sofrem alteraes. Essa variao com a altura pode ser determinada pelas

equaes 4.4 e 4.6:

(4.4)

, ,

, (4.5)

,

, (4.6)

Onde:

= fator de escala no ponto 1 [m/s];

= fator de escala no ponto 2 [m/s];

= fator de forma no ponto 1 [m];

= fator de forma no ponto 2 [m];

n = expoente utilizado na equao 4.4.

Deve-se notar que as expresses 4.3, 4.4 e 4.6 no dependem da rugosidade,

diferentemente das expresses 4.1 e 4.2. Isto significa que as expresses que determinam

os parmetros da funo de Weibull para diferentes alturas apresentam um bom resultado

apenas para lugares com poucos obstculos.

4.2 RUGOSIDADE

Entende-se por rugosidade de um terreno a influncia que a superfcie e os acidentes do

mesmo exercem sobre o fluxo de ar prximo ao solo [CUSTDIO, 2009].

Usualmente, mede-se a rugosidade atravs do comprimento de rugosidade da superfcie

( ), dado em unidade de comprimento. Na prtica, o comprimento de rugosidade consiste

na altura em que a velocidade do vento igual a zero, considerando que o vento tenha um

perfil vertical logaritmico [CUSTDIO, 2009].

23

H diversos mtodos meteorolgicos para obteno de . Um deles consiste na relao

emprica obtida por Lattau (1969), que pode ser descrita pela equao 4.7.

0,5 (4.7)

Em que:

h = altura do elemento de rugosidade [m];

S = Seo transversal, na direo do vento, do elemento de rugosidade [m];

A = rea horizontal mdia dos elementos de rugosidade uniformemente distribudos [m].

Devido dificuldade de obteno dos parmetros utilizados na equao 4.7, pode-se

utilizar, em estudos preliminares, valores tabelados de acordo com caractersticas bsicas

do terreno. A Tabela 4.1 apresenta valores de comprimento de rugosidade para diferentes

configuraes de terreno.

24

Tabela 4.1 Classes e comprimentos de rugosidade para diferentes terrenos. [TROEN,

1989]

Classe de

rugosidade

Comprimento de

rugosidade (m)

ndice de

energia (%) Tipo de terreno

0,0 0,0002 100 Superfcie da gua

0,5 0,0024 73 Terreno livre de obstculos com superfcie suave como concreto, pistas de aeroporto, grama baixa.

1,0 0,03 52 rea agrcola sem fendas, vales e prdios muito dispersos. Colinas arredondadas

1,5 0,055 45 rea agrcola com algumas casas e abrigos de 8 metros separados por distncia de aproximadamente 1250m.

2,0 0,1 39 rea agrcola com algumas casas e abrigos de 8 metros separados por distncia de aproximadamente 500m.

2,5 0,2 31 rea agrcola com muitas casas, arbustos e plantas, ou abrigos de 8 metros de altura com distncia de 250m.

3,0 0,4 24 Vilas, pequenas cidades, rea agrcola com muitos abrigos ou abrigos muito altos, florestas e terrenos muito complexos e rugosos.

3,5 0,8 18 Cidades maiores com grandes edifcios.

4,0 1,6 13 Cidades muito grandes com grandes edifcios e arranha-cus.

4.3 OBSTCULOS

A presena de obstculos em um stio onde se pretende instalar um parque elico deve ser

visto com muito cuidado pela dificuldade em se prever o efeito exato que tero sobre o

fluxo de vento.

25

Figura 4.4 Comportamento do vento antes e aps passagem por obstculo

A dificuldade em prever o comportamento do vento aps a passagem por um obstculo

encontra-se no fato desse comportamento depender de muitas variveis, muitas vezes

indisponveis sem um estudo aprofundado, o que onera ainda mais qualquer investimento a

ser feito no local.

Um dos efeitos mais indesejados para um parque elico consiste na formao de

sombras, que so esteiras de vento com baixa velocidade, o que pode prejudicar

drasticamente a eficincia do parque, devendo ser considerado este efeito para anlise de

Micrositing a ser feita adiante neste trabalho.

5. A

Conf

energ

eltri

home

otimi

eltri

5.1 C

De m

As m

aerog

AEROGER

forme foi v

gia cintica

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5.1 Perfil

na Figura

26

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e de sofistic

gerao de

a Figura 5.1

tes bsicas

ptura de

m energia

ida pelo

caes e

e energia

.

de um

27

1.Fundao: estrutura que sustenta o aerogerador. Geralmente de concreto ou ao

[CUSTDIO, 2009];

2. Conexo eltrica do aerogerador: ponto de ligao entre o aerogerador e a rede eltrica

disponvel;

3. Torre: a torre a estrutura que sustenta a parte de cima do aerogerador, elevando as

estruturas do mesmo at alturas que sejam mais convenientes gerao de energia eltrica;

4. Escada;

5. Base da nacelha: nos aerogeradores modernos pode ser equipada com motores que

movimentam a turbina na direo do vento. Este tipo de controle conhecido como yaw

control;

6. Nacelha: compartimento onde se localizam os equipamentos que ficam na parte de cima

do aerogerador como geradores, caixas de engrenagens e transformadores;

7. Gerador: onde ocorre, de fato, a gerao de energia no aerogerador;

8. Anemmetro: utilizado para monitorar velocidades e direes do vento com o fim de

acionar ou no os controles automticos presentes no aerogerador;

9. Caixa de engrenagens: o rotor do aerogerador gira lentamente. Porm, alguns geradores

necessitam de alta velocidade de rotao. A caixa de engrenagens serve para adequar a

velocidade de rotao da turbina do aerogerador com a velocidade de rotao do eixo do

gerador;

10. Eixo do rotor: transfere a rotao da turbina caixa de engrenagens;

11. P: estrutura responsvel por capturar a energia do vento atravs de seu perfil

aerodinmico. Os modelos de ps mais modernos so construdos em fibra de vidro;

12. Controle das ps: mecanismo de controle de ngulo de ataque da p. Esse mecanismo

de controle existe apenas em modelos de aerogeradores que possuem controle por pitch;

13. Rotor; parte girante do aerogerador.

5.2 AERODINMICA DOS AEROGERADORES

A captura e converso de energia cintica em mecnica so feitas pelo rotor do

aerogerador, mais especificamente atravs das ps ligadas ao rotor.

Porm, as ps devem ter um perfil especfico para que seja possvel que as mesmas

capturem a energia do vento, isto , girem. A aerodinmica de uma p segue o mesmo

28

princpio das asas de um avio, isto , deve haver uma fora de sustentao que faa com

que a p gire. A Figura 5.2 mostra o diagrama de foras presentes em uma p.

Figura 5.2 Diagrama de foras em uma p [MOLLY, 2009].

Em que,

v = velocidade do vento [m/s];

L = fora de sustentao [N];

= fora de arraste [N];

= fora aerodinmica resultante [N];

AC = centro aerodinmico;

= ngulo de ataque do vento [rad].

Ao passar pelo perfil de uma p, h uma alterao no vetor velocidade do vento que passa

por cima e por baixo da p. Conforme a segunda lei de Newton, essa alterao provoca o

surgimento de uma fora nos dois lados da p. Dessa forma, o sentido dessa fora

determinado de acordo com o gradiente de presso nos dois lados da p: se a velocidade

maior em cima, essa zona tem menor presso, portanto, a fora aponta de baixo para cima

da p e o equivalente ocorre para o caso oposto. A fora que surge desse balano de

presso chamada de fora de sustentao, que pode ser quantificada atravs da equao

5.1.

(5.1)

Em que,

L= Fora de sustentao [N]

29

= Densidade do ar [kg/m3]

V= Velocidade do vento [m/s]

Cs=Coeficiente de sustentao [adimensional]

A= rea da superfcie superior da p [m2]

Nota-se, ento, que a fora de sustentao varia com o quadrado da velocidade.

A fora de arraste, D, a fora que o vento exerce sobre a p na direo do vento. A soma

da fora de arraste com a fora de sustentao uma fora resultante que efetivamente a

responsvel pelo movimento da turbina, tambm conhecida como fora de empuxo. Neste

ponto, ocorre a transformao da energia cintica do vento em energia mecnica,

responsvel pela rotao do rotor. A eficincia dessa transformao obedece ao limiar

proposto por Betz, o chamado coeficiente de Betz, j citado no Captulo 3, item 6,

correspondente a 59,3%.

5.2.1 Fluxo de vento na p

De acordo com o ngulo de ataque do vento, de sua velocidade ou da rugosidade da p pela

qual o vento passa, existem diferentes perfis de fluxo de ar sobre a p.

O escoamento laminar corresponde ao perfil em que as correntes de fluxo encontrem-se

alinhadas e as partculas se movimentem ordenadamente, sem variar a posio relativa

entre as mesmas. Tal condio pode ser representada pela Figura 5.3.

Figura 5.3 Fluxo laminar de vento atravs da p [MOLLY, 2009].

Porm, de acordo com a velocidade, o ngulo de ataque e a rugosidade da p, pode ocorrer

um desordenamento entre as linhas de fluxo, o que acarreta em uma turbulncia nas faces

da p. Esse tipo de escoamento conhecido como escoamento turbulento e apresenta a

forma presente na Figura 5.4.

30

Figura 5.4 Fluxo turbulento de vento atravs da p [MOLLY, 2009].

Os diferentes perfis de escoamento acarretam em diferentes foras resultantes sobre as ps,

o que influencia de maneira decisiva no aproveitamento da velocidade do vento pela p.

5.3 CONTROLE DE POTNCIA DOS AEROGERADORES

Para que haja um melhor aproveitamento de potncia e segurana estrutural da turbina,

foram implementados sistemas de controle de potncia nas mesmas. Esses sistemas

garantem que a turbina opere dentro de uma faixa de velocidades para os quais a mesma

foi projetada.

Basicamente, existem sistemas ativos e passivos de controle de potncia de um

aerogerador.

5.3.1 Controle passivo de potncia (Estol)

O controle passivo de potncia, conhecido como controle por estol consiste em uma

utilizao do perfil aerodinmico da p para que a mesma seja freada quando o vento

atinge determinada velocidade.

Como foi descrito na Seo 5.2.1, ocorrem dois tipos de escoamento de vento sobre a p:

escoamento laminar e turbulento. No escoamento laminar mostrado na Figura 5.3, existe

um gradiente de presso provocado pela diferena de velocidade nas faces superior e

inferior da p que faz com que ocorra o surgimento de uma fora de sustentao para cima.

No caso do escoamento turbulento, a velocidade na parte superior da p diminui, o que

diminui a diferena de presso entre as faces, fazendo com que a fora de sustentao

diminua.

31

Quando no existe mais a fora de sustentao, no h movimentao do rotor, exceto por

inrcia. Deste modo, ao provocar a ocorrncia de um escoamento turbulento sobre a p,

pode-se diminuir a velocidade de rotao do rotor, mantendo-o sempre numa faixa

desejvel. baseado nessa ideia que funciona o controle por estol, puramente passivo.

O controle por estol foi largamente utilizado no comeo da implantao de turbinas elicas

para gerao de energia em grande escala e apresenta algumas vantagens como o baixo

preo, baixos custos de manuteno e autocontrole de potncia.

A principal desvantagem do controle por estol reside no fato de que h apenas uma

velocidade tima de operao em que a potncia da turbina se iguala a potncia nominal.

Antes e aps esta velocidade, a potncia da turbina menor do que a nominal, como o

ilustra a curva de potncia tpica de uma turbina com controle por estol disponvel na

Figura 5.5.

Figura 5.5 Curva de potncia de turbina com controle passivo de velocidade. Fonte:

Endurance Wind Power

5.3.2 Controle ativo de potncia (pitch)

O controle por passo um controle de sistema ativo que necessita de um sinal do

aerogerador. Este sistema de controle varia o ngulo de ataque, , de toda ou parte das ps

da turbina no eixo longitudinal fazendo com que a potncia de sada seja a melhor para

aquela velocidade de vento devido maior fora de sustentao.

32

A Figura 5.6 ilustra vrias curvas de potncia para diferentes ngulos de ataque para um

aerogerador de 500 kW, 40 m de dimetro com controle de potncia por passo, com

velocidade nominal de 33 rpm:

Figura 5.6- Curvas de potncia para diferentes ngulos de ataque para um aerogerador de

500 kW, 40 m de dimetro com controle de potncia por passo, com velocidade nominal

de 33 rpm [ACKERMANN, 2005].

Como se pode observar na Figura 5.6, para diferentes valores de potncia, o valor do

ngulo alterado para aumentar a fora de sustentao aumentando assim a potncia para

uma mesma velocidade do vento.

Por poder variar o ngulo de ataque, as turbinas com esse tipo de controle conseguem

produzir mais energia sob as mesmas condies do que outras que no possuem este tipo

de controle.

Outra vantagem do controle por passo o processo de parada de emergncia e o processo

de partida. Em altas velocidades do vento, a turbina precisa cessar o seu funcionamento

para que o aerogerador no se danifique devido aos altos esforos mecnicos. Para os

aerogeradores com controle de passo, basta mudar o ngulo de ataque, ou seja, usar o freio

aerodinmico. Para ter uma partida simples, muda-se o ngulo de passo para que a turbina

comece a gerar com ventos mais fracos.

33

Apesar dos aerogeradores com controle de passo produzirem mais energia, essa quantidade

a mais de energia no muito maior do que a energia produzida por aerogeradores com

controle por estol. Utilizando como base uma turbina com controle por estol de 500 kW,

40 metros de dimetro e 30 rpm, uma outra turbina idntica, apenas com controle de

potncia diferente, por passo, a diferena na energia produzida em torno de apenas 2%

[ACKERMANN, 2005], o que deve-se ao fato de que raramente ocorrem ventos acima da

velocidade nominal, regio de grande vantagem de gerao em sistemas que utilizam

controle por passo.

De toda forma, atualmente, existe uma clara predominncia de aerogeradores equipados

com controle por passo. A Figura 5.7 mostra a preferncia por controle de pitch em

aerogeradores de 1 MW, nos ltimos anos.

Figura 5.7 Relao de uso de controle pitch / uso de controle estol. Disponvel em

http://www.wind-energy-the-facts.org/en/part-i-technology/chapter-3-wind-turbine-

technology/technology-trends/pitch-versus-stall.html

5.4 CONTROLE DE FREQUNCIA DE AEROGERADOR

Para produzir energia eltrica para a rede, o aerogerador deve obedecer s condies

impostas pela mesma. Entre essas condies de suma importncia est a frequncia, que

padronizada, no Brasil, em 60 Hz.

34

A frequncia da energia gerada determinada pelo movimento do rotor do gerador de

energia eltrica. O rotor do gerador localizado dentro do aerogerador est ligado turbina.

Porm, o rotor da turbina tem seu giro influenciado pela velocidade do vento, grandeza

bastante imprevisvel e inconstante. Dessa forma, controlar a frequncia da energia gerada

exige mecanismos especiais e complexos para tal finalidade.

5.4.1 Aerogerador com velocidade constante

Esse modelo de aerogeradores equipado com motores de induo ligados diretamente a

rede e possui mxima eficincia em uma determinada velocidade do vento. Algumas

turbinas possuem duas configuraes de nmeros de plos, assim para velocidade de

ventos mais baixas teramos uma configurao com maior nmero de plos (8 plos) e

para velocidades mais elevadas teramos uma configurao com menor nmero de plos

(de 4 a 6 plos) [ACKERMANN, 2005].

O aerogerador com velocidade constante apresenta como vantagens ser robusto, simples,

de desempenho conhecido e bem aceito na rea da energia elica. Como sua construo

simples, o seu custo acaba sendo baixo. Entretanto, ele apresenta como desvantagens um

consumo sem controle de potncia reativa e na partida ele possui correntes muito altas,

algo em torno de 5 vezes a corrente nominal [MANWELL, 2002].

Esse modelo de aerogerador teve o auge do seu uso no incio da dcada de 90

[ACKERMANN, 2005]. Nos ltimos anos, os aerogeradores com velocidade varivel

ganhou espao no mercado, entre outros motivos, por reduzir o estresse mecnico que

ocorre na turbina com velocidade constante.

5.4.2 Aerogerador com velocidade varivel

Nos ltimos anos, os aerogeradores que operam com velocidade varivel tm sido

utilizados de forma dominante nas novas instalaes de gerao elica [ACKERMANN,

2005].

Para que a energia seja gerada em uma determinada frequncia, mesmo com variaes de

velocidade no gerador, aerogeradores deste tipo so conectados rede atravs de

35

conversores de frequncia. Ou seja, neste caso, o rotor do aerogerador gira de acordo com

a velocidade do vento, e no de acordo com a frequncia da rede.

A vantagem de o rotor poder girar de acordo com a velocidade do vento reside na

possibilidade de otimizao de extrao de potncia do vento. Esta otimizao obtida de

acordo com a conhecida curva Cp x das turbinas, em que Cp o coeficiente de potncia e

a tip speed ratio (tsr), dada pela equao 5.2.

/ (5.2)

Em que,

= velocidade de rotao da turbina[rad/s];

= raio do aerogerador [m].

A relao entre Cp e pode ser vista atravs da Figura 5.8.

Figura 5.8 Coeficiente de potncia (Cp) versus tip speed ratio () para diversos tipos de

cataventos. Fonte: windturbine-analysis.com

Como se pode observar na Figura 5.8, existem valores especficos de para os quais o

coeficiente de potncia mximo. Ou seja, o aproveitamento de potncia maior para

determinados valores de tip speed ratio.

36

Dessa forma, observando a equao 5.2, possvel concluir que, se a velocidade do rotor

varia com a velocidade do vento, possvel manter praticamente constante. Mantendo

este valor constante em um ponto da curva Cp x em que Cp seja o maior possvel faz

com que o aproveitamento de potncia do vento seja otimizado, o que resulta em uma

maior produo final de energia.

Alm disso, o desacoplamento entre a frequncia da rede e a velocidade de rotao do rotor

faz com que a carga mecnica sobre o rotor do gerador seja praticamente constante, o que

traz benefcios em relao durabilidade do mesmo [ACKERMANN, 2005].

Adicionalmente, a ligao do gerador rede via conversora de frequncia aumenta a

qualidade da energia entregue ao sistema.

Contudo, a presena de conversores de frequncia e outros dispositivos eletrnicos

encarece este tipo de aerogerador e aumenta os custos de manuteno, alm de aumentar o

peso e o tamanho de todo o conjunto utilizado na gerao, aumentando tambm as perdas

devido insero de mais componentes.

5.5 CONFIGURAES DE AEROGERADORES

Podemos classificar as turbinas elicas tambm em relao ao controle de velocidade e

potncia. A Figura 5.9 ilustra os 4 tipos de turbina elica de acordo com essa classificao:

37

Figura 5.9 Configuraes mais comuns de aerogeradores. [ACKERMANN, 2005]

O tipo A de aerogerador, ilustrado na Figura 5.9, possui um gerador de induo do tipo de

gaiola de esquilo e conectado diretamente a rede atravs de um transformador. Devido

caracterstica dos geradores assncronos de consumirem potncia reativa da rede,

necessrio que se tenha uma compensao de reativo prximo ao gerador. Alm do banco

de capacitores, essa configurao dos aerogeradores usa um componente de eletrnica de

potncia utilizando tiristores para controlar a corrente de partida que pode chegar a 5 vezes

a corrente nominal [MANWELL, 2002].

O banco de capacitores de grande importncia nessa configurao de geradores devido ao

fato de que os agentes distribuidores de energia penalizam consumidores industriais com

baixo fator de potncia. Sem os bancos de capacitores, a plena carga, a corrente de

38

magnetizao fornecida pela rede para o estator faz com que o fator de potncia seja baixo,

podendo assim ser penalizado pelos distribuidores de energia.

Outro problema causado pela falta de compensao de reativo a instabilidade do sistema

em casos de falta. Quando a falta ocorre, o rotor da turbina pode acelerar por instantes e

quando a falta eliminada o gerador de induo retira da rede eltrica uma grande

quantidade de potncia reativa, o que pode levar a problemas de subtenses.

A configurao do tipo B caracteriza aerogeradores de velocidade varivel limitados. Este

tipo de configurao utiliza um gerador de induo varivel com uma resistncia varivel

conectada aos enrolamentos do rotor. Essa configurao permite que a resistncia do rotor

seja alterada, o que faz com que o escorregamento seja controlado. Ao controlar o

escorregamento, controla-se a potncia de sada do gerador [ACKERMANN, 2005]. Esse

controle parcial de escorregamento faz com que seja possvel controlar uma faixa de

velocidades de rotao do rotor, vindo deste fato a limitao de variabilidade de

velocidades. O banco de capacitor utilizado para compensao de reativos. J o soft

starter utilizado para uma conexo mais suave com a rede, eliminando picos de tenso.

A configurao do tipo C semelhante B quanto variabilidade de velocidade. Porm,

este tipo pode controlar uma faixa maior de velocidades devido presena de um

conversor parcial de frequncia, que permite uma variao de -40% a +30% em relao

velocidade sncrona [ACKERMANN, 2005]. Nesta configurao utilizado um gerador de

induo duplamente alimentado, ou seja, que possui duas velocidades sncronas diferentes.

O conversor tambm funciona como compensador de reativos para o gerador, alm de

servir como soft starter.

O tipo D conhecido como aerogerador de velocidade varivel, seguindo nesse sentido a

lgica de que o mesmo no tem limitaes quanto variabilidade da velocidade. Para

tanto, utilizado um conversor de frequncia completo, que tambm fornece reativos e

serve como soft starter. Nesse tipo de configurao utilizado o gerador sncrono de plos

permanentes ou bobinados. A desvantagem desta configurao justamente a necessidade

de um conversor completo, que deve ter potncia compatvel com o gerador utilizado, o

que resulta em grandes e caros conversores de frequncia. A novidade neste tipo de

39

configurao a opo de existir ou no a caixa de engrenagens que liga a turbina ao rotor

do gerador.

40

6. DISPOSIO DOS AEROGERADORES EM UM PARQUE

ELICO

Para que um parque elico tenha a maior eficincia possvel, de suma importncia que os

melhores ventos de determinado stio sejam aproveitados. Desta forma, devem-se dispor os

aerogeradores dentro da rea do parque de modo que o aproveitamento dos ventos seja

otimizado.

6.1 VELOCIDADE DO VENTO ATRS DE UMA TURBINA ELICA

O aerogerador, conforme foi descrito, captura parte da energia cintica do vento. Sendo

assim, ao passar pelo aerogerador, o vento perde parte de sua energia cintica, o que

acarreta em uma perda de velocidade. Como a potncia disponvel no vento depende da

velocidade elevada a uma potncia de 3, uma diminuio na velocidade pode ter resultado

extremamente negativo sobre a potncia disponvel.

A regio que se localiza atrs da turbina, em que h diminuio da velocidade do vento

devido perda de energia cintica do vento, chamada de esteira, cujo efeito espacial pode

ser visto na Figura 6.1. Deve-se notar que o efeito de uma turbina no vento que passa por

ela no se restringe a alteraes no mdulo da velocidade do vento, mas tambm provoca

uma zona de turbulncia atrs da turbina, afinal, uma turbina um obstculo.

41

Figura 6.1 Efeito esteira aps aerogeradores em parque elico off-shore.

A velocidade atrs da turbina e a largura da esteira podem ser encontradas se as condies

aerodinmicas da turbina forem conhecidas. A Figura 6.2 representa graficamente o efeito

esteira sobre uma turbina.

Figura 6.2 Representao grfica do efeito esteira em um aerogerador

A velocidade do vento na esteira, , pode ser representada pela equao 6.1:

42

1 1 1 (6.1)

Em que,

= velocidade do vento antes da turbina [m/s];

= velocidade do vento na esteira [m/s];

= distncia da turbina ao local em que se deseja saber informaes da esteira [m];

= constante de perda da esteira [adimensional];

= coeficiente de empuxo da turbina [adimensional];

D = dimetro da turbina [m];

= dimetro da esteira [m];

A constante de perda depende da altura do rotor e da rugosidade do terreno, sendo dada

por:

,

(6.2)

Em que,

= constante de perda da turbina [adimensional];

h = altura em relao ao solo [m];

= comprimento de rugosidade do terreno [m].

J o coeficiente de empuxo, valor relacionado a caractersticas aerodinmicas, da turbina,

dado pela equao 6.3:

,

(6.3)

Em que,

= coeficiente de empuxo da turbina [adimensional];

= fora de empuxo [N];

= massa especfica do ar [kg/m];

v = velocidade do vento [m/s];

= rea varrida pelo rotor da turbina [m].

43

O coeficiente de empuxo tambm pode ser dado em funo do coeficiente de potncia da

turbina, informao comumente encontrada em catlogos de fabricantes:

0,5 1 1 (6.4)

Em que,

= coeficiente de potncia [adimensional];

= coeficiente de empuxo [adimensional].

Dessa forma, conhecendo os parmetros, possvel determinar a velocidade do vento na

esteira e, assim, decidir a respeito da disposio de turbinas em uma mesma fila. A Figura

6.3 apresenta um grfico que mostra a recuperao da velocidade na esteira, em relao

velocidade antes da turbina, tendo como unidade de distncia o dimetro da turbina. Alm

disso, tambm se pode observar a recuperao da potncia disponvel no vento, em relao

potncia disponvel antes da turbina.

Figura 6.3 Recuperao da velocidade do vento e da potncia disponvel ao longo da

esteira

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Taxaderecupe

raoda

potn

ciadispon

vel(%

)

Taxaderecupe

raode

velocidad

e(%

)

Distnciadaturbina(Emdimetros)

Recuperaodavelocidade Recuperaodapotnciadisponvel

44

Como se pode observar, a velocidade do vento em um ponto localizado atrs da turbina, a

uma distncia de 1 dimetro, tem cerca de 70% da velocidade do vento que chega na

turbina. Isso implica em uma reduo dramtica na potncia disponvel no vento, que fica

em torno de 35% da potncia disponvel antes da turbina.

Fator adicional que deve ser considerado nesse sentido que, como foi visto, o vento na

esteira, principalmente logo aps a turbina, bastante turbulento. Essa turbulncia,

conforme foi descrito, tem comportamento bastante incerto, o que pode provocar uma

grande variao na carga mecnica sobre as ps, o que pode comprometer a estrutura das

mesmas, diminuindo-lhes a vida til.

6.2 ARRANJOS DE AEROGERADORES EM UM PARQUE ELICO

Logicamente, existem muitos arranjos possveis de aerogeradores em um parque elico.

Porm, basicamente, os aerogeradores podem ser dispostos em uma nica fila, em vrias

filas, ou em posies sem espaamento simtrico.

Diversos fatores que fogem do escopo deste trabalho influenciam na escolha do arranjo por

parte do empreendedor como uma necessidade de determinada potncia mnima instalada,

fatores de custo-benefcio econmico financeiro, limitao de espao do parque gerador.

Desta forma, este trabalho tratar apenas das caractersticas tcnicas de cada arranjo.

Conceito importante na avaliao de disposio de um parque elico a eficincia do

mesmo. A eficincia de um parque pode ser obtida pela seguinte equao:

(6.5)

Em que,

= eficincia do parque elico [%]

= energia produzida por cada aerogerador dentro do parque [MWh];

= energia produzida por um aerogerador em condies de vento livre de

obstculos [MWh]

45

6.2.1 Arranjo em uma fila

O arranjo em uma nica fila, que pode ser visto na Figura 6.4, bastante utilizado em

regies de relevo plano, com poucos obstculos prximos ao parque. Nesse sentido, faz-se

o espaamento entre turbinas de modo que se tenha a menor influncia possvel de uma

turbina sobre o desempenho de outra, buscando minimizar o efeito esteira e alcanar a

melhor eficincia possvel do parque.

Porm, o cuidado que deve ser tomado neste arranjo que as turbinas, ao serem viradas

pelo controle de ngulo, o yaw control, no formem esteiras que deixem turbinas vizinhas

em condies desfavorveis de vento. Para isso, necessrio que se conhea o perfil de

direes do vento na regio.

Figura 6.4 Turbinas dispostas em uma nica linha

Desta forma, ao saber o ngulo mximo em que as turbinas se viram, pode-se estimar a

distncia necessria entre turbinas vizinhas para que nenhuma delas fique sob a esteira de

outras, pelo menos na maior parte do tempo.

O efeito da esteira sobre torres vizinhas ilustrado na Figura 6.5.

46

Figura 6.5 Efeito esteira sobre aerogeradores vizinhos

Exemplo de anlise de formao de esteiras sobre torres vizinhas ser feito no estudo de

caso a ser apresentado mais adiante.

6.2.2 Arranjo em vrias filas

O arranjo em vrias filas (Figura 6.6) tem como caracterstica a utilizao tima da rea

disponvel para o parque. Como a utilizao da rea maior, pode-se obter uma maior

capacidade instalada, porm, devido ao efeito das esteiras formadas pelos aerogeradores,

em geral, a eficincia menor do que a eficincia obtida com apenas uma fila de

aerogeradores.

Figura 6.6 Disposio em vrias filas

47

Contudo, se a rea do parque for grande o bastante para que se aplique um grande

espaamento entre os aerogeradores, a queda de eficincia pode ser contornada.

A utilizao deste arranjo tambm mais comum em reas com pouca rugosidade, sem

quebra-ventos prximos ao parque.

6.2.3 Arranjo definido pelo relevo

Em terrenos complexos, que possuem muitos obstculos, os aerogeradores devem ser

posicionados exatamente nas regies em que h ventos com maior velocidade. Para tanto,

deve ser feito um estudo detalhado do relevo para que se possa estimar corretamente a

velocidade do vento em cada ponto. Essa estimativa, bastante complexa, feita por

softwares especializados em micrositing, como, por exemplo, o Wind Farmer, da Garrad

Hassan.

Na Figura 6.7 possvel observar um arranjo de aerogeradores que definido pelo relevo

da regio, apresentando formaes assimtricas.

Figura 6.7 Disposio assimtrica de aerogeradores

48

7. ESTUDO DE CASO: PROJETO DE UM PARQUE ELICO NO

MUNICPIO DE CONDE

Neste Captulo, descreve-se o dimensionamento simplificado por etapas de um parque

elico a partir de dados anemomtricos j conhecidos disponveis em atlas elico. Neste

caso, ser utilizado o Atlas Elico do Estado da Bahia [AMARANTE, 2001].

Para o desenvolvimento de toda a anlise descrita no Captulo 7 foi elaborada uma planilha

de clculo contendo todos os conceitos apresentados nos captulos anteriores. A planilha

apresenta uma interface bastante amigvel, cabendo ao usurio inserir os dados de medio

dos ventos e os dados do stio em que se deseja realizar o estudo de estimativa de produo

de energia. Os dados dos aerogeradores so selecionados dentro de uma base de dados pr-

definida, em que o usurio deve apenas escolher um dos modelos disponveis. Os dados de

sada dessa planilha sero os resultados apresentados ao longo deste captulo. A planilha

est disponvel no seguinte endereo da internet: http://migre.me/bWV4 .

7.1 ATLAS ELICO DA BAHIA

O Atlas Elico do Estado da Bahia foi elaborado pela COELBA Companhia de

Eletricidade do Estado da Bahia, que desde 1994 comeou a fazer medies

anemomtricas para avaliar o potencial elico do estado. Em 2000, o projeto do Atlas

elico foi includo no programa de Pesquisa e Desenvolvimento da COELBA.

Este Atlas elico foi o escolhido para ser base deste trabalho devido relevncia dos dados

apresentados. Alm dos dados de medio das torres anemomtricas, como velocidade e

direo dos ventos, o Atlas contm ainda dados sobre o relevo e rugosidade do terreno do

Estado que so de grande relevncia para os clculos do projeto de um parque elico.

As medies anemomtricas realizadas foram feitas utilizando torres de 20m e 30m de

altura em 26 locais em todo o Estado. Os dados medidos foram: Velocidade do vento;

direo predominante; intensidade de turbulncia e gradiente de camada-limite.

49

Neste trabalho, usaremos os dados fornecidos no Atlas Elico do Estado da Bahia para

dois lugares: Conde, onde ser feito o estudo principal e Irec, local escolhido para estudo

comparativo.

Estes dois lugares demonstraram caractersticas favorveis para o aproveitamento elico,

apresentando reas essencialmente planas. Caso fossem considerados locais com

obstculos, a anlise se tornaria mais complexa e ainda seriam necessrios dados mais

completos a respeito do relevo de cada stio. A obteno de tais dados possui custo elevado

e demandaria um tempo que inviabilizaria a realizao deste estudo. Tais fatos justificam

uma anlise menos abrangente que, contudo, no apresenta menor consistncia se

considerados os objetivos do trabalho.

7.2 NALISE DOS DADOS ANEMOMTRICOS DO STIO

O Atlas Elico do Estado da Bahia foi realizado utilizando medies feitas em torres de 20

e 30 metros. No entanto, as torres dos aerogeradores so maiores do que as torres

anemomtricas utilizadas para fazer as medies.

Como foi dito no Capitulo 4, a velocidade do vento e os parmetros da funo de Weibull

variam com a altura. Sendo assim, para comear o estudo de um parque elico, devemos

calcular todos os parmetros para a altura da torre do aerogerador. Neste trabalho, ser

considerado para todos os clculos os dados de medio dos ventos e de rugosidade do

terreno da estao de Conde e os dados do aerogerador da ENERCON modelo E70. Os

dados dos ventos de terreno, assim como os dados do modelo E70 esto apresentados na

Tabela 7.1 e 7.2, respectivamente:

Tabela 7.1 Dados de medio do vento e de rugosidade na estao de Conde.

Velocidade

Mdia (m/s):

Altura da Torre

Anemomtrica (m):

Fator de forma

(k):

ngulo de maior

variao da direo

do vento (em )

Rugosidade

(z0)

5,98 20 3,09 60 0,03

50

Tabela 7.2 Dados do modelo do aerogerador E70 da ENERCON.

Modelo Potncia nominal

(kW):

Dimetro do Rotor

(m):

Altura da nacelha

(m):

E70 2300 70 113

Para o coeficiente de rugosidade utilizado, z0, o municpio de Conde est sendo

considerado como um lugar sem fendas, vales e com prdios espaados, como mostrado na

Tabela 4.1.

Como se pode observar, a altura da torre do aerogerador (113m) maior do que a altura da

torre anemomtrica (20m). Neste caso, devem-se extrapolar

projeto final de graduaÇÃo estudo...

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