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Energia Elica

Este captulo visa apresentar uma abordagem geral sobre energia elica e suas

caractersticas no Brasil e no mundo.

2.1

O Vento

Os ventos so causados, principalmente, pelo aquecimento desigual da superfcieda Terra pelo Sol, [5]. A regio prxima da linha do Equador recebe uma maior

incidncia de raios solares em relao s regies polares, originando os gradientes

de temperatura. O ar aquecido torna-se mais leve e menos denso e tende a subir

em direo aos plos. As regies prximas aos plos ficam com maior volume de

ar, criando uma diferena na presso atmosfrica (gradientes de presso),

impulsionando o ar frio para regies mais baixas em direo ao Equador.

O movimento do ar ao redor da Terra ameniza a temperatura extrema e produz

ventos na superfcie com constante transferncia de energia, no entanto, apenas

ventos das camadas atmosfricas mais baixas so acessveis para a converso em

energia elica.

2.2

Converso em Energia Elica

A forma mais antiga de utilizao dos ventos para a obteno de energia mecnica

ainda feita atravs de moinhos, cata-ventos e barcos a vela. Porm, atualmente, a

energia elica representa uma fonte alternativa e renovvel para gerao de

energia eltrica. A converso da energia cintica dos ventos em eletricidade feita

atravs de aerogeradores, que so constitudos, basicamente, por: turbina ou rotor

elico; sistemas integrados ou auxiliares, como o sistema de orientao, a caixa de

multiplicao de velocidade, e o sistema de segurana; e um gerador eltrico, [16].

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O rotor, responsvel por transformar a energia cintica em energia mecnica, o

primeiro estgio da converso. Os outros dois so: transmisso mecnica e

multiplicao de velocidade; e, por fim, o prprio gerador, responsvel por

converter a energia mecnica em energia eltrica.

O sistema de segurana, composto basicamente por freios, um sistema auxiliar

necessrio para controlar o giro da turbina em condies adversas de operao. O

regime de ventos no constante e a conexo da turbina rede eltrica pode

provocar oscilaes e sobre tenses.

A quantidade de eletricidade que pode ser gerada pelo vento depende de quatro

fatores: da quantidade de vento que passa pela hlice, do dimetro da hlice, da

dimenso do gerador e do rendimento de todo o sistema.

2.3

Fonte Elica

A quantidade de energia disponvel no vento varia de acordo com as estaes e os

horrios. A distribuio de frequncia de velocidade do vento influenciada por

efeitos locais como topografia e a rugosidade do solo. Alm disso, a quantidade de

energia elica extravel numa regio depende das caractersticas de desempenho,

altura de operao e espaamento horizontal dos sistemas de converso de energia

elica instalados.

2.4

Tipos de Aerogeradores

A principal forma de caracterizar um aerogerador quanto configurao do eixo

do rotor. Existem, basicamente, dois tipos de aerogeradores: com rotor de eixo

vertical ou com rotor de eixo horizontal, [32].

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2.4.1

Eixo Vertical

O primeiro moinho de vento desenvolvido utilizava o sistema de eixo vertical para

bombear gua. So geralmente mais baratos que os de eixo horizontal, e no

necessitam de um mecanismo de orientao em relao direo do vento

incidente, pois esto permanentemente alinhadas ao vento. Outra vantagem a

maior facilidade na instalao e manuteno, uma vez que a maioria dessas

turbinas tem seus equipamentos montados no solo. Mas isso significa uma rea

de base maior, e uma grande desvantagem em reas de cultivo.

Uma das maiores dificuldades montar turbinas de eixo vertical em torres, o que

significa que elas operam em altitudes mais baixas, recebendo o fluxo de ar

prximo ao solo com maior turbulncia. Por isso, devem operar em frequncia

mais lenta, resultando em menor eficincia de extrao energtica, [17].

2.4.1.1

Tipo Darrieus

Esta concepo de rotor elico foi desenvolvida pelo engenheiro francs Georges

J. M. Darrieus. Constitudos, normalmente, de duas ou trs ps em formato de

arco. Este tipo de turbina tem uma boa eficincia, mas produz grande oscilao de

torque2e estresse cclico na torre, o que contribui para a baixa confiabilidade. A

oscilao de torque pode ser reduzida com o uso de trs ou mais ps que resulta

em maior estabilidade para o rotor. Alm disso, como possui torque de partida

muito baixo, geralmente exige alguma fonte de alimentao externa, ou um rotorSavonius adicional. As turbinas tipo Darrieus mais recentes no so sustentadas

por fios, mas tm uma superestrutura externa conectada ao topo do suporte.

2O torque a contrapartida rotacional da fora. A fora tende a alterar o movimento, e o torque

tende a fazer girar ou a alterar o estado de rotao. Definimos o torque como o produto do braode alavanca pela fora que tende a produzir a rotao; onde o brao de alavanca a distncia entrea fora aplicada e o eixo de rotao, [26].

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Figura 2-1 Turbina elica vertical Darrieus.

Fonte: http://solar-wind-nature-energy.com/win_turbines_vt.html.

2.4.1.2

Tipo Savonius

Este aerogerador foi desenvolvido na Finlndia pelo engenheiro S. J. Savonius.

Apresenta torque de partida e , relativamente, de fcil construo, porm

apresenta velocidade de rotao reduzida e baixo rendimento, cerca de 15% de

eficincia. Este tipo de dispositivo com duas ou mais ps em forma de conchas

muito utilizado em anemmetros e sistemas de ventilao. Tais como, o ventiladorFlettner, que usa um rotor Savonius. Ainda fabricado e muito comum em nibus

e telhados.

Uma nova variedade de turbina tipo Savonius usa velas que podem abrir ou fechar

com as mudanas na velocidade do vento.PUC-Rio-CertificaoD

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Figura 2-2 Turbina elica vertical Savonius.

Fonte: http://solar-wind-nature-energy.com/win_turbines_vt.html.

A Turbina Elica-Solar baseada em engenharia vela e utiliza um rotor

Savonius coberto por clulas solares (ou clulas fotovoltaicas) capazes de

transformar a energia luminosa, proveniente do sol, em energia eltrica. Desse

modo, sol e vento podem produzir eletricidade simultaneamente, melhorando o

desempenho da turbina. Este mecanismo produz pouco ou nenhum rudo.

Figura 2-3 Turbina elica-solar vertical.

Fonte: http://solar-wind-nature-energy.com/win_turbines_vt.html.

2.4.1.3

Tipo Gorlov

Este modelo essencialmente uma turbina Darrieus em uma configurao

helicoidal, patenteado em 2001. Ele foi desenvolvido com o objetivo de

solucionar a maioria dos problemas do rotor original Darrieus. Esta turbina possui

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auto-partida, tem menor oscilao de torque, baixa vibrao e rudo, alm de

baixo estresse cclico. Pelo menos dois produtos de turbinas elicas verticais tipo

Gorlov j esto no mercado, incluindo a turbina elica Turby e a turbina elica

Quietrevolution. Essas empresas apostaram em turbinas discretas que apresentam

bons resultados em reas urbanas, podendo ser montadas no topo de edifcios,

precisam de pouca manuteno e menor investimento. J funcionam em algumas

lojas de varejo, departamentos governamentais, escolas e universidades. Este

mecanismo alcana at 35% de eficincia, um resultado bastante competitivo

entre as turbinas de eixo vertical.

Figura 2-4 Turbina elica vertical Gorlov.

Fonte: http://solar-wind-nature-energy.com/win_turbines_vt.html.

2.4.1.4

Tipo Giromil l

Tambm um subtipo de turbina Darrieus, onde as ps, originalmente curvas, so

substitudas por lminas retas verticais torre. Outra caracterstica desta turbina o Cycloturbine, que permite que cada lmina possa girar em torno de seu eixo

vertical. A principal vantagem deste projeto que o torque gerado permanece

quase constante ao longo de um amplo intervalo. Durante este intervalo, o torque

perto do mximo possvel. Embora apresentem menor rendimento que as

turbinas tipo Darrieus, as turbinas tipo Giromill possuem outras vantagens como o

alto torque de partida e maior eficincia em operaes com ventos turbulentos.

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de varredura do rotor para velocidades mais elevada. Rotores multips so apenas

usados quando se necessita de um grande torque de partida, porm implicam em

menor eficincia.

Figura 2-6 Turbinas elicas horizontais.

Fonte: Marques, 2004.

As turbinas de eixo horizontal ainda podem ser classificadas de acordo com a

posio do rotor em relao torre. Podem ser turbinas downwind, que possuem

uma inclinao na colocao das ps e recebem o vento por trs da turbina elica,

por isso no necessitam de um mecanismo de direcionamento. Entretanto, esta

configurao exige maior flexibilidade do rotor, gerando rudos audveis que

dificultam a autorizao e a aceitao deste tipo de turbina. Nas turbinas upwind,

o rotor elico montado antes da torre, ou seja, o vento incide primeiramente

sobre o rotor, e, portanto, necessrio controle ativo para orientao do rotor em

relao ao vento. O modelo upwind o mais utilizado, principalmente em turbinas

de grande porte.

Figura 2-7 Direo do vento em turbinas upwinde downwind.

Fonte: Marques, 2004.

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2.5

Aproveitamento El ico

O aproveitamento elico depende, principalmente, das caractersticas do

aerogerador e das caractersticas do local de instalao. O regime de ventos do

local deve ser avaliado a fim de determinar a posio que otimiza a quantidade de

energia produzida.

2.5.1

Caractersticas do Aerogerador

2.5.1.1

Curva de Potncia

A potncia de uma turbina elica varia com a velocidade do vento e cada turbina

elica tem uma curva caracterstica de desempenho de energia, [33]. Com essa

curva possvel prever a produo de energia de uma turbina elica, sem

considerar os detalhes tcnicos de seus vrios componentes. Assim, a curva de

potncia de uma turbina elica um grfico que indica a produo mxima de

energia eltrica em diferentes velocidades do vento. O grfico aponta trs pontos

importantes para anlise do desempenho da turbina: a velocidade mnima, a

velocidade nominal e a velocidade de corte.

(i) Velocidade mnima (Vm): a velocidade do vento em que a turbina

comea a gerar energia.

(ii) Velocidade nominal (Vn): a velocidade do vento em que a turbina

elica atinge sua energia nominal. Isso, muitas vezes, significa a suapotncia mxima.

(iii) Velocidade de corte (Vc): a velocidade do vento em que a turbina

elica desliga para evitar que a potncia do gerador trabalhe em nveis

prejudiciais.

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Figura 2-8 Diagrama tpico da curva de potncia de um gerador elico.

Fonte: Prpria.

Curvas de potncia so calculadas por meio de medies de campo, onde um

anemmetro colocado sobre um mastro razoavelmente perto da turbina de vento,

mas no na prpria turbina ou muito prximo a ele, j que o rotor da turbina pode

criar turbulncia e interferir na medio da velocidade do vento. Se a velocidade

do vento no oscila bruscamente, ento pode-se usar as medies a partir do

anemmetro e ler a sada de energia eltrica da turbina elica. O grfico ser

obtido a partir da combinao desses dois resultados, como na Figura 2-8.

2.5.1.2

Eficincia

A quantidade de potncia disponvel no vento que pode ser convertida em

potncia mecnica por uma turbina elica chamada de coeficiente de potncia

(cp), normalmente utilizado para comparar a eficincia de diferentes turbinas

elicas.

A quantidade da energia que o vento transfere para o rotor depender da

densidade do ar (), da rea de varredura do rotor (A) e do deslocamento de uma

massa de ar (m) a uma velocidade (v1). A potncia do vento (Pv) associada ao

deslocamento da massa de ar definida por, [12], [15]:

1

2

(2.1)

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Onde trepresenta o tempo. Como o fluxo de massa de ar que atravessa as ps do

rotor dado por:

(2.2)

Substituindo a Eq.((2.2) na Eq.((2.1), a potncia mecnica disponvel no vento ir

variar com o cubo da velocidade e pode ser dada pela seguinte equao:

12

(2.3)

Onde:

Pv= potncia mdia do vento em Watts (W);= densidade do ar seco = 1,225 kg/m3;

A= rea de varredurado rotor (m2);

v1= velocidade mdia do vento (m/s).

Se o local de instalao apresentar um regime de vento com o dobro de

velocidade, a potncia disponvel ser oito vezes maior. Logo, o valor da

velocidade do vento no local o fator mais relevante para o aproveitamento

elico. Contudo, a potncia disponvel no vento no pode ser inteiramente

recuperada pelo aerogerador, apenas uma frao da energia cintica do vento que

atravessa as ps da turbina pode ser convertida em energia mecnica no rotor.

A potncia que a turbina poder extrair do vento depender da velocidade que o

vento exerce dentro do mecanismo, v2, na Figura 2-9. Esta velocidade, v2, menor

que a velocidade do vento incidente nas ps, v1, pois a turbina interfere no fluxo

de ar e atua como um bloqueio. Aps passar pelo rotor, o vento turbulento e com

velocidade reduzida, v3.

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32

Figura 2-9 Perdas de velocidade do vento na turbina.

Fonte: Marques, 2004.

Logo, a potncia mecnica terica da turbina (Pt) dada por:

12

(2.4)

E o fluxo de massa de ar que atravessa as ps do rotor pode ser dado por:

(2.5)

Assumindo3que a velocidade do vento que atravessa as ps do rotor :

2 (2.6)

Substituindo a Eq.((2.6) na Eq.((2.5) e em seguida na Eq.((2.4), obtm-se a

seguinte equao para a potncia mecnica terica:

14

(2.7)

Finalmente, o coeficiente de potncia (cp), que caracteriza o nvel de rendimento

de uma turbina elica, uma medida adimensional e pode ser definido pela razo:

3

A relao entre as velocidades v1, v2e v3pode ser demonstrada pelo teorema de Rankine (1865)Froude (1885), desenvolvido para hlices martimas e utilizado em hlices por Betz (1920). Ver[28].

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(2.8)

A potncia extrada pela turbina terica (Pt), calculada anteriormente, no

considera as perdas mecnicas da operao. O verdadeiro valor da potncia

extrada do vento menor, assim como o coeficiente de potncia real da turbina e

pode ser corrigido:

, (2.9)

Onde representa o rendimento das perdas mecnicas e varia entre 0 e 1.

2.5.1.3

Rendimento de Betz

Extrair toda a potncia disponvel do vento significaria que a velocidade do vento

na sada da turbina seria igual a zero (v3=0), ou seja, a turbina agiria como uma

barreira, interrompendo o deslocamento da massa de ar (fluxo de massa de ar

nulo) e, consequentemente, implicaria em potncia nula. Por outro lado, se a

velocidade do vento incidente no se alterar na sada da turbina (v1= v3), ento,

novamente, a potncia extrada do vento ser nula. A velocidade referente

potncia mxima extrada um valor entre v1e v3, [36].

Teoricamente, quanto maior a potncia extrada pela turbina, menor ser a

velocidade do vento de sada, v3. No entanto, se v3diminui muito, pela Eq.((2.6), o

valor de v2 tambm diminui, reduzindo o fluxo de massa de ar e reduzindo a

potncia extrada pela turbina. Percebe-se, assim, que existe um limite mximo de

extrao da energia cintica disponvel no vento.

O limite de Betz indica o valor mximo do rendimento que o aerogerador pode

atingir. O coeficiente de potncia , 0,593 significa que somente 59,3% dapotncia disponvel no vento pode ser convertida em potncia mecnica por uma

turbina elica. Note que esta anlise independe do tipo de turbina, [33]. Na prtica

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as turbinas operam abaixo do limite de Betz, o coeficiente das turbinas com

melhor desempenho no mercado est entre 0,35 e 0,45.

2.5.2

Caractersticas do Local

A escolha do local depende da avaliao de alguns parmetros, porm o principal

fator a incidncia de ventos, a regio deve apresentar um bom potencial elico.

O estudo das caractersticas do local definir o aproveitamento da energia elica, e

pode ser dividido em algumas etapas: (i) estudo do terreno e sua influncia no

comportamento do vento; (ii) estudo do vento; (iii) estudo da disposio dos

aerogeradores e (iv) estudo da conexo das turbinas rede eltrica para produes

em larga escala. A anlise integrada desses efeitos servir de base para que

decises sejam tomadas em relao potncia do aerogerador, local de construo

e viabilidade comercial do projeto.

2.5.2.1

Terreno

As caractersticas do terreno tm grande influncia no regime de ventos. Terrenos

irregulares reduzem a velocidade do vento e causam turbulncia, por isso a

rugosidade da rea de instalao e do seu entorno, num raio de at 15 km, deve ser

baixa. O terreno tambm deve ser livre de obstculos como prdios, rvores,

plantaes e construes elevadas, pelo menos, a uma distncia de vinte vezes a

altura do objeto at o aerogerador, [11]. Obstculos mais distantes so

considerados como rugosidades. A regio tambm no deve apresentar condiesclimticas adversas capazes de danificar o aerogerador. Alm disso, deve-se

considerar a facilidade de acesso s turbinas para manuteno e transporte de

peas.

No caso de produes em larga escala, ainda deve-se observar a distncia da rede

eltrica, os acessos s subestaes e restries ambientais ou legais construo

de linhas para conexo.

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2.5.2.2

Perfi l de Velocidades

As medies de vento, realizadas em diferentes alturas e ao longo de toda a rea,

iro definir o perfil de comportamento do vento. O passo inicial de um projeto de

produo de energia elica o levantamento da velocidade mdia do vento, da

direo de incidncia predominante e da sua regularidade.

A velocidade do vento tem relao direta com a altitude. Quanto maior a altura,

maior ser a velocidade do vento. Essa relao assume forma exponencial, porm

sua funo depende do valor da velocidade do vento, da rugosidade da superfcie

do solo e do valor do gradiente de temperatura do ar junto ao solo.

Devido ao atrito entre o fluxo de massa de ar e a superfcie do solo, a velocidade

do vento nula junto ao solo. Por isso, se a regio apresentar alguma vegetao, a

velocidade ser nula na altura do topo das plantas ou pouco abaixo (u), conforme

Figura 2-10. Ainda observando a figura, o vento na regio com plantas s alcana

a mesma velocidade va uma altura superior (z+u).

Figura 2-10 Relao entre altura e velocidade do vento.

Fonte: Prpria.

2.5.2.3

Turbulncia

O levantamento da frequncia e da amplitude de turbulncias, que incidem no

local, so informaes igualmente importantes para um projeto de produo deenergia elica. A velocidade do vento varia bastante com o tempo e a turbulncia

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est relacionada intensidade dessas oscilaes, que constitui o estado de agitao

do ar. Uma variao brusca na velocidade do vento, geralmente acompanhada

por uma variao, igualmente brusca, na direo.

O aquecimento da superfcie pelo Sol e a rugosidade natural da superfcie

oferecem resistncia ao vento, gerando turbulncia (turbulncia mecnica). A

turbulncia mecnica maior sobre os continentes do que sobre os oceanos e

tende a diminuir com a altura. Em altitudes mais elevadas a amplitude e

frequncia das oscilaes de temperatura tambm so reduzidas. A medio do

vento sofre interferncia do efeito das turbulncias, portanto para melhorar a

qualidade das medies superfcie, devem ser coletados os valores mdios

correspondentes a um intervalo de dez minutos, [49].

Maior turbulncia representa maior risco de falha na operao das turbinas, pois

estas ficam sujeitas a uma maior flutuao de esforos. Alm disso, compromete o

aproveitamento elico, pois uma vez acionado o sistema de segurana, a rotao

das ps reduzida e o sistema eltrico do gerador pode ser desconectado da rede

eltrica.

2.5.3

Fator de Capacidade Elico

O fator de capacidade uma forma de avaliar o potencial elico da regio, e pode

ser interpretado como o percentual de aproveitamento, efetivo ou estimado, do

total da potncia mxima instalada. Portanto seu clculo depende das

caractersticas do aerogerador instalado e das caractersticas do local.

Alguns estados do Brasil, como Cear e Rio Grande do Norte, apresentam um

fator de capacidade elico entre 40% e 45%. Este considerado um timo

resultado, uma vez que, estudos sobre o potencial elico mostram que a mdia

mundial do fator de capacidade de 27%, [24].

Importante observar que a produo elica no mar (offshore) apresenta quase odobro do fator de capacidade da produo terrestre, podendo ultrapassar o valor de

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50%. Apesar de demandar maior investimento com equipamentos, instalao,

transmisso e manuteno, a produo offshore tem outras vantagens como a

localizao em rea plana, no ocupa espao em terra e no apresenta obstculos

circulao do vento.

O fator de capacidade diretamente influenciado por condies naturais que

precisam ser favorveis, tais como o perfil de velocidade do vento e a turbulncia

do local. A turbulncia deve ser baixa, possibilitando a instalao de turbinas

maiores com maior potncia de gerao. Outras condies favorveis podem ser

atingidas e aumentar o fator de capacidade mdio, como a otimizao da curva de

potncia da turbina. Essa prtica faria a turbina operar por mais tempo em

potncia tima, isso significaria produzir energia por mais tempo, com menor

estresse estrutural no equipamento e reduo de manuteno, (Figura 2-11).

Figura 2-11 Otimizao da curva de potncia.

Fonte: Prpria.

Avanos tecnolgicos tambm so responsveis pelo aumento do fator de

capacidade. Melhorias na qualidade do funcionamento do aerogerador garantem

melhor aproveitamento elico e reduo de perdas de energia.

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Em geral, o fator de capacidade expresso em termos de aproveitamento anual,

podendo tambm ser calculado para analisar outros intervalos de tempo (mensal

etc.). As equaes abaixo assumem medidas anuais.

A energia produzida em um ano por pode ser definida como:

(2.10)

Onde:

fi = frequncia anual de ocorrncia de uma velocidade de classe i;

Pi= potncia equivalente para velocidade de classe i(Watts);

t = intervalo de tempo entre as medies (horas).

O fator de capacidade (FC) de um determinado local definido como a razo

entre a energia produzida (ou estimada) durante um ano, e a energia que seria

produzida caso o aerogerador operasse em sua potncia nominal durante 100% do

tempo. O FC pode ser escrito como:

(2.11)

Onde:

Pnominal= potncia nominal do aerogerador (Watts);

T =perodo de anlise em horas = 8760 horas em um ano.

2.6

Conjuntura da Energia Elica

2.6.1

No Mundo

Pela primeira vez, em 2010, os maiores investimentos em gerao de energia

elica foram realizados em pases subdesenvolvidos e em economias emergentes,

[24]. A tecnologia envolvida na produo desta energia, at ento, era consideradamuito avanada e com preo elevado, vivel apenas em pases pertencentes

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OECD4. Porm, um grupo cada vez maior de pases tem assumido nova postura

no mercado e aumentado drasticamente seu conhecimento sobre a gerao de

energia elica. Essa mudana de atitude refora: a atratividade da energia elica; o

esforo em diversificar a matriz energtica do pas; a necessidade de melhorar a

segurana de abastecimento e suprir a crescente demanda; o interesse em reduzir

os custos nacionais com importaes dos combustveis fsseis a preos volteis.

Fatores ambientais tambm desempenham papel importante em muitos desses

novos mercados.

O crescimento da energia elica tem sido impulsionado principalmente pelo

desenvolvimento contnuo da China, que se tornou o pas com maior capacidade

elica instalada no mundo. O governo chins assumiu compromisso com o forte

desenvolvimento dos recursos elicos do pas, em parte motivado pela

necessidade de aumentar a sua capacidade de produo para sustentar uma

economia em crescimento e estimular o desenvolvimento econmico rural.

Esse compromisso poltico foi apoiado por polticas favorveis ao

desenvolvimento da energia elica, e isso resultou em um crescimento

excepcional no setor. Em 2009, a sua capacidade elica instalada mais do que

dobrou em comparao com 2008, e em 2010, os chineses adicionaram uma

capacidade recorde de 18,9 GW, totalizando 42,3 GW. A energia elica agora

representa quase um quinto de toda a capacidade de gerao de energia anual,

quase nivelada gerao de energia hidreltrica.

Alm dos benefcios ambientais e da maior segurana na oferta de energia, o

governo chins reconhece tambm a oportunidade econmica na construo deuma base slida de fabricao dos equipamentos para converso em energia

elica. Em 2009, na lista dos dez maiores fabricantes de turbina elica, trs eram

4OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) uma organizaointergovernamental de 34 pases que aceitam os princpios da democracia representativa e daeconomia de livre mercado. Os membros da OECD so economias de alta renda e alto ndice de

Desenvolvimento Humano (IDH), considerados pases desenvolvidos com exceo do Mxico,Chile e Turquia. Dentre seus participantes, 31 pases produzem juntos mais da metade de toda ariqueza do mundo. A OECD influencia a poltica econmica e social de seus membros, [40].

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chineses. Em 2010, a China representou 50,3% do mercado mundial de turbinas

elicas. Atualmente, a capacidade anual de produo , pelo menos, 30 GW.

Um quadro semelhante est surgindo na ndia, embora em menor escala. O pas

apresenta um rpido crescimento econmico e populacional, gerando demanda

crescente de energia. A escassez de eletricidade comum, e uma parte

significativa da populao no tem acesso energia eltrica. Por isso, muito

esforo est sendo empregado para que o fornecimento de energia acompanhe a

demanda. Como na China, o desenvolvimento de energia elica na ndia tem

estimulado a fabricao nacional, e a empresa indiana Suzlon agora lder global.

Na ndia, 17 empresas j fabricam equipamentos para converso em energia

elica, com uma capacidade de produo de 7,5 GW por ano.

Apesar do crescimento excepcional na China, o cenrio mundial apresentou uma

taxa de crescimento de 23,6%, a menor taxa de crescimento desde 2004, [50]. A

taxa de crescimento a relao entre a nova capacidade elica instalada e a

capacidade elica instalada em anos anteriores.

Figura 2-12 Capacidade total instalada de energia elica no mundo (MW).

Fonte: WWEA, 2011.

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Figura 2-13 Nova capacidade instalada de energia elica no mundo (MW).

Fonte: WWEA, 2011.

Figura 2-14 Taxa de crescimento elico mundial (%).

Fonte: WWEA, 2011.

A queda no nmero de novas instalaoes nos EUA cedeu a posio nmero um

China. Juntos, EUA e China, representam 43,2% da capacidade elica total. A

Alemanha, em terceiro lugar mundial, mantm a liderana na Europa.

Figura 2-15 Pases com maior capacidade total instalada (MW).

Fonte: WWEA, 2011.

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Um quadro diferente pode ser visto, quando analisamos a relao entre a

capacidade instalada e algumas importantes caractersticas do pas, como: rea,

populao e PIB. A Dinamarca lidera com a maior capacidade instalada nas trs

categorias.

Figura 2-16 Capacidade elica por rea (kW / km2).

Fonte: WWEA, 2011.

Figura 2-17 Capacidade elica por populao (kW / pessoa).

Fonte: WWEA, 2011.

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Figura 2-18 Capacidade elica por PIB (kW / milho US$).

Fonte: WWEA, 2011.

No final de 2010, todas as turbinas elicas instaladas no mundo podiam gerar o

equivalente a 2,5% do consumo global de eletricidade.

A sia apresentou maior parcela de novas instalaes (54,6%), seguida pela

Europa (27,0%) e Amrica do Norte (16,7%). Na Amrica Latina (1,2%) e frica

(0,4%), apesar do modesto incio na atividade, o desenvolvimento da energia

elica est cercado de elevada expectativa e com sinais concretos do grande

potencial de capacidade dessas regies.

A Amrica Latina possui abundncia em recursos elicos e considerada como

territrio principal para a implantao da energia elica. A regio est na

iminncia de desenvolver uma substancial indstria de energia elica para

complementar os seus ricos recursos naturais, nomeadamente no Brasil e no

Mxico.

2.6.2

No Brasil

Em 2001, o primeiro atlas elico brasileiro foi publicado com estimativas do

potencial de gerao de energia elica em torno de 143 GW a 50 metros de altura.

Em 2008 e 2009, novas medies realizadas em vrios estados a 80-100 metros de

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altura, indicaram que o verdadeiro potencial consideravelmente maior, em mais

de 350 GW, [24].

O Brasil ocupa uma posio privilegiada na lista dos pases com maior potencial

de produo de energia elica, devido sua excelente fonte de recursos naturais,

s grandes reas despovoadas e uma costa com 9.650 km. As maiores fontes de

recursos elicos esto na regio Norte/Nordeste do Brasil, e em particular nos

estados do Rio Grande do Norte, Cear, Pernambuco e Bahia. O Sul/Sudeste

tambm possui bons recursos elicos, especialmente nos estados do Rio Grande

do Sul e Santa Catarina.

A energia elica pode aliviar algumas preocupaes graves de segurana no

abastecimento de energia no Brasil. Por ser um pas alimentado, principalmente,

por energia hidreltrica, sofre cada vez mais com as flutuaes sazonais e os

perodos de escassez de gua.

Dentre os pases da Amrica Latina, a energia elica tem feito maior progresso no

Brasil. Em 2010, a produo elica brasileira adicionou 326 MW sua capacidade

instalada, totalizando 931 MW, o que representa um crescimento de 54,2% em

termos de capacidade total instalada, e um aumento de 23,8% em termos de nova

capacidade instalada.

O PROINFA (Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica)

foi institudo no Brasil em 2002, com o objetivo de aumentar a participao da

energia eltrica produzida por empreendimentos com base em fontes renovveis

de energia em especial a elica. O intuito promover a diversificao da matrizenergtica brasileira e a valorizao das caractersticas e potencialidades regionais

e locais. Todos os 14 projetos de energia elica instalados e conectados em 2010

eram projetos PROINFA. De modo geral, 40 parques elicos do PROINFA esto

agora em operao, totalizando pouco mais de 900 MW, enquanto outros 13

projetos (394,1 MW) ainda esto em construo, e a maioria destes esto

programados para serem conectados rede em meados de 2011. Apenas um

projeto PROINFA remanescente (135 MW) ainda no teve sua construoiniciada.

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A ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica), rgo regulador do sistema

eltrico brasileiro, promoveu o primeiro leilo de energia elica no pas, em

Dezembro de 2009, e resultou na contratao de 71 projetos elicos com

capacidade total de 1.800 MW. Os projetos contratados devero fornecer

eletricidade at 2012. Em Agosto de 2010, foram realizados dois novos leiles no

mesmo dia, o primeiro com 1.519 MW contratados e entrega em Janeiro de 2013

e o segundo com 538MW e entrega em Setembro de 2013.

No final de 2010, o Brasil havia contratado projetos, que totalizavam mais de

4.000 MW com entrega at 2013. Dois novos leiles j foram anunciados para

Junho de 2011. Assumindo que os projetos contratados em leiles sero

concludos de acordo com o cronograma, as perspectivas para a energia elica no

Brasil so bastante promissoras.

2.7

Literatura de Modelos de Previso

Dado o comportamento aleatrio do vento e suas grandes oscilaes,

principalmente, em curtos perodos de tempo, um sistema de previso de curto e

de longo prazo torna-se necessrio para o bom planejamento da operao. Este

item apresentar um resumo da literatura dos principais modelos de previso,

baseado nos artigos, [20] e [37].

Esto presentes na literatura, inmeros modelos de previso de curto prazo, e

poucos modelos de previso de longo prazo. Uma das maiores dificuldades, em

comparao previso de energia de fontes convencionais, lidar com avolatilidade do vento. Por esse motivo, os modelos mais bem sucedidos agregam

conhecimento fsico e estatstico.

Os modelos podem ser classificados como: (i) modelos de previso

meteorolgica, originalmente o NWP (Numerical Weather Prediction); (ii)

modelos puramente estatsticos; (iii) metodologias computacionais; e (iv) modelos

mistos. Os modelos meteorolgicos, normalmente so modelos fsicos e estimama velocidade do vento com base na avaliao das condies fsicas da regio.

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Quando apenas as medies de velocidade do vento esto disponveis, so

empregados modelos estatsticos e mtodos computacionais. As principais

tcnicas aplicadas so: anlise de sries temporais e inteligncia artificial. Esses

modelos, geralmente, tm boa preciso apenas nas primeiras horas previstas. Os

modelos mistos combinam as abordagens anteriores, seja usando o modelo

estatstico como correo dos erros remanescentes do modelo meteorolgico, ou,

alimentando o modelo estatstico com dados meteorolgicos, usualmente

empregando tcnicas recursivas. Por serem modelos de curto prazo, com

horizonte de previso de algumas horas, a conexo e transferncia de dados entre

os modelos deve ser quase instantnea.

O principal erro em um sistema de previso de curto prazo provm do modelo

NWP. Para contornar esta fonte de erro, so utilizadas combinaes de modelos

que podem conter mltiplos modelos NWP, ou outros modelos fsicos com

condies iniciais diferenciadas. Dentre as metodologias estocsticas mais

empregadas esto: diversas combinaes do modelo autoregressivo e mdia mvel

(ARMA); Algoritmo de Mnimos Quadrados Recursivo; Filtro de Kalman; Redes

Neurais; Lgica Fuzzy; Distribuio Weibull; Simulao de Monte Carlo.

Podem ser empregadas duas abordagens de modelos preditivos, um com o

objetivo de prever a energia elica a ser produzida e, o outro com o objetivo de

prever a velocidade do vento. O ltimo, com subsequente converso em energia

elica, conhecido como modelo em dois estgios. Uma comparao entre as

duas abordagens mostrou que o uso da velocidade do vento como varivel

explicativa, em modelos autoregressivos, teve melhores resultados em horizontes

de previso at 8-12 horas. Para maiores horizontes de previso, o uso davelocidade do vento no ofereceu nenhuma vantagem sobre o uso direto da

varivel energia elica.

O modelo em dois estgios inclui a etapa de converso da velocidade e direo do

vento em energia, que na maioria das vezes realizada atravs da curva de

potncia, e pode incluir tambm a soma das potncias das diferentes turbinas de

um parque elico. Por fim, um terceiro estgio pode ser acrescentado quando hnecessidade de prever a energia de todos os parques elicos da regio. Na prtica,

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algumas usinas representativas so escolhidas, seus dados so usados como base

de clculo e o resultado inferido ao conjunto.

2.7.1

Reviso dos Principais Modelos

Nem todos os modelos de previso de curto prazo envolvem todos os estgios,

como o caso do modelo Prediktor (1994), desenvolvido na Dinamarca, que no

utiliza as previses instantneas NWP, e sim, relaes fsicas para converter o

vento previsto em energia, porm tem sua preciso reduzida. Prediktor e WPPT

(Wind Power Prediction Tool, 1994) eram praticamente os nicos modelos no

mercado no incio dos anos 90.

O WPPT, tambm foi desenvolvido na Dinamarca, e baseia-se no uso do

algoritmo de mnimos quadrados recursivo e, aps algumas melhorias, atingiu um

horizonte de previso confivel para as prximas 39 horas. WPPT um sistema

de modelos de previso da energia total produzida em grandes regies. A sua

verso atual combina as medies instantneas de produo de energia de uma

determinada usina e tambm, as medies instantneas da regio; o histrico5da

produo de energia de uma usina e o histrico da regio; as previses

meteorolgicas NWP com cobertura de uma usina e com cobertura de toda a

regio; e um sistema com vrios modelos meteorolgicos. A combinao dos

modelos Prediktor e WPPT deu origem ao modelo Zephyr (2002). Atualmente, o

modelo Zephyr raramente usado.

Outro modelo que participou da fase inicial de desenvolvimento foi o EWind(1998), desenvolvido nos Estados Unidos. Este modelo introduziu previses

meteorolgicas com caractersticas e condies fsicas locais. O LocalPred &

RegioPred (2001), desenvolvido na Espanha, originalmente continha anlise

fatorial de componentes principais e inteligncia artificial nas previses NWP,

porm no obteve bons resultados devido dificuldade de prever o perfil do vento

5

Os primeiros modelos se preocupavam em prever informaes relevantes do vento para, depois,realizar a converso em energia. Atualmente, os dados histricos tm sido adicionados comovariveis do modelo.

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local em terrenos to complexos. Aps sucessivas pesquisas, a sua forma atual usa

a combinao de diversos modelos meteorolgicos como dados de entrada no

modelo NWP, em seguida utiliza tcnicas computacionais de aprendizagem para

gerao de cluster. A previso final calculada por um modelo que combina todas

as entradas individuais.

O Previento (2002) outro modelo de curto prazo, desenvolvido na Alemanha,

muito similar ao Prediktor. Esta verso adotou a leitura de previses

meteorolgicas, atravs dos modelos fsicos do Servio Meteorolgico Alemo

(DWD).

O sistema MORE-CARE (2002) surgiu com modelos mais avanados para

previso da energia produzida nas prximas 48-72 horas, e com utilizao de

dados instantneos NWP e SCADA6(Supervisory Control and Data Acquisition).

Esse sistema incorpora o uso de anlise de sries temporais para previses de

energia elica de curto prazo (at 10 horas adiante), em seguida, o modelo

alimentado com os dados NWP e SCADA, e atravs de Redes Neuro-Fuzzy,

calculam-se as previses de longo prazo, at 72 horas adiante. Para um

desempenho timo no horizonte de previso, usa-se uma combinao das

previses de curto e longo prazo. Na mesma poca outro modelo era

comercializado na Alemanha, o AWPT (Advanced Wind Power Prediction Tool,

2002), que usa os modelos de previso DWD e Redes Neurais. O AWPT compe

as etapas de previso de energia de curto e longo prazo do sistema WPMS (Wind

Power Management System). O sistema WPMS inclui: sistema de monitoramento

de produo de energia de usinas representativas; modelos que transformam as

produes de energia individuais em produes acumuladas para grandes regies;previses de curto prazo, prximas 1-8 horas; e previses de longo prazo, 1 dia a

frente.

O rpido crescimento da energia elica na Espanha foi acompanhado por novas

pesquisas e novos modelos. O Sprielico (2002), alm de dados meteorolgicos,

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SCADA geralmente se refere a sistemas de controle industrial. Neste contexto, so sistemascomputacionais que monitoram parques elicos desde a gerao, transmisso at a distribuio deenergia eltrica.

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recebe tambm dados SCADA, de 80% de todas as turbinas da Espanha, por hora.

Essas informaes so usadas em nove modelos, dependendo da disponibilidade

de dados. Todos os modelos so estimados usando algoritmo de mnimos

quadrados recursivo e Filtro de Kalman. Em seguida, uma nova abordagem

determina o fator de decaimento em cada modelo. Este fator define a memria do

processo, atravs da ponderao das observaes. Por fim, a previso do erro

feita atravs do mtodo de amortecimento exponencial EWMS (Exponentially

Weighted Mean Square) a partir dos resultados dos 18 modelos anteriores, e com

fator de decaimento correspondente a uma memria de 24 horas. O R2 deste

sistema para toda a Espanha maior que 0,6, com horizonte de previso de 36

horas. As previses meteorolgicas tm preciso bastante reduzida em algumas

reas da Espanha, devido irregularidade do territrio. OR2do modelo ultrapassa

0,9, quando utiliza medies reais de velocidade do vento no lugar de previses.

O WEPROG (Weather and Wind Energy PROGnosis, 2003), desenvolvido na

Irlanda, o primeiro e nico modelo (at 2010) a usar um sistema operacional de

previso especfico para cada local de operao. Isso significa que, a partir do

histrico de potncia de um determinado local, possvel desenvolver modelos

estatsticos para descobrir o lugar de origem desses dados. Para isso, as potncias

devem ser calculadas a partir de dados fsicos, ou podem ser obtidas em centros

fsicos confiveis. Este modelo tem mais de 900 parmetros meteorolgicos e

SCADA, e pode ser usado em todos os continentes, onde h parques elicos

instalados, exceto Amrica do Sul.

Na Espanha, surgiram outros modelos como o AleaWind (2004), o Scirocco

(2004), o Meteotemp (2004) e o Meteolgica (2004). O AleaWind um modelode Redes Neurais para previso combinado ao modelo sazonal autoregressivo

integrado de mdias mveis (SARIMA). O processo de aprendizagem das redes

acontece de forma contnua, atravs do recebimento instantneo de dados. O

Meteolgica um modelo com foco no planejamento da manuteno de

equipamentos, por isso as previses devem ser feitas para longos horizontes,

mesmo que isso signifique menor preciso. O modelo realiza a previso do vento

mdio em seis horas, com um horizonte de at 4 dias. Quando o modelo utiliza amdia diria do vento, a previso feita para 5-10 dias a frente. Este modelo

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permitiu uma economia de 3-5% no oramento de guindastes nos dois parques

elicos analisados.

O GH Forecaster (2004), desenvolvido no Reino Unido, usado na previso de

energia com aplicao, principalmente, em parques elicos localizados em

terrenos complexos. O modelo usa tcnicas de regresses multivariadas, com

caractersticas locais e dados geogrficos, para ajustar os dados NWP em

previses meteorolgicas mais especficas do local.

Em Portugal, foi desenvolvido o EPREV (Previso da Produo Elctrica de Base

Elica). Aps utilizar um modelo de converso de previses meteorolgicas em

energia, aplica-se um modelo autoregressivo (AR), e por fim Redes Neurais. O

projeto foi concludo em 2010 e testado em trs parques elicos. Assim como este

projeto, outros modelos ainda se encontram em fase de desenvolvimento e teste.

Muitos dos modelos citados ainda se encontram em operao, como por exemplo,

o EWind que opera em seis parques elicos da Europa; o projeto MORE-CARE

usado em partes da Grcia e Portugal; o Sprielico na Espanha; o WPPT no oeste

da Dinamarca; o Previento e o AWPT na Alemanha; entre outros. Na Califrnia e

Texas, operam os modelos EWind, Prediktor e AMIs WERF simultaneamente.

2.7.2

Consideraes Atuais

Os sistemas mais antigos de previso meteorolgica baseiam-se apenas em um

modelo de previso global projetado para prever padres climticos em grandeescala, como o caso do NWP, largamente utilizado na Europa. Atualmente,

existem vrios outros modelos com esta finalidade. Porm, o avano tecnolgico

dos ltimos anos, permitiu que os sistemas fsicos pudessem realizar previses

locais (em reas limitadas), incorporando caractersticas especficas para obter

melhores estimativas da velocidade do vento local. Surgiu, ento, mais um estgio

na cadeia de modelos: (1) modelos globais de previses meteorolgicas; (2)

refinamento das previses meteorolgicas para subreas, atravs de modeloslocais, e correo dos erros com modelos estatsticos; (3) converso da velocidade

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e direo do vento local em energia; e (4) inferncia das previses individuais

para toda a regio. A tendncia que os sistemas fsicos possam realizar

estimativas para subreas cada vez menores.

Desde os primeiros modelos desenvolvidos, foram registrados vrios progressos

em cada estgio do sistema de previso. A forma de avaliao mais comum da

preciso desses sistemas atravs do RMSE (Root Mean Square Error), que

atualmente, varia entre 10-15% da capacidade instalada para um horizonte de 36

horas. Nota-se que modelos so desenvolvidos para diferentes regies e com

diferentes aplicaes (terreno plano, terreno complexo, offshore), da a grande

dificuldade em comparar os sistemas de previso.

A grande quantidade de pesquisas realizadas nesta rea impulsiona grandes

avanos e, muitas vezes, revela novos desafios que exigem solues alternativas.

Como o caso das variaes atpicas na produo de energia em curtos perodos

de tempo, devido variabilidade do vento. Esses eventos so raros, mas

dificultam a gesto das redes eltricas. Podem ocorrer quando h queda na

velocidade do vento, com consequente queda de potncia; ou em situaes que a

turbina opera com vento em alta velocidade, pois um pequeno incremento pode

acionar o sistema de segurana da turbina e a potncia cair rapidamente. A

observao desses eventos deu origem a um novo ramo de aplicao de modelos

preditivos, [21], [37].

Empresas tradicionais como Siemens, ABB e Alstom mostram interesse crescente

no desenvolvimento de sistemas de previso integrados a sistemas de gesto de

energia e sistemas de controle (SCADA). A empresa Vestas, por exemplo, possuiforte conhecimento no campo de previso meteorolgica e lanou um aplicativo

de previso do tempo para o iPhone baseado em modelos de fabricao prpria.

As tecnologias de informao e comunicao so cada vez mais importantes na

integrao da ferramenta de previso de energia com o mercado. Outro aspecto,

igualmente importante, a integrao de ferramentas de tomada de deciso com o

usurio final, como por exemplo, mdulos de otimizao e logstica.

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