Análise do Potencial Eólico e Estimativa de Produção (Turbinas Eólicas)
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Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium – Araçatuba SP Estudo do potencial energético eólico para geração de energia elétrica descentralizada na Região Administrativa de Araçatuba no Oeste Paulista Angélica Luana Linhares Araçatuba – SP 2012
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Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium – Araçatuba SP
Estudo do potencial energético eólico para
geração de energia elétrica descentralizada na
Região Administrativa de Araçatuba no Oeste
Paulista
Angélica Luana Linhares
Araçatuba – SP
2012
Estudo do potencial energético eólico para
geração de energia elétrica descentralizada na
Região Administrativa de Araçatuba no Oeste
Paulista.
Trabalho de Conclusão de Curso de
Engenharia de Telecomunicações, sob
orientação Prof. Msc. José Vital Ferraz Leão e
co-orientador PhD. Miguel Edgar Morales
Udaeta no UniSALESIANO – Araçatuba
Araçatuba – SP
2012
LINHARES, Angélica L., – 2012
Estudo de potencial energético eólico para geração de energia elétrica
descentralizada na Região Administrativa de Araçatuba no Oeste Paulista
Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium Araçatuba/SP
Monografia (GRADUAÇÃO) UniSalesiano
1. Ondas eletromagnéticas
2. Energia eólica
3. Energia renovável
Estudo de potencial energético eólico para geração de energia elétrica
descentralizada na Região Administrativa de Araçatuba no Oeste Paulista
Acadêmico: Angélica Luana Linhares
Trabalho de Conclusão de Curso de
Engenharia de Telecomunicações, sob
orientação Prof. Msc. José Vital Ferraz Leão
co-orientador PhD. Miguel Edgar Morales
Udaeta no UniSALESIANO – Araçatuba
Prof. Msc. José Vital Ferraz Leão
Centro Universitário Católico Auxilium – UniSALESIANO
Data: 10/11/2012
Prof. José Fernando Zanon
Centro Universitário Católico Auxilium – UniSALESIANO
Data: 10/11/2012
Prof. Nelson Hitoshi Takiy
Centro Universitário Católico Auxilium – UniSALESIANO
Data: 10/11/2012
DEDICATÓRIA
A Deus, por tudo que me proporciona na vida.
Ao meu pai José Bonifacio e minha mãe Joana, os quais amo muito, pelo
exemplo de vida que sempre foram.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus em primeiro lugar, pelo fôlego de vida, pela fidelidade e
misericórdia renovadas dia a dia.
Agradeço aos meus pais pela paciência, investimento e amor dedicado a mim
durante toda caminhada acadêmica, onde sem o apoio deles não poderia ter conseguido
chegar até aqui.
Ao Profº Msc. José Vital Ferraz Leão, orientador, professor, amigo, um muito
obrigado pela dedicação e ajuda durante não somente este ano, mas nos anos anteriores,
como docente sempre presente.
Um muito obrigado ao co-orientador PhD. Miguel Edgar Morales Udaeta pelo
aprendizado, atenção, disposição, compreensão e profissionalismo desempenhado nesta
caminhada, sempre apostando e acreditando. Ao MSc. Eng. Jonathas Bernal pelas dicas
e conselhos durante esses anos. A Professora Simone pelas palavras de ânimo no
momento de mais tensão.
Um forte abraço aos meus amigos Alessandra Boito e Fabio Otero, e riqueza
Fernanda por todos os momentos partilhados, pela compreensão, pelo amor empregado
durante esses cinco anos de graduação. Agradecimento a amigos e mais amigos:
Keilita, Ana Carolina, Ana Claudia, Giovana e Adilson pelos momentos de
descontração que partilhamos em meio as minhas lutas acadêmicas. Aos amigos de
projetos Eduardo Fcamidu, Thais e Jorge pela cooperação, dedicação e por não
desistirem nunca, e persistirem em tudo, o muito obrigado.
A minha irmã Geisa pelos presentes dado, meus sobrinhos Pedro e pequeno
Miguel ainda em gestação.
A Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo por acreditar em
meu projeto de iniciação cientifica.
E finalmente, agradeço a todos que me ajudaram direto ou indiretamente para o
desenvolvimento deste projeto.
Um MUITO OBRIGADO a todos vocês!
“Apesar dos nossos defeitos, precisamos enxergar que somos
pérolas únicas no teatro da vida e entender que não existem
pessoas de sucesso e pessoas fracassadas. O que existem são pessoas
que lutam pelos seus sonhos ou desistem deles.”
Augusto Cury
RESUMO
Este projeto tem como objetivo discriminar e elucidar o uso da energia eólica de
maneira descentralizada, na Região Administrativa de Araçatuba, que conta com 43
municípios, fazendo um levantamento do potencial através da medição de velocidade do
vento e direção, de um sistema meteorológico que se encontra na cidade de Araçatuba, e
está vinculado ao projeto FAPESP nº 03/06441-7, fazendo uma inter-relação entre
transmissão e recepção dos dados coletados através de ondas eletromagnéticas, e
produzindo o tratamento dos dados, verificando qual o potencial eólico para geração de
energia elétrica, tanto em um sistema isolado como também em hibrido, para
proporcionar o desenvolvimento e a formação de conceitos das formas de conversão
desta fonte energética natural, visando o desenvolvimento sustentável desta região
devido à falta registros oficiais da utilização desta fonte para geração de energia elétrica
na região, tendo carência com relação a pesquisas cientificas e estudos.
Palavras-chaves: Ondas eletromagnéticas, energia eólica, energia renovável.
ABSTRACT
This project aims to distinguish and clarify the use of wind energy in a
decentralized way, in Araçatuba Administrative Region, which comprises 43
municipalities, making a survey of the potential by measuring wind speed and direction,
of a weather system that located in the city of Araçatuba, and is linked to FAPESP No.
03/06441-7, making an inter-relationship between transmission and reception of data
collected over the air waves, producing and processing of the data, verifying that the
potential for wind power generation electricity, both in an isolated system as well as in
hybrid, to provide development and training concepts of the forms of conversion of this
natural energy source, aiming at sustainable development of this region due to the lack
of official records use this source for power generation power in the region, having
shortage with respect to scientific research and studies.
Keywords: Electromagnetic waves, wind energy, renewable energy.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1. Perpendicularidade dos campos elétrico e magnético. Fonte: Deltateta.......... 19
Figura 2. Comprimento de onda e amplitude. Fonte: RIBEIRO, 2004. ......................... 21
Figura 3. Polarização. Fonte: RIBEIRO, 2004. .............................................................. 23
Figura 4. Propagação atmosfera. Fonte: Foto própria ..................................................... 26
Figura 5. Onda Celeste e Terrestre. Fonte: HUGUENIN, 2006. .................................... 26
Figura 6. Mapa eólico brasileiro. Fonte: Atlas Eólico Brasileiro, 2008. ........................ 40
Figura 7. Moinhos de vento na Pérsia. Fonte: CRESESB. ............................................ 42
Figura 8. Turbina eólica alemã Growian instalada em 1982. Fonte: CRESESB. ........... 45
Figura 9. Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar. Fonte:
CRESESB. ............................................................................................................... 51
Figura 10. Perfil do vento para diferentes comprimentos de rugosidade. Fonte: GOIS,
2009. ........................................................................................................................ 53
Figura 11. Fluxo de massa de ar. Fonte: Windpower. .................................................... 59
Figura 12. Exemplo de energia distribuída utilizando pequenos aerogeradores. Fonte:
Quietrevolution, 2010. ............................................................................................. 65
Figura 13. Torre com sistema meteorológico em Araçatuba, São Paulo. ....................... 67
Figura 14. Anemomêtro Met One 034B Wind. Fonte: Campbell Scientific. ................. 68
Figura 15. Antena Yagi 9 dBd ........................................................................................ 69
Figura 16. RF401/900 MHz, Campbell Scientific® ....................................................... 70
Figura 17. Gráfico de irradiação da antena Yagi. Fonte: PCTEL (2012). ...................... 71
Figura 18. Mapa Região Administrativa de Araçatuba ................................................... 72
Figura 19. Gráfico da média velocidade dos ventos - AVG ........................................... 76
Figura 20. Gráfico de Velocidade do vento classificado por estações do ano - Max. .... 77
Figura 21. Histograma Anual AVG - Ano 2011 ............................................................. 78
Figura 22. Gráfico das médias da velocidade do vento - Max ........................................ 78
Figura 23. Gráfico de Velocidade do vento classificado por estações do ano Max........ 80
Figura 24. Anormalidade mês de abril/2011 ................................................................... 82
Figura 25. Histograma Anual MAX - Ano 2011 ............................................................ 83
Figura 26. Média velocidade dos ventos - Estações do ano AVG .................................. 84
Figura 27. Média velocidade dos ventos - Estações do ano MAX ................................. 85
Figura 28. Gráfico da media desvio padrão mensal. ....................................................... 86
Figura 29. Histograma WS30 AVG - Setembro/2011 .................................................... 89
Figura 30. Histograma WS10 AVG - Setembro/2011 .................................................... 90
Figura 31. Histograma WS30 MAX - Setembro/2011.................................................... 90
Figura 32. Histograma WS10 MAX - Setembro/2011.................................................... 90
Figura 33. Incidência de ventos AVG - Set/2011 ........................................................... 91
Figura 34. Fator de forma k e fator de escala c da função Weibull ................................ 94
Figura 35. Potência Eólica .............................................................................................. 98
Figura 36. Interface do software EoluSoft. ................................................................... 101
LISTA DE ABREVIATURAS
A.C Antes de Cristo
BWE Bundesverband WindEnergie
CA Corrente Alternada
CC Corrente Continua
CEPEL Centro de Pesquisa de Energia Elétrica
CRESESB Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo
Brito
ELETROBRÁS Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
GD Geração Distribuída
GHz Giga Hertz
IEC International Electrotechnical Commission
IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
KW Kilo Watts
MW Mega Watts
MHz Mega Hertz
NUTEMA Núcleo Tecnológico de Energia e Meio Ambiente
OCDE Organização para Cooperação E Desenvolvimento Econômico
RAA Região Administrativa de Araçatuba
UHF Ultra High Frequency,
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Influência de fatores físicos e atmosféricos sobre a onda eletromagnética
Fonte: Huguenin, 2006. ........................................................................................... 28
Tabela 2. Espectro Eletromagnético. Fonte: Miguens, 2000. ......................................... 28
Tabela 3. Espectro Radiofrequência. Fonte: Miguens, 2000. ......................................... 30
Tabela 4. Classificação de aerogeradores de pequeno porte. Fonte: BWE
(Bundesverband WindEnergie e.V.) - Associação de Energia Eólica Alemã - 2010.
................................................................................................................................. 46
Tabela 5. Fator n para diferentes tipos de superfície Fonte: Irata, 1985 apud Dutra, 2007
................................................................................................................................. 55
Tabela 6. Valores de comprimento de rugosidade Fonte: Adaptado de Manwell et al
2004. ........................................................................................................................ 56
Tabela 7.Especificações Anemômetro Met One 034B Windset. Fonte: Adaptação
CampbellScientific................................................................................................... 68
Tabela 8.Especificação antena Yagi 9 dBd. Fonte: Adaptação Campbell Scientific. ..... 71
Tabela 10. Velocidade dos ventos mínima e máxima - Média AVG.............................. 76
Tabela 11. Média velocidade dos ventos mensais - AVG .............................................. 77
Tabela 12. Velocidade do ventos minima e maxima – Média MAX .............................. 79
Tabela 13. Média da velocidade dos ventos mensais - MAX ......................................... 79
Tabela 14. Registro de velocidade dos ventos nulo ........................................................ 81
Tabela 15. Correção do registro de velocidade dos ventos nulo ..................................... 83
Tabela 16. Desvio padrão classificados por estações do ano – AVG ............................. 86
Tabela 17. Desvio Padrão classificados por estações do ano - MAX ............................. 87
Tabela 18. Analise dos histogramas mensais .................................................................. 89
Tabela 19. Percentagem de velocidades dos ventos – WS30 AVG ................................ 92
Tabela 20. Percentagem de velocidade dos ventos - WS10 AVG .................................. 92
Tabela 21. Velocidade do vento - Função estatística Weibull ........................................ 94
Tabela 22. Lei da Potência .............................................................................................. 95
Tabela 23. Densidade de Potência .................................................................................. 97
Tabela 24. Densidade de potência - Estações do ano...................................................... 97
Tabela 25. Especificações aerogeradores Inclin ............................................................. 98
Tabela 26. Potência eólica............................................................................................... 99
Tabela 27. Média radiação solar global em kWh/m² .................................................... 101
Tabela 28. Consumo residencial básico rural ............................................................... 102
Tabela 29. Relação energia anual gerada e energia anual requerida. ............................ 103
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 17
Capítulo I ......................................................................................................................... 19
TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO ONDAS ELETROMAGNETICAS .......................... 19
1.1. Ondas eletromagnéticas .................................................................................... 19
1.2. Características da onda eletromagnética ........................................................... 20
1.2.1. Período e Comprimento de onda ............................................................... 20
1.2.2. Velocidade de propagação ........................................................................ 21
1.2.3. Frente de onda ........................................................................................... 22
1.2.4. Polarização ................................................................................................ 23
1.3. Equações de Maxwell ....................................................................................... 23
1.4. Propagação na atmosfera .................................................................................. 25
1.5. Antenas ............................................................................................................. 30
1.5.1. Tipos de antenas ........................................................................................ 30
1.5.2. Antenas Isotrópicas ................................................................................... 31
1.5.3. Antenas Omnidirecionais .......................................................................... 31
1.5.4. Antenas Diretivas ...................................................................................... 32
1.6. Intensidade de irradiação .................................................................................. 32
1.7. Diagrama de radiação ....................................................................................... 32
1.8. Eficiência da antena .......................................................................................... 33
1.9. Densidade de potência irradiada ....................................................................... 34
1.10. Irradiação e diretividade ............................................................................ 34
1.11. Ganho ........................................................................................................ 35
1.12. Recepção ................................................................................................... 36
1.13. Atenuação .................................................................................................. 36
Capítulo II ....................................................................................................................... 38
ENERGIA EÓLICA........................................................................................................ 38
2.1. Cenário do setor eólico ..................................................................................... 38
2.2. Potencial Brasileiro ........................................................................................... 39
2.3. Breve histórico da evolução de energia eólica .................................................. 40
2.3.1. Moinhos de ventos .................................................................................... 41
2.3.2. Aerogeradores ........................................................................................... 43
2.4. Tipos de aerogeradores para geração de energia elétrica de pequeno porte ..... 45
2.4.1. Rotores de Eixo horizontal ........................................................................ 46
2.4.2. Geradores Elétricos e Alternadores ........................................................... 46
2.4.2.1. Maquina de indução de rotor gaiola de esquilo ........................................ 47
2.4.2.2. Geradores síncronos .................................................................................. 47
2.4.3. Leme direcionador .................................................................................... 47
2.4.4. Torre .......................................................................................................... 48
2.4.5. Pás ............................................................................................................. 48
2.4.6. Inversores .................................................................................................. 48
2.5. Desempenho e rentabilidade das turbinas de pequeno porte ............................ 49
2.6. Recursos eólicos................................................................................................ 49
2.7. Modelos de circulação dos ventos .................................................................... 51
2.8. Variação no perfil vertical do vento .................................................................. 52
2.8.1. Obstáculos próximos ao local de medição ................................................ 52
2.8.2. Rugosidade do terreno............................................................................... 53
2.8.3. Orografia ................................................................................................... 53
2.9. Parâmetros que influenciam no perfil do vento ................................................ 54
2.10. Caracterização dos dados dos ventos ........................................................ 56
2.10.1. Velocidade media .................................................................................. 57
2.10.2. Desvio padrão ..................................................................................... 57
2.10.3. Densidade media de potencia ............................................................. 57
2.11. Estimativa do potencial eólico .................................................................. 58
2.12. Potencia extraída de um conversor eólico ................................................. 60
2.12.1. Potencia extraída do vento ........................................................................ 60
2.13. Distribuição de frequência do vento ......................................................... 63
2.14. Aplicação de energia eólica na geração de energia distribuída................. 64
2.15. Legislação ................................................................................................. 65
Capitulo III ...................................................................................................................... 67
ANALISE DOS RESULTADOS .................................................................................... 67
3. Analise de propagação do sinal e analise do potencial eólico ............................. 67
3.1. Sistema meteorológico ...................................................................................... 67
3.1.1. Anemômetro .............................................................................................. 68
3.2. Sistema de Transmissão .................................................................................... 69
3.2.1. Antena transmissão Yagi 9 dBd ................................................................ 70
3.2.1.1. Diagrama de irradiação Yagi 9 dBd .......................................................... 71
3.3. Análise do potencial eólico para aerogeradores de pequeno porte. .................. 71
3.4. Região Administrativa de Araçatuba ................................................................ 72
3.5. Análise do regime dos ventos ........................................................................... 73
3.5.1. Tratamento dos dados estatísticos ............................................................. 73
3.5.2. Media dos ventos ...................................................................................... 75
3.5.2.1. Velocidade do vento – Média Avg............................................................ 75
3.5.2.2. Velocidade do vento – Média máxima...................................................... 78
3.6. Variação conforme estações do ano .................................................................. 84
3.7. Desvio padrão da velocidade dos ventos. ......................................................... 85
3.8. Distribuição de frequência ................................................................................ 87
3.9. Distribuição de Weibull .................................................................................... 93
3.10. Lei da potência .......................................................................................... 95
3.11. Densidade de Potência do vento ............................................................... 96
3.12. Potência ..................................................................................................... 97
3.13. Analise do potencial eólico para geração de energia usando software
Eolusoft - Estação meteorológica em Araçatuba ................................................... 100
3.13.1. Software Eolusoft .................................................................................... 100
3.14. Contribuição da energia eólica em um sistema híbrido segundo médias na
estação meteorológica na cidade de Araçatuba. .................................................... 102
CONCLUSÃO ........................................................................................................... 104
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 105
17
INTRODUÇÃO
A questão energética é um dos temas mais discutidos e de grande importância na
atualidade. A qualidade de vida de uma sociedade esta extremamente ligada ao
consumo de energia. Com o desenvolvimento dos países emergentes, a demanda
energética tem crescimento exponencialmente, trazendo uma preocupação com relação
à política e planejamento energético. Dentre elas, a preocupação com a segurança no
suprimento de energia necessária para um desenvolvimento social e econômico de um
país e os custos causados ao meio ambiente para atender a demanda necessária.
A energia eólica tem ganhado mais espaço dentre as formas de geração de
energia devido o potencial brasileiro ser significativo, Acunha (2006) cita que ela pode
ser utilizada para conversão em energia elétrica em locais que possuam bons regimes de
vento, podendo ser utilizada de forma isolada ou conectada à rede elétrica local.
Segundo Fadigas (2011) pode se considerar que a área eólica é recente no país,
apenas a partir de 2002 o Brasil começou a olhar com outros olhos este recurso tão
abundante. A maior parte da energia eólica produzida no Brasil esta concentrada em
grandes parques eólicos espalhados pelo Brasil onde são esperados 3,4 GW em
operação para este ano, onde aerogeradores de até 100 metros de altura e com
capacidade de geração de energia que pode chegar a 5 MW.
Além destes super aerogeradores, vale lembrar nos pequenos aerogeradores que
podem chegar a produzir 100KW de potência em condições favoráveis de ventos, estão
chegam ao mercado brasileiro.
A RAA em estudo neste presente trabalho possui 43 municípios vastos em
recursos energéticos, onde o foco principal é a geração de energia descentralizada para
áreas rurais, que utilizam de energia elétrica para as atividades domesticas cotidiana
além de usar para irrigação de plantações diversas.
O presente trabalho aborda a analise de dados de medições da velocidade dos
ventos e direção coletados do sistema meteorológico instalado na cidade de Araçatuba
para geração de energia elétrica visando áreas rurais da RAA. O texto é constituído,
além desta introdução, de três capítulos e conclusão. No capítulo um é apresentada a
base para ondas eletromagnéticas e suas características além de sua propagação na
atmosfera, a temática de antenas também é explorada expressando os tipos e
características próprias.
18
No capítulo dois é descrito uma abordagem sobre energia eólica com breve
histórico, discriminando a forma de tratamento de dados para análise de potencial
eólico, além de mostrar as partes que formam um aerogerados de pequeno porte.
O capítulo três trata-se da análise dos resultados desenvolvidas para potencial
eólico visando áreas rurais, retratando o modo de tratamento para velocidade dos ventos
e a quantificação de energia gerada através de três tipos de aerogeradores.
Por fim, na conclusão é apresentada uma discussão dos resultados obtidos e
sugestões para trabalhos futuros.
19
Capítulo I
TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO ONDAS ELETROMAGNETICAS
1.1. Ondas eletromagnéticas
As ondas eletromagnéticas se formam a partir da propagação das variações
periódicas dos campos elétricos Ε e magnético Η, por meio da matéria ou do vácuo.
Elas se propagam no sentido perpendicular entre si e perpendicular ao sentido da
propagação da onda.
Figura 1. Perpendicularidade dos campos elétrico e magnético. Fonte: Deltateta
O desenvolvimento da teoria eletromagnética foi sintetizado por James Clerk
Maxwell, dando a mais significativa contribuição à ciência do eletromagnetismo. O que
lhe deu mais notoriedade foi à descoberta da natureza da luz. Segundo Hewitt (2008,
p.441) Maxwell descobriu que a luz é simplesmente radiação eletromagnética cuja
frequência cai dentro de uma faixa particular de frequências, de 4.3 x 1014
a 7 x 1014
20
vibrações por segundo. Essas ondas ativam as “antenas elétricas” que existem na retina
do olho. Maxwell percebeu simultaneamente que a radiação eletromagnética de
qualquer frequência se propaga com a rapidez da luz.
Onde a velocidade da luz c, as quantidades e , respectivamente
permissividade elétrica e permeabilidade magnética do vácuo, através de:
√
√ (
) 1.1
A primeira comprovação experimental foi realizada pelo alemão Heinrich Hertz
entre 1886 e 1889, ele conseguiu produzir ondas eletromagnéticas em laboratório, e
constatou que a velocidade de propagação é igual à velocidade da luz no vácuo, e ela
comporta-se semelhantemente a da luz, provando que estas possuem características de
reflexão, refração, difração e interferência iguais ao da luz. Confirmando assim que as
ondas da luz são radiações eletromagnéticas obedecendo às equações de Maxwell.
Estas equações proporcionam a base teórica do eletromagnetismo e com seu
emprego podem ser resolvidos os problemas de campos eletromagnéticos e de
irradiação. São elas: a Lei de Ampère para circuitos, o Teorema de Gauss para campos
elétricos, o Teorema de Gauss para campos magnéticos e a Lei de Faraday sobre a força
eletromotriz. A teoria de Maxwell facilita o cálculo da propagação eletromagnética.
(MIGUENS, 2000, p. 1226)
1.2. Características da onda eletromagnética
As ondas eletromagnéticas possuem características próprias das quais são de
suma importância para o entendimento de seu comportamento.
1.2.1. Período e Comprimento de onda
21
O período Τ de uma onda eletromagnética trata-se de um intervalo de tempo
existente para que os vetores de campo elétrico Ε e campo magnético Η dessa onda
voltem a se repetir. O período Τ é expresso por
( ) 1.2
Onde é a frequência da onda (numero de ciclos por segundo, em ).
O comprimento de onda λ é a distancia horizontal de crista a crista. Portanto a
distancia de pico a pico de uma onda senoidal. Com sua amplitude que vai do eixo de
equilíbrio a uma crista ou vale. Sendo expressa por
( ) 1.3
A Figura 2 ilustra o comprimento de onda e sua amplitude.
Figura 2. Comprimento de onda e amplitude. Fonte: RIBEIRO, 2004.
1.2.2. Velocidade de propagação
A velocidade de propagação depende do meio do qual ela se propaga e é
determinada por
√ ( ) 1.4
22
Onde é a permeabilidade do meio e é a permissividade do meio, sendo que
no vácuo é a mesmo que a velocidade da luz.
√
√ ⁄ 1.5
Em que ( ⁄ ) e
( ⁄ ). Em quaisquer
outros meios é especificado da permissividade relativa
⁄ e da permeabilidade relativa = ⁄ .
1.2.3. Frente de onda
Dada uma onda qualquer se propagando em um meio, denomina-se frente de
onda ou superfície equifásica, o lugar geométrico onde todos os pontos da onda
possuem a mesma fase. (RIBEIRO, 2004)
A frente de onda seria uma superfície imaginaria formada por pontos em que os
campos tem fase constante. Se, além da fase constante, os campos tem a mesma
magnitude em qualquer ponto da frente de onda, ela é uniforme. Nesse caso, os valores
máximos e mínimos dos vetores campo elétrico e campo magnético, ocorrem no mesmo
instante de tempo e são independentes do ponto de observação na frente de onda. Ondas
eletromagnéticas no espaço livre caminham como uma onda plana não uniforme.
(SOARES; SILVA, 2003)
Quando a escala de tempo é fixada, conclui-se que a projeção do vetor posição
de um ponto no espaço sobre direção de propagação da onda eletromagnética será
constante. Logo, de acordo com essa descrição, a frente de onda é um plano normal à
direção de propagação. Portanto o campo eletromagnético obtido pra um meio ilimitado
estabelece uma onda plana. E se em todos os pontos desse plano as amplitudes dos
campos elétrico e magnético forem constantes, conclui-se que será uma onda plana
uniforme.
23
1.2.4. Polarização
O campo elétrico e magnético de uma onda alterna-se no espaço e tempo, na
proporção que avançam em um meio. Em um plano normal a direção de propagação,
com uma distancia qualquer da origem da onda, sobre o qual serão projetados os valores
instantâneos do campo elétrico. Juntando nesse plano os pontos da extremidade do
vetor, obtém-se uma figura geométrica onde seu formato define a polarização da onda
eletromagnética como mostrado na Figura 3.
Figura 3. Polarização. Fonte: RIBEIRO, 2004.
Logo define-se de maneira simples que, a polarização de uma onda
eletromagnética é a direção do plano onde oscila o campo elétrico.
Se as sucessivas projeções resultarem em um segmento de reta, diz-se que a
onda possui uma polarização linear. Quando for uma circunferência de circulo, tem-se a
polarização circular e quando a figura for uma elipse, significa que a onda possui uma
polarização elíptica. (RIBEIRO, 2004)
1.3. Equações de Maxwell
24
Através das equações de Maxwell provou e modelou matematicamente a relação
entre a teoria elétrica e magnética, que em sua forma diferencial.
( ) 1.6
( ) 1.7
( ) 1.8
( ) 1.9
Sendo o campo magnético, o campo elétrico, o deslocamento elétrico, a
indução magnética, a condutividade do meio, a permissividade elétrica, a
permeabilidade magnética do meio e a densidade volumétrica.
A onda eletromagnética pode ter direções distintas de deslocamento, estando
sujeito às características de sua fonte e das propriedades do meio. O seu deslocamento é
conhecido por propagação e sustenta a transferência de energia eletromagnética de um
para outro meio. As equações de Maxwell asseguram que o inicio do processo pode ser
gerado por uma corrente elétrica que varia no tempo, como, por exemplo, a corrente
vinda de uma fonte alternada e circulando por um meio condutor qualquer. A onda
gerada terá a mesma frequência da corrente da fonte que a produziu e é uma situação
característica da irradiação produzida por uma antena que recebe sinal vindo de um
circuito eletrônico. Para caso particular de grandezas que variam harmonicamente no
tempo com uma frequência angular ω, as equações anteriores sofrem alterações. As
operações que abrangem derivadas no espaço mantêm as mesmas formas originais,
como rotacional e divergente. As operações com derivadas no tempo devem ser
reescritas substituindo o operador ⁄ pelo fator , sendo a unidade imaginaria nas
operações com grandezas complexas. As novas expressões serão:
( ) ( ) 1.10
( ) 1.11
( ) 1.12
( ) 1.13
25
Onde as letras maiúsculas indicam os fasores representativos das varias
grandezas associadas ao campo eletromagnético.
1.4. Propagação na atmosfera
O estudo da propagação de ondas eletromagnéticas considera principalmente as
propriedades e efeitos do meio real no qual as ondas caminham entre as antenas
transmissora e receptora. Como a atmosfera da terra não é uniforme, variando com a
altura e localização geográfica, ou mesmo com o tempo (dia, noite, estação, ano), a falta
de uniformidade influencia apreciavelmente a passagem das ondas eletromagnéticas
através dela. (SOARES; SILVA, 2003)
Para compreender como as ondas se propagam no espaço, convém conhecer a
composição da atmosfera terrestre e os fatores que a afetam. A atmosfera é dividida em
três camadas. A camada inferior é a troposfera, com uma altura de até 12 km. Sua
influência na propagação se dá por meio de atenuações devido a chuva, neve, vapor
d'água, etc. A camada intermediária é a estratosfera, que alcança uma altura de 50 km,
tendo efeito desprezível na propagação. A camada superior é a ionosfera, estendendo-se
até aproximadamente 400 km de altura em relação à superfície terrestre.
As ondas que se propagam na superfície da Terra são chamadas de ondas
terrestres. As ondas que são irradiadas, fazendo ângulo com a superfície terrestre, ou
seja, dirigidas para o céu, são denominadas de ondas celestes.
A Figura 4 ilustra a propagação na atmosfera terrestre.
26
Figura 4. Propagação atmosfera. Fonte: Foto própria
Ondas ionosfera ou ondas celestes existem dois modos principais de propagação
das ondas eletromagnéticas entre o transmissor e o receptor: a onda terrestre, que se
propaga diretamente do transmissor para o receptor, e a onda celeste, que caminha ate a
camada eletricamente condutora da atmosfera (a ionosfera) e é refletida de volta para a
terra. Comunicações em longas distâncias ocorrem principalmente por meio das ondas
celestes, e transmissões em curtas distancia e todas as comunicações em UHF ocorrem
por meio das ondas terrestres. (SOARES; SILVA, 2003)
Figura 5. Onda Celeste e Terrestre. Fonte: HUGUENIN, 2006.
27
Além das interferências produzidas pelo próprio equipamento, ou por uma fonte
externa, a propagação de ondas eletromagnéticas pela atmosfera terrestre submetesse
também a fenômenos como de refração, reflexão, difração, absorção e além da própria
atenuação já visto. Estes fenômenos são incutidos as ondas de maneiras diversas,
influenciando diretamente na qualidade do sinal propagado.
A refração é variação na direção de propagação da onda, na sua passagem
através de massas de ar distintos, influenciando diretamente na frequência da onda, ou
seja, ondas de maior frequência sofrem refração mais rapidamente.
Toda onda eletromagnética sofre reflexão ao encontrar obstáculos em sua
trajetória, sejam montanhas, prédios ou até mesmo a superfície terrestre e a chuva.
Ondas de baixa frequência tem grande poder de penetração e sofrem pouca
reflexão.
A difração, a absorção e a atenuação influenciam o alcance das ondas rádio.
Onda a difração é a perda de potência devido à onda passar junto a um obstáculo,
absorção sendo a perda de potência para o próprio ambiente que ela atravessa, e a
atenuação a diminuição da potência inversamente proporcional à distância percorrida
pela onda.
Fora estes fenômenos citados, temos ainda a influencia da Ionosfera, que é a
região da atmosfera terrestre onde encontramos um maior número de íons. Esta camada
tem influencia superior sobre ondas de baixa frequência, trazendo inclinação, alterando
suas trajetórias de volta a terra, aumentando o alcance destas ondas. As características
desta camada alteram-se conforme o período do dia e a atividade solar.
Existe uma característica importante para a transmissão de dados via rádio que é
a largura de banda. A largura de banda determina a quantidade máxima de informação
que uma onda pode transportar. Quanto maior for à frequência, mais alta será a taxa de
dados enviados.
Na Tabela 1, podemos visualizar a influência destes fatores nas ondas
eletromagnéticas, conforme a variação da frequência. Ressalta-se que esta tabela
apresenta a influencia de forma simplificada, e não estamos levando em consideração as
faixas de frequência em que os efeitos são maximizados ou minimizados.
(HUGUENIN, 2006)
28
Tabela 1. Influência de fatores físicos e atmosféricos sobre a onda eletromagnética Fonte:
Huguenin, 2006.
A largura de banda é a faixa de faixa de frequências do sinal que pode ser
transmitida com uma fidelidade razoável, medida em Hz. O conjunto das frequências
das radiações eletromagnéticas constitui o espectro eletromagnético.
A faixa das frequências apropriadas para utilização em transmissões de rádio é
denominada de espectro das ondas de rádio ou faixa de radiofrequências, estendendo- se
de 10 kHz (10.000 ciclos/segundo) a 300.000 MHz (300.000 megaciclos/segundo),
sendo, também, conhecida como Faixa de Rádio e de Micro-ondas (MIGUENS, 2000).
A Tabela 2 nos mostra as faixas espectro eletromagnéticos, e a Tabela 3 nos
mostra as faixas Radiofrequência e suas subdivisões.
Tabela 2. Espectro Eletromagnético. Fonte: Miguens, 2000.
Para facilidade de referência, o espectro das ondas de rádio é dividido nas oito
faixas de frequência antes descritas:
29
VLF – (Very Low Frequency = frequência muito baixa): nesta faixa estão
incluídas todas as frequências de radio menores que 30 kHz. A principal aplicação é a
navegação de longas distancias e comunicações submarinas.
LF – (Low Frequency = baixa frequência): nesta faixa estão incluídas todas as
frequências de 30 a 300 kHz. A principal aplicação navegação de longas distancias e
radio farol marítimo.
MF – (Medium frequency = media frequência): nessa faixa abrange as
frequências de 300 a 3000 kHz. A sua aplicação estende-se a Am comercial, radio
marítimo e frequências de emergências.
HF – (High frequency = alta frequência): essa faixa compreende a frequência de
3 MHz a 30 MHz. A aplicação dessa faixa é radio amador, comunicações militares,
broadcasting internacional, comunicações com aviões e navios em grandes distancias.
VHF – (Very high frequency = frequência muito alta): nesta faixa abrange-se as
frequências de 30 MHz a 300 MHz. É aplicada para comunicação televisão VHF, radio
FM, comunicação AM área e auxílio á navegação.
UHF – (Ultra high frequency = frequência ultra-alta): essa faixa de frequência
vai de 0,3 GHz a 3 GHz. Sua aplicação esta destinada a televisão UHF, radar, enlaces
microondas e auxilio á navegação.
SHF – (Super high frequency = frequência super alta): essa faixa abrange as
frequências de 3 GHz a 30 GHz, e é aplicada no uso de comunicação por satélite,
enlaces de microondas e auxilio a navegação.
EHF – (Extra high frequency = frequência extra alta): nesta faixa esta as
frequências que vão de 30 GHz a 300 GHz. A aplicação é para radar e satélite
experimental.
E a frequência mais alta que vai de 103
a 107
GHz, aplicada em comunicações
ópticas como infravermelho, luz visível e ultravioleta.
30
Tabela 3. Espectro Radiofrequência. Fonte: Miguens, 2000.
1.5. Antenas
Antena é qualquer dispositivo que irradia campos eletromagnéticos pelo espaço,
com os campos se originando a partir de uma fonte que alimenta a antena através de
uma linha de transmissão. Assim a antena serve como uma interface confinante e o
espaço quando usado como transmissor – ou entre o espaço e a linha quando usada
como um receptor. (HAYT, BUCK, 2003)
Heinrich Hertz construiu a primeira antena em meados de 1886. Ele estabeleceu
uma antena dipolo para o primeiro transmissor de radio e uma antena para o primeiro
receptor de radio. No entanto, uma diversidade de antenas vem sido projetadas.
1.5.1. Tipos de antenas
Os tipos de antenas são vários, toda antena desempenha um importante papel na
cadeia de sistemas de telecomunicações. É através delas que ocorre a transferência da
31
energia a partir do transmissor para meio onde se propagará a onda eletromagnética, e,
consequentemente daquele meio ao receptor. A eficácia do sistema de telecomunicações
depende do desempenho dos sistemas irradiantes ou de recepção a ele conectados, para
isso se desenvolveram diversos modelos de antenas, atendendo assim a necessidade da
comunicação.
1.5.2. Antenas Isotrópicas
Um irradiador isotrópico é um tipo de antena que tem como característica a
capacidade de irradiar igualmente em todas as direções. Seu diagrama de radiação é
uma esfera com centro na fonte.
A antena isotrópica é um modelo ideal e é bastante utilizada para cálculos de
engenharia devido a sua simplicidade. Os ganhos das antenas comercialmente vendidas
inclusive as utilizadas nos padrões IEEE 802.11(comunicação Wi-Fi) são geralmente
referenciadas ao irradiador isotrópico, como por exemplo, uma antena do padrão
802.11b que tenha um ganho de 6 dBi, significa que ele tem um ganho de 6 decibéis em
relação ao irradiador isotópico que tem ganho de 0 dB. (CAMPISTA, 2003).
1.5.3. Antenas Omnidirecionais
Apresentam maiores facilidades de uso porque não precisam ser direcionadas,
facilitando sua instalação. São usadas tanto nas estações base quanto nas placas de
acesso. Entretanto não funcionam bem para enlaces longos, a não ser que sejam
utilizados amplificadores externos que nem sempre são legalizados. Esse tipo de antena
é principalmente utilizado para broadcast, por isso é a mais utilizada em ambientes de
redes sem fio (CAMPISTA, 2003).
32
1.5.4. Antenas Diretivas
Concentram a energia de irradiação numa dada direção, é utilizada
principalmente em enlaces ponto a ponto. Possuem alcances bem maiores do que as
omnidirecionais com configuração de alto ganho. Se o uso de amplificador for
permitido a distância máxima é limitada pela linha de visada (CAMPISTA, 2003).
1.6. Intensidade de irradiação
A intensidade de radiação ou potencia radiada, em uma determinada direção e
definida como sendo a potencia radiada pela antena por unidade de angulo solido. Em
termos matemáticos, tem-se
( )
( ) 1.14
Sendo Ω é o ângulo solido e densidade potencia radiada pela antena
Onde a potência total irradiada é encontrada através da aplicação de uma
integral de linha de ( ) pela
∮ ( ) ( ) 1.15
E ângulo solido
∫ ∫
1.16
1.7. Diagrama de radiação
33
É um diagrama utilizado para visualizar a variação do modulo do campo elétrico
irradiado em diversas direções.
Normalmente utiliza-se um sistema de coordenadas esférico com a antena
posicionada na origem, pelo que o diagrama de radiação é uma função de r, θ e φ.
1.8. Eficiência da antena
Somando a energia que é irradiada pela antena, a potencia total pode ser
dissipada por diversos resultados: Resistência da antena e do solo; Descarga; Perdas em
dielétricos imperfeitos muito próximos a antena; Corrente em curto-circuito induzidas
em objetos metálicos do campo de indução da antena, exemplo cabos, fios ou outras
antenas.
A eficiência de uma antena é a razão entre a potência que lhe e entregue e a que
é convertida em radiação, ou seja:
1.17
é a potência aplicada aos terminais da antena e é a potência radiada (ou
transferida para o espaço livre), defini-se numericamente Eficiência de Radiação.
A energia irradiada pode ser considerada como absorvida por uma resistência de
radiação ( ).
1.18
1.19
Descrevendo como resistência de radiação, resistência de perdas,
intensidade de corrente.
34
Por ação das perdas apresentadas pela antena, deduz-se que sempre será menor
do que 1.
1.9. Densidade de potência irradiada
O mecanismo mais elementar de propagação de uma onda eletromagnética
corresponde à condição de espaço livre, onde nada afeta a trajetória da energia entre o
transmissor e o receptor. Obviamente, trata-se de uma condição idealizada, pois é
intuitivo concluir sobre os efeitos que o relevo do terreno, a vegetação, as construções
em áreas urbanas e suburbanas das cidades, podem causar na energia em propagação.
(SILVA, 2004)
Portanto se P for à potência irradiada por uma antena isotrópica, irradiando
igualmente em todas as direções, a densidade de potencia irradiada com distancia r será:
( ⁄ ) 1.20
Esta expressão revela-se em um ambiente desobstruído e sem perdas nenhuma.
1.10. Irradiação e diretividade
Para antenas reais sobreveem direções nas quais se tem uma maior densidade de
potência irradiada e outras direções, nas quais, essa grandeza admitem valores menores
tendo a nulos. Porem, para um irradiador real, prever-se que a densidade de potência
seja uma função da direção (θ,φ) no espaço onde a onda é emitida. Em vista disso, em
geral usa-se essa forma:
( ) ( ) 1.21
35
Onde ( )é a função espacial que descreve a distribuição de potencia e
é a máxima densidade de potência irradiada.
Pode-se representar esta função através de gráficos tridimensionais, chamada de
diagrama de irradiação. Comparando densidade máxima de potencia e a
densidade média irradiada, que é a densidade de potência da antena isotrópica, podemos
determinar a diretividade de uma antena, que define sua capacidade de concentrar a
energia irradiada numa determinada direção. Ou seja
⁄
( ) 1.22
1.11. Ganho
Uma consideração importante para irradiadores reais são as perdas, ou seja a
densidade real de potência irradiada é ligeiramente inferior a esperada em condições
ideais. A relação entre a densidade esperada e a densidade real define eficiência de
irradiação da antena. Quando divido a densidade máxima pela densidade media de
potência, temos o ganho da antena em relação à antena isotrópica. Então chamamos
de , escrevendo a partir da equação anterior temos
( ) 1.23
Conclui-se que uma antena de ganho irradiando uma potência P produz a
mesma densidade de potência máxima que uma antena isotrópica irradiando uma
potência. Por esta razão, o produto é conhecido como potência equivalente de
irradiada isotropicamente ou potencia equivalente de irradiação isotrópica, identificada
pela sigla EIRP. (RIBEIRO, 2004)
36
1.12. Recepção
Se uma onda eletromagnética incide em uma antena receptora, possuirá indução
de corrente elétrica e uma potencia é propagada nos terminais da linha de transmissão.
A ralação entra a potência desenvolvida e a densidade da onda incidente é chamada de
abertura efetiva da antena. Dada por
( ) 1.24
Onde é a densidade de potência que chega a antena e é a potência
desenvolvida nos terminais.
Ajustando a antena receptora para máxima potência desenvolvida em seus
terminais, esta relação alcança o valor máximo, conhecido como área efetiva da antena,
ou seja,
( ) 1.25
Quanto maior for a diretividade e o ganho da antena, maior será a densidade de
potência em uma determinada região. Simetricamente, a antena será também capaz de
captar maior potência para uma mesma densidade de potência incidente. Portanto,
quanto maior for a diretividade, maior será sua área efetiva. (RIBEIRO, 2004)
1.13. Atenuação
A propagação da onda direta no espaço livre pode ser considerada
principalmente em frequência elevadas (entre 30 MHz e 300 MHz). Entre essas faixas
do espectro eletromagnético, conseguem-se antenas de boa diretividade, torna possível
uma análise do caso mais simples, em que efeitos de reflexões tornam-se irrelevantes. A
37
equação que modela o fenômeno de transmissão em meios livres, também conhecida
como equação das telecomunicações ou fórmula de transmissão de Friis.
( ) 1.26
Onde é o ganho da transmissora em relação a isotrópica, potência da
transmissora isotrópica, área efetiva.
A atenuação devido á propagação no trajeto é dada pela razão entre a potencia
liberada pela antena transmissora e a potência na entrada do receptor.
1.27
Se ambas as antenas forem isotrópicas, tanto na transmissão como na recepção,
tem-se para atenuação no espaço livre,
( ) ( ) ( ) 1.28
Sendo potência recebida, é frequência em GHz e distância em metros.
38
Capítulo II
ENERGIA EÓLICA
2.1. Cenário do setor eólico
A questão energética é um dos tópicos de maior importância na atualidade. A
qualidade de vida de uma sociedade está intimamente ligada ao seu consumo de energia.
O crescimento da demanda energética mundial em razão da melhoria dos padrões de
vida nos países em desenvolvimento traz a preocupação com alguns aspectos essenciais
para a política e planejamento energético de todas as economias emergentes. Dentre
eles, podemos citar a segurança no suprimento de energia necessária para o
desenvolvimento social e econômico de um pais e os custos ambientais para atender a
esse aumento no consumo de energia. (GOLDEMBERG J, VILLANUEVA L.D., 2003)
O mercado mundial de energia eólica cresceu cerca de 6% em relação a 2010 e
40,5 GW de energia eólica nova colocada em linha em 2011 representa investimentos
de mais de € 50 bilhões (cerca de US $ 68 mil milhões). O novo total mundial no final
de 2011 é de 238 GW, o que representa crescimento de mercado acumulada de mais de
20%, uma taxa de crescimento excelente indústria, dado o clima econômico, mesmo que
seja menor do que a média dos últimos 10 anos, que é de cerca 28%. O Brasil está
começando a crescer, e junto com o México serão os mercados de maior crescimento
nos próximos anos (GWEC, 2012).
A inserção de recursos complementares na matriz energética de um paıs, com a
adoção de fontes renováveis, deve minimizar os impactos causados por crises
internacionais que afetam o mercado de combustíveis fosseis ou por instabilidades na
geração hidroelétrica em épocas de estiagem.
Em razão dos fatos expostos acima, a pesquisa cientıfica e o desenvolvimento
tecnológico vem recebendo grande incentivo em todo mundo.
Dentre as fontes energéticas renováveis, ditas “limpas” – fontes de energia que
não acarretam a emissão de gases do efeito estufa (GEE) – a energia mecânica contida
no vento vem se destacando e demonstra potencial para contribuir significativamente no
39
atendimento dos requisitos necessários quanto aos custos de produção, segurança de
fornecimento e sustentabilidade ambiental.
A experiência dos países líderes do setor de geração eólica mostra que o rápido
desenvolvimento da tecnologia e do mercado, que possui grandes implicações
socioeconômicas.
O desenvolvimento tecnológico fez com que a energia eólica pudesse ser
utilizada em bases competitivas numa ampla faixa de potência, de alguns kW (para
bombeamento de água, aquecimento e iluminação doméstica) até vários MW (para
irrigação em grande escala e geração de eletricidade para injeção na rede elétrica)
(SILVA, 1999)
2.2. Potencial Brasileiro
O Brasil é um país rico em recursos energéticos renováveis. Com a exceção da
energia geotérmica, cujo potencial é inexpressivo, e da energia hidráulica, que já é bem
explorada, fontes como solar, eólica, biomassa, oceânica e de hidrogênio, podem ser
exploradas em maior escala por meio de políticas de incentivo, no sentido de criar
condições para que essas fontes tenham uma maior participação na matriz energética, de
modo que o desenvolvimento do país ocorra de forma sustentável. (FADIGAS E. A. F.
A, 2011)
Apesar de existir muitos postos de coletas de dados meteorológicos no país,
atualmente faltam estações apropriadas para monitoramento eólico voltado para geração
elétrica. Uma tentativa de contornar este problema foi a divulgação do Atlas Eólico
Brasileiro. Com as informações do atlas, é possível ter uma noção prévia dos locais com
maior potencial eólico para geração (OLIVEIRA, 2011)
Estimativas constantes do Atlas do Potencial Eólico de 2001 (último estudo
realizado a respeito) apontam para um potencial de geração de energia eólica de 143 mil
MW no Brasil, volume superior à potência instalada total no país, de 105 mil MW em
novembro de 2008 (Atlas da energia Elétrica no Brasil, 2008).
O Atlas do Potencial Eólico Brasileiro cobre todo o território nacional. O seu
objetivo é fornecer informações para capacitar tomadores de decisão na identificação de
40
áreas adequadas para aproveitamentos eólio-elétricos (Atlas do Potencial eólico
Brasileiro, 2001). Ele é um forte indicativo da existência ou não de ventos, entretanto
ele pode conter erros em algumas regiões. Em média do Atlas apresenta um erro que
varia de 10% a 15% em velocidade, o que incorre em um erro de 20% a 35%, em
média, na energia (SILVA, 2006).
Pode ser usado em uma pré-identificação das melhores áreas para projetos de
aproveitamentos eólio-elétricos. O valor do potencial tem cálculos para aerogeradores
instalados a 50 metros de altura.
Segundo Atlas Eólico Brasileiro, mostrado na Figura 6 é observado o potencial
existente no Brasil.
Figura 6. Mapa eólico brasileiro. Fonte: Atlas Eólico Brasileiro, 2008.
2.3. Breve histórico da evolução de energia eólica
41
No começo do segundo milênio, as fontes energéticas como o vento, a água e a
lenha dominavam a produção de calor e de força motriz. Em épocas mais recentes, as
novas fontes – o carvão, o petróleo, o gás e o nuclear – substituíram estas fontes
tradicionais, em particular nos países que se foram industrializando.
O ressurgimento das energias renováveis dá-se a partir dos choques petrolíferos
da década de 70. E com a necessidade de assegurar a diversidade e segurança no
fornecimento de energia e, a obrigação de proteger o ambiente, cuja degradação é
acentuada pelo uso de combustíveis fósseis, motivou o renovado interesse pelas
renováveis.
A energia eólica é hoje em dia vista como uma das mais promissoras fontes de
energia renováveis, caracterizada por uma tecnologia madura baseada principalmente na
Europa e nos EUA. As turbinas eólicas, isoladas ou em pequenos grupos de quatro ou
cinco, e, cada vez mais, em parques eólicos com quarenta e cinquenta unidades, são um
elemento habitual da paisagem de muitos países europeus, nomeadamente a Alemanha,
Dinamarca, Holanda e, mais recentemente, o Reino Unido e a Espanha. Nos EUA, a
energia eólica desenvolveu-se principalmente na Califórnia (Altamont, Tehachapi e San
Gorgonio) com a instalação massiva de parques eólicos nos anos 80 (CASTRO, 2003).
2.3.1. Moinhos de ventos
Em um olhar para o passado, o uso da energia eólica não é recente. Antigamente
esse tipo de energia exercia um papel considerável no cotidiano das pessoas.
Não existe uma exatidão quando onde e quando a energia eólica começou a ser
usada. Especula-se que os moinhos de ventos foram usados no Egito, há
aproximadamente 3.000 anos, sendo que os povos mais desenvolvidos como os
egípcios, romano s e gregos realmente já conheciam os moinhos de ventos.
O primeiro registro histórico de utilização da força motriz do vento para
bombeamento de água e moagem de grãos através de cata-ventos remonta à
Pérsia(Iraque/Irã), conforme Figura 7, e por volta do ano 200 AC, sendo que máquinas
semelhantes têm sido utilizadas continuamente na Europa há muitos séculos.
42
Figura 7. Moinhos de vento na Pérsia. Fonte: CRESESB.
Os tradicionais moinhos de ventos de eixo horizontal provavelmente foram
inventados na Europa. A primeira informação documentada registra o seu aparecimento
no ano de 1180, em Duchy, Normandia. As maquinas primitivas de eixo vertical
persistiram até o século XII, quando os moinhos de vento de eixo horizontal do tipo
holandês começaram a ser usados em larga escala em vários países da Europa.
Na Holanda, entre os séculos XVII a XIX, o uso de moinhos de vento em grande
escala esteve amplamente relacionado com a drenagem de terras cobertas pelas águas.
Os moinhos de vento na Holanda tiveram uma grande variedade de aplicações.
O primeiro moinho de vento utilizado para a produção de óleos vegetais foi construído
em 1582. Com o surgimento da imprensa e o rápido crescimento da demanda por papel,
foi construído, em 1586, o primeiro moinho de vento para fabricação de papel. Ao fim
do século XVI, surgiram moinhos de vento para acionar serrarias para processar
madeiras provenientes do Mar Báltico. Em meados do século XIX, aproximadamente
9.000 moinhos de vento existiam em pleno funcionamento na Holanda. (WADE, 1979
apud CHESF-BRASCEP, 1987)
Já no início do século XX, existiam apenas 2.500 moinhos de ventos em
operação, caindo para menos de 1.000 no ano de 1960(CHESF-BRASCEP, 1987).
Preocupados com a extinção dos moinhos de vento pelo novo conceito imposto pela
Revolução Industrial, foi criada, em 1923, uma sociedade holandesa para conservação,
melhoria de desempenho e utilização mais efetiva dos moinhos holandeses. (CRESESB,
2008)
Acredita-se que desde a segunda metade do século XIX, mais de seis milhões de
cata-ventos já teriam sido fabricados e instalados somente nos Estados Unidos para o
43
bombeamento d’água em sedes de fazendas isoladas e para abastecimento de
bebedouros para o gado em pastagens extensas.
Os cata-ventos de múltiplas pás foram usados também em outras regiões como a
Austrália, Rússia, África e América Latina. O sistema se adaptou muito bem às
condições rurais tendo em vista suas características de fácil operação e manutenção.
Toda a estrutura era feita de metal e o sistema de bombeamento era feito por meio de
bombas e pistões, favorecidos pelo alto torque fornecido pela grande número de pás.
Até hoje esse sistema é largamente usado em várias partes do mundo para
bombeamento d’água. (CRESESB, 2008)
Na Dinamarca, em 1890, começou-se a utilizá-los para a produção de energia
elétrica. Em 1908, várias centenas de sistemas de conversão de energia eólica de 5 a 25
KW pontilhavam a Dinamarca. Esses cataventos, providos de rotores de pás
aerodinâmicas, generalizaram-se pelos Estados Unidos onde proveram energia elétrica
até os anos 30, quando o Ato de Eletrificação Rural americano os desativou, fornecendo
energia a preços mais baixos (ELETROBRÁS, 1977).
O interesse pela energia dos ventos reapareceu, na década de 70, por dois
motivos principais: a alta dos preços do petróleo nesse período e as dificuldades
encontradas na operação segura das centrais nucleares. Essas razões fizeram com que
muitos países se lançassem à procura de novas fontes de energia, como alternativas
viáveis às fontes tradicionalmente utilizadas. A energia eólica apresentou-se como uma
das mais viáveis e vários países formularam programas muito bem elaborados para o
aproveitamento racional dessa fonte de energia. (SILVA, P. C., 1999)
2.3.2. Aerogeradores
Com o avanço da rede elétrica foram feitas também no início do século XX
várias pesquisas para o aproveitamento da energia eólica em geração de grandes blocos
de energia. A primeira utilização de turbinas eólicas para a geração de energia elétrica
se deu no fim do século XIX, através de um aerogerador desenvolvido na Dinamarca
por LaCour e construído por Brush nos Estados Unidos. No ano de 1941 houve a
construção do aerogerador Smith-Putnam, o mais notável até então. Tratava-se de uma
44
máquina com diâmetro do rotor de 53m, uma torre de 35,6 m de altura e duas pás de aço
com 8 toneladas cada. Possuía um gerador síncrono de 1.250 KW com rotação
constante de 28 RPM, que funcionava em corrente alternada, conectada diretamente a
rede elétrica local.
Pouco antes de 1950, Andrea Enfield do Reino Unido, constrói um aerogerador
de 100KW cujo rotor apresentava 24m de diâmetro e design pneumático, pás ocas e
abertas na ponta. As pás eram usadas para retirar o ar através da torre onde outra turbina
acionava o gerador. Em 1956, na Dinamarca, Gedser constrói uma máquina de 200KW
e 24m de rotor. Em 1963 a empresa Electricité de France testava um aerogerador de
1,1MW e 35m de diâmetro do rotor. Entre os anos de 1950 e 1960, Hutter apresentava
uma inovação: aerogeradores leves. (GOIS, W. P., 2009)
Durante o período entre 1955 e 1968, a Alemanha construiu e operou um
aerogerador com o maior número de inovações tecnológicas na época. Os avanços
tecnológicos desse modelo persistem até hoje na concepção dos modelos atuais,
mostrando o seu sucesso de operação. Tratava-se de um aerogerador de 34 metros de
diâmetro operando com potência de 100KW, a ventos de 8m/s (HÜTTER, 1973, apud
DIVONE, 1994). Esse aerogerador possuía rotor leve em materiais compostos, duas pás
a jusante da torre, sistema de orientação amortecida por rotores laterais e torre de tubos
estaiada; operou por mais de 4.000 horas entre 1957 e 1968. As pás, por serem feitas de
materiais compostos, aliviaram os esforços em rolamentos, diminuindo assim os
problemas de fadiga. Essa inovação mostrou ser muito mais eficiente comparada aos
modelos até então feitos de metais. Em 1968, quando o modelo foi desmontado e o
projeto encerrado por falta de verba, as pás do aerogerador apresentavam perfeitas
condições de uso (DIVONE, 1994). (CRESESP, 2008)
Na década de 1970 a economia mundial ficou severamente afetada devido às
crises do petróleo provocadas pelas altas sucessivas no preço desse combustível.
A partir de 1974 com a proposta feita pelos países membros da Organização para
Cooperação E Desenvolvimento Econômico (OCDE) algumas diretivas foram
elaboradas para uma diminuição de consumo do petróleo em abastecimento de vários
países, tendo três objetivos gerais:
Diversificar as fontes de importação do petróleo
Substituir o petróleo por outras fontes de energia
Utilizar energia de forma mais racional
45
Estudos sobre turbinas na faixa de megawatts (MW) de potencia foram
impulsionados no final da década de 70, tendo primeiro projeto instalado em 1979 nos
Estados Unidos da America nas montanhas de Boone, Carolina do Norte.
Pesquisas com turbinas eólicas de eixo vertical foram iniciados no Centro de
Pesquisa Langley, da Nasa, no começo das década de 70.
Os alemães também desenvolveram modelos para fins de pesquisa, onde em
1982 construíram a maior turbina até então instalada: o Growian, como ilustrada na
Figura 8. Tratava-se de um modelo que representava as mais altas tecnologias
disponíveis até o momento. A turbina tinha uma torre tubular flexível com 100 metros
de altura e 100 metros de diâmetro de rotor, com duas pás e capacidade para gerar 3.000
KW a ventos de 11,8 m/s. mesmo sendo um projeto de elevada relevância, o
funcionamento não foi muito satisfatório, que levou ao encerramento do projeto após o
período de testes.
Figura 8. Turbina eólica alemã Growian instalada em 1982. Fonte: CRESESB.
2.4. Tipos de aerogeradores para geração de energia elétrica de pequeno porte
A International Electrotechnical Commission discriminou aerogeradores de
pequeno porte na norma IEC-NORM 61400-2:2006 como sendo os aerogeradores onde
a área varrida pelo rotor da turbina é igual ou menor do que 200 m².
46
Instalações com uma capacidade inferior a 100 kW são, portanto, consideradas
pequenas turbinas eólicas. Esta definição é representada pelas associações eólicas de
grande geração de energia na Alemanha, EUA e Reino Unido.
De acordo com um estudo realizado pelo Bundesverbands Windenergie
(Associação de Energia Eólica Alemã), a seguinte classificação de turbinas eólicas de
pequeno porte, propõe-se:
Designação Atuação Aplicação
Micro turbinas eólicas 0-5 kW - Casa e casas unifamiliares acoplada à fonte de alimentação por bateria ou sistema hibrido.
Mini turbinas eólicas 5-30 kW - As empresas e agricultores
Média turbinas eólicas
30-100 kW - As empresas e agricultores o acesso à rede de média tensão
Tabela 4. Classificação de aerogeradores de pequeno porte. Fonte: BWE (Bundesverband
WindEnergie e.V.) - Associação de Energia Eólica Alemã - 2010.
Os aerogeradores, dependendo da sua classificação, podem ter diferentes
componentes. Os pequenos aerogeradores de eixo horizontal basicamente são
compostos de rotor, leme ou rabeta direcionadora, gerador ou alternador elétrico, torre e
inversores elétricos.
2.4.1. Rotores de Eixo horizontal
O rotor é o principal elemento de uma máquina eólica, e tem como função
transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de eixo rotativo. O rotor é
formado do cubo e pás.
Para a utilização como máquina de produção de energia elétrica, os
aerogeradores têm normalmente duas ou três pás, com perfil aerodinâmico, podendo
elas ser construídas em madeira, fibra de vidro e outros compósitos (MELO, 2009).
2.4.2. Geradores Elétricos e Alternadores
47
A conversão da potência mecânica no eixo do rotor de um aerogerador para a
potência elétrica é feita por um dos seguintes tipos de máquinas elétricas: máquinas
síncronas, máquinas de indução e máquinas de corrente contínua (MELO, 2009).
O princípio de funcionamento dessas máquinas é o efeito eletromagnético. A
mesma máquina pode ser usada como um motor, usando a energia elétrica e
transformando-a em energia mecânica ou, como gerador, convertendo a energia
mecânica em energia elétrica. (CASTRO, FERREIRA, 2004)
2.4.2.1. Maquina de indução de rotor gaiola de esquilo
Máquina de indução de rotor gaiola de esquilo, com sua ligação a rede de forma
direta. E em virtude da variação da velocidade admissível da máquina em relação à
velocidade de sincronismo ser muito pequena, na prática, esta máquina comporta-se
como tendo velocidade constante, independente da velocidade do vento. Tais
equipamentos são sempre equipados com bancos de capacitores para corrigir o fator de
potência (MELO,2009)
2.4.2.2. Geradores síncronos
A máquina síncrona é ligada à rede de distribuição através de um sistema de
conversão CA-CC-CA, já que a frequência elétrica da energia produzida pela máquina é
diferente da frequência elétrica da rede. Esse sistema tem a vantagem de dispensar o uso
dos multiplicadores de velocidade (MELO, 2009)
2.4.3. Leme direcionador
48
O leme tem a função de manter o plano do rotor sempre perpendicular a direção
do vento, de modo a maximizar a retirada da sua energia. A maioria dos pequenos
aerogeradores utiliza apenas o leme para essa função (MELO, 2009).
2.4.4. Torre
As torres das turbinas eólicas podem ser de três tipos: treliças, tubulares
estaiadas e tubulares livres. Os materiais empregados são de concreto e o aço. Para
turbinas eólicas de pequena e médias, as torres são na sua maioria de aço (CAMARGO,
2005).
Para dar maior mobilidade e segurança para sustentar toda a nacele em alturas
cada vez maiores, tem-se utilizado torres de metal tubular ou de concreto que podem ser
sustentadas ou não por cabos tensores (CRECESP, 2008).
2.4.5. Pás
As pás dos aerogeradores têm perfis aerodinâmicos variados, de forma a
aumentar a sua eficiência, na retirada da energia em determinada faixa de velocidade do
vento. Elas podem ser constituídas de um único ou uma combinação de vários perfis
(MELO, 2009).
2.4.6. Inversores
São equipamentos eletrônicos que possuem a função de converter a energia com
a tensão e frequência elétrica variável produzida pelo aerogerador para corrente
49
contínua e então para a tensão e frequência adequadas para uso de equipamentos, ou
para a tensão e frequência da rede elétrica (MELO, 2009).
2.5. Desempenho e rentabilidade das turbinas de pequeno porte
Para avaliar a eficiência de uma turbina eólica de pequeno porte, além de custos,
é um o fator decisivo, é o retorno. O rendimento da turbina é geralmente indicada pela
quantidade de eletricidade em kWh. Uma pessoa consome, em 1500 kWh estimado de
eletricidade por ano, uma família de quatro pessoas cerca de 4.500 kWh. (BWE, 2010)
A tendência é quanto maior a eficiência da turbina e maior a velocidade do vento
média anual, maior a retorno de um investimento. Desde que as condições de vento em
locais individual variem de maneira considerável, afirmações em geral sobre o retorno
de um investimento são difíceis, pois vários fatores podem influenciar no rendimento de
uma turbina eólica.
A BWEA (British Wind Energy Association) - Associação Britânica de Energia
Eólica propôs o cálculo da renda anual com a seguinte fórmula:
Renda anual (kWh) = Sistema de Potência (kW) x fator de capacidade x 8760.
O número 8760 refere-se ao número de horas por ano, e é um valor fixo.
O fator de capacidade é Energia produzida divido pela Energia nominal, varia
com a medida da velocidade do vento de um local. O fator de capacidade pode ser
muito diferente e há a incertezas quanto à equação (BWEA, 2010).
2.6. Recursos eólicos
A energia eólica provém da radiação solar uma vez que os ventos são gerados
pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Uma estimativa da energia total
disponível dos ventos ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que,
50
aproximadamente, 2% da energia solar absorvida pela Terra são convertidas em energia
cinética dos ventos. Este percentual, embora pareça pequeno, representa centena de
vezes à potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo. (CRESESB, 2008)
Usualmente, a geração elétrica inicia-se com velocidades de vento da ordem de
2,5 a 3,0 m/s; abaixo desses valores, o conteúdo energético do vento não justifica
aproveitamento (ATLAS DO POTENCIAL EOLICO BRASILEIRO, 2001).
Velocidades superiores a aproximadamente de 12,0 m/s a 15,0 m/s ativam o
sistema automático de limitação de potência da máquina, que pode ser por controle de
ângulo de passo das pás ou por estol aerodinâmico, dependendo do modelo de turbina.
Em ventos muito fortes (v > 25 m/s), atua o sistema automático de proteção. Ventos
muito fortes têm ocorrência rara e negligenciável em termos de aproveitamento e a
turbulência associada é indesejável para a estrutura da máquina; nesse caso, a rotação
das pás é reduzida (passo ou estol) e o sistema elétrico do gerador é desconectado da
rede elétrica (ATLAS DO POTENCIAL EOLICO BRASILEIRO, 2001).
Turbinas eólicas de grande porte têm controle inteiramente automático, por meio
de atuadores rápidos, software e microprocessadores alimentados por sensores duplos
em todos os parâmetros relevantes. Usualmente, utiliza-se telemetria de dados para
monitoramento de operação e auxílio a diagnósticos/manutenção (ATLAS DO
POTENCIAL EOLICO BRASILEIRO, 2001).
O recurso eólico é caracterizado por meio de um conjunto de parâmetros,
incluindo fatores geográficos específicos de cada local, informações a respeito dos
dados de velocidade do vento, coletados em forma de médias temporais, e variabilidade
do vento, que são de extrema importância para o levantamento desse recurso energético.
(MACÊDO, 2002)
A fonte eólica e a informação necessária a respeito de suas medidas são
definidas pelos seguintes parâmetros: velocidade média do vento medida em
determinado intervalo; intervalo de tempo usado pela base de dados; altura dos
instrumentos usados na aquisição dos dados de vento; e variabilidade da velocidade do
vento. A variabilidade da velocidade do vento pode ser caracterizada, por exemplo,
através do desvio padrão da velocidade do vento em cada intervalo. (MACÊDO, 2002)
Os parâmetros relacionados com a geografia do local também afetam a natureza
dos ventos locais. A lei exponencial de potência, velocidade de referência,
características do terreno e, em casos de cálculos mais sofisticados, a intensidade de
turbulência, podem ser necessários para determinar a potência eólica em um dado local.
51
A densidade do ar é um fator geográfico que influência na potência eólica e pode ser
considerada como um valor fixo, ou obtida a partir da temperatura, pressão e elevação
do local. (WALKER, JENKINS, 1997)
O relevo do terreno, a variação da distribuição da velocidade do vento durante o
ano, e o fato de que todo local diverge notavelmente com respeito à disponibilidade de
vento e demanda elétrica, sendo necessário analisar cada caso em particular.
2.7. Modelos de circulação dos ventos
As regiões tropicais, que recebem os raios solares quase que
perpendicularmente, são mais aquecidas do que as regiões polares. Consequentemente,
o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir,
sendo substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões polares. O
deslocamento de massas de ar determina a formação dos ventos. (CRESESB, 2008)
Existem locais no globo terrestre nos quais os ventos jamais deixam de suscitar,
pois os mecanismos que os geram (aquecimento no equador e resfriamento nos polos)
estão em todo tempo presentes na natureza.
A Figura 9 apresenta esse mecanismo da formação dos ventos.
Figura 9. Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar. Fonte: CRESESB.
52
Nas altitudes mais altas, o ar se move ao longo das linhas de mesma pressão.
Esse movimento do ar aliado a uma alta altitude, de mais de 600 metros é conhecido
como ventos geotrópicos. A essa altitude o fluxo de ar esta livre da influencia sofrida
pela superfície. Nas altitudes mais baixas, as diferentes superfícies da terra, composta
por massa de ar, terra e vegetação, afeta de modo significante o fluxo de ar devido a
variações de pressão, absorção da quantidade de radiação e umidade, efeitos climáticos
que influenciam próximo a superfície. Essa parte da atmosfera onde os ventos são
influenciados pela superfície é conhecida como camada livre.
2.8. Variação no perfil vertical do vento
A potência contida no vento é a função da densidade do ar. Já a densidade do ar
é a função da temperatura e pressão, sendo estes parâmetros variáveis com a altura em
relação ao solo (FADIGAS, 2011).
2.8.1. Obstáculos próximos ao local de medição
Os obstáculos influenciam no perfil de escoamento da velocidade dos ventos,
provocando o efeito de sombreamento. Deve-se analisar a posição do obstáculo relativo
ao ponto de interesse, suas dimensões (altura, largura e comprimento) e sua porosidade,
esta ultima definida como a relação entre a área livre e a área total do obstáculo. Como
exemplo de obstáculo destacam-se edifícios, silos e arvores, entre outros. (FADIGAS,
E. A. F. A., 2011)
Para obstáculos construídos pelo homem, é comum representa-los com uma
caixa retangular, bem como considerar o fluxo como sendo bidimensional. Nota-se que
os obstáculos não somente obstruem o movimento das partículas de ar, como também
acabam modificando a distribuição de velocidade dos ventos.
53
2.8.2. Rugosidade do terreno
Um fato curioso ocorre em locais cuja rugosidade do terreno é baixa, caso haja
um projeto de central eólica em terrenos com baixas rugosidades os aerogeradores
podem ser projetados com uma torre de altura inferior àquelas usadas em terrenos com
rugosidades altas. Isso se deve ao fato de não haver considerável variação da velocidade
do vento em alturas diferentes em terrenos que apresentam baixas rugosidades. (GOIS,
2009, p.36)
A Figura 10 a seguir mostra o perfil do vento para vários comprimentos de
rugosidade.
Figura 10. Perfil do vento para diferentes comprimentos de rugosidade. Fonte: GOIS, 2009.
A rugosidade está associada ao tipo de cobertura da superfície do terreno. Os
menores valores de rugosidade estão associados a superfícies que apresentam água,
areia e grama. Já superfícies com muitas casas e florestas densas apresentam valores
elevados de rugosidade. (GOIS, 2009, p.35)
2.8.3. Orografia
54
Variações na altura do terreno, como presença de colinas, vales e depressões,
provocam um aumento na velocidade e considerável mudança de direção. Para
descrever o relevo de uma superfície normalmente são utilizadas curva de nível
(FADIGAS, 2011).
2.9. Parâmetros que influenciam no perfil do vento
Os ventos locais sofrem a influencia de diversos parâmetros do lugar, e devem
ser conhecidos quando se deseja estimular o regime de ventos em um determinado local
por meio do conhecimento dos dados de vento de outros locais. (FADIGAS, 2011)
A variação da velocidade do vento com a altura em relação ao solo influencia
não apenas na avaliação do recurso eólico, como também no projeto da turbina eólica.
(FADIGAS, 2011)
Geralmente os anemômetros instalados nos sistemas meteorológicos são
instalados a uma altura diferente da altura do cubo da turbina eólica. Logo, há
necessidade de corrigir a velocidade do vento com a altura.
Existem duas formas de aproximação para estimar a velocidade do vento de
acordo coma altura: a Lei de Potência, mais usada na America do Norte, e a Lei
Logarítmica, comum na Europa.
A Lei de Potência representa um modelo mais simples e é resultado de estudos
da camada limite sobre a placa plana. É mais simples de ser aplicada, porém sem uma
precisão muito apurada (FADIGAS, 2011).
A Lei de Potência é expressa por:
(
)
( ⁄ ) 2.1
Onde velocidade do vento na altura, velocidade do vento na altura
referencia (medida), altura desejada, altura de referencia e expoente da lei de
potencia.
55
O expoente representa a influencia da natureza do terreno no perfil vertical da
velocidade do vento. Esse expoente não é constante e pode variar com alteração
ambiental ao longo dos meses. A Tabela 5 apresenta alguns valores de para diferentes
terrenos planos.
DESCRIÇÃO DO TERRENO FATOR n
Superfície lisa, lago ou oceano. 0.10
Grama baixa 0.14
Vegetação rasteira (até 0,3 m), árvores ocasionais. 0.16
Arbustos, árvores ocasionais. 0.20
Árvores, construções ocasionais. 0,22 - 0,24
Áreas residenciais 0,28 - 0,40
Tabela 5. Fator n para diferentes tipos de superfície Fonte: Irata, 1985 apud Dutra, 2007
O modelo baseado na lei logarítmica, usado para conhecimento do perfil vertical
do vento, é mais complexo e realístico, pois considera que escoamento na atmosfera é
altamente turbulento. (TROEN, 1989, apud FADIGAS, 2011)
Para velocidade elevadas, usando a lei logarítmica, o perfil vertical do vento e
dado por:
( )
2.2
Onde ( ) é velocidade do vento na altura , é o comprimento de rugosidade
(característica a rugosidade do terreno), é a constante de Von Kárman ( = 0,4) e o
é a velocidade de atrito relacionada com a tensão de cisalhamento na superfície τ e a
massa especifica do ar ρ pela expressão .
A velocidade de atrito, que varia com a rugosidade do solo, com a velocidade do
vento e com forças que se desenvolvem na atmosfera, é difícil de calcular.
Para abreviar essa dificuldade, é usada uma equação que é a extrapolação para
alturas diferentes de dados medidos a uma altura de referência.
( )
( )
2.3
56
Onde é altura de referência e altura desejada
A Tabela 6 mostra valores de comprimento de rugosidade para diferentes tipos
de terreno.
DESCRIÇÃO DO TERRENO z0 (mm)
Liso, gelo, lama 0.01
Mar aberto e calmo 0.20
Mar agitado 0.50
Neve 3.00
Gramado 8.00
Pasto acidentado 10.00
Campo em declive 30.00
Cultivado 50.00
Poucas árvores 100.00
Muitas árvores, poucos edifícios, cercas 250.00
Florestas 500.00
Subúrbios 1500.00
Zonas urbanas com edifícios altos 3000.00
Tabela 6. Valores de comprimento de rugosidade Fonte: Adaptado de Manwell et al 2004.
2.10. Caracterização dos dados dos ventos
Informações sobre os parâmetros que caracterizam os ventos podem estar
disponíveis e diferentes formas e volumes.
Os dados obtidos nesse estudo são fornecidos pela estação meteorológica
instalada na cidade de Araçatuba, no Centro Universitário Católico Unisalesiano
Aulixium, com latitude 21º12'32" e longitude 50º25'58", estando a uma altitude de 390
m.
Portanto estações meteorológicas fornecem uma serie de dados coletados e
amostrados em um determinado período de medição. Os dados de velocidade e direção
dos ventos são fornecidos a cada intervalo de tempo a cada 10 minutos. Assim
considerando somente a velocidade do vento teremos em um ano 52.560 dados de
velocidade de vento, um volume muito grande de dados.
57
A série de dados obtidos pela estação meteorológica pode ser tratada e
compactada para que, de uma forma mais rápida e direta, seja possível avaliar o
potencial eólico.
Os dados serão tratados levando em conta alguns parâmetros básicos: velocidade
media, desvio padrão e densidade de potencia.
2.10.1. Velocidade media
A velocidade media de um determinado período, no caso deste estudo os dados
analisados serão de julho de 2010 a julho de 2012.
∑
[ ⁄ ] 2.4
Em que é numero de registros de velocidade de vento e é valor médio da
velocidade do vento.
2.10.2. Desvio padrão
O desvio padrão representa a variabilidade de um determinado conjunto de
valores da velocidade do vento. A variabilidade é definida como a media dos quadrados
dos desvios padrões.
√∑ ( )
2.5
2.10.3. Densidade media de potencia
58
A energia elétrica gerada por um aerogerador depende da energia proveniente do
vento que passa através da área varrida pela pá do rotor da turbina eólica por unidade de
tempo. Este fluxo de energia é chamado de densidade de potência de vento (AMARO,
2008).
(
)
∑
2.6
2.11. Estimativa do potencial eólico
O potencial eólico é um aspecto de grande importância para o estudo da
viabilidade da instalação, pois através dele é possível determinar a potência disponível
no vento, capaz de ser convertida por uma turbina eólica. O potencial eólico é definido
como a energia cinética, passando por unidade de tempo em uma coluna de ar com a
mesma área de seção transversal de varredura das pás em rotação, viajando a uma
velocidade V. (MELLO, SILVA, 2003)
A energia contida no vento é a energia cinética, ocasionada pela movimentação
dos ventos. Energia cinética E é dada pela seguinte equação:
[ ] 2.7
Onde é a massa de uma particula de ar em kg, e velocidade do ar em metros
por segundo.
Energia por unidade de tempo é igual a potencia.
[ ] 2.8
Onde é o fluxo de massa que é a massa de ar que se move por uma
determinada área na unidade de tempo.
59
O fluxo de massa é dado por
[ ] 2.9
Em que massa especifica do ar, é a área varrida pelo rotor em m2 e a
velocidade em m/s.
Figura 11. Fluxo de massa de ar. Fonte: Windpower.
Logo temos que Potencia é
[ ] 2.10
A potência captada por qualquer sistema de conversão de energia eólica é
expressa pelo produto da potencia disponível pelo rendimento de captação. Este
rendimento é geralmente expresso sob a forma de um coeficiente de potencia,
(CAMARGO, 2005).
[ ] 2.11
Onde é o coeficiente de potencia.
60
Este coeficiente de potência é adimensional, e depende do regime de ventos e
da velocidade rotacional do rotor eólico. Tem um limite máximo teórico de 59% ou
0.593. Este valor é conhecido como Limite de Betz, formulado pela primeira vez em
1919, e aplicado para todos os tipos de turbinas eólicas. Projetos modernos de turbinas
eólicas para geração de eletricidade chegam a um valor de igual a 40%. As maiores
perdas de eficiência existente em uma turbina eólica real surgem do arraste viscoso nas
pás e das perdas de potência na transmissão e no sistema elétrico (CAMARGO, 2005)
2.12. Potencia extraída de um conversor eólico
A produção de energia em um conversor eólico ou aerogerador depende da
interação do rotor eólico com os ventos.
Estudos mostram que um dos principais aspectos ligados a eficiência de uma
turbina eólica são ordenados pelas forças aerodinâmicas geradas pela velocidade média.
2.12.1. Potencia extraída do vento
A potência contida nos ventos ou potencia eólica, a qual é função da massa
especifica do ar, área captada e a velocidade do vento ao cubo. A velocidade refere-se
ao vento não perturbado, ou seja, aquele que se aproxima das pás do rotor antes de
atingi-lo. Esse vento, ao encontrar um obstáculo ao seu fluxo (no caso, as pás do rotor),
terá o seu perfil modificado. Nessa passagem pelo aerogerador, parte da potencia do
vento será transformada em potencia mecânica no eixo da turbina, como também
resultado da criação de um torque e rotação do eixo (FADIGAS, 2011).
[ ] 2.12
61
A lei de continuidade de fluxo estabelece que o fluxo de massa é sempre o
mesmo. Assim, como a velocidade do vento após passar pela turbina diminui, a área
ocupada pelo fluxo de ar aumenta (FADIGAS, 2011).
Pela lei de continuidade de fluxo:
[
⁄ ] 2.13
Ou seja, todo fluxo de massa de ar que chega até o conversor eólico é igual ao
que dele sai. Se a velocidade do ar é menor na saída, esse ar ocupará uma secção
transversal maior (FADIGAS, 2011).
A potência mecânica que o conversor extrai do fluxo de ar corresponde a
diferença entre a potencia do fluxo de ar antes e após sua passagem pelo conversor:
(
) [ ] 2.14
Substituindo a equação 2.8 na equação 2.9 chegamos
(
) [ ] 2.15
Onde é a potência mecânica extraída pelo conversor eólico.
Através desta equação, podemos dizer que, a potencia atingiria o seu valor
máximo quando for igual à zero, ou seja, quando o fluxo de ar é for interrompido pelo
conversor. Mas esse resultado acaba não tendo sentido fisicamente, pois se o fluxo de
ar atrás do conversor é nulo, logo a velocidade do fluxo antes do conversor também
deverá ser nula, implicando que não deveria haver fluxo de ar atrás do conversor. Em
um resultado físico consiste em uma razão entre e , quando extração de potencia
encontra o seu ponto máximo.
Usando a lei de conversão do momento para expressar a potência mecânica do
conversor, temos então a seguinte expressão:
62
( ) [ ] 2.16
Conforme o principio da “Ação é igual a Reação”, essa força precisa ter uma
força igual agindo contra si exercida pelo conversor imerso no fluxo de ar. Esse empuxo
empurra a massa de ar em uma velocidade presente no plano de fluxo de ar na
passagem do conversor. A potência requerida seria então:
( ) [ ] 2.17
Logo a potencia mecânica extraída do fluxo pode será derivada da energia ou
diferença de potencia e após o conversor, por outro lado, e do outro, do empuxo e da
velocidade do fluxo. Igualando as equações 2.14 e 2.16, chegamos a uma nova equação
da velocidade de fluxo:
(
) ( ) [ ] 2.18
Lembrando que a velocidade do luxo de ar através do conversor igual á media
aritmética de e .
[ ⁄ ] 2.19
O fluxo de massa ficando
( ) [
⁄ ] 2.20
E a potência mecânica fica
( )
(
) [ ] 2.21
63
2.13. Distribuição de frequência do vento
O estudo do potencial eólico de uma região é realizado a partir de medições do
vento no local. Os dados de velocidade de vento recebem tratamento estatístico e são
normalmente apresentados na forma de valores médios e curvas de distribuição. A
distribuição do vento pode ser representada por uma função probabilística (CUSTODIO
2002)
Para as séries completas de dados coletados, a indicação técnica é a análise pelo
cálculo de Weibull. A função Weibull é a distribuição contínua que usualmente mais se
aproxima à distribuição discreta representada nos histogramas de velocidade, porque
tem maior precisão na descrição das circunstâncias do vento é a empregada nos
trabalhos de avaliação de potenciais eólicos (PETRY, MATTUELLA, 2007).
A função de Weibull leva em conta o desvio padrão dos dados coletados, este é
um importante parâmetro estatístico, pois introduz uma informação acerca das
incertezas com que podem ocorrer as velocidades previstas a partir dos dados coletados
no período (PETRY, MATTUELLA, 2007).
A função de Weibull é definida pela seguinte equação:
( )
(
)
[ (
)
] 2.22
A distribuição de Weibull é normalmente representada na forma de k e c, onde k
é o fator de forma de distribuição dos ventos, e c é fator de escala que depende da
velocidade media dos ventos.
(
)
2.23
( ) 2.24
Em que é a função gama.
64
A função Gama, representado pela letra grega , é uma extensão do modelo
exponencial. Ela esta ligada a alguns problemas da física, engenharia e estatística
matemática.
Embora a função gama é definida para todos os números complexos, exceto os
inteiros não positivos, é definido através de uma integral imprópria que converge apenas
números complexos com parte positiva:
( ) ∫
2.25
A função Gama tem como domínio o conjunto de todos os reais positivos,
embora seja possível estender seu domínio a todo o conjunto real, com exceção dos
inteiros negativos e do zero. Devemos ressaltar que esta extensão não é feita através da
definição, pois a integral diverge, mas sim através de propriedades (CARDONA, 2005)
Para determinadas localidades e em certos períodos do ano a distribuição de
Weibull ajusta-se razoavelmente bem ao histograma de velocidade, apresentando
melhores resultados do que aqueles fornecidos pela distribuição de Rayleigh
(TERCIOTE, 2002).
2.14. Aplicação de energia eólica na geração de energia distribuída
A forma como consumimos energia pode contribuir para aliviar a pressão
ambiental que exercemos sobre a natureza. Hoje em dia, é possível que cada um de nós
utilize fontes alternativas de energia capazes de assegurar o bem-estar, sem
comprometer o futuro. Estamos a entrar numa nova era energética.
Uma alternativa para fazer face á procura crescente de energia elétrica observada
nas últimas décadas é a utilização de geração distribuída. Geração distribuída (GD) está
relacionada com a utilização de pequenas unidades geradoras (10MW ou menos)
instaladas em pontos estratégicos do sistema elétrica e, principalmente, próximos dos
centros de consumo. As tecnologias aplicadas em GD compreendem pequenas turbinas
a gás, micro turbinas, células combustíveis, geradores eólicos, energia solar, etc. A GD
65
pode ser utilizada de modo isolado, suprindo a procura local do consumidor, ou de
modo integrado, fornecendo energia ao restante do sistema elétrico (GDEE, 2005).
O uso de geração distribuída ou descentralizada apresenta vantagens sobre a
geração centralizada, como a economia em investimentos em transmissão e redução de
perdas nestes sistemas, melhorando a estabilidade do serviço de energia elétrica.
Também permite à implantação de unidades geradoras adaptadas as necessidades locais,
minimizando o impacto ambiental e a mobilização de capital (BORGES, 2010).
Figura 12. Exemplo de energia distribuída utilizando pequenos aerogeradores. Fonte:
Quietrevolution, 2010.
É importante lembrar que tanto para consumo próprio, como para venda dos
excedentes da produção de energia, a situação nova para o campo como gerador de
energia deve necessariamente ser reconhecida e oficializada para todo país.
(GALINKIN, BLEY, 2009).
2.15. Legislação
Produção distribuída ou microprodução é a geração de energia pelo próprio
consumidor (empresa ou particular) utilizando equipamentos de pequena escala,
nomeadamente painéis solares, microturbinas, microeólicas ou outro tipo de tecnologia.
A energia produzida pode ser aproveitada para o aquecimento de águas
sanitárias ou para a produção de energia elétrica, que é depois vendida à rede de
distribuição.
66
A Portaria n.º 201/2008 de 22 de Fevereiro fixa as taxas a cobrar pelos serviços
previstos no n.º 1 do artigo 23.º do Decreto-Lei n.º 363/2007, de 2 de Novembro, que
estabelece o regime jurídico aplicável à produção de eletricidade por intermédio de
unidades de microprodução.
O Decreto Legislativo Regional n.º 16/2008/M adapta à Região Autônoma da
Madeira o Decreto-Lei n.º 363/2007, de 2 de Novembro, que estabelece o regime
jurídico à produção de eletricidade por intermédio de instalações de pequena potência,
designadas por unidades de microprodução.
O Decreto-Lei nº 118-A/2010, de 25 de Outubro, simplifica o regime jurídico
aplicável à produção de eletricidade por intermédio de instalações de pequena potência,
designadas por unidades de microprodução, e procede à segunda alteração ao Decreto-
Lei nº 363/2007, de 2 de Novembro, e à segunda alteração ao Decreto-Lei nº 312/2001,
de 10 de Dezembro.
67
Capitulo III
ANALISE DOS RESULTADOS
3. Analise de propagação do sinal e analise do potencial eólico
3.1. Sistema meteorológico
Com o objetivo de realizar medições da velocidade do vento e sua direção (m/s),
radiação solar global (W/m²), quantidade de chuva (mm), Temperatura (°), umidade
relativa do ar (%). A cidade de Araçatuba, estado de São Paulo, conta com um sistema
meteorológico instalado no Centro Universitário Católico UniSalesiano Auxilium desde
o ano de 2007.
O sistema meteorológico mostrado na Figura 13 esta vinculado ao projeto
FAPESP nº 03/06441-7, intitulado Novos instrumentos de Planejamento Energético
Regional visando o desenvolvimento sustentável, vigência de 2004 a 2009, onde foram
gerados vários estudos na RAA visando um detalhamento na área energética
abrangendo dimensões ambientais, sociais, políticas e técnico-econômicas visando um
desenvolvimento sustentável.
Figura 13. Torre com sistema meteorológico em Araçatuba, São Paulo.
68
3.1.1. Anemômetro
O anemômetro é usado para medição de dados de velocidade e direção dos
ventos é um modelo Met One 034B Windset, fornecido pela Campbell Scientific®. O
034B combina um anemômetro três copos e palhetas em um único pacote integrado
para medir a velocidade e direção do vento, como mostrado na Figura 14.
Figura 14. Anemomêtro Met One 034B Wind. Fonte: Campbell Scientific.
As especificações do Anemômetro estão ilustradas na Tabela 7
Anemômetro Met One 034B Windset Especificação
Temperatura de operação: -30 ° a 70 ° C
Precisão para velocidade inferior a 10,1 m/s: 0,12 m/s
Precisão para velocidade superior a 10,1 m/s: 1,1 % da velocidade
medida
Resolução: 0,5 º
Limite mínimo de velocidade: 0 m/s
Limite maximo de velocidade: 49 m/s
Limite de inicio de operação: 0,4 m/s
Tabela 7.Especificações Anemômetro Met One 034B Windset. Fonte: Adaptação
CampbellScientific.
69
3.2. Sistema de Transmissão
O sistema meteorológico conta com sistema de transmissão de dados completa,
os equipamentos geram os sinais de medição e enviam para o Datalogger CR1000
instalado em um gabinete a 10 metros de altura, onde ficam armazenados os dados, e
são enviados por uma antena Yagi 9 dBd de 900MHz, instalada a 30 metros de altura.
O receptor fica no prédio da universidade Unisalesiano, onde possui um Radio
Frequência RF401/900MHz, ligado a um CPU, que recebe o sinal emitido e através do
software PC400 gerando arquivos que tratados são disponibilizados em tabelas.
A Figura 15 ilustra uma foto da antena Yagi 9 dBd/900MHz.
Figura 15. Antena Yagi 9 dBd
O RF401 reduz a susceptibilidade a interferências de outros dispositivos de
propagação, fornecendo opção selecionável pelo usuário com salto de frequência
padrões. Rádios Spread Spectrum espalha o sinal de informação geralmente de banda
estreita em uma faixa relativamente ampla de frequências. Este processo permite que a
comunicação seja mais imune a ruídos e a interferências de fontes de RF, tais como
pagers e telefones celulares.
RF401/900 MHz rádio modem tem faixa de frequência de operação: 910-918
MHz suporta ponto a ponto e ponto a multiponto com o datalogger de comunicações.
A Figura 16 representa o modelo de RF usado pelo sistema de transmissão.
70
Figura 16. RF401/900 MHz, Campbell Scientific®
Antena OMNI 1/2 Wave Whip acoplada ao RF pode ser substituída por qualquer
outra frequência da antena compatível de acordo com a necessidade faixa de
transmissão.
3.2.1. Antena transmissão Yagi 9 dBd
Uma das antenas mais utilizadas em sistemas de telecomunicações é a antena
Yagi-Uda. Este tipo de antena foi primeiramente descrita e analisada em um artigo do
professor japonês S. Uda, em março de 1926. Entretanto, estas antenas só se tornaram
mundialmente conhecidas depois da publicação, em 1928, de um artigo em inglês
assinado por H. Yagi, colega do professor Uda (BRITTAIN, 1993).
Uma antena Yagi-Uda convencional consiste em dipolos lineares paralelos dos
quais somente um, normalmente o segundo elemento, é energizado por uma fonte, os
demais são elementos parasitas. O primeiro elemento funciona como refletor, o qual
possui tamanho maior que o elemento energizado. Do terceiro até o n-ésimo são
elementos diretores e são menores que o elemento fonte (FARIAS et al, 2007).
A Tabela 8 mostra especificação da antena Yagi 9 dBd, fornecida pela Campbell
Scientific.
Antena Yagi 9 dBd Especificação
Tipo Yagi (direcional) com hardware de
montagem Banda de frequência 900 MHz
Ganho 9 dBd
Conector Tipo N fêmea
71
Peso 0,73 kg
Comprimento maior elemento 16 cm
Dimensões do suporte 11,5 x 9 x 0,6 cm
Tabela 8.Especificação antena Yagi 9 dBd. Fonte: Adaptação Campbell Scientific.
3.2.1.1. Diagrama de irradiação Yagi 9 dBd
O diagrama de irradiação representa graficamente a distribuição espacial de
energia eletromagnética em torno da antena, conforme ilustra a Figura 17
Figura 17. Gráfico de irradiação da antena Yagi. Fonte: PCTEL (2012).
3.3. Análise do potencial eólico para aerogeradores de pequeno porte.
O presente estudo visa analisar o potencial eólico na região de Araçatuba,
colocando em foco a geração de energia elétrica por aerogeradores de pequeno porte,
propondo a geração de energia em áreas rural da Região Administrativa de Araçatuba.
72
Na RAA foi observado que algumas localidades rurais ainda não possuem
energia elétrica, dificultando assim o cultivo e produção de moradores, e qualidade de
vida dos mesmos visando à produção sustentável de energia.
Através dos dados coletados pelo Anemômetro Met One 034B Windset,
instrumento do sistema meteorológico, é possível produzir o tratamento desses dados
através de cálculos estatísticos, gerando o potencial eólico da RAA, verificando a
mensuração da contribuição da energia eólica, tanto em sistema isolado como num
sistema hibrido.
Estudos econômicos chegaram à conclusão de que as turbinas eólicas de
pequeno porte podem ser econômicas. Ela depende da qualidade da instalação, a
localização, tamanho e o consumo de energia.
3.4. Região Administrativa de Araçatuba
A Região Administrativa de Araçatuba é uma das regiões administrativas do
estado brasileiro de São Paulo. A RAA é formada pela junção de 43 municípios e a
cidade de Araçatuba é a cidade sede, com população de 183.441 habitantes, além de ser
a 2ª maior cidade do oeste paulista. Localiza-se a uma latitude 21º12'32" sul e a uma
longitude 50º25'58" oeste, estando a uma altitude de 390 m.
A Figura 18 ilustra o mapa do estado de São Paulo e em destaque a Região
Administrativa de Araçatuba e sua cidade sede Araçatuba.
Figura 18. Mapa Região Administrativa de Araçatuba
73
3.5. Análise do regime dos ventos
O ideal de medição das condições de velocidade e direção do vento é se realizar
em diversos pontos da zona considerada ao longo de vários anos para que se possa obter
com precisão a média de velocidade dos ventos, índices de dispersão, e um mapeamento
do potencial eólico em todo o espaço de estudo (BERNAL, 2009).
Porém a segundo a proposta de obtenção dos potenciais para um rápido
aproveitamento energético, levou a elaboração de modelos para que se possa realizar tal
medição em um único ponto de referencia durante um único período, que na proposta
desse trabalho corresponde a um ano.
3.5.1. Tratamento dos dados estatísticos
Os dados usados da estação meteorológica compreendem medições de 1 de
janeiro a 31 de dezembro de 2011, foram coletados 52.546 registros de velocidade de
vento no período em coletas 24 horas.
A medição da velocidade e direção do vento na RAA é feita com anemômetros
Met One Wind Set modelos 034B – L30 – NM e 034B – L90 – NM, sendo a diferença
entre os modelos ocorre por conta da altura em que são instalados (30 e 90 pés). Seu
registro acontece de 10 em 10 minutos.
Os dados coletados são compostos dos seguintes parâmetros: Velocidade do
vento Avg, média; e velocidade instantânea e Velocidade do vento Max, máxima.
Serão utilizados para analise os dados de velocidade Avg que se trata da média feita
entre a velocidade instantânea e a velocidade máxima e Max, é velocidade máxima
registrada no momento, ambas medidas em metros por segundo.
Médias dos ventos com anemômetro a 30 metros ou 90 pés de altura são
nomeadas como WS30, e com anemômetro a 10 metros ou 30 pés de altura, como
WS10.
Através do Excel, foram feitas tabelas e gráficos para uma melhor visualização.
Com dados de cada mês foram feito o seguinte tratamento:
74
Número de registros;
Dados aproveitados em %;
Média, Média da Variância, Média da Direção dos ventos, Media do Desvio
padrão, Função gama, Função Weibull, Fator de forma k, Fator de escala c.,
Média da temperatura;
Tabela com média da velocidade do dia, com velocidade dos ventos AVG e
MAX a 30 e 10 metros de altura;
Lei da potencia com torres de 13 e 32 metros de altura com velocidade dos
ventos AVG e MAX a 30 e 10 metros de altura;
Frequência de ventos, com quantidade de ocorrências e porcentagem, com
velocidade dos ventos AVG e MAX a 30 e 10 metros de altura;
Maior incidência de ventos de 0 a 2 m/s, 3 a 5 m/s, 6 a 9 m/s e maior 9 m/s;
Densidade do ar, Área do rotor, Densidade de potência e Potencia, com
aerogeradores Inclin de 600W, de 1000W e de 1500W.
Gráfico histograma com velocidade dos ventos AVG e MAX a 30 e 10 metros
de altura;
Gráfico de Incidência de frequência dos ventos;
Gráfico de Quantidade de ocorrência.
Para analise da mudança que ocorrem na velocidade dos ventos com as estações
do ano, foram gerados no Excel:
Tabela com velocidade dos ventos das estações do ano Verão, Outono, Inverno
e Primavera;
Media de Frequência dos ventos com velocidade dos ventos AVG e MAX a 30
e 10 metros de altura;
Gráficos de Histograma das estações do ano Verão, Outono, Inverno e
Primavera, com velocidade dos ventos AVG e MAX a 30 e 10 metros de
altura;
Foram realizadas analises com a média mensal, para calculo da media anual
contendo:
Média anual da velocidade do vento com velocidade dos ventos AVG e MAX
a 30 e 10 metros de altura;
75
Maior e menor velocidade dos ventos AVG e MAX a 30 e 10 metros de altura;
Média anual das estações do ano Verão, Outono, Inverno e Primavera, com
velocidade dos ventos AVG e MAX a 30 e 10 metros de altura;
Função velocidade anual;
Diferença da velocidade do vento AVG e MAX entre os meses do ano;
Diferença da velocidade do vento AVG e MAX entre estações do ano Verão,
Outono, Inverno e Primavera;
Gráfico media velocidade dos ventos AVG e MAX a 30 e 10 metros de altura;
Gráfico media da velocidade dos ventos nas estações do ano AVG e MAX a 30
e 10 metros de altura;
Gráfico de comparação entre AVG e MAX a 30 e 10 metros de altura;
Gráficos dos fatores de forma e escala com meses do ano da velocidade do
AVG e MAX a 30 e 10 metros de altura;
Gráficos dos fatores de forma e escala conforme estações do ano, com
velocidade do vento AVG e MAX a 30 e 10 metros de altura;
Gráfico da temperatura nos meses do ano;
Gráfico da Variância com velocidade do vento AVG e MAX a 30 e 10 metros
de altura;
Gráfico do Desvio padrão com velocidade do vento AVG e MAX a 30 e 10
metros de altura;
3.5.2. Media dos ventos
Para os cálculos da media das velocidades dos ventos não foram desprezados os
registros nulos, que identificam momentos em que não houve incidência de ventos, pelo
motivo que estes registros nulos não deixam de serem resultados da velocidade do
vento.
3.5.2.1. Velocidade do vento – Média Avg
76
As médias do vento ficaram a 30 metros em 3.676 m/s, e para 10 metros em
2.447 m/s, conforme Tabela 10.
As médias mensais do ano de referencia estão visíveis na Figura 19, com
medições a 30 e 10 metros de altura.
Figura 19. Gráfico da média velocidade dos ventos - AVG
A Tabela 9 ilustra as velocidades mínimas e máximas que foram atingidas
durante o período de pesquisa:
Mínima (m/s) Máxima (m/s)
30 m. 2.749 4.879
10 m. 1.794 3.413
Tabela 9. Velocidade dos ventos mínima e máxima - Média AVG.
Em medições a 30 metros nos meses de julho, agosto, setembro, outubro e
novembro notam-se um crescimento progressivo nas medias acima de 3.5 m/s, sendo
que os meses dezembro, janeiro, fevereiro e abril as médias não atingem 3.5 m/s.
Medições a 10 metros nos meses de março, abril, setembro e outubro a
velocidade do vento esteve entre 3.0 e 3.41 m/s. Em janeiro, fevereiro, julho, agosto e
novembro as médias ficaram entre 2.08 e 2.84 m/s. Nos meses de maio, junho e
dezembro a média não passou de 1.96 m/s.
A Tabela 10 mostra as médias mensais da velocidade dos ventos Avg a 30 e 10
metros de altura.
3,05 2,75
3,88
3,10 3,49
3,45 3,74 3,96
4,90 4,50
4,19
3,10
2,39 2,14
3,04
2,23 1,92 1,97 2,09
2,40
3,41 3,13
2,84
1,79
0
1
2
3
4
5
6
Ve
loci
dad
e d
os
ven
tos
(m/s
)
Média Velocidade do vento Avg - Araçatuba
WS30 (m/s) WS10 (m/s)
77
Média Velocidade do vento - Avg - Araçatuba
Mês 30 m. (m/s) 10 m. (m/s)
Jan 3.054 2.392
Fev 2.749 2.138
Mar 3.876 3.042
Abr 3.100 2.230
Mai 3.492 1.921
Jun 3.447 1.966
Jul 3.741 2.088
Ago 3.965 2.401
Set 4.897 3.413
Out 4.502 3.132
Nov 4.191 2.842
Dez 3.097 1.794
MÉDIA ANUAL 3.676 2.447
< velocidade do vento 2.749 1.794
> velocidade do vento 4.897 3.413
Tabela 10. Média velocidade dos ventos mensais - AVG
Como a temperatura tem influencia direta com as correntes de ar analisa-se as
variações da intensidade dos ventos durante as estações do ano, averiguando em qual
estação houve uma intensidade maior de ventos.
Conforme mostrado na Figura 20, visualiza-se que a estação do Inverno e
Primavera a intensidade dos ventos são mais elevadas ultrapassando 3.5 m/s na média a
30 metros.
Figura 20. Gráfico de Velocidade do vento classificado por estações do ano - Max
2,97
3,49
3,72 4,53
2,11 2,40 2,15
3,13
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Verão Outono Inverno Primavera
Ve
loci
dad
e d
o v
en
to (
m/s
)
Estações do ano - Avg - 2011
WS30 WS10
78
Através do software Statistica Trial, foi gerado o histograma do ano de 2011,
com curva da Função de Weibull e desvio padrão 0.688 conforme Figura 21.
Figura 21. Histograma Anual AVG - Ano 2011
3.5.2.2. Velocidade do vento – Média máxima
As médias da velocidade dos ventos máxima ficaram para 30 metros em 4.80
m/s, e para 10 metros em 3.63 m/s.
A Figura 22 ilustra a média da velocidade dos ventos Max a 30 e 10 metros de
altura no período proposto pelo estudo.
Figura 22. Gráfico das médias da velocidade do vento - Max
4,22 3,76
5,10
4,11 4,52 4,48
4,84 5,18
6,27 5,91
5,57
4,30
3,60 3,18
4,31 3,22
2,87 2,93 3,18
3,62
4,86 4,58
4,29
3,02
0
1
2
3
4
5
6
7
Ve
loci
dad
e d
o v
en
to (
m/s
)
Média Velocidade do vento - Máxima - Araçatuba
WS30 (m/s) WS10 (m/s)
79
Segundo Bernal (2009), a média da velocidade dos ventos Max a 30 metros de
altura com dados de 2008, coletados do sistema meteorológico em Araçatuba ficou em
4.74 m/s.
A Tabela 11 mostra as velocidades mínimas e máximas do ano em analise.
Mínima (m/s) Máxima (m/s)
30 m. 3.761 6.274
10 m. 2.867 4.861
Tabela 11. Velocidade do ventos minima e maxima – Média MAX
Medições a 30 metros nos meses de maio, junho, julho e agosto um crescimento
significativo na velocidade dos ventos entre 4.48 e 5.185 m/s, seguido dos meses de
setembro, outubro e novembro onde obteve o registro das velocidades mais elevadas do
ano entre 6.136 e 5.566 m/s. Sucedendo um decaimento em dezembro, janeiro e
fevereiro de 4.303 a 3.761 m/s.
Medições a 10 metros nos meses de fevereiro, abril, maio, junho, julho e
dezembro as médias não atingiram 3.5 m/s. Com recorde nos meses de setembro,
outubro e novembro entre 4.736 e 4.288 m/s.
A Tabela 12 mostra a média das velocidades dos ventos Max mensais no ano de
2011.
Média Velocidade do vento - Máxima - Araçatuba
Mês 30 m. (m/s) 10 m. (m/s)
Jan 4.223 3.596
Fev 3.761 3.182
Mar 5.102 4.307
Abr 4.106 3.220
Mai 4.518 2.867
Jun 4.485 2.928
Jul 4.836 3.175
Ago 5.185 3.624
Set 6.136 4.736
Out 5.911 4.585
Nov 5.566 4.288
Dez 4.303 3.019
MÉDIA ANUAL 4.856 3.627
< velocidade do vento 3.761 2.867
> velocidade do vento 6.274 4.861
Tabela 12. Média da velocidade dos ventos mensais - MAX
80
Seguindo a tendência das médias Avg analisadas anteriormente, as estações do
ano com maior incidência de ventos são Inverno e Primavera. Notando uma curva
exponencial crescente de verão a primavera, conforme Figura 23.
Figura 23. Gráfico de Velocidade do vento classificado por estações do ano Max.
Na analise das médias das velocidades dos ventos mensais, não se desprezou os
dias sem registros de ventos, para diagnosticar os meses do ano na qual a quantidade de
velocidade dos ventos nula. Foram ranqueados os cinco meses com maiores índices de
zero contendo número de registros sem ventos e a percentagem correspondente,
comparando com medições feitas a 10 e 30 metros de altura.
Nas medições com a velocidade dos ventos a 30 metros de altura o mês de abril
detectou 18.59% do total de registros foi em velocidade nula, seguido de dezembro com
10.57% e agosto com 2.84%, sendo redundantes nas medições a 10 metros os meses de
dezembro com 39.96%, maio com 37.19%, e agosto com 33.96% conforme mostrado na
Tabela 13.
WS30 WS10
Mês Nº de registros Porcentagem Mês Nº de registros Porcentagem
1º Abril 803 18.59% Dezembro 1784 39.96%
2º Dezembro 472 10.57% Julho 1668 37.37%
3º Agosto 127 2.84% Maio 1660 37.19%
4,10 4,58
4,84 5,92
3,27 3,46 3,24
4,58
0
1
2
3
4
5
6
7
Verão Outono Inverno Primavera
Ve
loci
dad
e d
o v
en
to (
m/s
)
Estações do ano - Max - 2011
WS30 WS10
81
4º Novembro 87 2.01% Junho 1556 36.06%
5º Maio 78 1.79% Agosto 1516 33.96%
6º Fevereiro 72 1.75% Outubro 1142 25.63%
7º Março 59 1.32% Novembro 1108 25.65%
8º Outubro 52 1.16% Setembro 872 20.19%
9º Junho 42 0.97% Abril 862 19.95%
10º Janeiro 31 0.69% Março 415 9.30%
11º Julho 27 0.60% Fevereiro 272 6.76%
12º Setembro 25 0.58% Janeiro 219 4.91%
Tabela 13. Registro de velocidade dos ventos nulo
Mas com analise visual feita no tratamento dos dados pode-se observar uma
anomalia quando gerado os gráficos da velocidade dos ventos dia a dia no mês de abril
com anemômetro a 30 metros de altura. É possível observar uma semelhança
geométrica nos picos dos dados coletados através de gráficos, onde o anemômetro
instalado a trinta metros de altura a velocidade é maior do que anemômetro instalado a
dez metros de altura, destacando a semelhança em seus picos.
E no mês de abril, durante os dias 11 e 17, há um declínio na velocidade dos
ventos referente aos dados do anemômetro a trinta metros de altura, chegando a zero
nos dias 13, 14 e 15, ficando visível erro, pois nos mesmos dias há registros de
velocidade dos ventos no anemômetro a dez metros de altura, como mostrado na Figura
24.
82
Figura 24. Anormalidade mês de abril/2011
Conforme constatado erro os três dias onde os dados foram nulos serão ignorar,
fazendo da seguinte forma: a cada dia é obtido 144 registros, sendo de dez em dez
minutos cada registro, e se multiplicar pelos três dias nulos, o resultado são 432
registros desconsiderados devido erro. Conforme Tabela 14 corrigida tem-se uma
modificação na classificação dos meses com maiores registros de velocidade dos ventos
nulos.
Com a correção a 30 metros em 1º lugar fica o mês dezembro com 10.57% dos
registros são nulos, seguidos de abril com 8.56% e agosto com 2.84%. Novembro em 4º
com 2.01% e maio em 5º com 1.79% dos registros nulos. Nas medições a 10 metros
alguns meses se repetem, ficando dezembro em 1º com 39.96%, julho em 2º com
37.37%, maio em 3º com 37.19%, junho em 4º com 36.06% e agosto 5º com 33.96%.
A Tabela 14 mostra a correção feita com os dados de velocidade dos ventos no
mês de abril.
WS30 WS10
Mês Nº de registros Porcentagem Mês Nº de registros Porcentagem
1º Dezembro 472 10.57% Dezembro 1784 39.96%
2º Abril 371 8.57% Julho 1668 37.37%
3º Agosto 127 2.84% Maio 1660 37.19%
4º Novembro 87 2.01% Junho 1558 36.06%
83
5º Maio 78 1.79% Agosto 1516 33.96%
6º Fevereiro 72 1.75% Outubro 1142 25.67%
7º Março 59 1.32% Novembro 1109 25.58%
8º Outubro 52 1.16% Setembro 872 20.19%
9º Junho 42 0.97% Abril 864 20.00%
10º Janeiro 31 0.69% Março 415 9.30%
11º Julho 27 0.60% Fevereiro 272 6.76%
12º Setembro 25 0.58% Janeiro 219 4.91%
Tabela 14. Correção do registro de velocidade dos ventos nulo
Nas medições feitas com velocidade do vento a 30 e 10 metros de altura,
percebesse que a 10 metros possui numero de registros sem ventos mais elevados, em
virtude de sua altura mais baixa, aonde nos meses de dezembro chega-se quase 40% dos
registros do total de registros. E os meses de janeiro, fevereiro e março constitui menor
que 9.30% dos registros.
Essa porcentagem de registros sem incidência de ventos é um valor muito
elevado, na qual durante cinco meses visualiza-se um comprometimento de
aproximadamente 30% na geração de energia devido à ausência de precipitação dos
ventos, comprometendo portanto a geração de energia em aerogeradores de pequeno
porte.
A Figura 25 mostra o histograma gerado com dados média mensal Max, teve
desvio padrão de 0.811, e curva de Weibull.
Figura 25. Histograma Anual MAX - Ano 2011
84
3.6. Variação conforme estações do ano
Através dos gráficos mostrados na Figura 27 e Figura 27 nota-se que nas medias
Avg e Max a 30 metros, a velocidade dos ventos vai aumentando a partir do verão, sem
quedas, mas a 10 metros o inverno tem uma diminuição de intensidade do vento
voltando a elevar na estação seguinte à primavera.
As médias Avg nas estações de inverno têm 3.718 m/s e primavera ficaram com
4.530 m/s, a 30 metros de altura. E mas medições a 10 metros de altura, o inverno tem a
menor velocidade média, com 2.152 m/s, onde segundo Tabela 14 percebe-se que os
meses do inverno estão entre os que possuem maiores registros de velocidade nula
gerando assim velocidade média menor abrangendo tanto medições a 30 como 10
metros de altura.
As médias Max nas estações do ano segue a mesma abordagem das médias Avg,
tendo suas médias mais elevadas no inverno com 4.853 m/s e na primavera com 5.871
m/s em altura de 30 metros. E a 10 metros com menor média de velocidade está
inverno com 3.243 m/s.
Figura 26. Média velocidade dos ventos - Estações do ano AVG
2,967
3,489 3,718
4,530
2,108 2,398
2,152
3,129
Verão Outono Inverno Primavera
Média velocidade dos ventos - Avg - Estações do ano 2011
WS30 WS10
85
Figura 27. Média velocidade dos ventos - Estações do ano MAX
3.7. Desvio padrão da velocidade dos ventos.
O desvio padrão ( ) é uma ferramenta estatística importantíssima quando
falamos de analise de dados, ela nos indica como os valores se comportam quando
distantes da média, ou seja, seu grau de dispersão e sua probabilidade de acontecer a
certa distância da média. Na analise do , quanto mais próximo de zero, a distribuição
dos valores possuem características mais homogêneas.
Nos meses de janeiro, fevereiro, março e abril o é bem próximo para 30 e 10
metros de altura, indicando então os meses em que a dispersão não varia muito com a
altura. Mas nos meses maio, junho, julho, agosto, setembro, outubro, novembro e
dezembro a 10 metros de altura o se diferencia mostrando uma dispersão maior do
que a 30 metros de altura, conforme ilustra a Figura 28.
4,095 4,575
4,835
5,917
3,266 3,465
3,243
4,578
Verão Outono Inverno Primavera
Média velocidade dos ventos - Max - Estações do ano 2011
WS30 WS10
86
Figura 28. Gráfico da media desvio padrão mensal.
Com analise da velocidade dos ventos Avg por estações do ano, conclui que a
estação que apresenta menos dispersão é o Verão (dezembro a fevereiro), com 1.647
(m/s) a 30 metros, e com 1.601 (m/s) a 10 metros.
Conforme Tabela 15 a estação da Primavera aparece com valor mais elevado,
de 2.202 (m/s) em medições a 30 metros, e 2.542 (m/s) a 10 metros.
AVG
Desvio Padrão (m/s)
30 m
Dez/Fev (Verão) 1.647
Mar/Mai (Outono) 1.870
Jun/Ago (Inverno) 1.851
Set/Nov (Primavera) 2.202
Desvio Padrão (m/s)
10 m
Dez/Fev (Verão) 1.601
Mar/Mai (Outono) 1.890
Jun/Ago (Inverno) 2.145
Set/Nov (Primavera) 2.542
Tabela 15. Desvio padrão classificados por estações do ano – AVG
Com analise da velocidade dos ventos Max, conforme estações do ano verificou-
se que os valores de são mais elevados.
O segue a mesma tendência mostrada na velocidade Avg as medias de desvio
padrão para Max, onde o Verão (Dezembro a fevereiro) o tem valor de 2.174 m/s a
30 metros, e 2,252 m/s a 10 metros. E a estação de maior dispersão como sendo
Primavera com de 2.760 m/s a 30 metros, e 3.332 m/s a 10 metros, conforme Tabela
16
87
MAX
Desvio Padrão (m/s)
30 m
Dez/Fev (Verão) 2.174
Mar/Mai (Outono) 2.334
Jun/Ago (Inverno) 2.401
Set/Nov (Primavera) 2.760
Desvio Padrão (m/s)
10 m
Dez/Fev (Verão) 2.252
Mar/Mai (Outono) 2.543
Jun/Ago (Inverno) 2.977
Set/Nov (Primavera) 3.332
Tabela 16. Desvio Padrão classificados por estações do ano - MAX
3.8. Distribuição de frequência
A distribuição de frequência é um método de se agrupar dados em classes de
modo a fornecer a quantidade (e/ou a percentagem) de dados em cada classe. A
distribuição de frequência representada por um gráfico de barras é denominada
histograma, ele resumi informações de um conjunto de dados, visualizando a forma da
distribuição desses dados, a localização do valor central e a dispersão dos dados em
torno do valor central, o qual é muito usado para na analise da velocidade dos ventos
para calculo eólico.
Para analise de histograma é necessário à verificação de sua forma, ela pode ser:
Simétrica, o valor médio está localizado no centro do histograma e a
frequência é mais alta no meio e diminui gradualmente na direção dos
extremos. Processo: geralmente sob controle, somente causas comuns
estão presentes, usualmente está estável.
Assimétrica, o valor médio está localizado fora do centro do histograma
e a frequência diminui gradativamente em um dos lados e de modo um
tanto inesperado do outro lado. Ocorre quando não é possível que a
variável de controle assuma valores mais altos (ou mais baixos)
Processo: em que o limite inferior (superior) é controlado.
88
Despenhadeiro, o valor médio está localizado fora do centro do
histograma e a frequência diminui abruptamente de um dos lados e
suavemente em direção ao outro. Processo: não atende às especificações
e uma inspeção é necessária por haver defeituosos e/ou anormalidades.
Pico Isolado, parte do gráfico é relativamente simétrica com o acréscimo
de algumas classes mais afastadas de menores frequências. Processo:
anormalidades, ou erro de medição e/ou registro de dados, ou inclusão de
dados de um processo diferente.
Dois Picos, a frequência é mais baixa no centro do histograma e existe
um pico em cada lado. Processo: Ocorre quando dados de duas
distribuições, com médias muito diferentes, são misturados.
Achatado, todas as classes possuem mais ou menos a mesma frequência,
exceto aquelas das extremidades. Processo: Ocorre quando dados de duas
distribuições, com médias não muito diferentes, são misturados.
Para este estudo foi desenvolvidos 4 gráficos histogramas mensais, grafando a
velocidade do vento 30 e 10 metros de altura, tanto Avg e Max, com intervalo de 0 m/s
até 19 m/s, definida segundo um critério que não haja nenhuma perda quando aos
registros efetuados na RAA.
Através da analise dos histogramas mensais verifica-se que o mês de março,
abril e dezembro os 4 histogramas gerados foram classificados como picos isolados,
diagnosticando um processo com anormalidade de velocidade dos ventos. E o mês de
julho com 3 histogramas classificados com picos isolados, diagnosticado 75% do
processo com anormalidades, onde os 2 gráficos a 10 metros apresentam números
elevados de registros nulos e 1 gráfico a 30 metros com uma variação muito grande
entre as velocidades.
Os meses de maio, junho, agosto, setembro, outubro e novembro foram
classificados os 2 histogramas assimétricos e 2 histogramas de picos isolados. Em
janeiro e fevereiro possuem somente 1 histograma de picos isolados, com 25% dos
dados com anormalidades.
Essas anormalidades em 75% dos casos são causadas pelo número elevado de
registros nulos, e em 25 % dos casos é devido uma variação grande entre as velocidades
dos ventos.
89
A Tabela 17 mostra as analises feita para os histogramas gerados nos meses em
estudo
Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho
AVG
30 m Assimétrico Assimétrico Picos
isolados Picos
isolados Assimétrico Assimétrico
10 m Assimétrico Assimétrico Picos
isolados Picos
isolados Assimétrico Picos isolados
MAX
30 m Assimétrico Assimétrico Picos
isolados Picos
isolados Picos
isolados Assimétrico
10 m Picos isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos isolados
Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
AVG
30 m Assimétrico Assimétrico Assimétrico Assimétrico Assimétrico Picos isolados
10 m Picos isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos isolados
MAX
30 m Picos isolados Assimétrico Assimétrico Assimétrico Assimétrico Picos isolados
10 m Picos isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos
isolados Picos isolados
Tabela 17. Analise dos histogramas mensais
A forma mais comum de histograma foi 2 histogramas assimétricos e 2
histogramas picos isolados, para exemplo o mês de setembro deixa visível esse
característica, onde os dois gráficos de a 10 metros são isolados devido os valores de
velocidades nula serem valores elevados conforme Figura 30 e Figura 32, e os dois
gráficos a 30 metros são assimétricos, mantendo uma simetria na velocidade dos ventos
conforme Figura 29 e Figura 31.
Figura 29. Histograma WS30 AVG - Setembro/2011
0,58% 0,74%
6,53%
13,19%
15,49%
17,18% 15,67%
13,61%
9,75%
4,26%
1,81% 0,69% 0,28% 0,14% 0,00% 0,02% 0,02% 0,00% 0,02% 0,02%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Po
rce
nta
gem
(%
)
Velocidade do vento (m/s)
Frequência dos ventos - WS30 AVG - Setembro/2011
90
Figura 30. Histograma WS10 AVG - Setembro/2011
Figura 31. Histograma WS30 MAX - Setembro/2011
Figura 32. Histograma WS10 MAX - Setembro/2011
20,19%
6,23% 5,19%
9,79%
14,12% 14,51%
14,00%
9,26%
4,26%
1,44% 0,63% 0,30% 0,00% 0,02% 0,02% 0,00% 0,02% 0,00% 0,02% 0,00%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Po
rce
nta
gem
(%
)
Velocidade do vento (m/s)
Frequência dos ventos - WS10 AVG - Setembro/2011
0,58% 0,05%
2,04%
7,75%
11,20%
13,91% 13,45%
12,64% 12,01%
11,34%
7,15%
4,44%
1,32% 1,23% 0,30% 0,28% 0,19% 0,02% 0,02% 0,00%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Po
rce
nta
gem
(%
)
Velocidade do vento (m/s)
Frequência dos ventos - WS30 MAX- Setembro/2011
20,19%
1,37% 1,00%
4,68%
9,61%
12,41% 11,34% 11,25%
10,49%
8,52%
5,16%
2,29% 0,81% 0,44% 0,23% 0,09% 0,05% 0,02% 0,02% 0,00%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Po
rce
nta
gem
(%
)
Velocidade do vento (m/s)
Frequência dos ventos - WS10 MAX- Setembro/2011
91
Para aerogeradores de pequeno porte a velocidade de arranque está entre 3 e 3.5
m/s, quando a velocidade do vento é inferior à velocidade de arranque da máquina, o
sistema de controlo coloca as pás a um ângulo de 45º que proporcionará o arranque.
Com o aumento da velocidade do vento, aumenta a velocidade do rotor e ângulo das pás
diminui, até que se alcancem as condições necessárias para que o gerador iniciar seu
funcionamento, portanto toda velocidade abaixo desse valor não são plausível para
geração de energia elétrica.
A Figura 33 mostra como foram gerados os gráficos que deixam nítida a
percentagem de velocidade do vento abaixo da velocidade de arranque, e quanto do total
será aproveitado para geração de energia, tomando como exemplo o mês de setembro.
Figura 33. Incidência de ventos AVG - Set/2011
A percentagem das velocidades dos ventos mês a mês com medições a 30 metros
de altura, tendo classificação de 0 a 2 m/s, 3 a 5 m/s, 6 a 9 m/s e maior que 9 m/s os
meses de abril, fevereiro e dezembro possuem os maiores índices de ventos descartados,
com 32.86%, 28.43% e 23.34% dos ventos a 30 metros de altura.
Por dezembro e fevereiro estarem na mesma estação do ano, no verão contatou-
se um comprometimento bem grande na geração de energia onde uma media de 25.21%
dos ventos não são aproveitados.
Os meses onde há menor descarte de ventos é setembro, agosto e outubro com
ventos aproveitados de 92.16%, 90.17% e 86.27% de, meses entre inverno e primavera.
A Tabela 18 mostra os valores de porcentagem dos ventos, e a quantidade de
velocidade aproveitadas, considerando velocidades do vento maior que 3 m/s.
7,85%
45,86% 43,29%
3,01%
31,60%
38,43%
28,96%
1,02%
0 a 2 3 a 5 6 a 9 > 9
Velocidade do vento (m/s)
Incidência de Frequência dos Ventos AVG - Set/2011
WS30 WS10
92
WS30 Avg
0 a 3 3 a 5 5 a 9 > 9 % aproveitados
Janeiro 23.34% 67.54% 8.65% 4.70% 80.89%
Fevereiro 32.86% 60.61% 6.36% 1.70% 68.67%
Março 19.60% 49.17% 30.78% 4.50% 84.45%
Abril 36.53% 52.08% 11.00% 3.90% 66.98%
Maio 17.72% 65.66% 16.42% 2.00% 84.08%
Junho 22.25% 60.21% 16.06% 1.48% 77.75%
Julho 16.64% 59.18% 24.15% 2.00% 85.33%
Agosto 14.53% 57.28% 27.69% 5.20% 90.17%
Setembro 7.85% 45.86% 43.29% 3.01% 92.16%
Outubro 13.71% 47.40% 35.24% 3.63% 86.27%
Novembro 14.54% 53.56% 29.14% 2.75% 85.45%
Dezembro 28.43% 55.87% 15.34% 3.60% 74.81%
Tabela 18. Percentagem de velocidades dos ventos – WS30 AVG
Nas medições feitas a 10 metros, os valores de velocidade dos ventos entre 0 e 2
m/s são maiores, onde os meses de dezembro com 58.78%, junho com 53.96% e maio
com 51.95% dos ventos, esses foram meses onde mais de 50% dos ventos possuem
velocidade menor que velocidade de arranque.
Os meses com menor incidência de ventos entre 0 e 2 m/s são setembro com
31.60%, março com 32.26% e outubro com 36.54% dos ventos.
A Tabela 19 mostra a percentagem dos ventos a 10 metros de altura
WS10 Avg
0 a 2 3 a 5 6 a 9 > 9 % aproveitados
Janeiro 39.47% 56.50% 3.88% 1.60% 61.98%
Fevereiro 48.78% 48.31% 2.83% 0.70% 51.84%
Março 32.26% 50.67% 17.05% 0.02% 67.74%
Abril 48.43% 44.95% 6.39% 2.30% 53.64%
Maio 51.95% 43.23% 4.82% 0.00% 48.05%
Junho 53.96% 37.69% 7.78% 5.80% 51.27%
Julho 51.30% 38.60% 10.10% 0.00% 48.70%
Agosto 46.62% 38.28% 15.08% 0.02% 53.38%
Setembro 31.60% 38.43% 28.96% 1.02% 68.41%
Outubro 36.54% 37.97% 24.24% 1.25% 63.46%
Novembro 40.81% 39.26% 18.54% 1.39% 59.19%
Dezembro 58.78% 33.29% 7.91% 0.02% 41.22%
Tabela 19. Percentagem de velocidade dos ventos - WS10 AVG
93
As estações de maior aproveitamentos de ventos são primavera que possui
63.69% dos ventos acima de 3 m/s, seguido de outono com 56.48% dos ventos
aproveitados
3.9. Distribuição de Weibull
A distribuição Weibull é o método de analise probabilístico mais usado e de grande
importância para corrigir dados eólicos, pois introduz uma informação acerca das incertezas
com que podem ocorrer as velocidades previstas a partir dos dados coletados no período.
O fator de forma (K) de Weibull está relacionado com a variância da velocidade
média e representa à regularidade dos ventos, os valores da velocidade concentram-se em
uma faixa, entre 1,5 e 3, segundo Martinez (2003) ), e nos dá a ideia da regularidade dos
ventos, ou seja, quanto maior o valor de k , maior será a regularidade dos ventos em
termos de velocidade, mais estreita será a curva de distribuição.
O fator de escala (C) de Weibull está relacionado com o valor da velocidade média,
pois quanto maior o fator de escala mais larga é a banda de variação representando um
nível baixo de confiabilidade,
Na RAA segundo dados coletados o fator de forma k anual para velocidade Avg a
30 metros de altura ficou em 2.06, e o fator de escala c teve sua média em 3.70 m/s sendo
dois centésimos maiores que velocidade média com 3.68 m/s. A 10 metros o fator k ficou
em 1.25, e fator c em 1.66 m/s sendo considerável menor que a média da velocidade dos
ventos 2.45 m/s.
Na velocidade Max a 30 metros a média do fator k ficou em 2.18 e fator c em 4.962
m/s, o fator c está acima do valor da velocidade média Max que teve registro de 4.856 m/s,
demonstrando uma variação maior. A 10 metros de altura o fator k teve média de 1.37 e
fator c ficou em 2.82 m/s. O fator c teve registro menor do que velocidade do vento Max 3.4
m/s, aumentando confiabilidade.
Como é notado na Figura 34 temos os valores médios do fator de forma k, fator de
escala c e a velocidade média, nas medições a 30 metros de altura o fator c na maioria dos
meses estão acima da velocidade média, comprometendo confiabilidade, e nas medições a
10 metros na maioria maciça os valores de fator c estão abaixo da velocidade média,
aumentando confiabilidade dos dados dos ventos com relação à média.
94
Figura 34. Fator de forma k e fator de escala c da função Weibull
Através da função Weibull pode-se reajustar a velocidade média, através dos
fatores k e c.
Na Tabela 20 podemos visualizar a velocidade mês a mês a 30 e 10 metros de
altura, tanto para velocidade média Avg e Max segundo função Weibull.
Velocidade do vento Weibull
Avg Max
30 m. 10 m. 30 m. 10 m.
Janeiro 3.272 2.134 4.626 3.451
Fevereiro 2.724 1.745 3.859 2.792
Março 3.928 2.512 5.458 3.812
Abril 2.487 1.362 3.434 2.129
Maio 4.126 0.973 5.745 1.598
Junho 3.295 0.930 4.353 1.503
Julho 4.343 1.043 5.602 1.741
Agosto 4.327 1.272 5.638 2.107
Setembro 6.022 2.357 8.028 3.724
Outubro 4.693 1.914 6.296 3.088
Novembro 4.262 1.644 6.124 2.919
Dezembro 2.543 0.781 3.827 1.584
Tabela 20. Velocidade do vento - Função estatística Weibull
95
3.10. Lei da potência
Para a RAA o índice n médio foi obtido a partir de observações e
georeferenciamento de usos do solo que possibilitaram descrever o terreno como um
todo e como partes isoladas, obtida a partir de observações de viagens de campo
vinculadas ao projeto FAPESP nº 03/06441-7, a projeção do índice n para o perfil da
curva de velocidades para a RAA é de 0,2, ou seja, o índice para áreas cultivadas, pois a
presença maciça de cultivo de cana e consideráveis áreas de cultivo de cítricos,
considerando ainda que não haja possibilidade de aproveitamento onde exista mata
secundária a fim de evitar maiores degradações ambiental (BERNAL, 2009).
Como ênfase deste trabalho são os aerogeradores de pequeno porte suas torres
de instalações de variam de 7 a 32 metros de altura. Para cálculos foi usado altura de 13
metros, uma média de altura de instalação da maioria de aerogeradores e 32 metros de
altura, altura máxima segundo recomendações de fabricantes.
Foi usada a velocidade dos ventos aplicando a função estatística Weibull
mostrada na Tabela 21.
Através da correção da Lei de Potência, temos a velocidade dos ventos para cada
altura de instalação de aerogeradores, conforme proposto na Tabela 21.
Média AVG Média MAX
Torre 32 m. Torre 13 m. Torre 32 m. Torre 13 m.
Janeiro 3.314 2.249 4.686 3.637
Fevereiro 2.784 2.253 3.810 3.353
Março 3.979 2.647 5.529 4.018
Abril 2.519 1.435 3.479 2.243
Maio 4.180 1.026 5.820 1.685
Junho 3.338 0.980 4.409 1.584
Julho 4.400 1.100 5.675 1.835
Agosto 4.384 1.340 5.712 2.221
Setembro 6.100 2.484 8.132 3.925
Outubro 4.754 2.017 6.378 3.254
Novembro 4.318 1.733 6.203 3.076
Dezembro 2.576 0.823 3.877 1.670
Tabela 21. Lei da Potência
96
3.11. Densidade de Potência do vento
Uma maneira de se compreender o potencial eólico de uma determinada
região é a partir da densidade de potência. É uma maneira de se avaliar o local antes de
ter definir o tamanho do aerogerador a ser instalado. Este cálculo é feito sem que se leve
em consideração quaisquer características do aerogerador, e sim unicamente a potência
disponível no vento.
A 30 metros de altura os meses recordes de densidade de potencia foi setembro
com 436.83 W/m², outubro com 206.78 W/m² e 154.90 W/m². Os meses com menor
densidade de potencia foram abril com 12.44 W/m², dezembro com 32.91 W/m² e
fevereiro com 41.54 W/m².
A 10 metros de altura os meses recordes foram março com 35.70 W/m²,
setembro com 29.50 W/m² e fevereiro com 22 W/m². Tendo uma baixa muito grande
onde os meses de dezembro, maio e junho a média fica 1.65 W/m².
De acordo com Santos et. al (2009) apud Souza (1993), a densidade de potência
eólica acima de 15 W/m² torna viável o uso de energia eólica na agricultura e nas
médias a 30 metros de altura nenhum mês teve densidade menor que 15 W/m², e nas
médias a 10 metros de altura os meses de janeiro, fevereiro, março, setembro e outubro
são pautadas como aproveitadas para bombeamento de água, os meses de dezembro,
maio e junho com média bem baixas não passando de 2.08 W/m², e abril, julho, agosto,
novembro não passam de 10.01 W/m² as médias de densidade de potência.
A Tabela 22 mostra a densidade de potência calculada para cada mês analisado.
Densidade de Potência (W/m²)
Mês WS30 WS10
Janeiro 70.04 21.88
Fevereiro 41.54 22.00
Março 121.24 35.70
Abril 30.77 5.69
Maio 140.53 2.08
Junho 71.56 1.81
Julho 163.89 2.56
Agosto 162.09 4.63
Setembro 436.83 29.50
97
Outubro 206.78 15.80
Novembro 154.90 10.01
Dezembro 32.91 1.07
Anual 136.09 12.73
Tabela 22. Densidade de Potência
Analisando a densidade de potencia de acordo com as estações do ano, a estação
que mais contribuiu foi à primavera com média de 266.17 W/m² e a com densidade de
potencia menor ficou o verão com 48.16 W/m², conforme Tabela 23
Tabela 23. Densidade de potência - Estações do ano
Densidade de Potência (W/m²)
Verão Outono Inverno Primavera
WS30 48.16 91.40 132.51 266.17
WS10 14.99 14.49 3.00 18.44
3.12. Potência
Para analise de potencia foi usado 3 de aerogeradores de pequeno porte, com
600W, 1500W e 3000W. O aerogerador selecionado é o Inclin, da fabricante Bornay
empresa espanhola, é concebido para trabalhar também em conjunto com as instalações
solares.
A Tabela 24 mostra as especificações técnicas dos aerogeradores que foram
usados para analise de potencia dos ventos na RAA.
Características técnicas
Especificações Inclin 600W
Especificações Inclin 1500W
Especificações Inclin 3000W
Número de hélices 2 2 2
Diâmetro 2 metros 2.86 metros 4 metros
Material Fibra de vidro/carbono Fibra de vidro/carbono Fibra de vidro/carbono
Sentido de rotação Sentido horário Sentido horário Sentido horário
98
Sentido de controle Regulador eletrônico, Passivo por inclinação
Regulador eletrônico, Passivo por inclinação
Regulador eletrônico, Passivo por inclinação
Potência Nominal 600 Watts 1500 Watts 3000 Watts
Tensão 24, 48, 120 V 24, 48, 120 V 24, 48, 120 V
Velocidade de arranque 3,5 m/s 3,5 m/s 3,5 m/s
Velocidade para potência nominal
12 m/s 11 m/s 11 m/s
Velocidade de freio automático
14 m/s 13 m/s 13 m/s
Tabela 24. Especificações aerogeradores Inclin
A potência foi calculada com os dados da velocidade dos ventos interpolados
com a Lei de Potência para altura de torres com 13 e 32 metros, segundo valores
especificados na Tabela 21 que mostram velocidade média mês a mês.
A potência calculada dos 3 aerogeradores de potência nominal diferentes
seguem os mesmos parâmetros devido serem calculados com a mesma média dos
ventos mudando somente a área de abrangência de cada aerogerador, proporcionando
um aumento gradativo na potência gerada, como mostra a Figura 35.
Figura 35. Potência Eólica
Com o aerogerador Inclin de potência nominal de 600 W a 30 metros de altura, a
potência média anual ficou em 80.70 W, os meses de maior quantidade de energia
0
200
400
600
800
1000
1200
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Wat
ts
Potência Eolica - Paramêtro aerogedores Inclin de 600, 1500 e 3000 W
Inclin600 - 30m. Inclin600 - 10m. Inclin1500 - 30m. Inclin1500 - 10m. Inclin3000 - 30m. Inclin3000 - 10m.
99
concedida são setembro com 259.04 W, outubro com 122.62 W e julho com 97.19 W. O
mês de dezembro ficou com a média mais baixa com 19.51 W. E com medições a 10
metros de altura, a média anual ficou com 7.55 W, os meses de recorde foram os meses
de março com 21.17 W, setembro com 17.49 W e fevereiro com 13.05 W e o mês de
menor potencia foi dezembro com 0.64 W.
Com o aerogerador Inclin de potência nominal 1500 W a 30 metros de altura a
potência média anual ficou em 165.03 W, com setembro gerando 529.71 W, outubro
com 250.74 W e julho com 198.74 W recordes de potência e abril com menor índice de
potencia com 37.32 W. Com medições a 10 metros com média anual de 15.43 W, os
meses de março com 43.30 W, setembro com 35.77 W e fevereiro com 26.68 W sendo
os maiores registros de potência e dezembro com a menor potência de 1.30 W.
Com o aerogerador Inclin de potência nominal 3000 W, a 30 metros de altura a
potência média anual ficou em 322.80 W, com setembro tendo 1036.16 W, outubro com
490.48 W e julho com 388.75 W com recordes de potência e abril com menor índice de
potencia com 73 W. Com medições a 10 metros março com 84.69 W, setembro com
69.97 W e fevereiro com 52.19 W e dezembro com a menor potência de 6.90 W.
A Tabela 25 mostra os valores anual e mensal de potência dos ventos segundo
parâmetro para aerogeradores.
Potência (W)
Inclin 600W Inclin 1500W Inclin 3000W
30 m. 10 m. 30 m. 10 m. 30 m. 10 m.
Janeiro 41.54 12.97 84.94 26.53 166.14 51.90
Fevereiro 24.63 13.05 50.37 26.68 98.54 52.19
Março 71.89 21.17 147.01 43.30 287.57 84.69
Abril 18.25 3.37 37.32 6.90 73.00 13.49
Maio 83.33 1.23 170.41 2.52 333.33 4.92
Junho 42.43 1.08 86.77 2.20 169.74 4.30
Julho 97.19 1.52 198.74 3.10 388.75 6.07
Agosto 96.12 2.75 196.55 5.61 384.47 10.98
Setembro 259.04 17.49 529.71 35.77 1036.16 69.97
Outubro 122.62 9.37 250.74 19.16 490.48 37.47
Novembro 91.86 5.94 187.84 12.14 367.43 23.74
Dezembro 19.51 0.64 39.90 1.30 78.05 2.54
Média Anual 80.70 7.55 165.03 15.43 322.80 30.19
Tabela 25. Potência eólica
100
3.13. Analise do potencial eólico para geração de energia usando software
Eolusoft - Estação meteorológica em Araçatuba
A finalidade deste estudo é verificar utilizando do aerogeradores com potência
de 600, 1500 e 3000 Watts de uso rural, possibilidades viáveis considerando a utilização
de um único aerogerador para a geração de eletricidade para consumo residencial e/ou o
bombeamento de água visando irrigação em sistema isolado e hibrido com energia
solar, através de placas fotovoltaicas.
3.13.1. Software Eolusoft
O Eolusoft é uma ferramenta computacional desenvolvida pelo Núcleo
Tecnológico de Energia e Meio Ambiente - NUTEMA para o dimensionamento de
sistemas eólicos e fotovoltaicos autônomos. A programação foi feita em Delphi, e
possibilita a visualização de gráficos para ressaltar o comportamento das variáveis em
questão e também para facilitar o entendimento dos métodos utilizados. São divididos
em módulos chamados Módulo de Consumo, Recursos Energéticos, Sistema Eólico,
Sistema Fotovoltaico, Baterias, Cabos. Com acréscimo de um módulo para
dimensionamento de sistemas híbridos, denominado Módulo Híbrido. Outras
características do Eolusoft são o banco de dados de cidades e mapas de distribuição de
energia no estado do Rio Grande do Sul (Cardoso, 2003), além de ter espaço para
acréscimo de demais cidades, possibilitando o uso do software em varias regiões do
Brasil.
Para análise com dados coletados na cidade de Araçatuba foi criado no banco de
dados do software com as velocidades do vento Avg a 30 metros de altura, sendo que as
médias a 10 metros de altura não foram utilizadas para análise porque a velocidade
média dos meses não chegou a 3.5 m/s, velocidade de arranque dos aerogeradores.
Para obter a contribuição da energia eólica em sistema hibrido foi preciso incluir
no software Eolusoft a média da radiação solar incidente na cidade de Araçatuba, as
medições são feitas pelo Piranomêtro CMP3 que disponibiliza os dados da radiação
solar global em kJ/m² e para uso no software é necessário transformar para kWh/m²*dia,
101
para isso basta multiplicar o valor obtido por 2.78x10-4 e o resultado multiplicar por 24,
referente ao numero de horas em um dia, que se obtêm kWh/m².
A Tabela 26 mostra os valores médios de radiação solar na cidade de Araçatuba.
Radiação Solar
Mês KWh/m²*dia Jan 6.48
Fev 5.76
Mar 4.32
Abr 5.04
Mai 5.04
Jun 4.32
Jul 4.32
Ago 4.8
Set 6.24
Out 5.52
Nov 6.96
Dez 6.96
Tabela 26. Média radiação solar global em kWh/m²
Após todas as especificações pedidas pelo software a interface do programa terá
banco de dados completos.
A Figura 36 ilustra a interface do software.
Figura 36. Interface do software EoluSoft.
102
As especificações usadas pra o sistema fotovoltaico com placa Siemens de
100W, tensão nominal de 12V, tensão de carga de 17V e corrente de carga 5.9A, com
sistema de bateria de 127V, marca Reifor de tensão nominal de 12V e corrente bateria
de 110Ah.
Foi especificado o consumo básico em kWh/dia para calcular a demanda
necessária para a residência rural.
A Tabela 27 mostra o modulo de consumo básico de uma residência rural
especificado para o Eolusoft.
Consumo básico de residência em área rural
Aparelho Quantidade Horas/dia Dias/semana
Televisão 1 3 5
Radio 1 4 3
Bomba de água 1 3 3
Geladeira 1 24 7
Freezer 1 24 7
Ventilador 2 6 5
Computador 1 4 4
Fax 1 3 3
Lâmpadas 7 5 7
Consumo total em kWh/dia 11.445
Tabela 27. Consumo residencial básico rural
3.14. Contribuição da energia eólica em um sistema híbrido segundo
médias na estação meteorológica na cidade de Araçatuba.
Os resultados apurados que foram apresentados pelo software foram
representados na Tabela 28, analisando a energia anual gerada e anual requerida.
Demanda (Wh/dia) 11445.3
Energia Anual Gerada Energia Anual Requerida
600 W Isolado
437.99 4177.55
Hibrido 807.67
1500 W Isolado
1628.1 4177.5
Hibrido 807.67
3000 W Isolado 2851.55 4177.5
103
Hibrido 807.67
Tabela 28. Relação energia anual gerada e energia anual requerida.
A contribuição da energia eólica em um sistema híbrido foi de 19.3%, com a
solar tendo maior parte de contribuição de 80.7%. O valor de contribuição da energia
eólica em um sistema híbrido não muda com o aumento da potência dos aerogeradores
por esta estar mais ligado diretamente com a velocidade dos ventos, e por maior que
seja minha potência não será viável se a velocidade não for consideravelmente maior do
que a média obtida na estação meteorológica de Araçatuba.
Segundo a demanda calculada que foi de 11445.3 Wh/dia, 2212.8 será suprida
com energia gerada pela turbina eólica e 9232.6 Wh/dia será gerada pelas placas
fotovoltaicas.
104
CONCLUSÃO
Ao longo deste trabalho foi desenvolvida uma análise minuciosa para cálculos
de potencial eólico na RAA, fazendo levantamento dos dados de velocidade e direção
dos ventos do sistema meteorológico na cidade de Araçatuba, no oeste paulista.
Ainda na investigação teórica foram apresentados os procedimentos e as
condições necessárias para elaborar o potencial eólico de uma região onde é necessário
fazer um trabalho de tratamentos dos dados devido a grande variação que há na
velocidade dos ventos, onde calculo estatístico da função de Weibull que corrigem
dados e a Lei da Potência que faz uma transposição da velocidade do vento medida para
velocidade do vento na altura de instalação dos aerogeradores com geração de vários
gráficos para uma melhor análise.
Com análise e tratamentos dos dados foi constatado que a média anual em nossa
região com velocidade dos ventos AVG a 10 metros de altura não são suficientes para
acionamento das turbinas eólicas que possuem velocidade de arranque menor que 3.5
m/s onde sua média anual ficou em 2.447 m/s, nas medições a 30 metros de altura um
potencial para geração de energia elétrica onde média anual ficou em 3.676 m/s. E com
velocidade dos ventos MAX a 10 metros de altura chega a 3.638 m/s, e nas medições a
30 metros de altura a média ficou em 4.856 m/s. Para cálculos de potencial eólico não
há problemas quanto ao uso da velocidade dos ventos ser usada máxima, mas quando
visualizamos uma análise mais próxima do real a velocidade avg é mais recomendada.
A estação do ano onde há uma incidência de ventos maior é o inverno e
primavera, e a primavera é a estação do ano que há mais proveito da velocidade dos
ventos com o menor número registros de velocidade dos ventos nulos.
Na análise de geração de energia elétrica não foi possível a geração proposta
com aerogeradores a 12 metros, pois a velocidade média não ultrapassa 3.5 m/s,
velocidade de arranque. E para aerogeradores com 32 metros de altura tornasse viável
tendo sua contribuição em um sistema hibrido com energia solar de 19.3%.
Por fim fica clara que para geração de energia elétrica visando áreas rurais o
proveito é melhor somente para aerogeradores menores que seja suficiente para auxílio
de bombeamento de água e irrigação.
105
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