Aula 2-Energia Eólica, Recursos

Prof. Dr. Federico Bernardino Morante Trigoso

Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas

“FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA”

CAPÍTULO 2:Energia Eólica: recursos

SUMÁRIO

1. Origem do uso da energia eólica2. Formação dos ventos3. A força de Coriolis4. Direção e velocidade do vento5. Medição da velocidade dos ventos6. Analise do recurso eólico7. Variação da velocidade do vento8. Potencia extraída do vento9. Energia eólica disponível10. Curvas de duração de velocidade e potencia11. Distribuição do recurso eólico12. O recurso eólico no Brasil

ENERGIA EÓLICA

• Energia eólica é energia solar armazenada na atmosfera naforma de calor distribuído de forma homogênea que daorigem a correntes convectivas.

• Portanto, A ENERGIA EÓLICA É ENERGIA SOLARINDIRETA

Descontando os fluxos de ar localizados em pontos inacessíveis, o potencial de energia eólica no planeta Terra é de

aproximadamente 0,7 x 1021 J

ORIGEM DO USO DA ENERGIA EÓLICA

• O ser humano, desde tempos imemoriais, tem aproveitado para finsindustriais a energia contida no vento.

• Eólico, boreal, tufão ou furacão são nomes conhecidos e utilizados emterminologia climatológica:

- Eolo é o deus grego guardião dos ventos, que os maneja e liberasegundo sua vontade.

- Boreas é o deus da mesma mitologia que personifica o vento norte.

- Furacão é o coração do céu segundo os Maias.

- Tufão é o deus do mal do antigo Egito.

Entre as técnicas mais antigas de aproveitamento da energia eólica estão o deslocamento e transporte, os moinhos de grãos, a extração

de azeites, o prensado de matéria vegetal, o corte e serrado de madeiras, a elevação de água para irrigação e para o abastecimento

humano e animal.

Diferentes tipos de velasCaravelas de Cristóvão Colombo

Caravelas de Pedro Álvares Cabral

NAVIOS A VELA

O veleiro Beagle de Darwin

MOINHOS DE VENTO

• Os mais antigos moinhos acionados pelo vento eram de eixo vertical e estavam localizados na Pérsia e na China, faz 3700 anos.

• A introdução dos moinhos de vento naEuropa acontece após 2000 anos da suainvenção.

O MOINHO MANCHEGO

MOINHOS PARA EXTRAIR ÁGUA

As primeiras bombas eólicas apareceram nos Estados Unidos em 1854 e foram desenvolvidas por Daniel Halladay utilizando rotores multipá

acoplados a bombas de pistão para extrair água do subsolo. Em 1883 Steward Perry, baseado nesta idéia, fabricou o moinho de vento

americano mais difundido no mundo, em operação até na atualidade.

O moinho multipá americano

• Os geradores multipás abriram o caminho para desenvolver umnovo conceito de turbinas eólicas.

• A finais do século XIX foi surgindo a idéia de utilizar a energiaeólica para produzir eletricidade e em 1890 o governo daDinamarca iniciou um programa de desenvolvimento eólico nessesentido.

• O professor Lacour foi encarregado para dirigir tal programa eem 1892 desenhou uma planta experimental aplicando os princípiosestabelecidos por Smeaton convertendo-se num centro deexperimentação até 1929 quando um incêndio o destruiu.

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

• Após numerosos ensaios Lacour desenvolveu o primeiro protótipode aerogerador elétrico.

• Essa primeira maquina utilizou rotores de quatro pás de 25 mde diâmetro e era capaz de gerar entre 5 e 25 kW de potênciapor meio de um gerador localizado na base da torre metálica de24 m de altura.

• Este modelo de aerogerador começou a ser fabricado nosprimeiros anos do século XX chegando-se a instalar mais de 70unidades em volta de 1908 e outros 120 antes da PrimeiraGuerra Mundial.

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Aerogerador russo construído em Yalta perto do Mar Negro em 1931.

ANTIGA URSS

• Era uma unidade de 0,1 MW comuma torre de 23 m de altura e pásde 30,5 m de diâmetro.

• Gerava em corrente alternada eatingia sua potencia nominal a 11m/s.

• O empuxo do vento recebia-se noelemento diagonal, cuja base semovimentava sobre um sistemacircular de trilhos conforme oaerogerador gira em volta da torrecentral para ficar frente ao vento.

(Fonte: Considine, 1989, p. 5-168)

Aerogerador Smith-Putman construído perto de Rutland, Vermont, durante a Segunda Guerra Mundial.

• Era uma unidade que funcionavacom um gerador de correntealternada de 1,25 MW a 13,4 m/s.

• Consistia em um rotor com duaspás de 53 m de diâmetro instaladoem uma torre de 33 m de altura.

• A unidade completa se mantinhaorientada ao vento mediante umsensor colocado no alto, a qualacionava os servomecanismosapropriados.


ESTADOS UNIDOS

INGLATERRA

Aerogerador Enfield-Andreau construído a principio da década de 1950.

• Aerogerador de 0,1 MW a 13,4m/s com pás de 24 m de diâmetrosobre uma torre de 30 m de altura.

• As pás esburacadas doaerogerador, abertas nas pontas,estavam conectadas com uma colunade ar que se estende até a base dainstalação.

• As pás giratorias atuam como umabomba de ar centrífuga, já queexpelem ar por suas pontas abertasa causa da força centrifuga.


• A atmosfera é um grande motor térmico alimentado pelo Sol.

• Como em todos os motores, somente uma parte da energia recebidapode-se transformar em trabalho.

• O resto deve ser rejeitada pelo sistema, neste caso por meio da perdade calor por radiação que escapa ao espaço desde a Terra e suaatmosfera.

• Os ventos e as correntes oceânicas representam o trabalho efetuadopelo motor e podem-se considerá-los como um volante.

• O aerogerador converte o movimento de translação dos ventos em umarotação capaz de acionar um alternador.

FORMAÇÃO DOS VENTOS

Como o sistema terra-atmosfera libera automaticamente o calor rejeitado por este grande motor térmico, os sistemas de energia eólica

não têm que lidar com o calor residual que representa um grande problema nas usinas termoelétricas que utilizam gás, petróleo ou material

nuclear.


A causa original que provoca os movimentos das massas de ar é a radiação solar.


• A quantidade de energia oferecida pela radiação solar depende dalatitude do lugar já que existe dependência do ângulo de incidência, assim,nas regiões polares se produz aquecimento menor do que no Equador.

• O ar mais quente e menosdenso sobe sendo substituídopor outro mais frio epesado.

• A circulação global do arassim gerada corresponde aomicroclima de escalaplanetária.


• A rotação da Terra ocasiona o aparecimento de uma força chamada“de Coriolis” que produz uma componente leste para os ventos norte quecirculam para o sul, e uma componente oeste para os ventos sul quecirculam para o norte.

• A direção das grandes correntes de circulação do ar esta influenciadapela rotação terrestre e pela disposição dos continentes.

A FORÇA DE CORIOLIS

• A componente leste ou oeste é maior quanto mais pertoficarmos dos pólos e menor quanto mais próximos se estiver doEquador.

• Esta força de Coriolis gera também movimentos ciclónicoscirculares das massas de ar que se deslocam desde altaspressões até as baixas pressões.

• As zonas de baixas pressões são sumidouros de ar e geram,como a água que flui pelo esgoto, movimentos giratórios nosentido contrario às agulhas do relógio no hemisfério norte, e nosentido das agulhas do relógio no hemisfério sul.

A FORÇA DE CORIOLIS

• Além disso, o distinto calor específico – indicador daquantidade de calor que pode armazenar a matéria porunidade e massa (Kcal/kg) – e a diferente velocidade deesfriamento e de transmissão de calor da água do mar, emrelação ao solo das massas continentais, em seu intercambiotérmico com o ambiente, provoca aquecimento e esfriamentosdiferenciais de massas de ar em contato com as zonasterrestres com relação às que estão em contato com as zonasaquáticas.


• Outros fatores como a orografia, a umidade, o tipo de coberturavegetal, a altitude, a cor da superfície terrestre, etc. condicionam adireção e a força dos ventos mais localizados, incluindo ventos peculiaresde regiões pequenas com microclimas específicos.

• Os ventos são denominados de acordo com a direção e o sentido de ondeprovem. Assim por exemplo, o vento que sopra da região sul para a regiãonorte será chamado de vento sul. A indicação do sentido dos ventos é dadapela chamada rosa-dos-ventos.

• A designação dos ventos pode ser dada por letras que representam asdireções geográficas, ou por números.

DIREÇÃO E SENTIDO DOS VENTOS

DIREÇÃO E SENTIDO DOS VENTOS

VELETA OU CATAVENTO

A biruta ou manga de vento é um aparelhocapaz de mostrar a direção e sentido dovento. Este instrumento é muito usado emaeroportos, onde orienta a decolagem e aaterrissagem dos aviões. Essas manobras sópodem ser feitas em sentido contrário aovento, cujo sentido indica.

BIRUTA OU ANEMOSCÓPIO

Escala de Beaufort(1805)

A força que o vento exerce sobre uma superfície

interposta em sua trajetória depende da sua

velocidade.

MEDIÇÃO DA VELOCIDADE DOS VENTOS

• Um anemômetro é um dispositivo amplamente utilizado para medir adireção e a velocidade dos ventos, sendo normalmente encontrado emestações meteorológicas, aeroportos, aeroclubes, túneis de vento e nanavegação de pequenas embarcações.

• Este dispositivo é bastante simples, sendo composto por um sistema dehélices acoplado ao eixo de um gerador elétrico.

• O ANEMÔMETRO é o aparelhoque mede a velocidade dos ventosem metros por segundo.



Torre meteoreológica de 56 m e instrumentos de medição para o aerogerador Smith-Putman instalado perto a

Rutland, Vermont.(Fonte: Considine, 1989, p. 5-174)

• Assim por exemplo, um vento de 10 m/sproduzira 8 vezes a potencia que produzira umvento de 5 m/s.

• Este fato obriga a realizar estudosmeteorológicos detalhados dos potenciaislugares, em especial dos que aparentam serideais, incluindo uma comparação dos registrosdo vento a curto prazo com os de longo prazode uma estação climatológica próxima, com afinalidade de comprovar se os dados a curtoprazo são representativos ou não.

• Devido a que a potencia gerada pelo vento é proporcional ao cubo davelocidade do mesmo, é importante localizar áreas que tenham ventospersistentemente fortes.


• De um modo geral, quanto maior for a altura, maior será a velocidadedo vento numa mesma região. Costuma-se adotar a altura de 10 metrosacima do solo como referência (H0); para esta altura tem-se, então, avelocidade do vento na altura conhecida (v0). Então a velocidade do vento(v) na altura desejada (H) superior à de referência, pode ser encontradaempiricamente pela equação:

EXEMPLO: se a velocidade do vento a 10 m de altura de uma superfíciemedianamente rugosa (n = 0,091) é igual a 30 km/h, qual a velocidade a20 m de altura?

onde n é o fator de rugosidade do terreno.n

HHvv

00

hkmv 95,31

102030

091,0

20

VELOCIDADE DOS VENTOS

Descrição do terreno Fator de

rugosidade (n)

Terreno sem vegetação 0,10

Terreno gramado 0,12

Terreno cultivado 0,19

Terreno com poucas árvores 0,23

Terreno com muitas árvores, cerca viva ou poucas

edificações

0,26

Florestas 0,28

Zonas urbanas sem edifícios altos 0,32

(Fonte: Belico dos Reis, 2011, p. 249)

Fator de rugosidade dos terrenos planos

FATOR DE RUGOSIDADE

VELOCIDADE DOS VENTOS

ANALISE DO RECURSO EÓLICO

Descrição das características dos lugares de energia eólica segundo oautor Savino (1974): (a) Lugar apropriado: morro arredondada de cumepequeno. (b) Lugar inapropriado: morro com ladeiras abruptas e grandecume plano. (c) Lugar possivelmente apropriado em uma montanha íngreme.



Exemplo de modificação do terreno destinado a aumentar a potência do vento ao incrementar a ação venturi.

• É possível que certas modificaçõesmenores no terreno de umemprazamento podem incrementarsubstancialmente o potencial deenergia eólica do lugar.

• O ponto C forma parte de umsistema geológico conhecido como“cadeira de montar” no qual B e Dsão terrenos elevados.

• A escavação na área indicadapelos sinais - e o aterramentorepresentado pelo sinal + podemaumentar o efeito venturiocasionado pela “cadeira demontar”.

Mapa de Recursos 2D - Velocidade média anual


Mapa de Recursos 3D - Velocidade média anual


VARIAÇÃO DA VELOCIDADE DO VENTO

Comparação das velocidades do vento para 1973 em Astoria, perto do rio Columbia e no monte Hebo que fica a 110 km ao sul

VARIAÇÃO DA VELOCIDADE DO VENTO

Comparação das velocidades do vento para 1968 em Astoria, perto do delta do rio Columbia, e em Columbia Lightship, duas estações que estão

separadas aproximadamente 25 km.

• O fato mais significativo que surge da análise dos ventos terrestrescomo fonte de energia elétrica é que A ENERGIA PRODUZIDA ÉPROPORCIONAL AO CUBO DA VELOCIDADE DO VENTO:

• A massa de ar m com velocidade v e densidade ρ que flui por unidadede tempo através da área A coberta pelas pás de uma aeroturbinaconvencional de eixo horizontal é:

ENERGIA EÓLICA DISPONÍVEL

32 ..21.

21 vAvmEC vAm ..

• Como demonstra o teorema de Betz (1919), a fração máxima daenergia cinética que se pode obter do vento é de 16/27 ou 0,593,assim, a potencia máxima teórica produzida por um aeroturbina estádada por:

⇨

3...297,0 vAPMT

Apesar do melhoramento da eficiência dos aerogeradores,nem mesmo o melhor modelo poderá extrair toda a energiaexistente no vento.

Isto acontece porque, se o rotor extraísse toda a energiado vento, a velocidade deste após atingir as lâminas daturbina passaria a ser zero e, desta forma, pararia apóspassar por ela; sendo assim, o ar iria acumular-se!

ISTO EXPLICA PORQUE A EFICIÊNCIA MÁXIMA DACONVERSÃO DA ENERGIA EÓLICA EM ELÉTRICA DE UMROTOR IDEAL É DE APROXIMADAMENTE 59%.

TEOREMA DE BETZ

• O processo de conversão energética provoca reduções de potência quevariam com o tipo de aeroturbina e aerogerador e representamaproximadamente um terço da saída máxima teórica. Portanto, apotência realmente disponível é:


• Se o diâmetro das pás do rotor é D, a equação anterior setransforma em:

33 ...2,0...297,032 vAvAPD

32....05,0 vDPD

Assim, a potência disponível para uma dada velocidade dovento é proporcional ao quadrado do diâmetro do rotor.

• Para complementar a análise, é necessário definir o coeficiente depotência constante Cp e o coeficiente global de potência COp:


• Onde PA é a potência da aeroturbina e PG é a potência do gerador.

• O coeficiente COp inclui assim a ineficiência de transmissão e dogerador

3..21 vA

PC AP

3..21 vA

PC GOp

• Para calcular a potência elétrica real que produz uma turbina eólicadeve-se considerar também a eficiência da caixa de engrenagens(multiplicador) ηCE e a eficiência do gerador elétrico ηG, Assim:


PA: Potência elétrica gerada pela aeroturbinaCP: Coeficiente de potência constanteηCE : Eficiência da caixa de engrenagens (multiplicador)ηG: Eficiência do gerador elétricoρ: Densidade do ar = 1,2256 kg/m3

D: Diâmetro das pásv: Velocidade do vento

3...21.. vACPP CEGPAelétrica

32 .4

...21.. vDCPP CEGPAelétrica

POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO

• A força que pode ser extraída do vento é proporcional ao CUBO davelocidade v do vento e à área barrida pelas pás.

• Quanto maior a velocidade, mais o vento irá impactar as lâminas do rotora cada segundo. Assim, a energia eólica transferida em um determinadotempo (a produção ou saída de força) é proporcional a v x v = v3 (lembrarque a energia cinética é expressada como m.v2/2)

• Utilizando os fatores de conversão apropriados e um fator de 0,59 querepresenta a eficiência máxima que uma turbina de vento pode atingir, amáxima produção de energia pode ser expressada da seguinte forma:

P = 2,83 x 10-4.D2.v3 (em kW) D em metros e v em metros por segundo

P = 2,36 x 10-6.D2.v3 (em kW) D em pés e v em milhas por hora

EXERCÍCIO

Duas turbinas eólicas de eixo horizontal possuem ascaracterísticas mostradas na tabela a seguir:

Pede-se:

a) Determinar a potência elétrica gerada por cada turbinaquando a velocidade do vento é 8, 9, 10, 11 e 12 m/s

b) Qual das turbinas produz mais energia? Por quê?

Diâmetro (m) CP ηCE ηG

Turbina 1 25 0,38 0,90 0,98

Turbina 2 28 0,35 0,88 0,95

CURVAS DE DURAÇÃO DE VELOCIDADE E DE POTENCIA

Curva de duração de velocidade paraum bom lugar de energia eólica.

Curva de duração de potencia paraum bom lugar de energia eólica.

• A área sombreada bcfgh sob a curva de duração de potencia representa a saídaanual de energia à mesma escala que o retângulo adeo que representa a saída anualse o aerogerador estiver operando com toda sua potencia nominal durante todo o ano.

• A razão da área bcfgh com relação à área adeo é o fator de carga anual doaerogerador. Ao multiplicar este fator por 8760 se obtém a saída específica emkWh/ano por kW.

⇨

Curvas de duração de velocidade para duas estações em Yaquina Head e uma em Cabo Blanco, Oregon, Estados Unidos. As curvas mostram o

numero de horas por ano em que as velocidades do vento ultrapassam os valores indicados.

CURVAS DE DURAÇÃO DE VELOCIDADE

Variação calculada da saída de potencia com a velocidade do vento e energia total anual para 1973-1974 na estação de Comunicações da Guarda

Costeira dos Estados Unidos localizada em Yaquina Head, no litoral do estado de Oregon, para um aerogerador com pás de 38 m de diâmetro.

CURVAS DE DURAÇÃO DE VELOCIDADE E DE POTENCIA

Curvas de duração de potência para cinco lugares, três em Oregon e dois na Inglaterra.

CURVAS DE DURAÇÃO DE POTENCIA

Curvas de duração de potência para diversos lugares de Oregon, Estados Unidos.

CURVAS DE DURAÇÃO DE POTENCIA

Energia Eólica

COMPLEMENTARIDADE

Energia Eólica

DISTRIBUIÇÃO DO RECURSO EÓLICO

Energia Eólica


Energia Eólica


RECURSO EÓLICO NO BRASIL

ATLAS DO POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO

•Odilon A. Camargo do Amarante•(Camargo Schubert EngenhariaEólica)

•Michael Brower e John Zack•(TrueWind Solutions)

•Antonio Leite de Sá•(Centro de Pesquisas de EnergiaElétrica/CEPEL)

•Brasília, 2001

Energia Eólica


* O ATLAS DO POTENCIALEÓLICO BRASILEIRO cobre todoo território nacional.

* O seu objetivo é fornecerinformações para capacitartomadores de decisão naidentificação de áreas adequadaspara aproveitamento eólico-elétricos.

* Este atlas destina-se aautoridades governamentais,planejadores do setor elétrico,agencias nacionais e internacionaisde financiamento, instituições defomento e investidores.

Energia Eólica


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