50
Universidade Federal de Campina Grande Centro de Engenharia Elétrica e Informática Curso de Graduação em Engenharia Elétrica GERALDO LANDIM DE FRANÇA NETO MILENA MARINHO ARRUDA PHELIPE LEAL SERAFIM RODRIGUES POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO

Potencial Eólico Brasileiro

Embed Size (px)

Citation preview

Universidade Federal de Campina Grande

Centro de Engenharia Elétrica e Informática

Curso de Graduação em Engenharia Elétrica

GERALDO LANDIM DE FRANÇA NETO

MILENA MARINHO ARRUDA

PHELIPE LEAL SERAFIM RODRIGUES

POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO

Campina Grande, ParaíbaNovembro de 2013

GERALDO LANDIM DE FRANÇA NETO

MILENA MARINHO ARRUDA

PHELIPE LEAL SERAFIM RODRIGUES

POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO

Trabalho apresentado em cumprimento das exigências da disciplina Geração de Energia

Elétrica, ministrada pelo professor Leimar de Oliveira, do curdo de Engenharia Elétrica da

Universidade Federal de Campina Grande.

Campina Grande, ParaíbaNovembro de 2013

ii

RESUMO

A energia eólica vem se expandindo rapidamente por todo o mundo nessa última década. Com

isso, o aproveitamento energético do potencial eólico brasileiro tornou-se objeto de estudos e inventários.

O Brasil tem atraído a atenção de grandes investidores estrangeiros. Foi apontado por um estudo para o

Meio Ambiente do Programa das Nações Unidas como maior mercado mundial de energia renovável.

Uma usina eólica trata-se de um conjunto de turbinas eólicas que são dispostas adequadamente

em uma mesma área. Com todos esses fatores, torna-se importante o estudo do potencial eólico brasileiro,

abordando desde aspectos geográficos, clima e sazonalidade como também aspectos tecnológicos.

Tratando-se da distribuição dos ventos sobre o Brasil, ela é controlada através de aspectos da

circulação geral planetária da atmosfera próxima. Dentre esses aspectos, destacam-se os sistemas de alta

pressão Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul e do Atlântico Norte e a faixa de baixas pressões da

Depressão Equatorial.

Para uma melhor análise do potencial eólico brasileiro faz-se necessário o uso de mapas

temáticos por escalas de cores, representando os regimes de vento e fluxos de potência eólica para todo o

país. Esses mapas revelam que existem extensas áreas com potencial promissor para o aproveitamento

eólio-elétrico em todas as regiões do Brasil.

Palavras-chave: Potencial Eólico. Energia Eólica. Brasil.

iii

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 2.1 Formação da brisa marítima.............................................................................3Figura 2.2 Modelo das três células da circulação global atmosférica...............................4Figura 2.3 O potencial eólico brasileiro estimado para vento médio igual ou superior a 7,0 m/s...............................................................................................................................5Figura 2.4 Catavento de Poul La Cour’s na Dinamarca, 1981..........................................6Figura 2.5 Aerogerador WIME D-30 em Balaklava.1931................................................6Figura 2.6 Jacobs “wind charger”, 1932...........................................................................7Figura 2.7 Aerogerador MAN-Kleinhenz, na Alemanha,1942.........................................7Figura 2.8 Turbina eólica de Danish Gedser,1957............................................................7Figura 2.9 Aerogerador Best-Romani, 1958.....................................................................8Figura 2.10 Aerogerador Hütter W-34, 1958....................................................................8Figura 2.11 Turbina de eixo vertical Darrieus, 1987.........................................................8Figura 2.12 Forças aerodinâmicas vistas no corte de uma pá de um aerogerador..........10Figura 2.13 Turbinas com eixo de rotação vertical.........................................................12Figura 2.14 Componentes de uma turbina de eixo de rotação horizontal.......................13Figura 2.15 Aerogeradores em função do tipo de transmissão.......................................14Figura 3.16 Síntese do sistema elétrico brasileiro: geração, transmissão e centros urbanos............................................................................................................................20Figura 3.17 Médias climatológicas sazonais de temperatura, precipitação e velocidade de vento sobre o Brasil....................................................................................................21Figura 4.18 Potencial eólico anual - Fluxo de potência eólica anual e velocidade média anual do vento..................................................................................................................24Figura 4.19 Potencial eólico anual - Direções predominantes anuais.............................24Figura 4.20 Potencial eólico anual - k - fator de forma de Weibull, média annual.........25Figura 4.21 Potencial eólico sazonal - Velocidade média trimestral..............................26Figura 4.22 Potencial eólico sazonal - Direções predominantes.....................................26Figura 4.23 Potencial eólico sazonal - k - fator de forma de Weibull.............................27Figura 4.24 Potencial eólico na região Norte..................................................................27Figura 4.8 Potencial eólico na região Nordeste...............................................................28Figura 4.9 Potencial eólico na região Centro-Oeste........................................................28Figura 4.10 Potencial eólico na região Sudeste...............................................................29Figura 4.11 Potencial eólico na região Sul......................................................................29

iv

SUMÁRIO

Resumo..........................................................................................................................................................ii

Lista de Ilustrações.......................................................................................................................................iii

Sumário.........................................................................................................................................................iv

1 Introdução..............................................................................................................................................1

2 Fundamentos da geração da energia eólica............................................................................................2

2.1 Origem: O vento...........................................................................................................................2

2.1.1 Regimes de vento no brasil......................................................................................................4

2.2 Evolução histórica........................................................................................................................6

2.2.1 Evolução brasileira..................................................................................................................9

2.3 Princípios de funcionamento........................................................................................................9

2.4 Tecnologia dos aerogeradores....................................................................................................11

2.4.1 Aerogerador com eixo de rotação vertical.............................................................................11

2.4.2 Aerogerador com eixo de rotação horizontal.........................................................................12

2.4.3 Aerogerador segundo o tipo de transmissão..........................................................................13

2.4.4 Potência dos aerogeradores....................................................................................................14

2.4.5 Medidas de implementação de um projeto............................................................................14

3 Estudo do potencial eólico brasileiro...................................................................................................16

3.1 O Brasil: Geografia....................................................................................................................18

3.2 Sistema elétrico Brasileiro.........................................................................................................19

3.3 Clima e sazonalidade..................................................................................................................21

4 Mapas do potencial eólico brasileiro...................................................................................................23

4.1 Mapas do potencial eólico anual................................................................................................23

4.2 Mapas do potencial eólico sazonal.............................................................................................25

4.3 Mapas dos potenciais eólicos regionais.....................................................................................27

5 Conclusão.............................................................................................................................................30

Referências...................................................................................................................................................31

1

1 INTRODUÇÃO

A energia associada ao aproveitamento da conversão da energia cinética contida

no vento em outras formas de energia, como a energia mecânica e elétrica, é

denominada energia eólica. Na qual, trata-se de uma fonte de energia abundante,

renovável e limpa.

Entretanto, neste caso, é fundamental esclarecer o real significado do termo

“energia limpa”, uma vez que, esta expressão faz referência a um tipo de energia que

durante seu processo de produção ou consumo, não libera resíduos ou gases poluentes

geradores do efeito estufa e do aquecimento global.

Sendo assim, nenhuma fonte de energia é em sua totalidade limpa, mas, em

alguns casos, podem assim ser consideradas. Isto é, fontes de energia que liberam

quantidades muito baixas dos resíduos e gases poluentes são consideradas fontes de

energia limpa, como a energia eólica.

A quantidade de energia disponível nos ventos pode provocar grandes

destruições quando associados a eventos como furações e tornados. Portanto, o

aproveitamento do recurso eólico pode ser empregado como fonte alternativa de

energia.

2

2 FUNDAMENTOS DA GERAÇÃO DA ENERGIA

EÓLICA

2.1 ORIGEM: O VENTO

A energia eólica utiliza como recurso natural fundamental, o vento, que tem

origem na associação entre a energia solar e a rotação planetária.

Isto é, devido à forma esférica do planeta Terra, as regiões próximas à linha do

Equador estão sujeitas a maior irradiação, porém, cada tipo de superfície e de cobertura

vegetal reage de forma diferente à absorção da radiação solar. Portanto, o aquecimento

desigual da superfície da Terra gera diferenças de pressão nas regiões assim, a

transferência continua de energia deve ocorrer.

Conforme a “Primeira Lei de Newton”, para um corpo (neste caso, parcela de ar)

mudar seu estado de movimento, deve existir um desequilíbrio entre as forças que

atuam sobre esse corpo. Tratando-se de atmosfera, existem basicamente duas classes de

forças operam nesse meio:

Independentes do estado de movimento do ar: Força Gravitacional e Força

Gradiente de Pressão;

Dependentes do estado de movimento do ar: Força de Coriolis e Força de

Fricção.

A força gravitacional modifica apenas a componente vertical do vento. Sua

intensidade, de acordo com a “Segunda Lei de Newton”, é proporcional segundo a

constante de aceleração da gravidade, à massa da parcela de ar.

A Força do Gradiente de Pressão surge devido às variações espaciais no campo

da pressão, ou seja, quando um gradiente de pressão se desenvolve, o ar tende a mover-

se das regiões pressão mais alta para as de pressão mais baixa a fim de eliminar o

gradiente de pressão.

É possível explicar a geração dos ventos citando como exemplo a circulação de

pequena escala da brisa marítima. Na qual, deve-se considerar que em uma localidade

costeira, pouco antes do nascer do Sol, a temperatura e pressão atmosférica não variam

3

horizontalmente em qualquer nível, assim como a Figura 2.1(a) e, portanto não há

vento. Após o nascer do Sol, as taxas desiguais de aquecimento da Terra fazem com que

a terra, e o ar sobre ela, se aqueçam bem mais que o oceano e o ar sobre ele. À medida

que o ar sobre a terra se aquece, ele se expande, fazendo com que as superfícies isóbaras

se desloquem para cima, como na Figura 2.1(b). Embora este aquecimento não produza,

por si só, uma variação na pressão da superfície, a pressão acima se torna mais alta

sobre a terra que na mesma altitude sobre o oceano. O gradiente de pressão em cima

resultante faz o ar mover-se da terra para o oceano, criando uma alta pressão na

superfície do oceano, onde o ar é coletado, e uma baixa na superfície da Terra. A

circulação superficial que se desenvolve, a partir desta redistribuição de massa em cima,

é do mar para a terra, Figura 2.1(c).

Figura 2.1 Formação da brisa marítima.

A força de Coriolis e a força centrífuga aparecem no caso do movimento do ar

segundo um sistema de coordenadas não inercial, isto é, que gira junto com a Terra. A

força de Coriolis atua apenas em corpos (neste caso parcelas de ar) em movimento em

relação ao sistema fixo, Terra, agindo em direção perpendicular ao movimento de modo

a alterar apenas sua direção. E a força centrífuga que atua também em corpos fixos em

relação à Terra, altera a força de atração gravitacional verdadeira entre a parcela de ar e

a Terra, produzindo a gravidade.

No hemisfério Norte, a força de Coriolis age sempre no sentido de desviar o

movimento para a direita. No caso do hemisfério Sul, a força de Coriolis age no sentido

de desviar o movimento  para a esquerda.

A força de fricção aparece após o movimento das parcelas de ar e faz com que as

parcelas de ar em movimento desacelerem através do atrito com as rugosidades das

4

superfícies Sendo importante apenas nas primeiras centenas de metros da atmosfera

próximas à superfície.

Portanto, estas forças geram movimentos que promovem redistribuição de calor,

transportando ar quente para os polos e ar frio para as proximidades da linha do

Equador. Assim, o gradiente horizontal de pressão é a força geradora do vento. Quando

as parcelas de ar começam a se mover, a força de Coriolis, a força de fricção e

eventualmente a força centrífuga começam a agir, mas somente para modificar o

movimento, não para produzi-lo.

Embora o movimento do ar comumente dividir-se em duas componentes,

horizontal (nas direções norte/sul e leste/oeste) e vertical (nas direções ascendente e

descendente), a denominação, vento, é usualmente aplicada ao seu movimento

horizontal, paralelo à superfície do planeta.

A quantidade de energia disponível nos ventos pode provocar grandes

destruições quando associados a eventos como furações e tornados. Portanto, o

aproveitamento do recurso eólico pode ser empregado como fonte alternativa de

energia.

A avaliação do potencial do vento e consequentemente da quantidade de energia

eólica em uma região, depende das características de desempenho, altura de operação e

espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia instalados.

2.1.1 REGIMES DE VENTO NO BRASIL

A Figura 2.2 apresenta o modelo das três células que representa de forma

simples a circulação global atmosférica e os ventos resultantes na superfície.

Figura 2.2 Modelo das três células da circulação global atmosférica.

5

O vento depende significativamente de influências naturais, como:

continentalidade, maritimidade, latitude, altitude, topografia e rugosidade do solo. No

qual, o conjunto de características atuam na formação de diferentes tipos de ventos:

geostrófico, gradiente, ciclostrófico, alísios, etc.

De forma geral, os ventos brasileiros apresentam ótimas características para a

geração elétrica, com boa velocidade, baixa turbulência e boa uniformidade. No entanto,

a região Norte é a menos favorecida em relação à energia eólica.

Grande parte do litoral brasileiro, em particular o da região Nordeste, apresenta

velocidades de vento propícias ao aproveitamento da energia eólica em larga escala.

Além do mais, o maior potencial eólico brasileiro encontra-se na região Nordeste, em

razão de o período com maior regime de ventos ocorrerem quando há baixa precipitação

de chuva.

O litoral do Estado do Rio Grande do Sul é também considerado bastante

favorável ao aproveitamento da energia eólica, assim como o litoral Norte do Estado do

Rio de Janeiro. No interior do país, em áreas montanhosas também se encontram

diversos sítios propícios.

O Brasil apresenta características distintas para cada região, portanto a Figura

2.3 estima o potencial eólico específico de cada região com siderando o vento médio

anual igual ou superior a 7,0m/s.

Figura 2.3 O potencial eólico brasileiro estimado para vento médio igual ou superior a 7,0 m/s.

6

2.2 EVOLUÇÃO HISTÓRICA

Os primeiros aproveitamentos da força dos ventos pelo homem têm data bastante

imprecisa, mas, certamente, ocorreram há muito tempo.

O primeiro registro histórico da utilização da energia eólica para bombeamento

de água e moagem de grãos através de cata-ventos é proveniente da Pérsia, por volta de

200 A.C.. Acredita-se, todavia, que antes da invenção dos cata-ventos na Pérsia, a China

(por volta de 2000 A.C.) e o Império Babilônico (por volta 1700 A.C) já se utilizavam

de cata-ventos rústicos para irrigação.

Charles Escova, nos EUA, Ohio, em 1888, construiu o primeiro cata-vento

utilizado para gerar energia elétrica, com capacidade nominal 12 kW.

Em 1891 o cientista dinamarquês Poul La Cour’s construiu um catavento, Figura

2.4. Foi a primeira abordagem sobre o problema de armazenamento de energia. Ele

utilizou um catavento para produzir energia elétrica para um processo de eletrolise e

obtenção de hidrogênio para alimentar lâmpadas a gás nas escolas em Askov.

Figura 2.4 Catavento de Poul La Cour’s na Dinamarca, 1981.

Em 1931 na Rússia foi instalada o aerogerador WIME D-30 em Balaklava, que

possuía diâmetro de rotor de 30 m e potência nominal de 100 kW, Figura 2.5.

Figura 2.5 Aerogerador WIME D-30 em Balaklava.1931.

7

Em 1932, um gerador DC de baixa velocidade, Figura 2.6, é feito por Jacobs. O

aerogerador possui um diâmetro de rotor de 4 m e uma potência nominal entre 1.8 to 3

kW.

Figura 2.6 Jacobs “wind charger”, 1932.

Em 1942, MAN-Kleinhenz, na Alemanha, produziu um aerogerador, Figura 2.7,

de quatro pás, diâmetro de rotor de 130 m e potência nominal 10000 kW.

Figura 2.7 Aerogerador MAN-Kleinhenz, na Alemanha,1942.

Em 1957, J. Juul, em Gedser, construiu uma turbina eólica com diâmetro de

rotor de 24 m e potência nominal 200 kW, Figura 2.8.

Figura 2.8 Turbina eólica de Danish Gedser,1957.

8

Em 1958, na França, foi instalado o aerogerador Best-Romani, com diâmetro

30.1 m e potência nominal 800 kW, Figura 2.9.

Figura 2.9 Aerogerador Best-Romani, 1958.

Na mesma década, na Alemanha era testado o aerogerador Hütter W-34 com

diâmetro de rotor de 34 m e potência nominal 100 kW, Figura 2.10.

Figura 2.10 Aerogerador Hütter W-34, 1958.

O avanço tecnológico impulsionado pela crise do petróleo da década de 70.

Além dos aerogeradores com três pás que são os mais utilizados atualmente foram

testados aerogeradores de 1 e 2 pás e turbinas de eixo vertical.

Em 1987, no Canadá, foi instalada a turbina de eixo vertical Darrieus capacidade

nominal de 4MW, Figura 2.11.

Figura 2.11 Turbina de eixo vertical Darrieus, 1987.

9

2.2.1 EVOLUÇÃO BRASILEIRA

A energia eólica no Brasil teve sua primeira evidência em 1992, através de

financiamento do instituto de pesquisas dinamarquês Folkecenter do primeiro

aerogerador (225 kW) instalado no Brasil, resultante de uma parceria entre o Centro

Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) e a Companhia Energética de Pernambuco

(CELPE). Foi a primeira turbina eólica a entrar em operação comercial na América do

Sul localizada no arquipélago de Fernando de Noronha – PE.

O alto custo da tecnologia e a falta de políticas de incentivos, durante os dez

anos seguintes, os avanços na tecnologia da energia eólica como alternativa de geração

de energia elétrica no país foram poucos.

Contudo, durante a crise energética de 200, criou-se o Programa Emergencial de

Energia Eólica na tentativa de incentivar a contratação de empreendimentos de geração

de energia eólica no país. No entanto, o programa não obteve resultados e foi

substituído pelo Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica,

PROINFA.

Assim, no final de 2012, o Brasil possui 108 parques eólicos que totalizam 2,5

GW de capacidade instalada. As perspectivas para o final de 2017 indicam 8,7 GW de

energia eólica em operação na matriz elétrica brasileira.

2.3 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO

Uma turbina eólica capta uma parte da energia cinética do vento que passa

através da área varrida pelo rotor e a transforma em energia elétrica. A potência elétrica

é função do cubo da velocidade de vento v:

Pwatts=12

ρ A r v3 C pη ,(1)

onde:

ρ=¿ densidade do ar em kg /m3

Ar=π D 2/4, em que D é o diâmetro do rotor

C p=¿ coeficiente aerodinâmico de potência do rotor

η=¿ eficiência do conjunto gerador/transmissão

A absorção de energia cinética reduz a velocidade do vento à jusante do disco do

rotor; gradualmente, essa velocidade recupera-se ao misturar-se com as massas de ar

10

predominantes do escoamento livre. Das forças de sustentação aerodinâmica nas pás do

rotor resulta uma esteira helicoidal de vórtices, a qual também gradualmente dissipa-se.

Após alguma distância a jusante da turbina, o escoamento praticamente recupera as

condições de velocidade originais e turbinas adicionais podem ser instaladas,

minimizando as perdas de desempenho causadas pela interferência da turbina anterior.

Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições de operação da

turbina, a rugosidade de terreno e a condição de estabilidade térmica vertical da

atmosfera. De modo geral, uma distância considerada segura para a instalação de novas

turbinas é da ordem de 10 vezes o diâmetro D, se instalada a jusante, e 5 vezes D, se

instalada ao lado, em relação ao vento predominante.

O princípio básico de funcionamento baseia-se na conversão da energia cinética

dos ventos em energia elétrica. Tal processo é resultante do movimento de rotação

causada pela incidência do vento nas pás do aerogerador, que converte a energia

cinética dos ventos em energia mecânica rotacional no eixo do rotor. Essa energia

mecânica é então transmitida pelo eixo através de uma caixa de engrenagens ou

diretamente ao gerador, que através de um processo de conversão eletromecânica,

produz uma potência elétrica de saída.

As pás das máquinas modernas são dispositivos aerodinâmicos com perfis

especialmente desenvolvidos, equivalentes às asas dos aviões, e que funcionam pelo

princípio físico da sustentação.

O diagrama da Figura 2.12 descreve as forças aerodinâmicas vistas no corte de

uma pá de um aerogerador.

Figura 2.12 Forças aerodinâmicas vistas no corte de uma pá de um aerogerador.

A força de sustentação é perpendicular ao fluxo do vento resultante visto pela pá

(Vres), resultado da subtração vetorial da velocidade do vento incidente (Vw) com a

velocidade tangencial da pá da turbina eólica (Vtan). Onde Vtan é produto da velocidade

angular do rotor (wrotor) pelo raio do rotor.

11

A força de arrasto é produzida na mesma direção de Vres. A resultante das

componentes da força de sustentação e de arrasto na direção Vtan, produz o torque (Tmec)

da turbina eólica. A potência mecânica (Pmec) extraída do vento é igual ao torque vezes a

velocidade angular do rotor.

2.4 TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

Os aerogeradores (conversores de energia eólica) podem ser classificados de

acordo com a função aerodinâmica do rotor e de acordo com o seu projeto de

construção.

O fato de o conversor de energia eólica captar a sua energia a partir do arrasto

aerodinâmico do fluxo de ar que atua sobre as superfícies do rotor, caracteriza a função

aerodinâmica do rotor que ocasionalmente está relacionada à aerogeradores de baixa e

alta velocidade. Além da turbina eólica norte-americana, quase todos os outros projetos

de turbinas eólicas são do tipo “alta velocidade”.

A classificação de acordo com aspectos do projeto de construção é mais viável.

A característica mais comum está relacionada à posição do eixo de rotação do rotor.

Assim, é importante fazer a distinção entre os aerogeradores com eixo de rotação

vertical, e aqueles com um eixo de rotação horizontal.

2.4.1 AEROGERADOR COM EIXO DE ROTAÇÃO VERTICAL

Aerogeradores de eixo vertical possuem torres baixas, o que permite a colocação

de todo o dispositivo de conversão de energia na base, o que facilita as operações de

manutenção. Além disso, neste tipo de aerogerador não é necessário o dispositivo de

orientação da turbina face ao vento e apresenta velocidade de arranque menor que a dos

aerogeradores de eixo horizontal, o que lhes dá vantagem em condições de vento

reduzido.

Este tipo de aerogerador é especialmente indicado para meios urbanos porque

além de ser silencioso, aproveita o vento mesmo que a direção deste não seja constante

e haja a formação de turbilhões, o que acontece frequentemente em áreas com edifícios,

árvores e outros obstáculos.

12

Na Figura 2.13 é apresentado os três tipos de turbinas com eixo de rotação vertical

mais utilizadas.

Figura 2.13 Turbinas com eixo de rotação vertical.

Por outro lado, a aproximação da torre ao solo a mantem explicita a elevados

esforços mecânicos.

2.4.2 AEROGERADOR COM EIXO DE ROTAÇÃO HORIZONTAL

Este projeto de turbinas eólicas é o princípio de design dominante na tecnologia

de energia eólica atualmente. A superioridade indiscutível deste projeto até o momento

baseia-se nas seguintes características:

Controle das pás do rotor sobre o seu eixo longitudinal. Além disso, as

pás do rotor oferecem maior eficácia contra o excesso de velocidade e

veloc idades extremas do vento, especialmente em grandes turbinas

eólicas;

O design das pás de rotor podem ser aerodinamicamente otimizadas

atingindo maior eficiência;

Liderança tecnológica no desenvolvimento do projeto da hélice é um

fator decisivo.

Juntas, essas vantagens são a razão pela qual a maioria das turbinas eólicas

geradoras de eletricidade apresentam rotores de eixo horizontal.

Uma disposição esquemática de uma turbina eólica de eixo horizontal é

apresentada na Figura 2.14. Seus componentes e sua configuração são típicos de uma

grande turbina eólica moderna.

13

Figura 2.14 Componentes de uma turbina de eixo de rotação horizontal.

2.4.3 AEROGERADOR SEGUNDO O TIPO DE TRANSMISSÃO

O rotor de uma turbina eólica de eixo horizontal está inevitavelmente montado

numa torre, que tem de ser pelo menos tão alta como a metade do diâmetro do rotor. No

entanto, isso não significa que todos os componentes do trem de acionamento mecânico

e o gerador eléctrico também deve ser posicionados no topo da torre.

Os esforços para aliviar a torre do peso desses componentes, e para facilitar a

montagem e acessibilidade, levam em consideração realocar os componentes mecânicos

e elétricos. Algumas alternativas são mostradas na Figura 2.15.

Em paralelo com a Figura 2.15, podemos observar que existem várias

alternativas, tais como: com o gerador e a caixa multiplicadora na nacelle (Figura

2.15(a)), com o gerador vertical no topo da torre e a caixa multiplicadora na nacelle

(Figura 2.15(b)), com o gerador vertical e a caixa multiplicadora na base da torre

(Figura 2.15(c)), com a caixa multiplicadora na nacelle e o gerador na base da torre

(Figura 2.15(d)), com o gerador na base da torre e duas caixas multiplicadoras (Figura

2.15(e)) e com gerador conectado diretamente ao rotor (sem caixa multiplicadora,

Figura 2.15(f)).

14

Figura 2.15 Aerogeradores em função do tipo de transmissão.

As duas configurações mais usadas são mostradas na Figura 2.15(a) e Figura

2.15(f). De fato, há uma série de alternativas vale a pena considerar, alguns dos quais

foram realmente executadas.

2.4.4 POTÊNCIA DOS AEROGERADORES

Os aerogerados disponíveis comercialmente podem ser de pequeno, médio e

grande porte. O que os diferenciam é a potência nominal de cada um.

Aerogeradores de pequeno porte apresentam potência nominal menor ou igual a

10 kW e normalmente são utilizados em residências rurais, fazendas e aplicações

remotas.

Aerogeradores de médio porte apresentam potência nominal na faixa de 10 a 250

kW e são destinados à utilização em pequenas comunidades, sistemas híbridos e

geração distribuída.

Aerogeradores de grande porte apresentam potência nominal maior que 250 kW

e são destinados à utilização em parques eólicos e geração distribuída.

2.4.5 MEDIDAS DE IMPLEMENTAÇÃO DE UM PROJETO

A execução de um projeto de aproveitamento de energia eólica deve levar em

consideração alguns fatores importantes, dentre os quais:

15

Localização adequada:

o Recurso de vento: elemento chave na escolha de um local

adequado;

o Paisagem e proteção de um patrimônio nacional;

o Ventos regulares e fortes durante o período de um ano;

o Possibilidades de conexão com redes locais ou de fácil

implantação;

o Implantação dentro do perímetro de uma área de

desenvolvimento e a taxa de garantia de compra;

o Meio ambiente: fauna, flora, projeção do som e dos ruídos,

biodiversidade, entre outros;

o Parques eólicos com uma potência superior a 2,5 MW a mais de

1500m de habitações.

Comunicação:

o Divulgação das atividades de implantação e sua repercussão na

sociedade.

Viabilidade técnica e econômica:

o Descrição do projeto e razões para escolha;

o Os efeitos da instalação ao ambiente (reversíveis e irreversíveis);

o O estudo de variantes;

o As medidas previstas para reduzir, eliminar e compensar as

consequências sobre o ambiente;

o O estudo dos efeitos na saúde;

o Arquivamento de licença de construção e licença exploração;

o Uma turbina eólica moderna é projetada para operar por cerca de

120000 horas durante seus 20 anos de vida. Para efeito de

comparação, esse tempo é muito maior que a de um carro que é

de apenas 4000 e 6000 horas.

16

3 ESTUDO DO POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO

O potencial eólico brasileiro para aproveitamento energético tem sido objeto de

estudos e inventários desde os anos 1970 e o seu histórico revela o lento, mas

progressivo aparecimento de um potencial energético natural de relevante magnitude

existente no país.

Em 1976-77, um processamento específico de dados anemométricos medidos

em aeroportos brasileiros foi realizado no Instituto de Atividades Espaciais, no Centro

Técnico Aeroespacial, IAE/CTA. As maiores velocidades médias anuais, da ordem de

4m/s a 10m de altura, já induziam marginalmente a viabilidade técnica de máquinas de

pequeno porte para sistemas isolados e apontavam o litoral da região Nordeste e o

Arquipélago de Fernando de Noronha como os sítios mais promissores para a realização

de projetos-piloto para geração de energia eólio-elétrica. Até 1981, diversos protótipos

de turbinas eólicas de pequeno porte (2kW e 5kW) foram desenvolvidos e um campo de

testes foi operado no Centro de Lançamento de Foguetes da Barreira do Inferno, na

costa do Rio Grande do Norte, em projeto conjunto com o DFVLR-IBK, órgão de

pesquisa aeroespacial da Alemanha.

Em 1987, a CHESF – Companhia Hidro-Elétrica do São Francisco finalizou um

inventário do potencial eólico da região Nordeste, realizado a partir de processamento/

análise de registros anemográficos para um período de 5 anos (1977-1981) de 81

estações a 10m de altura, pertencentes à Rede Meteorológica do Nordeste – SUDENE.

Os dados, processados pela Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, foram

publicados em sumários e mapas de isolinhas para velocidades a 10m de altura. As

maiores velocidades médias anuais encontradas para a altura de 10m foram de 5,5m/s e

4,3m/s, para Macau, RN e Caetité, BA, respectivamente.

Também na década de 1980, diversos estudos regionais foram conduzidos para

mapeamento eólico de estados brasileiros, destacando-se os trabalhos realizados em

Minas Gerais e no Rio Grande do Sul.

O primeiro “Atlas do Levantamento Preliminar do Potencial Eólico Nacional”

foi iniciado em 1979, pela ELETROBRÁS-CONSULPUC. O “Atlas do Potencial

Eólico Nacional”, resultante desse trabalho, indicou a tendência a velocidade maiores de

17

vento no litoral brasileiro e também e áreas do interior favorecidas por relevo e baixa

rugosidade O mapeamento por isolinhas das velocidades médias a 10m de altura

também possibilitou identificar locais com médias anuais entre 5m/s e 6m/s.

Todos esses estudos realizados até o final da década de 1980 foram prejudicados

pela consideração exclusiva de registros anemométricos obtidos a alturas máximas de

10m. A maioria dos seus dados é mascarada pela influência de rugosidade e obstáculos

próximos; esses dados não são necessariamente representativos das áreas geográficas

em que estão instalados os equipamentos. Metodologias para a correção e extrapolação

desses dados para alturas desejadas (WAsP, por exemplo) ainda não se achavam

disponíveis na época. Mesmo que existissem, aplicá-las ao território brasileiro em toda a

sua extensão possivelmente implicaria custos e prazos excessivos, além de grandes

margens de incerteza nos resultados.

Na década de 1990 iniciaram-se medições específicas para inventários de

potencial eólico em torres de maior altura (>=20m) instaladas em locais especificamente

selecionados em diversas regiões do Brasil: litoral do Ceará e Estados da Bahia, Minas

Gerais e Paraná.

Em 1996, um relatório da CHESF apresentou um estudo do potencial eólico do

litoral do Ceará e do Rio Grande do Norte, já a partir dessas primeiras medições na

região. Simulações computacionais com uso de curvas de desempenho de turbinas de

500kW e 600kW indicaram a possibilidade de geração de 9,55 TWh/ano e 2,96

TWh/ano com a ocupação de 10% dos litorais do Ceará e Rio Grande do Norte,

respectivamente.

Em 1999, a COPEL publicou o “Mapa do Potencial Eólico do Estado do

Paraná”, a partir das medições efetuadas por 5 anos em 25 locais especialmente

selecionados, em torres de 18m a 64m de altura. Esse mapa foi produzido na resolução

de 2km a partir do software WindMap, com utilização de modelos de geoprocessamento

de relevo e rugosidade do Estado do Paraná. Além de revelar áreas de grande potencial

eólico no interior do Paraná, o trabalho indicou um potencial de geração eólica de 5,8

TWh/ano no estado, utilizando- se apenas as áreas com velocidades médias anuais

superiores a 6,5m/s.

Com a aceleração mundial do aproveitamento eólioelétrico em escala e a

instalação das primeiras usinas eólicas no Brasil, no final da década de 1990,

iniciaramse as primeiras medições anemométricas específicas para estudos de

viabilidade, com uso de torres de 30-50m e equipamentos com precisão e

18

procedimentos requeridos para a finalidade. Essas medições concentraram-se

inicialmente nos Estados do Pará, Ceará, Paraná, de Santa Catarina e do Rio Grande do

Sul.

Já resultante dessas medições mais precisas, a Secretaria da Infra-Estrutura do

Governo do Estado do Ceará publicou em 2001 o “Atlas do Potencial Eólico do Estado

do Ceará”. Também com a utilização da metodologia WindMap, os mapas temáticos de

velocidades médias anuais de vento são apresentados na resolução de 500m, para as

alturas de 50m e 70m. Destacaram-se as áreas de baixíssima rugosidade das dunas do

litoral cearense, com velocidades médias anuais da ordem de 9m/s. A integração das

áreas em software de geoprocessamento revela um potencial aproveitável da ordem de

12,0 TWh na altura de 50m e de 51,9 TWh na altura de 70m, para ventos médios anuais

superiores a 7m/s.

3.1 O BRASIL: GEOGRAFIA

Com 8514215 km2, o Brasil é o quinto país do mundo e o maior da América

Latina em área territorial. Estendendo-se entre as latitudes 5º16’N e 33º45’S e

longitudes 32o23’W e 73o59’W, o Brasil apresenta distintas regiões imersas em várias

zonas de climas e regimes sinóticos de circulação atmosférica. Seus 7367 km de

extensão litorânea com o Oceano Atlântico constituem um complexo indutor de

mecanismos de mesoescala ao longo dos quais ocorrem brisas marinhas de variadas

amplitudes diurnas e sazonais.

O relevo interior contrapõe extensas planícies com altitudes médias inferiores a

250m – entre as quais se destacam as da Amazônia, do Pantanal e do Rio Grande do Sul

– aos planaltos que se estendem do sul até a região central, com altitudes médias entre

750m e 1000m. Ao contrário de seus vizinhos andinos a oeste, o Brasil não se

caracteriza por grandes elevações. Em poucos locais a altitude ultrapassa 2.000m, e em

seu ponto máximo, o Pico da Neblina (AM), atinge 3014m.

No caso eólico, o relevo exerce distintas influências conforme o caso e a região:

como obstáculo ao movimento da camada atmosférica inferior, como indutor de

fenômenos de mesoescala (brisas montanha-vale) e como gerador de ondas e

acelerações orográficas. Como a camada inferior da atmosfera tem espessura da ordem

19

de 600m a 1500m, áreas territoriais elevadas geralmente estão imersas em distintas

camadas atmosféricas e regimes de vento.

Aliado aos regimes pluviais com origem no mecanismo de circulação

atmosférica, o relevo brasileiro é responsável pelo notável aproveitamento hidrelétrico

realizado em suas bacias, destacando-se as dos rios Paraná-Paraguai, São Francisco e

Araguaia-Tocantins. No final do século passado, a eletricidade de fonte hídrica supria

cerca de 93% do consumo brasileiro. Essas principais bacias e respectivas áreas

alagadas por reservatórios hidrelétricos encontram-se relativamente distantes dos

principais centros de consumo.

A população brasileira é de cerca de 170 milhões de habitantes, 80%

concentrados em centros urbanos e 20% dispersos no meio rural. Existem regiões de

baixa densidade demográfica, a exemplo da Amazônia, em contraste com regiões de alta

densidade, como a Sudeste.

Grande parte do território nacional é coberto por florestas. O Governo brasileiro,

por intermédio do Ministério de Minas e Energia, vem desenvolvendo esforços para a

universalização da oferta de energia elétrica a todo o meio rural, bem como para a

crescente e necessária interligação do sistema elétrico em escala nacional. Além da

expansão territorial do sistema elétrico, as taxas de crescimento econômico de um país

em desenvolvimento como o Brasil requerem a expansão contínua da capacidade

geradora, a taxas compatíveis. Nesse contexto, a tecnologia eólio-elétrica interligada à

rede emerge como uma das alternativas de geração complementar.

3.2 SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO

Em 1999, cerca de 93% do consumo total (315 TWh) de energia elétrica no

Brasil foram supridos por usinas hidrelétricas. Desse percentual, 39,6% foram

consumidos pelos setores residencial e comercial; 44%, pelo setor industrial; e 3,9%,

pelo setor agropecuário.

O desenvolvimento econômico do país potencializa necessidades de expansão da

oferta de energia em níveis acima de 5% ao ano, pelos próximos 10 anos. Uma síntese

do sistema elétrico brasileiro: geração, transmissão e centros urbanos é mostrada na

Figura 1 na qual pode-se notar:

20

o sistema de transmissão já é interligado em escala nacional, com

tendência ao seu fortalecimento à medida que novos investimentos

programados forem realizados;

os centros de consumo estão relativamente afastados dos principais

centros de geração, com distâncias da ordem de 500km a 1.000km. O

volume maior de geração e consumo está concentrado na região

Sudeste;

áreas reconhecidamente importantes para o aproveitamento do potencial

eólico no Brasil, como os litorais Nordeste e Sul, encontram-se

próximas às extremidades do sistema de transmissão, distantes dos

principais centros de geração elétrica.

A Figura 3.1 não mostra as malhas de subtransmissão e distribuição elétrica, as

quais também encontram-se em notável expansão no âmbito do programa

governamental que visa ao atendimento de todos os consumidores rurais do país. Em

1999, 94,9% das residências de todo o Brasil já eram atendidas com energia elétrica.

Figura 3.16 Síntese do sistema elétrico brasileiro: geração, transmissão e centros urbanos.

21

3.3 CLIMA E SAZONALIDADE

Pela sua extensão em latitude, o Brasil apresenta diferentes climas que variam do

equatorial (úmido e semiúmido), na região Norte, ao subtropical, na região Sul. Na

Figura 3.2 são apresentadas as médias climatológicas sazonais de precipitação e

temperatura, que ilustram os diferentes tipos de clima e suas sazonalidades. As

velocidades médias sazonais de vento (a 50m de altura) estão adicionadas à Figura 3.2

para ilustrar a complementaridade sazonal entre o potencial eólico e o hídrico, sendo

este último fundamentalmente associado à precipitação pluviométrica.

Figura 3.17 Médias climatológicas sazonais de temperatura, precipitação e velocidade de vento sobre o Brasil.

O norte do país é dominado pelo clima equatorial úmido, caracterizado por

temperaturas médias superiores a 25ºC e chuvas acima de 2.000mm/ano. É a região da

Floresta Amazônica, gerada e mantida pela maior intensidade pluviométrica, cuja causa

22

é a Zona de Convergência Intertropical (ZCIT), para onde convergem os ventos de

superfície oriundos dos dois hemisférios terrestres. Uma área de clima equatorial semi-

úmido ocorre mais ao norte, abrangendo a metade nordeste do Estado de Roraima e o

noroeste do Pará, com totais pluviométricos entre 1.500mm/ano e 2.000mm/ano.

O clima tropical abrange praticamente toda a costa, desde o Maranhão até partes

de São Paulo, estende-se a oeste até Mato Grosso e Mato Grosso do Sul, inclui partes do

Nordeste e estados centrais como Goiás e Tocantins. É caracterizado por chuvas com

sazonalidade bem definida: estação seca de 4-5 meses (abril-setembro) e chuvosa

(novembro-março). Essa sazonalidade tem importante papel energético no sistema

elétrico brasileiro, de geração predominantemente hidráulica, pois suas principais bacias

de aproveitamento têm origem nessa região. Ao longo das serras de Minas Gerais e São

Paulo o clima é tropical de altitude, com temperatura média anual pouco inferior a 20ºC.

No Sertão nordestino destaca-se um enclave de clima semi-árido, com

temperaturas médias anuais superiores a 25ºC, pluviosidade inferior a 750mm/ano e

longas estiagens de mais de 8 meses por ano. Abaixo do Trópico de Capricórnio

(latitude 23º27’S) a região Sul é dominada pelo clima subtropical, cujas características

térmicas e pluviométricas são similares às do clima temperado, com temperaturas

médias anuais inferiores a 20ºC e chuvas bem distribuídas ao longo do ano.

As amplitudes térmicas anuais são menores na grande região mais próxima ao

Equador, aumentando em direção ao extremo sul do país.

Entre os grandes fatores que influem no clima brasileiro estão a Zona de

Convergência Intertropical ao norte, móvel ao longo do ano e para a qual convergem os

ventos alísios; as distintas ações exercidas pelo relevo continental, incluindo-se a

formidável muralha à circulação atmosférica exercida pelo maciço dos Andes no

extremo oeste do continente sul-americano; a ação contínua da alta pressão do

Anticiclone Tropical Atlântico; e a ação periódica irregular das massas de ar polares que

adentram as regiões Sul e Sudeste em maior intensidade. A Amazônia representa uma

região bastante peculiar na Terra, pela extensão da área ocupada por florestas

equatoriais e pela intensidade e o volume em que ocorrem as trocas de energia entre

água e atmosfera, em um sistema superfície-atmosfera fortemente acoplado.

23

4 MAPAS DO POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO

Abaixo encontram-se os mapas do potencial eólico anual, os mapas do potencial

eólico sazonal e os mapas dos potenciais eólicos regionais. Eles representam os fluxos

de potência eólica e os regimes de vento a uma altura de 50 metros. Como será visto,

existem grandes áreas com potencial promissor para o aproveitamento eólico-elétrico

em todas as regiões do Brasil.

4.1 MAPAS DO POTENCIAL EÓLICO ANUAL

Os mapas do potencial eólico anual revelam uma importante complementaridade

geográfica entre os potenciais eólico e hidráulico no Brasil: as melhores áreas para

aproveitamento eólico estão situadas nas extremidades do sistema elétrico, distantes da

geração hidrelétrica. Com isso, a inserção de energia eólica no sistema elétrico melhora

seu desempenho.

Entre os principais resultados, tem-se os mapas por códigos de cores, eles

permitem uma visualização rápida do conjunto de dados sobre o território do Brasil. O

mapa indica as velocidades médias anuais e o fluxo de energia eólica, para a altura

escolhida de 50m.

A velocidade média é o indicador mais simples da qualidade do potencial eólico

além do mais usual em estimativas de geração eólio-elétrica.

A rosa dos ventos apresentam as respectivas distribuições estatísticas de

frequências de velocidades por setores nas direções geográficas. Essas distribuições

estatísticas podem ser combinadas para fornecer a distribuição total das frequências de

cada local. A distribuição estatística utilizada é a de Weibull, que é a mais usual e

apresenta melhor aderência aos casos mais variados de regimes de vento dada por:

p (v )= kC ( v

C )k−1

e−( v

C )k

,(2)

onde k é o fator de forma, quanto maior seu valor, maior constância dos ventos,

com menor ocorrência de valores extremos e C tem relação com a velocidade média.

24

Apesar da aderência do ajuste por Weibull ser adequada para a grande

maioria dos regimes estatísticos de vento, é importante ter-se em mente que podem

ocorrer discrepâncias significativas com dados reais. Entretanto, a distribuição de

Weibull tem-se provado como um método conveniente de caracterização de recursos

eólicos. Com os dois fatores k e C com a densidade média do ar, é geralmente possível

estimar a produção anual de uma turbina eólica com boa exatidão.

Figura 4.18 Potencial eólico anual - Fluxo de potência eólica anual e velocidade média anual do vento.

25

Figura 4.19 Potencial eólico anual - Direções predominantes anuais.

Figura 4.20 Potencial eólico anual - k - fator de forma de Weibull, média annual.

4.2 MAPAS DO POTENCIAL EÓLICO SAZONAL

Os mapas do potencial eólico sazonal também mostram a existência de

complementaridade sazonal entre os regimes naturais de vento e as vazões naturais

hídricas na parcela hidrelétrica predominante do sistema elétrico brasileiro. Desse

modo, a inserção de energia eólica potencializa uma maior estabilidade sazonal na

oferta de energia.

Como turbinas eólicas pequenas são muitas vezes capazes de atender às

demandas isoladas com velocidades menores de vento, isso faz com que as

oportunidades para o uso de geração eólica isolada sejam geograficamente mais

abrangentes. Para esse tipo de aproveitamento existem amplas áreas em todo o Brasil,

com exceção da Floresta Amazônica, como pode ser visto nos mapas.

26

Figura 4.21 Potencial eólico sazonal - Velocidade média trimestral.

Figura 4.22 Potencial eólico sazonal - Direções predominantes.

27

Figura 4.23 Potencial eólico sazonal - k - fator de forma de Weibull.

4.3 MAPAS DOS POTENCIAIS EÓLICOS REGIONAIS

Abaixo tem-se os mapas dos potencias eólicos de cada uma das regiões do

Brasil.

Figura 4.24 Potencial eólico na região Norte.

28

Figura 4.25 Potencial eólico na região Nordeste.

Figura 4.26 Potencial eólico na região Centro-Oeste

29

Figura 4.27 Potencial eólico na região Sudeste.

Figura 4.28 Potencial eólico na região Sul.

30

5 CONCLUSÃO

Ficou evidenciado através dos mapas do potencial eólico anual uma importante

complementaridade geográfica entre os potenciais eólico e hidráulico no Brasil. Os

mapas do potencial eólico sazonal também confirmam a existência de

complementaridade sazonal entre os regimes naturais de vento e as vazões naturais

hídricas na parcela hidrelétrica predominante do sistema elétrico brasileiro atual.

As oportunidades para o uso de geração eólica isolada são geograficamente mais

abrangentes, pois turbinas eólicas pequenas são muitas vezes capazes de atender às

demandas isoladas com velocidades menores de vento.

31

REFERÊNCIAS

AMARANTE, O. A. C. et al. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Brasília, 2001.

ABEEólica Associação Brasileira de Energia Eólica. Disponível em: < http://www.portalabeeolica.org.br/index.php/nosso-setor.html>. Acesso em: 22 fev. 2014.

HAU, E. Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Terceira edição traduzida. London.2013.

WWF-Brasil. Agenda elétrica sustentável 2020: estudo de cenários para um setor elétrico brasileiro eficiente, seguro e competitivo. vol. 12. Segunda edição. Brasília, 2007.

.