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CAPÍTULO 6

PARÂMETROS TÉCNICOS PARA A ESCOLHA DE SÍTIOS

uando da escolha de um sítio para a implantação de equipamento eólico, muitos fatores devem ser considerados. Em primeiro lugar, há que se saber a demanda de energia no

local e a finalidade a que se destinará o equipamento (geração de energia elétrica, bombeamento, etc.) a fim de que se possa prever

qual o tipo de rotor mais adequado; a seguir, deve-se analisar as condições dos ventos na região, a fim de confirmar (ou excluir!) a possibilidade de instalação do equipamento e também, se for o caso, colher os parâmetros técnicos necessários para o projeto. Claro está que o nível de profundidade do estudo dependerá fundamentalmente do tipo de equipamento que se pretende instalar . A implantação de um gerador eólico de grande potência, cujo preço atinge facilmente milhares de dólares, deve ser precedida de uma análise muito apurada dos ventos na região; já para a instalação de um rotor simples, como o Savonius, exige pouco mais do que bom senso. A finalidade a que se destina o equipamento também é um fator determinante. Por exemplo, se precisamos instalar um equipamento para bombeamento de água, a instalação deve ser feita naquele local e não em outro próximo, mesmo que este seja melhor servido de ventos; já para a geração de energia elétrica, é possível instalar o equipamento em um local mais distante - e com melhores condições de vento -, transmitindo a energia elétrica através de linhas até o local onde a energia se faz necessária. 6.1. PRÉ-ANÁLISE A pré-análise da viabilidade de implantação consiste em um estudo efetuado sobre toda uma região, sem considerar locais específicos. Para que se possa efetuá-la, são necessários dados precisos sobre o regime de ventos na região, que podem ser encontrados em estações meteorológicas, normalmente em forma de cartas ou mapas. São de especial interesse • cartas de curvas isoeólicas, que ligam pontos de mesmas intensidades médias dos

ventos (diária, semanal ou anual). A Fig. 6.1 mostra a carta isoeólica do estado do Rio Grande do Sul.

Q

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• cartas de curvas isopotenciais, que ligam pontos de mesmas densidades de potência média dos ventos (em W/m2 ou unidade equivalente), podendo ser esta diária, mensal ou anual. Tal carta para o estado do Rio Grande do Sul é mostrada da Fig. 6.2.

• cartas de curvas de mesmo período consecutivo de calma, que mostra a ligação dos pontos de mesmo percentual médio de tempo consecutivo com velocidades inferiores a um valor pré-fixado (usualmente 8 mi/h = 3,6 m/s), sendo esta percentagem tomada em relação à duração de um dia, um mês ou um ano.

Tabela 6.1 - Quadro das freqüências de velocidades de vento em 3 localidades da Região da Bacia da Lagoa Mirim, RS (em %)

NÍVEIS DE VELOCIDADE (m/s)

LOC

AL

MÊS

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

7-8

8-9

9-10

10-1

1

11-1

2

12-1

3

13-1

4

14-1

5

15-1

6

16-1

7

17-1

8

18-1

9

19-2

0

Jan 27 11 08 14 12 10 09 02 01 01 ** Fev 28 14 06 13 15 08 12 02 01 ** ** Mar 35 10 08 12 13 08 09 01 ** ** ** Abr 40 12 08 09 10 06 09 01 ** ** ** ** ** Mai 48 12 10 09 09 02 15 ** ** 01 ** Jun 40 12 08 10 09 07 06 02 ** 01 ** Jul 41 15 08 11 08 03 06 02 ** 01 ** Ago 32 15 11 09 10 06 07 02 01 ** ** ** Set 22 09 09 11 10 08 12 03 02 05 02 01 ** ** Out 18 13 09 12 10 06 14 03 03 05 02 ** ** Nov 19 11 09 10 10 09 15 04 02 05 01 ** Dez 22 10 09 11 12 10 13 04 02 03 01

PE

LOTA

S

Global 31 12 09 11 11 07 10 02 01 02 ** ** ** ** ** Jan 04 34 12 15 07 07 06 03 03 02 ** ** ** ** Fev 05 33 11 11 10 06 06 05 03 03 ** ** ** ** ** Mar 06 27 13 13 11 10 04 02 05 01 ** ** ** ** Abr 11 33 13 14 08 07 03 03 02 ** 01 ** Mai 16 34 14 12 08 04 02 02 01 ** ** ** Jun 13 26 11 16 12 06 03 03 02 01 01 ** ** Jul 14 31 12 12 09 06 02 02 02 01 01 ** ** ** ** ** ** ** Ago 12 24 13 15 11 08 04 03 02 01 01 ** ** ** ** ** ** Set 09 20 14 14 11 06 07 04 03 02 01 01 ** ** ** 01 Out 06 25 10 14 13 05 08 03 04 03 02 ** ** ** ** ** Nov 03 25 12 12 11 07 05 07 05 04 02 ** ** Dez 03 26 13 13 15 06 06 05 04 01 01 ** ** ** ** **

RIO

GR

AN

DE

Global 08 28 12 13 11 06 03 04 03 02 01 ** ** ** ** ** ** ** Jan 03 07 21 29 10 13 04 05 02 01 ** ** Fev 05 07 17 18 11 14 03 06 02 02 ** Mar 05 09 18 30 11 13 02 05 01 02 ** ** Abr 09 12 18 29 09 09 02 05 ** 02 ** Mai 10 15 20 26 08 10 01 03 01 ** ** ** Jun 06 12 15 26 10 10 03 06 02 03 ** ** ** Jul 07 13 19 28 07 12 02 05 01 03 ** ** ** ** Ago 05 10 06 26 09 15 02 07 ** 04 ** ** ** Set 01 09 11 26 09 28 04 09 02 04 02 ** ** Out 01 07 15 30 08 13 04 07 02 06 ** ** ** Nov 02 07 13 26 13 14 03 07 02 03 01 01 Dez 01 03 13 32 11 17 04 08 02 03 ** ** ** S

TA. V

ITÓ

RIA

DO

PA

LMA

R

Global 05 09 16 28 10 13 03 06 02 03 ** ** ** ** ** ** ** - Freqüência entre 0 e 1 % Fonte: Convênio SUDESUL/FURG (1978)

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Os dois primeiros tipos de carta permitem uma avaliação da quantidade de energia que poderá ser captada, bem como uma visão preliminar dos custos de implantação; já o último tipo de carta é útil para que se possa prever quanto tempo por ano o equipamento deixará de funcionar por falta de vento permitindo, assim, o dimensionamento de um sistema para armazenamento de energia (como um banco de baterias, por exemplo). Deve-se registrar que estas cartas não são facilmente encontradas para todas as regiões brasileiras; na maioria das vezes, o que se dispõe são tabelas confeccionadas para regiões onde existam estações meteorológicas ou centros de pesquisa. Exemplos dessas são mostradas nas Tabelas 6.1 a 6.3, válidas para a região da Bacia da Lagoa Mirim, no estado do Rio Grande do Sul. 6.2. CARACTERÍSTICAS LOCAIS Como se sabe, as condições dos ventos podem variar significativamente de um local para outro próximo. Por isso, uma vez que a pré-análise tenha confirmado a viabilidade da implantação de um sistema eólico em determinada região, deve-se escolher em que sítio da mesma se erigirá o sistema. Em primeiro lugar, deve-se usar o bom senso, descartando-se de antemão lugares próximos a grandes edificações ou árvores altas, bem como aqueles cuja topografia é desfavorável. É necessário, então, conhecer-se os dados relativos aos ventos no provável sítio. Idealmente se deveria ter a velocidade instantânea dos ventos registrada continuamente ao longo de vários anos, o que permitiria a obtenção de dados importantes como: • velocidades máximas, necessárias para o projeto dos mecanismos de controle e

proteção, bem como para a previsão dos esforços mecânicos a que estarão submetidos o rotor e a torre de sustentação;

• velocidades médias dos ventos do sítio para vários níveis de tempo (horária, diária, mensal, anual), parâmetros de grande importância para o dimensionamento do equipamento;

• densidade de energia anual, dada por

∫ρ=δano1

0

3pE dtv

21

C

que pode ser expresso em kWh/ano ou outra unidade equivalente. É muito pouco provável que se consiga obter os dados registrados de forma contínua para um sítio em especial. Se a aquisição dos mesmos é fundamental, como no caso de grandes instalações, provavelmente será necessário instalar no local um anemógrafo pelo período mínimo de um ano. O conhecimento da velocidade média horária do vento a cada hora do dia, durante todo um ano, já permite uma boa avaliação, resultando num total de 24 x 365 = 8.760 registros. Porém até mesmo isso é difícil de ser obtido, pois exige um grande esforço organizacional da equipe e aparelhagem possível apenas para centros meteorológicos maiores. Pode-se, em último caso, usar dados de velocidade média diária tomados ao longo do ano, como mostra a Tab. 6.4. Isso é perfeitamente viável na maioria das estações

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meteorológicas; nesse caso, as estimativas a serem feitas serão mais grosseiras, porém isso é melhor que não haver qualquer estimativa.

Tabela 6.2 - Velocidade média diária dos ventos em uma localidade hipotética (em m/s)

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 01 6,3 4,3 9,0 2,3 2,9 10,2 4,9 5,7 3,2 5,2 4,2 3,0 02 6,6 5,2 8,5 3,7 1,0 8,0 5,3 6,3 4,0 6,5 4,9 3,0 03 9,3 5,2 5,7 5,2 3,2 8,3 6,1 7,0 6,2 9,5 5,2 1,0 04 8,2 3,0 5,5 6,1 3,9 10,3 5,8 7,0 5,6 6,3 5,2 4,0 05 5,0 1,8 5,4 6,2 6,4 8,2 6,0 3,7 6,7 7,9 2,0 5,7 06 4,0 0,6 6,3 6,3 5,3 7,6 5,0 2,3 7,3 7,4 2,9 5,8 07 5,3 2,5 7,2 8,2 6,5 5,8 7,3 3,8 7,0 5,2 7,0 6,3 08 3,2 1,0 7,4 6,7 4,3 6,3 7,2 5,4 6,0 8,2 6,3 6,2 09 2,7 3,7 4,3 10,2 5,6 6,4 10,2 9,1 3,2 7,0 7,1 6,0 10 3,6 3,5 3,7 9,1 7,5 8,4 9,0 6,4 5,2 8,5 6,0 7,2 11 4,3 4,2 5,2 4,3 7,3 8,1 7,6 6,4 5,8 9,3 7,8 7,8 12 6,3 7,8 6,7 5,7 8,0 5,3 6,2 7,3 4,3 10,3 9,2 6,4 13 4,7 6,5 6,8 6,0 3,6 5,4 7,5 7,3 8,3 6,8 8,6 2,4 14 5,3 8,4 7,0 5,9 4,3 9,2 7,6 8,0 8,1 7,0 8,2 2,7 15 3,6 6,0 1,0 6,3 6,8 4,2 5,2 4,8 9,7 4,5 7,6 4,8 16 4,8 7,0 3,2 8,1 5,0 3,6 7,3 5,0 8,2 5,3 5,6 6,0 17 4,1 7,0 3,9 8,3 6,7 1,5 7,3 6,2 8,2 4,8 6,3 6,2 18 5,8 9,2 4,0 8,2 7,0 2,0 7,6 6,0 6,3 6,3 6,3 7,1 19 5,9 8,3 4,2 5,0 7,9 3,7 9,3 8,6 6,0 6,2 5,8 7,3 20 5,6 6,3 5,7 3,6 7,9 7,0 7,0 6,2 2,5 3,2 8,2 7,2 21 6,9 5,0 7,2 3,2 8,0 7,3 7,3 3,2 1,0 4,7 3,9 3,9 22 3,8 6,1 7,4 2,7 9,7 6,9 5,4 3,6 1,03 5,2 3,7 3,2 23 0,2 4,7 8,0 2,5 9,0 6,3 7,1 8,3 6,2 5,4 4,0 4,0 24 2,8 4,4 8,6 2,0 8,3 7,5 7,0 6,2 6,1 3,8 5,5 6,2 25 6,3 6,0 8,1 4,2 8,1 5,2 3,6 6,7 5,3 5,3 5,5 5,2 26 7,0 6,3 7,3 7,0 6,8 5,6 2,8 8,1 4,6 5,4 5,0 5,6 27 6,2 7,4 7,7 7,3 6,2 5,4 0,3 5,1 3,5 8,1 3,8 6,8 28 8,0 4,3 5,0 7,0 3,6 7,6 4,2 5,1 6,0 6,2 4,6 2,6 29 10,5 - 4,3 5,8 4,2 8,4 7,3 3,2 6,0 2,1 4,2 6,3 30 8,3 - 3,7 7,3 4,0 6,2 7,1 8,0 4,4 3,7 8,2 6,0 31 6,3 - 3,8 - 3,2 - 5,3 8,0 - - 9,8 6,0

6.3. CURVA DE DURAÇÃO DA VELOCIDADE De posse dos dados anteriormente referidos, é possível construir a chamada curva de duração da velocidade. Para tanto, adota-se o seguinte procedimento: 1. escolhem-se níveis de velocidade média (horária ou diária, conforme os dados

disponíveis) pré-determinados ; por exemplo, de 1 em 1 unidades de velocidade; 2. para cada nível de velocidade soma-se o número de horas (ou dias) por ano durante os

quais a velocidade do vento esteve igual ou superior ao nível considerado; 3. constrói-se um gráfico cartesiano com ordenadas e abscissas correspondendo,

respectivamente, aos níveis de velocidade e à duração do nível correspondente.

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Como exemplo, tome-se a Tab. 6.4, que apresenta os dados relativos à velocidade média diária dos ventos em uma localidade hipotética. Para construção da curva de duração da velocidade estabeleceram-se níveis de 1 em 1 m/s. Os resultados da análise estão resumidos na Tab. 6.5. Na segunda coluna estão registrados o números de dias t1 em que a velocidade média diária esteve dentro do nível considerado; assim, durante 3 dias a velocidade média enteve no nível 0 (isto é, entre 0 e 0,9 m/s), durante 7 dias a velocidade esteve no nível nível 1 (entre 0 e 1,9 m/s) e assim por diante... Na coluna 3 se vê oi número de dias t2 em que a velocidade foi igual ou superior ao nível considerado. Por exemplo, durante todo o ano a velocidade média diária foi igual ao superior a 0 (óbvio!), durante 362 dias a velocidade foi igual ou maior que 1 m/s, etc... Para a construção da curva de duração da velocidade, mostrada na Fig. 6.3, estes dados são suficientes. Os valores registrados nas colunas 4 e 5 serão discutidos na próxima seção.

Tabela 6.3 - Tabulação dos dados relativos ao sítio hipotético cujos dados de velocidade são mostrados na Tab. 6.2.

Nível t1 (dias) t2 (dias) v3 v3xt2 (x 103) 0 03 365 0 0,00 1 07 362 1 0,36 2 18 354 8 2,38 3 40 336 27 9,07 4 40 296 64 18,94 5 62 256 125 32,00 6 75 194 216 41,90 7 58 119 343 40,82 8 40 61 512 31,23 9 15 21 729 15,31

10 06 06 1.000 6,00 11 00 00 1.331 0,00

6.4. CURVA DE DURAÇÃO DA POTÊNCIA Considerando-se que a potência desenvolvida pelo rotor é proporcional ao cubo da velocidade do vento, pode-se plotar um gráfico cartesiano tendo nas ordenadas o valor de v3 e nas abscissas o tempo t2 anteriormente definido (coluna 3 da Tab. 6.5). Este gráfico é chamado curva de duração da potência e sua finalidade será vista na Seção 6.6. Na coluna 4 da Tab. 6.5 estão expressos os valores dos níveis de velocidade elevados ao cubo. Com tais valores construiu-se a curva de duração da potência para o sítio hipotético considerado, conforme mostra a Fig. 6.3(b). 6.5. VELOCIDADE NOMINAL, DE PARTIDA E DE FECHAMENTO Uma vez conhecidos os requisitos de potência no local onde será instalado o equipamento, pode-se fixar sua potência nominal (Pn), através da equação

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3vpn vAKCP ×××=

Qual será, porém, o valor de velocidade do vento a ser usada no projeto? Considerando que a potência é proporcional ao cubo da velocidade, pode-se imaginar que quanto mais alto for o valor de vv adotado, menor será a área A varrida pelo rotor. Isto é correto, porém, se levarmos em consideração que altas velocidades de ventos ocorrem poucas vezes durante o ano, veremos que a potência produzida pelo rotor raramente se igualará à nominal. Isto significa também que, por força da pequena área de captação, o rotor produzirá pequenos valores de energia para velocidades mais baixas, justamente as que predominam. Somos, então, tentados a tomar velocidades baixas em nosso projeto, já que estas ocorrem durante a maior parte do ano: assim, nosso equipamento produziria potência nominal quase todos os dias e acima da nominal quando a velocidade do vento aumentasse. Este raciocínio é enganosos: ventos de baixa velocidade produzem pouca energia, a menos que a área de captação seja muito grande e, consequentemente, cara, devido ao custo de material das pás, sistemas de orientação e proteção necessários, além da torre de sustentação. A velocidade a ser usada no projeto, chamada velocidade nominal, deve otimizar o desempenho do equipamento durante o ano: é aquela que torna máximo o produto 2

3v tv × ,

onde vv correponde ao nível da velocidade de vento considerada. Este produto corresponde ao potencial eólico anual do sítio analisado. No exemplo anteriormente tomado, temos, na coluna 5 da Tab. 6.5, o valor de

23v tv × para os vários níveis de velocidade. Ali se vê que este produto é máximo para o

nível de velocidade igual a 6 m/s; portanto, este será o valor de velocidade nominal para os ventos da região considerada. Denomina-se velocidade de partida ao menor valor de velocidade de vento capaz de fazer com que o rotor seja acionado; no outro exetremo existe o que se chama de velocidade de fechamento, que é aquela além da qual deve ser acionado o mecanismo que corta o funcionamento do rotor. Estes parâmetros vão depender unicamente das características técnicas do equipamento, não sendo afetados pelas condições locais de velocidade dos ventos. 6.6. CÁLCULO DA ENERGIA DISPONÍVEL Para o cálculo da energia disponível anualmente num equipamento usa-se a curva de duração da potência. A fim de melhor ilustrar o procedimento, suponhamos que os dados de velocidade média horária dos ventos em uma região sejam aqueles fornecidos nas colunas 1 e 2 da Tab. 6.5. Os valores que constam nas colunas 3 e 4 são calculados da maneira vista anteriormente. Pela tabulação, vê-se que a velocidae nominal do vento na região é de 6 m/s. Suponhamos agora que, devido às características construtivas do equipamento, as velocidades de partida e de fechamento do rotor sejam 2 m/s e 10 m/s, respectivamente. Construída a curva de duração da potência, sabemos que a energia contida no ventos será dada proporcionalmente por

∫=ε dt.P

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Figura 6.3 - Curvas referentes à localidade hipotética cujos dados de velocidade constam

nas Tabelas 6.4 e 6.5: (a) curva de duração da velocidade; (b) curba de duração da potência.

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equivalendo, portanto, à área delimitada pelos eixos ortogonais e a curva. Se o rotor funcionasse durante todos os dias do ano com velocidade nominal - e considerando que não há funcionamento do rotor abaixo da velocidade de partida nem acima da velocidade de fechamento -, a energia produzida seria proporcional à potência nominal Pn, que é dada pela área achurada e delimitada pelos pontos abcdhi na Fig. 6.5(b). Como a velocidade não é constante, a energia realmente produzida é proporcional à área acinzentada, delimitada pelos pontos abcdefghi. A relação entre estas duas potência fornece a energia específica disponível (εd), isto é

abcdfe Área

abcefghi Áread =ε

No exemplo dado, as áreas foram medidas com auxílio de um planímetro e a relação entre entre elas resultou em εd = 0,76. Define-se, então, o fator anual de carga (Fac), dado pelo produto entre a energia específica disponível e o número de horas do ano (365 × 24 = 8.760 horas), isto é 760.8F dac ×ε= grandeza expressa em kWh/ano/kW ou outra unidade equivalente. No exemplo em pauta Fac = 0,76 × 8.760 = 6.657,6 kWh/ano/kw Para entender o significado desta grandeza, suponhamos que a necessidade de suprimento nesta região seja 10 kW (potência nominal do rotor). Isto significa que a produção anual do equipamento será igual a 10 × 6.657,6 = 66.576 kwh/ano, equivalendo a uma potência média igual a

.kW 6,7760.8576.66

Pm ==

A princípio, considera-se bom para aproveitamento eólico o local que permita uma produção energética de pelo menos 3.000 kWh/ano/kW. Isto quer dizer que uma gerador com potência nominal de, por exemplo, 10 kW poderia produzir uma quantidade de energia igual a 3.000 x 10 = 30.000 kWh/ano, o que corresponderia a uma potência média igual a

42,324365

000.30P =

×= kW.

Em outras palavras, tal gerador produziria em média 34,2% de sua potência nominal continuamente durante todo o ano.