Potencial Eólico Brasileiro
-
Upload
geraldo-landim -
Category
Documents
-
view
38 -
download
0
Transcript of Potencial Eólico Brasileiro
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
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.
.