XV SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA-SENDI 2002

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E-mail: andre@cosern.com.br

B�C D C E F C G H I J&C E KMLMapeamento Eólico, Telemetria de

Dados.

NOK G P Q%R 0O monitoramento de potenciais eólicos

apresenta dois desafios importantes: (a) a velocidade dovento é variável estocástica de origem meteorológica, oque demanda que as medições sejam qualificadas ecubram um período mínimo de 12 meses – sem nenhumafalha ou perda de dados no período – para que osregistros preencham os requisitos mínimos derepresentatividade climatológica; (b) a potência eólica éproporcional ao cubo da velocidade do vento, o quedemanda o funcionamento sem falhas de equipamentossensíveis e calibrados em túnel de vento. Para assegurar omáximo aproveitamento da campanha de medições para oAtlas Eólico do Rio Grande do Norte, a telemetriasatelital - utilizando rede de satélites de baixa órbita - estásendo utilizada de forma pioneira no programa demedições anemométricas para o mapeamento dopotencial eólico do Estado do Rio Grande do Norte.

O presente trabalho apresenta os resultados preliminaresda utilização de telemetria por satélite no projeto,incluindo as principais dificuldades até agora encontradasno seu desenvolvimento, e discute as vantagens elimitações deste método de telemetria aplicado aomonitoramento de potenciais eólicos.

Este projeto de pesquisa e desenvolvimento autorizadopela ANEEL para a COSERN - Companhia Energéticado Rio Grande do Norte, está sendo executado pelaIBENBRASIL - Iberdrola Empreendimentos do BrasilSa, com a assessoria técnica da CAMARGOSCHUBERT Engenharia Eólica, e da MITSAT – MobileInformation Technologies.

S T U V#W�XOY*ZO[#\�]*Y

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O ar é composto de moléculas (Nitrogênio, Oxigênio eoutros gases) e portanto possui massa; a densidade do ar

ρ é da ordem de 1,0 -1,2 kg/m3. Massa em movimento éenergia cinética. Uma turbina eólica capta uma partedesta energia cinética do vento que passa através da áreavarrida pelo rotor, transformando-a em energia elétrica.A potência elétrica é função do cubo da velocidade dovento v, expressa por

ηρ lmonpqr 3

2

1= (1)

onde: Ar - área varrida pelo rotor (= πD2/4, D é odiâmetro do rotor ); Cp - coeficiente aerodinâmico depotência do rotor (valor máximo teórico = 0.593, naprática atinge 0.45 e é variável com vento, rotação, eparâmetros de controle da turbina); η - eficiência doconjunto gerador/transmissões mecânicas e elétricas (~0.93-0.98).

Ressalta-se a dependência da potência com o cubo davelocidade do vento, o que – para avaliações deaproveitamentos eólio-elétricos – requer exatidão nasmedições: erros de apenas 5% na velocidade do ventoresultam em incertezas superiores a 15% na potênciagerada. Além de uma equipe de apoio em campo compessoal devidamente qualificado e treinado, umaavaliação criteriosa dos regimes de vento requermedições qualificadas, em torres altas (50-70m de altura),instaladas em locais adequadamente selecionados eequipadas com anemômetros previamente calibrados porórgãos homologadores, cujos sistemas de armazenamentoe aquisição de dados sejam confiáveis, visando a máximak g s g#h ctd c u v w�c d g x y i

possível dos dados.

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O vento é variável estocástica, geralmente representadopela distribuição estatística de � c f � v � � , a qual caracteriza-se por dois parâmetros: um de escala � � ~&c |M|�� } � e outrode forma � � ~tg h f |#c b } f i b g � � . A freqüência de ocorrênciade uma velocidade u é representada matematicamente por�

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−−

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1

)( (2)

Para que as medições resultem em parâmetros estatísticoscom representatividade climatológica, um períodomínimo de 12 meses de medições é necessário, aliado aestudos de correlação e ajustes climatológicos commedições de longo prazo disponíveis na região, de modoa avaliar a variabilidade interanual (usualmente nãosuperior a 20%) e fornecer médias representativas paratodo o período da vida útil de uma usina eólica,usualmente 15 a 20 anos.� T ��Y�������������V#W�Y��� ���U �OY�ZOY���� W�#ZOY ZOYXOU Y��*X��#VOZ���Z#Y VOY*X#W�

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Mapeamento do potencial eólico do Estado do RioGrande do Norte, a partir de:

• medições anemométricas em torres de 48m de altura,com sensores a 30m e 48m, instaladas nos locaismais propícios ao aproveitamento eólio-elétrico;

• cálculo por simulação de camada-limite atmosférica,extrapolando as medições para as condições derelevo e rugosidade de todo o território do RN, naresolução de 500m x 500m.

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O processo de Mapeamento do Potencial Eólico do RioGrande do Norte compreende as seguintes etapas:

• Desenvolvimento de uma base cartográficageorreferenciada (infra-estrutura do sistema elétrico,estradas, centros de consumo, rios, etc) e de modelosde relevo e rugosidade para todo o território do RN(Figura 3), os quais são utilizados para extrapolaçãodas medições anemométricas, considerando ainfluência do terreno no escoamento atmosférico;

• Cálculo/mapeamento eólico preliminar do Estado eidentificação das melhores áreas para medições. Estaetapa permite otimizar o uso de torres e economizarrecursos;

• Seleção dos melhores locais, adequados erepresentativos, para instalação das torresanemométricas;

• Instalação/comissionamento das 8 torres, medições,acompanhamento e análise dos dados pelo períodomínimo de 12 meses (Figuras 1 e 2);

• Desenvolvimento de telemetria dos dados,minimizando perda de dados e custos de viagens;

• Após a coleta de pelo menos 12 meses de dados, sãorealizados estudos, validação e mapeamento final dopotencial eólico do Estado do Rio Grande do Norte, a

partir de cálculo por simulação de camada-limiteatmosférica, levando em conta os dadosanemométricos medidos, ajustes climatológicos comdados existentes, e condições de relevo e rugosidadeem todo o território do RN.

Deve ser observado que os h g k g � � i e e c d }

utilizados noprojeto, � f b h � f k c d! z " da

`O|O|#i b f k, armazenam apenas

as estatísticas dos dados de vento (Figura 2), gerando,portanto, arquivos bem menores do que os gerados porarmazenadores de massa, os quais registram toda a sériede dados anemométricos, com médias calculadas,usualmente, a cada 10min.

Figura 1 – Exemplo de torre de medições anemométricas.

O resultado final do mapeamento será composto deconjuntos de mapas temáticos que apresentem todas asvariáveis estatísticas de interesse para estudos deaproveitamento eólico, realizados em base digital (SIG)na resolução de 500m x 500m e abrangendo toda a áreado Estado, a partir dos quais, é calculado o potencialefetivo para geração eólio-elétrica, considerando turbinaseólicas no estado-da-arte mundial.

Base fundamental do projeto, o programa de mediçõesem curso está utilizando 8 torres de 48m de altura,estrategicamente posicionadas, através da escolha delocais com efetiva representatividade do regime de ventossobre o território do Rio Grande do Norte.

No caso geral de medições anemométricas desta natureza,as torres são instaladas em locais remotos da rede, sendoque em alguns casos o acesso é possível apenas comveículos com tração integral - o que em casos normais

requer visitas mensais de técnicos para a coleta dos dadosatravés de computadores portáteis. Apesar da robustezdos sensores (anemômetros e

h g k g � � i e e&c d }) e do seu

atendimento por baterias e coletores fotovoltaicos, muitosfatores possíveis podem causar a interrupção da coletados dados: descargas atmosféricas, falhas decomponentes, atrito em anemômetros, vandalismo, etc. Por outro lado, para que a medição anemométrica em umdado local tenha representatividade climatológica, osregistros devem cobrir um período mínimo de 12 meses -ou um ciclo climatológico completo – com o mínimo de

Figura 2 – Exemplo de estatísticas mensais armazenadas pelo � � � � �� � � � � � � � � � � � , visualizadas a partir do programa � � � � .perda ou falha de dados no período (alta taxa derecuperação de dados). Conforme mencionadoanteriormente, como a potência eólica é proporcional aocubo da velocidade do vento, estimativas de potencial egeração elétrica são bastante sensíveis à exatidão dosparâmetros medidos. Por esse motivo, todos osanemômetros são previamente calibrados em túnel devento (DEWI – Instituto Alemão de Energia Eólica,certificado pela rede MEASNET). Perdas ou falhas nosdados sempre introduzem incertezas nos resultados finaisdo projeto, comprometendo a exatidão dos resultados

almejados - ou requerendo o prolongamento do períodode medições, representando custos adicionais e prejuízosao projeto.

Assim, um processo de telemetria se insere em projetosde medições anemométricas visando otimizar doisaspectos relevantes:

(a) Maximização da taxa de recuperação de dados: umbloco sucinto de dados diários é transmitido para a centralda COSERN em Natal, permitindo a avaliação do statusde funcionamento de todo o sistema: anemômetros,sensores de direção e

� � � � � � � � ��� � �. Assim, em caso de

falha, as medidas corretivas poderão ser acionadas no diaseguinte, possibilitando que falhas eventuais nãoultrapassem o período de horas ou poucos dias. Estamaximização da taxa de recuperação dos dados temgrande importância em um projeto com duração poucosuperior a 12 meses, onde se almeja que a exatidão dosdados seja também compatível com estudos deviabilidade de usinas eólicas.

(b) Redução de custos com a coleta dos dados: viagenssemanais ou mensais a todas as estações, no caso dastorres do Rio Grande do Norte, significam cerca de 700km percorridos por técnico capacitado, com computadorportátil para a realização das leituras. Em projeto com 24meses de duração, os custos normalmente associados aesta coleta periódica são significativos dentro do total doprojeto. A telemetria também contribui para a reduçãodestes custos, ao dispensar estes deslocamentos.

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Existem várias opções de comunicação entre estaçõeseólicas remotas e o CPD da empresa onde os dados sãoprocessados. Eles diferem principalmente na coberturageográfica, na confiabilidade da transmissão, no custodos equipamentos e no custo operacional. As principaisopções na América Latina são:

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Bastante usado no Brasil em lugares onde existe a infra-estrutura. Em locais remotos, é muito sujeito a falhas,principalmente por causa de descargas eletrostáticas(raios), não só no local do modem, mas na própria linhade transmissão, resultando em danos aos modens eequipamentos acoplados. A telefonia fixa não édisponível nos locais remotos onde estão instaladas astorres anemométricas do projeto.

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Confiabilidade de transmissão restrita, alto custo deinvestimento inicial, baixo custo operacional e alcancelimitado.

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Baixa qualidade de transmissão (sistemas atuais, semGSM), custo operacional médio e cobertura limitada.

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Boa confiabilidade, disponibilidade constante do canal decomunicação, investimento inicial médio, custooperacional médio.

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Baixo investimento inicial, baixo custo operacional,confiabilidade 100%, disponibilidade do canal decomunicação satisfatório para monitoramento.

Figura 3 – Localização das torres anemométricas COSERN e modelos digitais de relevo e rugosidade.

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A solução adotada neste projeto foi o sistemaEOLSAT-AWS desenvolvido pela MITSAT utilizandotelecomunicação por satélites de baixa órbita daconstelação ORBCOMM (Figuras 4, 6 e 7). Entre osobjetivos especificados ressaltam-se:

• eliminar a necessidade de coleta manual dosdados;

• verificação diária de todos os equipamentos demedição.

Assim, o sistema EOLSAT consiste de duas partesprincipais:

• um componente “front-end” instalado na torre demedição;

• um componente “back-office” que recebe edecodifica os dados transmitidos pelos satélites viainternet.

O "front-end" consiste de um comunicador de satélitePanasonic KX-G7100 (Figuras 5 e 8) operando atravésda constelação de satélites Orbcomm, uma antena efirmware de comunicador da Mitsat para integraçãodos sistemas de medição e de comunicação. Ofirmware do comunicador acessa a informação doclassificador de vento Windsiter e encripta e compactaos dados conseguindo uma compactação melhor de10:1, reduzindo pela mesma proporção a taxa (e ocusto) da transmissão mensal.

Figura 4 - Diagrama de todos os satélites Orbcomm nas respectivasórbitas. Os discos projetados na superfície da terra indicam acobertura de cada satélite.

Figura 5 - Panasonic KX-G7100 comunicador de satélite Orbcomm.

O componente “back-office” consiste de softwarerodando num servidor com conexão internet. Estesoftware busca os dados transmitidos pelos satélites dogateway da Orbcomm, decodifica as mensagensencriptadas e compactadas e as disponibiliza noservidor em formato texto e html. Os usuários acessamos dados através de um browser, seja pela internet oupor uma rede interna.

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No final de cada mês o transmissor busca todas asestatísticas referentes a este mês do datalogger. Umavez estabelecida a integridade destes dados eles sãocompactados e codificados e em seguida colocados na

fila de transmissão. O próximo satélite que passa comvisibilidade da torre e ao mesmo tempo esteja em

Figura 6 - Exemplo da cobertura dos satélites Orbcomm sobre aAmérica do Sul. O satélite C3 está neste momento com cobertura doRio Grande do Norte e ao mesmo tempo em contato com o gatewaydo Rio de Janeiro.

Figura 7 - Um dos satélites Orbcomm em órbita. O satélite pesa 43kg e mede 4 metros incluindo a antena e está orbitando numa altitudede 825 km.

contato com a estação terrestre da Orbcomm no Rio deJaneiro transmitirá os dados (Figura 6). O servidorEOLSAT na sede da COSERN verifica em intervalosde um minuto se novas mensagens chegaram pelogateway Orbcomm. Se houver novas transmissões eledecodifica e descompacta os dados e reconstrói oformato original do arquivo no diretório do usuário noservidor.

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Uma das piores situações que podem acontecer duranteum levantamento de energia eólica é a cessão damedição de dados causada por um defeito nosequipamentos. Numa coleta mensal dos dados, até ummês de dados pode ser perdido até que o problema sejadescoberto.

Na solução EOLSAT, diariamente num horário pré-programado que pode ser alterado remotamente, oprograma do transmissor estabelece contato com odatalogger Windsiter para verificar o funcionamentodos equipamentos. Para os dois anemômetros elecalcula a média de três medições e determina a faixa domovimento angular da biruta durante dois minutos.Ainda envia um alarme, caso não seja possível secomunicar com o datalogger. Estes dados de status sãotransmitidos e em seguida disponibilizados no servidorem formato html para o usuário, por exemplo:

Anemômetro 1: 9.7m/s

Anemômetro 2: 9.1m/s

Variação Vane: 5 graus

Comunicação: OK

Um valor de zero para qualquer um dos parâmetrosindica um possível defeito no sensor correspondente.Excepcionalmente um valor de zero pode estar válido,por exemplo na ausência total de vento. Os valores dosdois anemômetros deveriam mostrar velocidadesparecidas (o anemômetro de 30m normalmente mostrauma velocidade um pouco menor que o anemômetro de50m). Uma diferença acentuada sugere um problemano anemômetro com o valor mais baixo, por exemploum rolamento gasto. Se um valor atípico persiste nachecagem do dia seguinte, um defeito deve serassumido.

Quando não for possível se comunicar com odatalogger, todos os valores são zerados e o status decomunicação é mostrado como “interrompido”,indicando um defeito no datalogger ou no cabo deconexão. Se uma estação pára de transmitir o statusdiário, as possíveis causas são um defeito no

- sistema de alimentação (bateria, painel solar, etc.);

- transmissor;

- antena.

Em qualquer das situações onde um defeito fordetectado, o operador do sistema pode programar umamanutenção imediata, já levando as prováveis peças dereposição.

Figura 8 - Instalação da caixa de controle numa torre de medição daCOSERN no Rio Grande do Norte. O comunicador de satélite KX-G7100 da Panasonic pode ser visto no canto superior direito da

caixa, ao lado esquerdo dele o classificador de vento Windsiter 420da Ammonit.

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Devido a aberrações atmosféricas, baixa elevação dosatélite ou até problemas da alimentação dotransmissor, uma transmissão pode ser interrompida nomeio. Nestes casos, o próximo satélite que passatentará concluir a transmissão incompleta ou, depois deum intervalo maior, reiniciará o processo e tentará umanova transmissão. Em qualquer caso, as mensagens aserem transmitidas ficam guardadas no transmissor(mesmo em caso de falta de alimentação) até que sejamrecebidas pelo gateway. Sendo então, impossível de“perder” uma mensagem.

O sistema Orbcomm, por meio de algoritmos internos,checksums, etc., retransmite pacotes de dados com erroaté que sejam recebidos todos os pacotes de umamensagem sem erro. A integridade dos dadostransmitidos é garantida.

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O serviço de transmissão de dados via satélite écobrado por byte transmitido, ou seja, pelo volume detransmissão. No caso do sistema EOLSAT-AWS,consegue-se, através de uma compactação ultra-eficiente dos dados, reduzir o volume mensal detransmissão (estatísticas e status diário) para a franquiamensal já embutida na assinatura básica dotransmissor. O sistema então opera com a tarifamínima de transmissão.

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Como o sistema de alimentação, painel solar comregulador de voltagem e bateria, fornece energia tantoaos equipamentos de medição quanto àqueles detransmissão, surgiram situações onde a alimentação erainsuficiente durante a transmissão de mensagens.

� � � � � � � Inicialmente as transmissões eram

programadas a acontecer um pouco antes de meia-noite. Mudamos remotamente (comandos por satélite)este horário para o início da tarde quando, além da

capacidade da bateria, o painel solar fornecealimentação adicional. Não aconteceram maisproblemas depois disto. Mesmo assim, os painéissolares foram posteriormente trocados por modeloscom capacidade maior.

Uma nova versão do software para os transmissorestambém permite agora iniciar remotamente atransmissão das estatísticas em qualquer dia. Assim, asestatísticas de uma estação que não transmitiu no diacerto podem ser recuperadas no dia seguinte.

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No caso da COSERN, o servidor não está conectado àinternet mas a uma rede interna de servidores. Com aintrodução de um novo firewall, mudaram as regras deacesso e o endereçamento da rede, barrando o servidorde acessar o servidor mail para receber os dados. Nãohouve perda de dados, só atraso.

� � � � � � � Alteração do software e da configuração do

servidor EOLSAT. Para isto, o servidor foitemporariamente ligado à internet para permitir acessoremoto pela MITSAT no Rio de Janeiro.

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Inicialmente a transmissão das estatísticas foi feitaalgumas horas antes do encerramento do mês atual.Mesmo que isto não tenha causado alteraçõessignificativas nos valores das estatísticas, as últimashoras do mês não eram consideradas.

� � � � � � � A nova versão do software do transmissor é

desenhada a fazer a coleta no primeiro dia do mêsseguinte. Assim as medições completas do mês queacaba de ser encerrado são consideradas no cálculo dasestatísticas.

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O acesso aos dados era inicialmente planejado viaacesso ftp. Durante a instalação do sistema, verificou-se que este tipo de acesso era inusitado e complexopara o usuário.

� � � � � � � Mudança no software de disponibilização

dos dados no servidor para acesso http. Agora os dados

podem ser visualizados num browser (ex. InternetExplorer ou Netscape) como se fosse numa intranet.

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O sistema de telemetria implementado pelaIBENBRASIL conseguiu detectar com sucesso a falhanum dos anemômetros da torre de São Miguel,evidenciada a partir da verificação do

� � � � � � diário

enviado pelo sistema, possibilitando a adoção demedidas corretivas em tempo muito inferior ao queseria conseguido nas práticas usuais de aquisição dedados, onde são realizadas visitas mensais aos locaisdas torres, minimizando a perda de dados econsolidando a importância da telemetria noacompanhamento das medições anemométricas.

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Neste projeto de Pesquisa e Desenvolvimento daCOSERN, um sistema de telemetria para dadosanemométricos foi desenvolvido, com o objetivo deaumentar a confiabilidade e taxa de recuperação dedados, e ao mesmo tempo reduzir os custos de leituramensal das torres. O sistema – pioneiro no setor – jáestá operacional, com melhorias sendo introduzidasgradualmente nestes 6 primeiros meses desde suaimplantação inicial, tendo demonstrado eficiência natransmissão de dados e na detecção de falhas nossensores de medição das torres, contribuindo para amelhoria da qualidade e do acompanhamento dasmedições anemométricas em andamento. O processoestá sendo monitorado, de modo que ao final do projetoter-se-á um registro detalhado dos custos e benefíciosrepresentados por este sistema de telemetria.

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[1] do Amarante, O. A. C.; da Silva, F. J. L. "Atlas doPotencial Eólico do Estado da Bahia". CamargoSchubert Engenharia Eólica, Coelba/IberdrolaEmpreendimentos do Brasil. Outubro 2001.

[2] do Amarante, O. A. C. "Estado do Ceará, Atlas doPotencial Eólico". Camargo Schubert EngenhariaEólica, SEINFRA/CE. 2001.

[3] do Amarante,O.A.C.; Brower, M.; Zack, J. “Atlasdo Potencial Eólico Brasileiro”.MME/ELETROBRÁS/CEPEL, 2001.

[4] do Amarante,O.A.C. “Mapa do Potencial Eólico doEstado do Paraná”. Camargo Schubert EngenhariaEólica, COPEL, Governo do Estado doParaná.1999.

[5] AWS Scientific, Inc., “Wind Resource AssessmentHandbook”. National Renewable EnergyLaboratory. WindPower '96 Training SeminarEdition, Denver, CO, June 23th, 1996.

[6] “Orbcomm System Overview”, A80TD0008 Rev.C Orbcomm Global, L.P.

[7] “Orbcomm Gateway Customer Access InterfaceSpecification”, D20050006 Rev. C OrbcommGlobal, L.P.