Recurso Eólico - Potência do vento

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Recurso Eólico – Potência do Vento
Fundamentos Energias Eólica e 
Fotovoltaica
Recurso Eólico – Potência do Vento
Recurso Eólico – Potência do Vento
➢ Ocorre por intermédio de um conversor de energia
mecânica, especificamente, por meio de um aerogerador;
➢ As pás do rotor produzem rotação com a força do vento e
captam a sua energia;
➢ A rotação é transferida para o gerador por meio de um eixo
ligado ao multiplicador (sistema de engrenagens) que
converte a baixa rotação para uma adequada ao gerador.
CONVERSÃO ENERGIA EÓLICA EM ENERGIA ELÉTRICA
Recurso Eólico – Potência do Vento
CONVERSÃO ENERGIA EÓLICA EM ENERGIA ELÉTRICA
Recurso Eólico – Potência do Vento
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
➢ Alguns fatores combinados influenciam na geração, como
as turbulências de ventos próximos a superfície terrestre.
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➢ Situação ideal: captação de energia eólica quando os
ventos fluem de maneira laminar ou com velocidade
uniforme;
➢ Os locais onde há ocorrência de ventos laminares é onde
espera-se instalar o aerogerador, de modo que suas pás
recebam o máximo desse tipo de vento.
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
Recurso Eólico – Potência do Vento
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
Recurso Eólico – Potência do Vento
➢ Os locais com ventos de baixa velocidade e picos
repentinos e breves de velocidade não são indicados para
geração eólica;
➢ No processo de avaliação de potencial eólico torna-se
necessário realizar estimativas de velocidades de ventos
para alturas diferentes da altura onde foi realizada a
medição e que também leve em consideração o tipo do
terreno.
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
Recurso Eólico – Potência do Vento
➢ Equação da estimativa da velocidade do vento:
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
Onde:
𝑣 = velocidade do vento que se deseja estimar [m/s]
𝑣o = velocidade do vento medida [m/s]
h = altura de instalação do aerogerador [m]
h0 = altura de referência onde mediu-se v0 [m]
= coeficiente de fricção
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➢ Coeficiente de ficção
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
Recurso Eólico – Potência do Vento
➢ EXEMPLO 1
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
Suponha que se tenha realizado medições da velocidade a
uma altura de 10m, em uma área com grama baixa, cujo valor
registrado foi de 5 m/s. Qual seria a velocidade para 50m?
➢ SOLUÇÃO:
O coeficiente de fricção para um tipo de terreno de grama
baixa (tabela anterior), é de  = 0,14
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ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
➢ SOLUÇÃO:
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➢ SOLUÇÃO:
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
Recurso Eólico – Potência do Vento
➢ Outra expressão bastante utilizada para estimar velocidade:
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
Onde:
𝑣 = velocidade do vento que se deseja estimar [m/s]
𝑣o = velocidade do vento medida [m/s]
h = altura de instalação do aerogerador [m]
h0 = altura de referência onde mediu-se v0 [m]
z = comprimento de rugosidade do terreno
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➢ Comprimento de rugosidade
ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
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ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
➢ EXEMPLO 2
Suponha que se tenha realizado medições da velocidade a
uma altura de 10m, em uma área aberta com grama baixa,
cujo valor registrado foi de 5 m/s. Qual seria a velocidade para
50m?
➢ SOLUÇÃO:
O comprimento de rugosidade para um tipo de terreno de área
aberta com grama baixa (tabela anterior), é de z = 0,03
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ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
➢ SOLUÇÃO:
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ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DO VENTO
➢ SOLUÇÃO:
Pelo outro método: 
𝑣 = 6,26m/s (próximos)
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➢ Definimos potência como sendo a razão entre a energia
necessária para execução de uma ação (mover, aquecer,
iluminar, etc.) durante um intervalo de tempo. Ou seja:
POTÊNCIA DO VENTO
Onde:
P = potência consumida [W]
E = energia em qualquer forma (elétrica, térmica, cinética) [J]
t = intervalo de tempo considerado [s]
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➢ Diversos recursos energéticos podem ser considerados
fontes primárias para produção de energia elétrica;
➢ Cita-se como fontes primárias: energia hidrelétrica, solar,
nuclear, química e eólica;
➢ No caso da energia eólica, a potência disponível está
relacionado ao deslocamento (energia cinética) dos ventos.
POTÊNCIA DO VENTO
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➢ A energia cinética é calculada segundo a equação a seguir,
e depende basicamente da massa deslocada e de sua
velocidade.
POTÊNCIA DO VENTO
Onde:
𝑚 = massa do corpo [kg]
𝑣 = velocidade do corpo [m/s]
Recurso Eólico – Potência do Vento
POTÊNCIA DO VENTO
O tubo G representa a forma da massa de ar que passa através das pás do 
aerogerador. O diâmetro desse tubo equivale as dimensões do disco formado pela 
rotação das pás.
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POTÊNCIA DO VENTO
➢ Quando estamos falando de massas de ar em movimento,
temos um problema de um corpo não-rígido;
➢ Temos na verdade uma parcela de ar em movimento;
➢ Ao invés de analisar as grandezas eólica baseando-se na
massa 𝑚 de ar, prefere-se usar a sua massa específica (ou
também denominada de densidade).
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POTÊNCIA DO VENTO
➢ A massa específica é definida pela razão entre a massa e o
volume ocupado por esta massa, ou seja:
Onde:
 = massa específica (ar = 1,225 kg/m3 para 15°C e 1atm)
𝑚 = massa do corpo [kg]
V = volume ocupado pela massa [m3]
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POTÊNCIA DO VENTO
➢ No tubo (com diâmetro definido pela dimensão das pás), o
ar se desloca de uma extremidade a outra com velocidade 𝑣
dada por:
Onde:
𝑣 = velocidade [m/s]
s = variação do deslocamento da massa [m]
t = variação do tempo [s]
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POTÊNCIA DO VENTO
➢ O volume de ar dentro do tudo é dado por:
➢ Substituindo s por 𝑣.t, tem-se
Onde:
𝐴 = área da seção do tubo [m2]
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POTÊNCIA DO VENTO
➢ Baseado nas equações apresentadas anteriormente, a
potência disponível no vento é dada por:
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POTÊNCIA DO VENTO
➢ A expressão mostra que a potência do vento depende da
área de varredura das pás do aerogerador, da massa
específica do ar e da velocidade. Esta última influenciando
ao cubo no valor da potência.
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POTÊNCIA DO VENTO
➢ EXEMPLO
Se a velocidade do vento duplicar 𝑣’ = 2𝑣, o que acontecerá
com a potência?
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POTÊNCIA DO VENTO
➢ O gráfico apresenta a curva de potência, em função da
velocidade, para uma 𝐴 = 1m2 e 𝜌 = 1,225 kg/m3
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CORREÇÃO DA DENSIDADE DO AR COM A TEMPERATURA
➢ A densidade do ar  deve ser corrigida com a temperatura
de acordo com a expressão:
Onde:
Patm = pressão atmosférica [atm]
M = massa molecular do ar (28,97 g/mol)
R = constante do ar (8,2056.10-5 m3.atm/K.mol)
T = temperatura [K]
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CORREÇÃO DA DENSIDADE DO AR COM A TEMPERATURA
Recurso Eólico – Potência do Vento
➢ Conforme equação anterior, a massa especifica do ar varia
em função da pressão atmosférica, e esta varia em função
da altitude em relação ao nível do mar. Segue equação:
CORREÇÃO DA PRESSÃO ATMOSFÉRICA COM A ALTITUDE
Onde:
Patm = pressão atmosférica para a altitude desejada [atm]
𝑒 = 2,7182 é a constante de Euler
h = altitude [m]
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CORREÇÃO DA PRESSÃO ATMOSFÉRICA COM A ALTITUDE
Recurso Eólico – Potência do Vento
Prof. Dr. Marcos Alves Fontes
marcos.fontes@ifsp.edu.br