Estudo da camada limite atmosférica e o efeito esteira na geração de energia eólica

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ESTUDO DA CAMADA LIMITE ATMOSFÉRICA E O EFEITO ESTEIRA NA GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA Adriano Aleixo Rodrigues; Anderson Reimão; Cleyson de Oliveira; Gilson Sousa; Leonardo Menezes; Mailson Ferreira; Ramom Barros Filho; Rhamon Neves; Rhud Rodrigues (Curso de Engenharia Mecânica – EM5NA) RESUMO  O presente trabalho aborda conceitos e exemplificações sobre a natureza da Camada Limite Atmosférica (CLA), suas caraterísticas e potencialidades. Assim, como também, analisa de que forma o efeito esteira pode atrapalhar os aerogeradores na disposição do Parque Eólico na sua geração de energia elétrica. A exposição desses dois temas dá-se de forma sistemática, pois, fala-se, primeiramente, da importância da produção da energia elétrica por meio do desenvolvimento da tecnologia da energia eólica no Brasil, passando à explicação sobre a CLA. Em seguida, decorre-se sobre as turbinas propriamente ditas e o efeito esteira. Palavras-chave: Camada Limite Atmosférica; aerogeradores; Parque Eólico; energia eólica; efeito esteira. 1 INTRODUÇÃO A questão da geração de energia limpa e renovável vem sendo tema de discussões pelo mundo todo. No ano passado (2015), o Brasil deu mais importância a esse tema, em virtude das maiores secas já enfrentadas nos últimos 60 anos, como noticiaram vários meios de comunicação. Lembrando que o Brasil é um país que se concentra na produção de energia elétrica do movimento de turbinas por meio da água, ou seja, de usinas hidrelétricas, as quais estão espalhadas pelas cinco regiões do país. Contudo, pode-se notar uma crescente necessidade de investir em outras fontes de energia, uma delas é a eólica, a qual pode ser gerada de forma menos agressiva ao meio ambiente, sem nenhum poluente e menos dispendiosa, em relação às hidrelétricas e termelétricas. Especialistas do Conselho Global de Energia Eólica (GWEC) dizem que o sul do país possui um potencial de 102,3 GW à altura de 100m e de 245,3 GW a 150m, de acordo com PERES (2015). Percebe-se que a geração de energia torna a sua implantação mais viável à medida em que ela se afasta do solo, isto deve-se ao fato da presença da camada limite atmosférica (CLA), pois, é a porção mais baixa da troposfera, sendo diretamente influenciada pela temperatura, hora do dia, relevos terrestres (prédios, casas, montanhas, etc.) e poluentes, tornando-a normalmente turbulenta, segundo MALHEIROS e DIAS (2004). Apesar desse conhecimento sobre a CLA, não existe uma fórmula que possa determinar com exatidão a altura dessa camada, mas, como dito anteriormente, ela sofre influências, e a maior delas é a radiação solar, por isso MALHEIROS e DIAS (2004) dizem que a análise se torna mais eficiente ao dividi-la em duas partes: a diurna e a noturna. Aos poucos, e de posse desses números, essa relativamente nova tecnologia de geração de energia elétrica vai deixando de ser desconhecida e até desacreditada pela maioria da população. Figura 1. Camada Limite Atmosférica (CLA). 
Fonte: MENDONÇA et al (2014)1. 
 1 http://slideplayer.com.br/slide/1252164/ 
 
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Mas, por que o nome de energia eólica? Bem, na verdade a energia é cinética, pois, provém do movimento das massas de ar em movimento, o qual conhecemos como vento. A geração da energia elétrica é proveniente do aproveitamento dessa massa de ar, ou seja, por meio da energia eólica (“energia do vento”), a qual desloca as pás (pequenas, médias ou grandes) das turbinas eólicas, que também são chamadas de aerogeradores. Apesar de não ser o foco deste estudo, vale ressaltar que o material das pás deve ser altamente resistente à flexão e de baixo peso, essa combinação pode ser obtida a um baixo custo se aplicarmos um polímero composto de uma matriz de epóxi e fibras. Tal requisitos devem-se aos resultados das análises realizadas em diferentes partes do país, os quais apontam uma exigência de instalação de ≥500 W/m², a uma altura mínima de 50 m, onde as referidas pás devem suportar ventos mínimos de 7 a 8 m/s, porém, somente 13% do território nacional possui essas características, de acordo com ANEEL (2008). Figura 2. Velocidade média anual do vento a 50 m de altura. Fonte: ANEEL (2008, 96). De acordo com o exposto anteriormente, observa-se no campo “Classes de energia” que a implantação de Parques Eólicos pode ser viabilizada em qualquer tipo de superfície, exceto na Mata, devido à vegetação nativa ser composta de árvores altas, o que atrapalharia na captação do deslocamento da massa de ar por meio das pás da turbina, esse turbilhonamento também pode ser observado em grandes metrópoles, pois, possuem inúmeros prédios (obstáculos), o que impossibilita um alto investimento dentro desses locais. Deve-se ressaltar que, o tipo do terreno também determina um valor a mais no orçamento do projeto, devido às adaptações de nivelamento para a estabilidade da torre de geração de energia. 
 
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2 REFERENCIAL TEÓRICO De acordo com a ANEEL (2008), no início dos anos 90, os primeiros anemógrafos computadorizados e sensores foram instalados no Ceará e em Fernando de Noronha (PE). A partir disso, os resultados possibilitaram a visualização do potencial eólico local e uma perspectiva nacional, era o começo de uma caminhada para o desenvolvimento de uma energia “limpa”, a qual pode ser utilizada para atuar em sistema complementar com as usinas hidrelétricas, para que haja uma economia de água nos reservatórios em períodos de estiagem, nos quais a velocidade dos ventos costuma ser maior. De certa forma, o sucesso de implantação dos Parques Eólicos no Nordeste desencadeou uma adesão de outras regiões para a aquisição desta tecnologia, destaque para os Parques Eólicos Osório, Sangradouro e dos Índios, os quais possuem 25 turbinas com potência de 2 MW (50 MW por Parque), cada turbina possui 70 metros de diâmetro e 100 de altura. Estes Parques são chamados de Empreendimento de Osório, antes dele só haviam sido construídos Parques de pequeno porte. Figura 3. WindSentry – Transmissor 4-20mA (anemômetro). Fonte: Vika Controls.2 Houve um crescimento excepcional, de 2003 a 2008, na área da implementação da energia eólica no país, segundo ANEEL (2008), o registro foi uma oferta de 143,4 GWh no fim do período. Mas, apesar da ótima fase, o setor tinha o problema das importações, pois eram regulamentadas pelo Proinfa (do Ministério de Minas e Energia), o qual exigia que 60% da produção dos aerogeradores fossem de origem nacional, isso estancou o processo de expansão em alguns meses, até que os fabricantes nacionais pudessem atender à crescente demanda dos produtos. Esse crescimento pode ser melhor visualizado na Fig. 03 abaixo: Figura 4. Potencial eólico brasileiro. Fonte: ANEEL (2008, p.81). 
 
2 http://vikacontrols.com.br/produtos/anemometros/ 
 
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3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 A camada limite atmosférica Como dito anteriormente, a CLA é a primeira camada atmosférica, por esse motivo, a massa de ar que se desloca nela é predominantemente de caráter turbulento, de acordo com BERNARDES (2008). Mas, apesar disso, na Fig. 1, nota-se que existe um período (do pôr-do-sol ao amanhecer) em que a massa de ar se encontra mais estável, ou seja, mais linear, estágio de escoamento laminar na superfície terrestre deve-se ao fato de que, de acordo com JERVELL (2008), os ventos são causados por diferenças de pressão ao longo da superfície terrestre, em virtude da radiação solar recebida pela Terra ser maior nas zonas equatoriais do que nas zonas polares, ao movimento de rotação e variações sazonais de distribuição de energia solar incidente. Os ventos mais fortes, mais constantes e mais persistentes ocorrem em bandas situadas a cerca de 10 km da superfície. Como não é possível colocar os aerogeradores nessas zonas, o espaço de interesse encontra-se no mínimo a 50 m, sendo diretamente afetado por forças de atrito(devido à fricção da massa de ar em movimento com a superfície terrestre) o que provoca uma diminuição na sua velocidade e o turbilhonamento. 3.1.1 Potência disponível pela massa de ar (vento) Ainda de acordo com JERVELL (2008), uma condição necessária para a utilização da energia contida no vento é a existência de um fluxo permanente e razoavelmente. As turbinas modernas são projetadas para atingirem a potência máxima para velocidades do vento da ordem de 10 a 15 m/s. A potência disponível no vento pode ser expressa pela seguinte expressão: Equação (01) Se considerarmos que: Equação (02) Chega-se a seguinte equação: Equação (03) O que resulta na equação final: Equação (04) Com isso, pode-se constatar que: a) A potência varia linearmente com a massa específica e cresce com o cubo da velocidade; e b) A potência é proporcional à área do rotor. 3.1.2 Características do escoamento A caracterização do recurso eólico depende de diversos parâmetros, atmosféricos ou terrestres, que podem influenciar negativamente o escoamento da massa de ar em uma dada região. Eles podem ser: a) Características do regime dos ventos do local; b) Orografia local (descrição das montanhas e morros); c) Rugosidade aerodinâmica da superfície; e d) Obstáculos (antropológicos ou não). 3.2 Turbinas eólicas Atualmente, os aerogeradores são constituídos por três pás, eixo de rotação horizontal, alinhamento ativo, gerador de indução e estrutura não-flexível. Mas, isso não quer dizer que não existam outros tipos de turbinas com um número maior ou menor de pás. O que vale ressaltar é que, apesar do modelo de três pás ser o mais utilizado, os seus fabricantes ainda discutem sobre a utilização ou não do controle do ângulo de passo (pitch) das pás, no intuito de limitar a potência máxima gerada, contudo, o que se vê, na maioria dos casos, é a combinação das duas técnicas de controle de potência, a dita anteriormente e a stall (variação do ângulo de passo para ajustar a potência gerada, mas sem uso contínuo), de acordo com ANEEL (2008). 
 
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Figura 5. Desenho esquemático de uma turbina eólica moderna. Fonte: ANEEL (2008, p.97). 3.3 Efeito esteira Segundo SALVADOR (2012), imediatamente antes da turbina eólica a pressão do ar aumenta, decaindo na passagem pelo rotor para valores abaixo da pressão atmosférica, sendo este diferencial de pressão responsável pela rotação das pás e, consequentemente, pela diminuição da velocidade do vento durante a recuperação da pressão depois da passagem pelo rotor. O escoamento do ar torna-se mais turbulento e a medição das características é deturpada e por isso não deve ser considerado válido na avaliação das características locais do vento. A esta perturbação no normal escoamento do ar dá-se o nome de efeito esteira, que se propaga segundo uma certa amplitude definida por um declive k relativamente à direção do vento designado por wake decay constant. Figura 6. Efeito esteira – Fazenda Eólica Offshore de Horns Ver (Dinamarca). Fonte: LUDWIG (2011, p.12). 
 
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LUDWIG (2011) diz que a análise desse efeito deve ser dividida em duas partes: esteira próxima e esteira distante. Na esteira próxima, foca-se no desenvolvimento da performance e no processo físico de extração de potência, enquanto que na distante, verifica-se a influência das turbinas em relação às outras do mesmo grupo, pois, a queda de velocidade deve ser considerada no projeto. Para isso, os engenheiros podem utilizar modelos computacionais, os quais solucionam equações na área da Dinâmica dos Fluidos, como de Navier-Stokes. Tais modelos servem para visualizar futuros problemas e, consequentemente, diminuir os custos com mão-de-obra e o retrabalho. Figura 7. Distanciamento entre turbinas eólicas. Fonte: LUDWIG (2011, p.13). LUDWIG (2011) diz, ainda, que para o cálculo da velocidade do vento na esteira adota-se uma constante de decaimento (kwake da esteira), a qual pode assumir valores de 0,075 (em turbinas no solo) e 0,05 (para turbinas Offshore), conforme a Eq. 05 a seguir: Equação (05) onde he é a altura do eixo da turbina e z0 é a rugosidade do terreno. Dessa forma a velocidade na esteira pode ser obtida em função da distância L na jusante da torre por: Equação (06) sendo CE o coeficiente de empuxo da turbina, Uwake é a velocidade afetada pela esteira e U∞ é a velocidade do vento não perturbada. Pode-se definir o diâmetro da região de esteira (Dwake), por: Equação (07) Equação (08) 
 
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4 RESULTADOS ANALISADOS Segundo LOPES (2010), após definidas as condições de vento do parque e as características de cada aerogerador, é possível chegar à potência gerada, eficiência da energia gerada do parque, densidade de potência da superfície e taxa interna de retorno de análise. Gráfico 1. Recuperação da velocidade do vento após a passagem por uma turbina IWP93 (D = 93m, Vento = 8 m/s, distância entre turbinas de 7xD)3. Nota-se que, conforme a distância da distribuição das turbinas no parque aumenta, a influência entre elas diminui e, consequentemente, o vento volta a se fortalecer, aumentando a sua velocidade. Portanto, observa-se que: Gráfico 2. Eficiência de uma fazenda eólica em função da distribuição de turbinas para velocidades de vento livre de 8 e 9 m/s (Modelo e70)4. Gráfico 3. Densidade de potência de superfície e fator de capacidade médio em função da distribuição de 4 turbinas (IWP93) em um parque (Vento = 9 m/s)5. 
 
3 LOPES (2010, p.9). 4 Idem. 5 LOPES (2010, p.12). 
 
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O Gráfico 3 mostra que, quanto mais afastadas as turbinas forem projetadas, melhor será em termos de fator de capacidade do parque, mas, a sua densidade de potência superficial será prejudicada, influenciando de forma negativa a lucratividade do parque. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS De acordo com o que foi exposto no decorrer deste trabalho, nota-se a influência direta da CLA na geração da energia eólica e, todo um esforço de diversos autores na tentativa de um estudo mais completo sobre o assunto, tendo em vista o crescimento de investimentos neste setor nos últimos anos. Vale ressaltar que este esforço tem apresentado bons resultados, pois, atualmente, pode-se contar com modelos computadorizados para uma análise mais específica e completa dos possíveis problemas, evitando, assim, o gasto com implantações errôneas e dimensionamentos equivocados. Sem esquecer da importância da análise do efeito esteira, em termos de rendimento das turbinas e da densidade de potência de superfície, o qual sugere que quanto menor o diâmetro do rotor do modelo do aerogerador, menor será a distância entre as torres, o efeito e o tamanho de instalação do parque. REFERÊNCIAS ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas de energia elétrica do Brasil. 3ª Ed. – Brasília: Aneel, 2008. 236 p.: il. ISBN: 978-85-87491-10-7. BERNARDES, Mateus. Conceitos de estabilidade atmosférica e dispersão atmosférica. Material do tipo Artigo. 28p. Universidade Federal do Paraná (UFPR). Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia (PPGMNE). Laboratório de Estudos em Monitoramento e Modelagem Ambiental (LEMMA). Paraná, 2008. JERVELL, José Tor. Estudo da influência das características do vento no desempenho de aerogeradores. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto-Portugal, 2008. LOPES, Francis Rossato. Estudo da influência da esteira e da densidade de máquinas na produção de energia em uma fazenda eólica. Material do tipo: Monografia. 31p. Universidade Federal do Rio Grande do Sul: Departamento de Engenharia Mecânica. Porto Alegre, 2010.LUDWIG, Daniel Evandro. Análise numérica da influência de fatores atmosféricos na esteira aerodinâmica de turbinas eólicas. Material do tipo: Dissertação de Mestrado. 98p. Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PPGEM). Porto Alegre, 2011. MALHEIROS, André Luciano; DIAS, Nelson Luis. Determinação prática da altura da camada-limite atmosférica para aplicação em modelos de dispersão de poluentes. In: XIII Congresso Brasileiro de Meteorologia. 2004. MENDONÇA, Ednaldo et al. Parametrização de Turbulência. Universidade Federal de Campina Grande. Apresentação de slides do tipo Seminário. Disciplina: Modelagem Numérica da Atmosfera. Paraíba, 2014. PERES, Sandra. Eletrosul inaugura parque eólico de 258 MW no Rio Grande do Sul: Empreendimento integra o maior complexo eólico da América Latina. Eletrosul: reportagem. Rio Grande do Sul, 2015. Disponível em: http://www.eletrosul.gov.br/sala-de-imprensa/noticias/eletrosul-inaugura-parque-eolico-de-258-mw-no-rio-grande-do-sul Acessado em: 10/06/2016. SALVADOR, Pedro Costa. Influência do perfil vertical de velocidades no funcionamento de um aerogerador. Mestrado em Engenharia Mecânica – especialização em energia, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto-Portugal, 2012.