Energia Eólica Parte 2 O Vento

Prévia do material em texto

Energia Eólica 
Unidade II 
O Vento 
Prof. Alexandro Vladno da Rocha 
Junho / 2014 
Unidade 2 
O Recurso Eólico 
Conteúdo 
v  Introdução; 
v  Modelos de circulação do vento; 
v  Variações temporais e espaciais do vento; 
v  Influência das Radiações Solar e Terrestre; 
v  Variação da Velocidade Vertical do Vento; 
v  Influência do Terreno no Vento; 
v  Potência contida nos Ventos; 
Introdução 
v  No passado os recursos eólicos eram avaliados apenas do ponto de 
vista meteorológico 
v  Somente há duas décadas é que as medidas de vento têm sido feitas 
em diversos países, considerando: 
v  Tipos de terrenos; 
v  Rugosidade do solo; 
v  Alturas. 
v  Projeto de uma central deve se basear em: 
v  Mapas e atlas eólicos; 
v  Informações de torres anemométricas instaladas no local. 
v  As torres anemométricas devem considerar: 
v  Dimensão do terreno; 
v  Mudanças na topografia; 
v  Rugosidade do terreno; 
v  Sensores instalados na altura do cubo do aerogerador 
v  Período mínimo de 1 ano. 
v  A previsão de longo prazo pode ser obtida com o uso de modelos 
matemáticos. 
Modelos de Circulação do Vento 
v  Ventos de Circulação Global: 
v  São resultantes das variações de pressão, 
temperatura e densidade causadas pelo 
aquecimento desigual da terra por meio da 
radiação solar, que varia em função da 
distribuição geográfica, período do dia e sua 
distribuição anual. 
-  Aquecimento e a 
rotação da terra 
-  Efeitos térmicos 
Movimento das 
massas de ar 
Ventos Causas 
v  Mar para o continente 
(diurno) 
v  Continente para o 
mar (noturno) 
v  Vale para a montanha 
v  Montanha para o Vale 
Modelos de Circulação do Vento 
v  Ventos de Circulação Local: 
v  Escala Planetária ou Macroescala 
v  Longa Duração: 102 – 105 horas 
v  Distância: 102 – 105 km 
v  Causas: 
v mudanças na climatologia local 
v Alteração na posição e intensidade da ZCIT 
v Movimento sazonal da ZCIT 
v  Escala Regional ou Mesoescala 
v  Duração: 1 – 100 horas 
v  Distância: 1 – 100 km 
v  Causas: 
v Efeitos de canalização dos ventos 
v Gradientes térmicos terra-mar e mar-terra 
Variações Temporais e Espaciais do Vento 
Variações de 
alta 
frequência 
Perfil 
vertical de 
velocidade 
Turbulências 
atmosféricas 
v  ZCIT (Zona de Convergência Intertropical): 
v  Fina zona permanente de baixa pressão compreendida entre as 
latitudes 30o N e 30o S. Representa o principal transporte de calor 
e umidade que ascende da superfície. 
v  Escala local ou Microescala 
v  Duração: 1 – 10-3 horas 
v  Distância: 1 – 10-3 km 
v  Causas: 
v Efeitos aerodinâmicos causados por fatores locais , tais como: Forma 
de superfície, rugosidade do terreno e fluxo de calor no limite entre as 
superfícies de características diferentes. (perfil vertical de velocidade 
do vento) 
Variações Temporais e Espaciais do Vento 
v  Variações interanuais: 
v  São variações lentas na velocidade dos ventos causados por fenômenos 
de mesoescala. Ocorrem em escalas de tempo maior que 1 ano. 
v  Variações sazonais 
v  O aquecimento desigual da Terra durante as estações do ano provocam 
variações significativas na velocidade média dos ventos ao longo de um 
mês e ao longo de um ano. Também estão associadas a efeitos de 
mesoescala. 
v  Variações diárias 
v  O aquecimento desigual da superfície terrestre, em função da variação 
da quantidade de radiação solar incidente ao longo do dia, provoca 
alterações na velocidade do vento em regiões de diferentes latitudes e 
longitudes. 
v  Variações de curta duração 
v  Estão associadas a pequenas flutuações (turbulências) como também a 
rajadas de vento. 
Variações Temporais e Espaciais do Vento 
Influência das Radiações Solar e Terrestre 
n  Temperatura do sol = 5.600K; 
n  Energia recebida pela Terra = 1,39KW/m2; 
¨  Quase metade da radiação incidente é absorvida pela terra; 
¨  Parte da radiação é armazenada como calor sensível, aquecendo a terra e o ar; 
¨  Parte da radiação é difundida pela atmosfera devido à poeira, gotículas de água, 
nuvem, etc; 
¨  E outra parte é usada em processos foto-químicos das plantas; 
n  Comprimento de onda da radiação solar = 0,15 até 4µm; 
n  Menos da metade da radiação é absorvida pela terra. (armazenada 
com calor, aquecendo a Terra e o ar, parte é usada va evaporação da 
água, fotossíntese,...); 
n  Parte da radiação é (radiação terrestre). Esta radiação tem 
comprimento de onda de 5 a 20 µm, cuja variação depende da 
superfície; 
n  Índice de absorção (albedo) = radiação refletida / radiação incidente 
Influência das Radiações Solar e Terrestre 
Superfície Albedo [%] 
Neve 70 - 95 
Duna 37 
Duna úmida 24 
Grama molhada, com sol 33 - 37 
Grama molhada, sem sol 14 - 26 
Grama seca 15 - 25 
Floresta 10 - 18 
Oceano 2 - 7 
Tabela 2.1 – Albedos Típicos. Fonte: Custódio, 2007 
n  Parte da energia recebida é transferida à atmosfera na 
forma de calor por: 
¨  Condução: na camada superficial de ar (1mm de espessura) 
que se adere à superfície da Terra; 
¨  Convecção: intercâmbio vertical de massas de ar que pode ser: 
n  Livre ou natural: quando a densidade da massa de ar é diferente do seu 
circunvizinho e é movida pela força de empuxo 
n  Forçada: como pela passagem de ar sobre o solo rugoso. 
¨  Normalmente este movimento (convecção) é manifestado como 
movimento de discretas massas de ar, ou redemoinhos de 
tamanhos variados. 
Influência das Radiações Solar e Terrestre 
Variação da Velocidade Vertical do Vento 
n  A velocidade de um fluído que escoa próximo a uma 
superfície é nula, em função do atrito entre o ar e a 
superfície do solo. 
n  No perfil vertical do fluído (vento) a velocidade passa de 
um valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento v. 
n  A região junto à superfície em que ocorre essa rápida 
mudança no valor da velocidade é conhecida como 
Camada Limite. 
n  No interior da camada limite, normalmente, o ar escoa 
com uma certa turbulência, tendo em vista, a influência 
dos parâmetros: 
¨  Densidade e viscosidade do fluído; 
¨  Acabamento da superfície (rugosidade); 
¨  Forma da superfície (obstáculos). 
Variação da Velocidade Vertical do Vento 
n  Os ventos turbulentos são causados pela dissipação de 
energia cinética em energia térmica por meio da criação e 
destruição de pequenas rajadas progressivas. 
n  Os ventos são caracterizados também por propriedades 
estatísticas, tais como: 
¨  Intensidade; 
¨  Função de densidade de probabilidade; 
¨  Autocorrelação; 
¨  Escala integral de tempo; 
¨  Função de densidade expectral de tempo. 
- Temperatura 
e 
- Pressão 
Densidade 
Do ar 
Potência 
do vento 
Altura em 
relação ao solo 
Variação da Velocidade Vertical do Vento 
n  Lei da Potência 
¨  Representa o modelo mais simples e é resultado de estudos da 
camada limite sobre uma placa plana. 
V (z) =V0
z
zr
!
"
#
$
%
&
z0
Onde, 
¨  V(z) = velocidade do vento na altura z 
¨  V0 = velocidade do vento na altura de referência zr 
¨  z = altura desejada 
¨  zr = altura de referência 
¨  z0 = Fator de rugosidade do terreno 
Variação da Velocidade Vertical do Vento 
n  O expoente z0 representa a influência da natureza do terreno no perfil 
da velocidade do vento. 
Fator z0 Descrição do Terreno 
0,10 Superfície lisa, lago ou oceano 
0,14 Grama baixa 
0,16 Vegetação rasteira (até 0,30m) 
0,20 Arbustos, árvores ocasionais 
0,22 – 0,24 Árvores, construções ocasionais 
0,28 – 0,40 Áreas residenciais 
Tabela 2.2 – Fator z0 para diferentes tipos de superfícies. Fonte: Fadigas, 2011 
Variação da Velocidade Vertical do Vento 
n  Cuidadosdevem ser tomados com a lei da potência quando 
existirem: 
¨  Locais com orografia (terrenos com depressões e elevação) 
¨  Valores de H maiores que 50m 
 
n  Lei Logarítma 
¨  Usada para conhecimento do perfil vertical do vento, é mais complexo e 
realístico, pois considera que o escoamento na atmosfera é altamente 
turbulento 
V (z) = V0KC
ln zz0
!
"
#
$
%
&
Onde, 
¨  V(z) = velocidade do vento na altura z 
¨  V0 = velocidade de atrito relacionada com a tensão de cisalhamento na superfície τ 
e a massa específica do ar ρ pela expressão: τ = ρ . (V0)2 
¨  z0 = comprimento da rugosidade 
¨  KC = Constante de Von Kárman (KC = 0,4) 
Variação da Velocidade Vertical do Vento 
n  No caso de velocidades moderadas, o perfil vertical do vento se 
desvia do perfil logarítmico quando z é superior a algumas dezenas 
de metros devido às forças de empuxo da turbulência. 
n  Assim, deve-se acrescentar à rugosidade os parâmetros necessários 
para descrever o fluxo de calor na superfície. Para perfis verticais 
genéricos, utiliza-se a expressão: 
V (z) = V0KC
ln zz0
−
"
#
$
%
&
'−ψ
z
L
"
#
$
%
&
'
(
)
*
+
,
-
Onde, 
¨  V(z) = velocidade do vento na altura z 
¨  V0 = velocidade de atrito relacionada com a tensão de cisalhamento na superfície τ 
e a massa específica do ar ρ pela expressão: τ = ρ . (V0)2 
¨  z0 = comprimento da rugosidade 
¨  KC = Constante de Von Kárman (KC = 0,4) 
¨  Ψ = função densidade da estabilidade, positiva para condições instáveis e negativa 
para condições estáveis 
¨  L = parâmetro de mistura 
Variação da Velocidade Vertical do Vento 
n  L é definido por: 
L = T0KCg
Cpv03
H0Onde, 
¨  T0 = temperatura absoluta 
¨  H0 = fluxo de calor na superfície 
¨  Cp = calor específico do ar à pressão constante 
¨  g = aceleração da gravidade 
n  Quando se deseja usar a lei logarítmica para estimar a velocidade do 
vento de uma altura de referência Zr para um outro nível de altura (Z), 
a seguinte equação é utilizada 
V z( )
V zr( )
=
ln zz0
!
"
#
$
%
&
ln zrz0
!
"
#
$
%
&
Descrição do Terreno Z0(mm) 
Liso, gelo, lama 0,01 
Mar aberto e calmo 0,20 
Mar agitado 0,50 
Neve 3,00 
Gramado 8,00 
Pasto acidentado 10,00 
Campo em declive 30,00 
Cultivado 50,00 
Poucas árvores 100,00 
Muitas árvores, poucos edfícios cercas 250,00 
Florestas 500,00 
Subúrbios 1.500,00 
Zonas urbanas com edifícios altos 3.000,00 
Tabela 2.3 – Valores de comprimento de rugosidade para diferentes terrenos. Fonte: Fadigas, 2011 
Variação da Velocidade Vertical do Vento 
Influência do Terreno no Vento 
n  Os terrenos são comumente classificados como lisos ou planos e 
acidentados. 
¨  Planos: pequenas irregularidades que não interferem significativamente no 
fluxo de vento da área (gramados, áreas cultivadas, árvores e poucas 
edificações). 
¨  Acidentados: presença de elevações e depressões (colinas, vales, 
montanhas, etc). 
n  A alteração no fluxo de vento em função das características do terreno 
podem influenciar significativamente na geração de energia de uma 
turbina. 
Influência do Terreno no Vento 
n  As principais características dos terrenos para estudo do 
vento são: 
¨  Rugosidade 
Influência do Terreno no Vento 
n  As principais características dos terrenos para estudo do 
vento são: 
¨  Obstáculos naturais e superfíciais 
Efeitos do Vento em Edificação 
(Vista de Perfil) 
Efeitos do Vento em Obstáculos 
(Vista Superior) 
Produção de Energia em Ambiente Urbano 
Influência do Terreno no Vento 
n  As principais características dos terrenos para estudo do 
vento são: 
¨  Orografia 
Influência do Relevo no vento 
Bibliografia 
CUSTÓDIO, Ronaldo S. C. Energia Eólica para produção de energia 
elétrica, Ed. Eletrobrás, Rio de Janeiro, 2009. 
FADIGA, Eliane A. F. A. Energia Eólica. Barueri, SP, Ed. Manole, São 
Paulo, 2011. 
PINTO, Milton. Fundamentos de Energia Eólica. LTC, São Paulo, 
2013.