GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 

Análise do Vento

Todos nós possuímos conhecimentos sobre o vento. A praia, o mar, as pipas, as montanhas e os temporais nos forçaram a conviver com este poderoso elemento da natureza. Ele pode ser suave ou destruidor conforme mostram as fotos acima.

Conforme visto no Capítulo Turbinas Eólicas, a potência eólica é proporcional ao cubo da velocidade do vento. Portanto, para estimarmos a energia possível de ser extraída, é necessário fazer um estudo estatístico da velocidade do vento de forma semelhante à análise feita para a energia hidrelétrica.

Muito antes da geração de energia elétrica, o vento foi o principal motor dos navios e, por isso, muito conhecimento foi desenvolvido pelos marinheiros de antigamente. No século XIX, Sir Francis Beaufort, desenvolveu uma escala, baseada em efeitos visuais, utilizada até hoje para definir a força do vento. O sucesso desta escala baseou-se na falta de instrumentos de medição de velocidade do vento naquela época. Na verdade, a medição do vento não é trivial mesmo atualmente com estações meteorológicas eletrônicas.

Escala Beaufort
Grau Designação nós km/h m/s Aspecto do mar Efeitos em terra
0 Calmaria <1 <2 <1 Espelhado Fumaça sobe na vertical
1 Bafagem 1 a 3 2 a 6 1 a 2 Pequenas rugas na superfície do mar Fumaça indica direção do vento
2 Aragem 4 a 6 7 a 11 2 a 3 Ligeira ondulação sem rebentação As folhas das árvores movem; os moinhos começam a trabalhar
3 Fraco 7 a 10 13 a 19 4 a 5 Ondulação até 60 cm, com alguns carneiros As folhas agitam-se e as bandeiras desfraldam ao vento
4 Moderado 11 a 16 20 a 30 6 a 8 Ondulação até 1.5 m, carneiros freqüentes Poeira e pequenos papéis levantados; movem-se os galhos das árvores
5 Fresco 17 a 21 31 a 39 9 a 11 Ondulação até 2.5 m, muitos carneiros Movimentação de árvores pequenas; superfície dos lagos ondula
6 Muito Fresco 22 a 27 41 a 50 11 a 14 Ondas grandes até 3.5 m; borrifos Movem-se os ramos das árvores; dificuldade em manter um guarda chuva aberto
7 Forte 28 a 33 52 a 61 14 a 17 Mar revolto até 4.5 m com espuma e borrifos Movem-se as árvores grandes; dificuldade em andar contra o vento
8 Muito Forte 34 a 40 63 a 74 17 a 21 Mar revolto até 7.5 m com rebentação e faixas de espuma Quebram-se galhos de árvores; circulação de pessoas difícil
9 Duro 41 a 47 76 a 87 21 a 24 Mar revolto até 9 m; borrifos afetam visibilidade Danos em árvores; impossível andar contra o vento
10 Muito Duro 48 a 55 89 a 102 25 a 28 Mar revolto até 12 m; superfície do mar branca Árvores arrancadas; danos na estrutura de construções
11 Tempestade 56 a 63 104 a 117 29 a 32 Mar revolto até 14 m; pequenos navios sobem nas vagas Estragos abundantes em telhados e árvores
12 Furacão >64 >119 >33 Mar todo de espuma; visibilidade nula Grandes estragos

A Tabela abaixo é um exemplo de dados meteorológicos disponibilizados pelo Instituto Nacional de Meteorologia e os dados utilizados neste capítulo foram obtidos neste site.

Data Hora Temperatura Umidade Pressão Vento Nebulosidade Dados diários
  UTC (°C) (%) (hPa) Vel.
(m/s)		 Dir.
(º)		 (Décimos) Temperatura
Máx. (°C)		 Temperatura
Mín. (°C)		 Chuva
(mm)
20/09/2008 12 29.0 63 1,014.8 8.2 14 3   23.8 0.0
20/09/2008 18 29.6 74 1,011.3 5.1 5 4      
21/09/2008 12 28.8 56 1,014.7 3.1 18 4   22.8 0.0
21/09/2008 18 29.8 74 1,010.3 5.1 36 6      
22/09/2008 12 29.0 61 1,014.3 5.1 9 5   22.6 0.0
22/09/2008 18 30.0 73 1,009.4 5.1 5 4      
23/09/2008 12 29.2 67 1,013.4 3.6 14 6   23.4 0.0
23/09/2008 18 30.0 72 1,009.3 5.1 5 4      
24/09/2008 12 29.0 74 1,013.1 3.6 9 6   23.2 0.0
24/09/2008 18 29.2 71 1,009.8 5.1 5 4      
25/09/2008 12 29.0 74 1,014.5 5.1 9 4   23.0 0.0
25/09/2008 18 29.8 80 1,010.1 5.7 5 6      
26/09/2008 12 29.4 59 1,014.5 3.6 36 6   23.8 0.0
26/09/2008 18 32.8 55 1,009.0 3.1 9 4      
27/09/2008 12 28.8 73 1,014.6 0.0 9 5   23.0 0.0
27/09/2008 18 32.6 57 1,009.0 5.1 5 5      
28/09/2008 12 29.2 72 1,013.2 3.1 5 8   22.6 0.0
28/09/2008 18 28.8 85 1,010.3 5.1 9 6      
29/09/2008 12 29.8 78 1,013.2 4.1 14 4   22.6 0.0
29/09/2008 18 29.0 88 1,009.7 5.7 5 5      

 

Esta Figura apresenta os 1921 dados horários disponíveis. Observa-se uma enorme volatilidade nas velocidades do vento. A próxima Figura apresenta medições horárias da velocidade do vento durante apenas alguns dias. Observa-se a grande variação na velocidade e um comportamento cíclico diário. O comportamento cíclico anual também existe mas não é observável nesse gráfico porque os dados disponíveis são de apenas alguns meses. Contudo, nesta Figura que apresenta apenas as velocidades médias diárias, observa-se uma variação de meses que corresponde ao ciclo anual das estações.

Do ponto de vista energético, a principal característica do vento é a variação da sua velocidade. O vento é provocado principalmente pela energia recebida do sol e pela rotação da terra. Isto significa que ele varia no tempo e de região para região da terra. Esta correlação entre a radiação solar e o vento pode ser comprovada nesta figura. Como estes dados são de uma região costeira, este comportamento resulta da diferença do comportamento térmico da terra e da água.

Normalmente associamos ventos fortes a chuvas, mas do ponto de vista energético, isso não é verdadeiro conforme mostra a seguinte figura. No caso desta localidade e no período observado, as maiores velocidades de vento foram encontradas em dias sem chuva.

Outra questão importante são as rajadas de vento. A velocidade do vento não é constante ao longo tempo e na maioria dos casos apresenta o fenômeno de rajadas, que são aumentos rápidos da intensidade mas com pouca duração. A rajada não é importante do ponto de vista energético mas é determinante no projeto estrutural das turbinas eólicas. A Figura em anexo apresenta os dados de rajadas.

Num segundo nível de importância, temos a influência do relevo e da vegetação. Isto significa que para escolhermos locais para aproveitamentos eólicos é necessário instalar medições locais e obter a maior quantidade de dados possíveis.

De qualquer maneira, podemos tratar a velocidade do vento, e sua direção, como séries temporais com componentes horárias, anuais e aleatórias. Isto significa que a metodologia utilizada a análise das vazões hídricas também pode ser utilizada para energia eólica.

Para isso, inicia-se com a análise das tendências de longo prazo. Como a base de dados utilizada é menor do que um ano, iniciamos com a análise das médias diárias.

Esta Figura apresenta os valores extremos horários do banco de dados de 80 dias de medições horárias em m/s e normalizados tendo como base a velocidade média. O comportamento cíclico diário é bastante claro.

A Figura em anexo apresenta a evolução dessa média ao longo do período dos dados. Observa-se que a média varia ao longo dos meses sugerindo um comportamento cíclico anual que acompanhe as estações do ano. Infelizmente, para comprovar esta hipótese necessitaríamos de mais dados.

Caso tivéssemos dados plurianuais, o primeiro passo seria retirar as variações de longo prazo mensais. Contudo, como isto não ocorre neste caso, a primeira análise consiste em retirar o comportamento de longo prazo diário da série temporal da seguinte maneira:

eq eolica norm

Onde:

Vi é a velocidade do vento na hora i do dia d(m/s);

E(Vd) é o valor esperado da velocidade do vento no dia d(m/s);

vi é a velocidade do vento normalizada na hora i do dia d sem a componente de longo prazo.

O resultado desta transformação pode ser visto nesta Figura. Observa-se que a componente horária diária permanece e existem 2 grupos com picos de velocidade em horários distintos - 12 horas (cores mais claras) e 17 horas (cores mais escuras).

O próximo passo é retirar o efeito da variação horária. Para isso, uma nova tabela é construída retirando-se dos dados normalizados anteriormente a média horária conforme mostra esta Figura. Observa-se que esses valores são mais aleatórios e, por esse motivo, podem ser representados por funções estatísticas.

A figura em anexo apresenta a curva de persistência da velocidade do vento baseada em 80 dias de medições horárias.

Contudo, a característica cúbica da energia eólica nos traz algumas peculiaridades na análise estatística da velocidade do vento. Conforme mostrado no anexo, a média do cubo das velocidades é diferente do cubo da velocidade média e esta diferença é maior quando maior for a variação da velocidade do vento. Isto significa que, para estudos energéticos, devemos considerar as distribuições estatísticas do cubo da velocidade e não da velocidade do vento.

Para isso, os dados horários horários são elevados ao cubo, conforme mostra a seguinte figura.

A metodologia de normalização feita com a velocidade do vento também pode ser feita com o cubo da velocidade com os seguintes resultados.

A distribuição estatística que melhor representa a velocidade do vento é a distribuição de Weibull, conforme a figura em anexo.