energia eólica parte 2 o vento

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)


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.


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


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.


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


n  Lei da Potência ¨  Representa o modelo mais simples e é resultado de estudos da

camada limite sobre uma placa plana.

V (z) =V0zzr

!

"#

$

%&

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


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


n  Cuidados devem 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)


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

zL"

#$

%

&'

(

)*

+

,-

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


n  L é definido por: L = T0

KCgCpv0

3

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


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.

energia eólica parte 2 o vento

Documents