UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DIEGO DE SOUSA AGUIAR
ANÁLISE DO PANORAMA EÓLICO NACIONAL E DA INSTRUMENTAÇÃO
APLICADA À CERTIFICAÇÃO DE PARQUES EÓLICOS MEDIANTE ESTUDO DE
CASO
FORTALEZA
2013
DIEGO DE SOUSA AGUIAR
ANÁLISE DO PANORAMA EÓLICO NACIONAL E DA INSTRUMENTAÇÃO
APLICADA À CERTIFICAÇÃO DE PARQUES EÓLICOS MEDIANTE ESTUDO DE
CASO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
como requisito parcial a obtenção do grau de
Engenheiro
Eletricista,
pela Universidade
Federal do Ceará.
Orientador: Prof. MSc. Alexandre Rocha
Filgueiras
FORTALEZA
2013
AGRADECIMENTOS
A Deus, primeiramente, por permitir a realização deste grande sonho. Por ter me
dado saúde e condições de batalhar pelo meu sucesso, assim como todas as graças que tem
me dado, até meus dias presentes.
Aos meus pais, Carlos e Luciene, e aos meus irmãos Davidson e Dennis, assim
como toda a minha família, por todo amor e carinho, por toda base e apoio que me deram
e que me fizeram a pessoa que sou hoje, nunca medindo esforços para que eu chegasse até
esta etapa de minha vida. Agradeço à minha namorada Isabela Guedes por toda a paciência
e aguentado todos os meus estresses principalmente no período de elaboração deste
trabalho.
A todos os professores da UFC do Departamento de Engenharia Elétrica, em
especial ao professor e orientador Alexandre Rocha Filgueiras que me proporcionou a
oportunidade de trabalhar na área de pesquisas em energia eólica, ampliando os meus
conhecimentos que me levaram a execução desta monografia.
Aos meus grandes amigos Aloísio Fernandes Dias, Antônio Dias, Jorge Wattes,
Thais Rodrigues, Marcus Anderson, Elcid Oliveira, Matheus Fernandes e todos os colegas
que me ajudaram ao longo do curso e com quem dividi a angústia das provas e a alegria
das comemorações.
A todos aqueles que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste
trabalho meus sinceros agradecimentos.
RESUMO
Na antiguidade, o vento era utilizado para mover barcos a vela e substituir a força motriz
animal em moinhos de vento. Depois da descoberta da eletricidade e com a utilização das
máquinas movidas a combustíveis fósseis, o setor eólico ficou um pouco relegado, mas com a
primeira “Crise do Petróleo”, as pesquisas no setor eólico foram alavancadas e com isso, a
utilização da energia eólica se mostra cada vez mais viável para a produção de energia
elétrica, com uma capacidade atual de gerar 500 TWh por ano, o que seria aproximadamente
3% do consumo mundial.
No âmbito nacional, o Brasil aponta um crescimento significativo no que diz respeito ao
desenvolvimento do setor eólico. Com o lançamento em 2001 do Atlas do Potencial Eólico
Brasileiro, houve um impulso no desenvolvimento da energia eólica no país. Através do atlas
foi possível obter informações que proporcionam uma melhor identificação das áreas
adequadas para o aproveitamento eólico. Para o desenvolvimento da tecnologia na área de
energia eólica, é fundamental ter uma política que adote o incentivo desse tipo de geração,
bem como leis que regulamentam e direcionam esse desenvolvimento. Tal normatização é
abordada neste trabalho.
Outro tópico abordado neste trabalho é a utilização de mapas eólicos ou modelos atmosféricos
para a determinação do potencial eólico, a qual apresenta como desvantagem a elevada
possibilidade de obtenção de resultados de baixo nível de confiabilidade. Logo, este trabalho
sugere uma análise mediante a determinação dos parâmetros de Weibull após a tomada de
dados por sensoriamento local. Tal método é exposto num estudo de caso.
Palavras-chave:
Sensoriamento
Eólico,
Regulamentação do Setor Eólico Brasileiro.
Weibull,
Panorama
Eólico
Nacional,
ABSTRACT
Whilom, the wind was used to move sail boats and replaced the driving force animal
windmills. After the discovery of electricity and the use of machines powered by fossil fuels,
the wind industry was somewhat relegated, but with the first "oil crisis", the research in the
wind sector were leveraged and therefore, the use of wind energy shown increasingly viable
to produce electricity, with a current capacity of generating 500 TWh per year, which would
be about 3% of the world’s consumption.
Nationally, Brazil shows a significant increase with respect to the development of the wind
sector. With the 2001 launch of the Atlas of Brazilian Wind Potential, there was a push to
develop wind energy in the country. Through the atlas information was available that provide
better identification of suitable areas for harnessing wind energy. For the development of
technology in the area of wind energy, it is crucial to adopt a policy encouraging this type of
generation, as well as laws that regulate and direct this development. Such standardization is
discussed in this paper.
Another topic addressed in this work is the use of maps wind or atmospheric models for
determining the wind potential, which has the disadvantage of high possibility of obtaining
results of low reliability. Thus, this work suggests an analysis by determining the parameters
of Weibull after sensing data taking place. This method is exposed in a case study.
Keywords: Wind Sensing, Weibull, Panorama National Wind, Regulation of the Brazilian
Wind
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Moinho de Vento ................................................................................................ 10
Figura 2 – Desenvolvimento e previsão da capacidade total instalada nos anos de 1997 a
2020. .................................................................................................................................... 11
Figura 3 – Marcos Regulatórios: Evolução Histórica. ........................................................... 20
Figura 4 – Torre de medição anemométrica. ......................................................................... 24
Figura 5 – Anemômetro de concha. ...................................................................................... 25
Figura 6 – Anemômetro Ultrassônico. .................................................................................. 25
Figura 7 – Windvane ou Biruta. ............................................................................................ 26
Figura 8 – Datalogger. ......................................................................................................... 26
Figura 9 – Distribuição dos equipamentos na torre de medição anemométrica. ..................... 28
Figura 10 – Fluxo de ar através de uma área transversal A. .................................................. 31
Figura 11 – Exemplo de histograma das frequências de distribuição da velocidade do vento. 33
Figura 12 – Curvas relativas à função de Weibull. ................................................................ 39
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Capacidade Eólica Instalada no Mundo ............................................................... 11
Tabela 2 – Capacidade Eólica Instalada na América do Norte, em MW ................................ 12
Tabela 3 – Distribuição da capacidade Instalada nos principais países produtores de energia
eólica da Europa, em MW .................................................................................................... 13
Tabela 4 – Distribuição da capacidade Instalada nos principais países produtores de energia
eólica da Ásia e Austrália, em MW ...................................................................................... 14
Tabela 5 – Distribuição da capacidade Instalada nos principais países produtores de energia
eólica da África, em MW ..................................................................................................... 14
Tabela 6 – Distribuição da capacidade Instalada nos principais países produtores de energia
eólica da América Latina, em MW ....................................................................................... 15
Tabela 7 – Projeção da evolução da capacidade instalada por fonte de geração, em MW ...... 16
Tabela 8 – Potencial Eólico Instalado por estados ................................................................ 17
Tabela 9 – Parques Eólicos brasileiros em operação ............................................................. 17
Tabela 9 – Parques Eólicos brasileiros em operação (Continuação) ...................................... 18
Tabela 9 – Parques Eólicos brasileiros em operação (Continuação) ...................................... 19
Tabela 10 – Exemplo de dados de vento da série histórica em um intervalo de 1 hora .......... 36
Fonte: Elaborada pelo Autor. ............................................................................................... 36
Tabela 11 – Dados de vento da série histórica em relação aos dados medidos pelo
anemômetro v.01. ................................................................................................................ 36
Tabela 12 – Dados de vento da série histórica em relação aos dados medidos pelo
anemômetro v.02. ................................................................................................................ 36
Tabela 13 – Dados de vento da série histórica em relação aos dados medidos pelo
anemômetro v.03. ................................................................................................................ 37
Tabela 14 – Dados para determinar a função de Weibull relativos ao anemômetro v.01. ....... 37
Tabela 15 – Dados para determinar a função de Weibull relativos ao anemômetro v.02. ....... 37
Tabela 15 – (Continuação) Dados para determinar a função de Weibull relativos ao
anemômetro v.02. ................................................................................................................ 38
Tabela 16 –Dados para determinar a função de Weibull relativos ao anemômetro v.03. ........ 38
Tabela 17 –Parâmetros da Função de Weibull....................................................................... 38
Tabela 18 – Densidade de Potência Média. .......................................................................... 40
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
EPE
Empresa de Pesquisa Energética
MME
Ministério de Minas e Energia
ONS
Operador Nacional do Sistema Elétrico
PROINFA
Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia
WWEA
World Wind Energy Association
LISTA DE SÍMBOLOS
E
energia cinética
J
joule
m
massa do ar
kg
quilograma
v
velocidade do vento
m/s
metros por segundo
P
potência disponível no vento
W
watt
̇
fluxo de energia
t
tempo
s
segundo
̇
fluxo de massa de ar
massa específica do ar
A
área da seção transversal
densidade de potência
densidade de potência média
a
fator de escala
k
fator de forma
º
graus
( ) função de Weibull
( ) função de distribuição acumulada
s(X)
( )
desvio padrão
função gama
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 9
1.1 Histórico do Uso da Energia Eólica ............................................................................... 9
1.2 Panorama Atual Mundial ............................................................................................ 10
1.3 Panorama Norte Americano ........................................................................................ 12
1.4 Panorama Europeu ...................................................................................................... 12
1.4 Panorama Asiático e Australiano ................................................................................ 13
1.5 Panorama Africano ...................................................................................................... 14
1.6 Panorama Latino Americano ...................................................................................... 14
1.7 Conclusões .................................................................................................................... 15
2 PANORAMA ATUAL BRASILEIRO ........................................................................... 16
2.1 Considerações Iniciais .................................................................................................. 16
2.2 Regulamentação ........................................................................................................... 19
2.3 Conclusões .................................................................................................................... 22
3 ESTAÇÃO DE MEDIÇÃO............................................................................................. 23
3.1 Considerações Iniciais .................................................................................................. 23
3.2 Regulamentação ........................................................................................................... 27
3.3 Conclusões .................................................................................................................... 30
4 ANÁLISE DE DADOS DE VENTO ............................................................................... 31
4.1 Considerações Iniciais .................................................................................................. 31
4.2 Estimativa do Potencial Eólico de um Local ............................................................... 35
4.3 Conclusões .................................................................................................................... 40
5 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 42
5.1 Considerações Finais .................................................................................................... 42
5.2 Trabalhos Futuros ........................................................................................................ 44
REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 45
9
1 INTRODUÇÃO
1.1 Histórico do Uso da Energia Eólica
O vento vem sendo utilizado pela humanidade há milênios atrás. Há 5000 anos,
com a invenção do barco a vela, a utilização da força do vento tornou possível o deslocamento
de pessoas e mercadorias por distâncias cada vez maiores. Barcos egípcios, em torno de 2.500
A.C., já estabeleciam um comércio entre a foz do Nilo e a Terra de Canaã, enquanto os
Sumérios navegavam entre os Rios Tigre e Eufrates, saindo do Golfo Pérsico e, assim,
estabeleciam um comércio com a Índia.
Com o desenvolvimento das práticas agrícolas pala humanidade, necessitava cada
vez mais de ferramentas que o auxiliassem nas diversas etapas do trabalho. Tanto a moagem
dos grãos quanto o bombeamento de água eram tarefas que cada vez mais exigiam esforço
braçal e animal. Para facilitar tais tarefas, foram desenvolvidos os primeiros cata-ventos,
também chamados de moinhos de vento, substituindo a força motriz humana ou animal nas
atividades agrícolas.
Os primeiro registros da utilização da energia eólica para bombeamento de água e
moagem de grãos através de cata-ventos é proveniente da Pérsia, por volta de 200 A.C. Ainda
antes dos persas, acredita-se na China (por volta de 2.000 A.C.) e no Império Babilônico (por
volta 1.700 A.C.) já utilizavam espécies de cata-ventos para irrigação.
A introdução dos cata-ventos na Europa deu-se, principalmente, no retorno das
Cruzadas há 900 anos. Os cata-ventos foram largamente utilizados e seu desenvolvimento
bem documentado. Os moinhos de vento de eixo horizontal na foram amplamente utilizados
na Holanda, França e Inglaterra e foram rapidamente disseminados em vários países da
Europa. Os moinhos de vento, como ilustrado pela figura 1, impulsionaram a economia
agrícola europeia durante vários séculos.
Já o uso da energia eólica para produção de energia elétrica teve grande impulso
nos anos noventa, apesar de já existirem pesquisas desde o início do século XX. A grande
atratividade dos combustíveis fósseis, abundante no final do século XIX, fez com que as
turbinas eólicas construídas fossem quase exclusivamente para pesquisa.
O desenvolvimento do setor eólico foi primeiramente alavancado pela “Crise do
Petróleo” em 1973 onde o preço dos combustíveis fósseis alcançaram preços extremamente
altos. Vários países, principalmente os europeus, se viram obrigados a investirem em outras
fontes de energia.
10
Figura 1 – Moinho de Vento
Fonte: http://en.wikipedia.org/
Como resultado, houve um expressivo desenvolvimento tecnológico de métodos e
equipamentos. Um número significativo de fabricantes de turbinas eólicas surgiu no mercado
e, rapidamente, melhorou o desempenho e diminuíram os custos das turbinas eólicas tornando
a energia eólica competitiva do ponto de vista econômico.
O Brasil não acompanhou essa tendência do uso dos ventos como fonte de
energia. As pesquisas começaram tarde no Brasil devido ao grande potencial existente nos
rios do Brasil, diferentemente dos países europeus.
Devido às novas políticas energéticas no Brasil, com o intuito de utilizar várias
fontes de energia para que o país não dependa das chuvas para ter energia elétrica. O
crescimento econômico estável do país demanda a necessidade de impulsionar o
abastecimento energético no Brasil. Com um grande potencial de energia para a produção de
energia elétrica, a eólica vem se mostrando como a principal aposta nos rumos para a
diversificação da matriz energética do Brasil. Além disso, a energia eólica é uma fonte de
energia renovável e também limpa e cada vez mais vem apresentando grande aceitação social.
1.2 Panorama Atual Mundial
No ano de 2011, a capacidade eólica instalada no mundo alcançou 237.016 MW,
contribuição de 96 países que utilizam a energia eólica para a produção de energia elétrica. A
capacidade adicionada foi de 40.053 MW, equivalendo a uma taxa de crescimento médio
mundial de 20,3%. Segundo a WWEA, todas as turbinas eólicas instaladas são capazes de
11
prover 500 TWh por ano, o que seria aproximadamente 3% do consumo mundial de energia
elétrica. Ainda segunda a WWEA, a previsão da capacidade instalada de 500 GW para 2015 e
mais de 1 TW para 2020 como mostra a figura 2.
Figura 2 – Desenvolvimento e previsão da capacidade total instalada nos anos de 1997 a 2020.
Fonte: World Wind Energy Report 2011 – WWEA, 2012.
Na tabela 1 são mostrados os valores capacidade instalada nos continentes. Notase que a tendência é o continente asiático tomar o lugar do continente europeu como o
continente com a maior capacidade eólica instalada.
Segundo a WWEA, em 2011, o setor eólico movimentou 65 bilhões de dólares em
novos empreendimentos.
Tabela 1 – Capacidade Eólica Instalada no Mundo
Continente
Europa
Ásia
América do Norte
Resto do Mundo
Total
Capacidade
Instalada em 2011
94.240 GW 39,8%
83.694 GW 35,3%
52.185 GW 22,0%
6.897 GW
2,9%
237.016 GW 100%
Capacidade
Instalada em 2010
84.963 GW 43,1%
62.455 GW 31,7%
44.189 GW 22,4%
5.379 GW
2,8%
196.986 GW 100%
Fonte: World Wind Energy Report 2011 – WWEA, 2012.
Capacidade
Instalada em 2009
75.214 GW 47,1%
41.421 GW 25,9%
38.479 GW 24,0%
4.648 GW
3,0%
159.762 GW 100%
12
1.3 Panorama Norte Americano
Na América do Norte, a maior parte das turbinas eólicas instaladas está nos
Estados Unidos. O crescimento foi 6.810 MW, resultando numa taxa de crescimento de 16,8,
abaixo da taxa de crescimento médio mundial de 20,3%. Esse resultado bem abaixo das
expectativas é um reflexo da falta de uma política clara que dê suporte ao setor eólico.
Já no Canadá foi diferente. Em termos de crescimento, o país alcançou uma taxa
de 31,4%, equivalente a 1.267 MW, devido à nova política de energias renováveis implantada
no país.
Tabela 2 – Capacidade Eólica Instalada na América do Norte, em MW
País
EUA
Canadá
Total
Capacidade
Instalada
em 2011
46.919
5.265
52.186
Capacidade
Taxa de
adicionada crescimento
em 2011
[%]
6.810
16,8
1.267
31,4
8.077
18,3
Capacidade
Instalada
em 2010
40.180
4.008
44.188
Capacidade
Instalada
em 2009
35.159
3.319
38.478
Fonte: World Wind Energy Report 2011 – WWEA, 2012.
1.4 Panorama Europeu
O continente europeu terminou o ano de 2011 com 94 GW de capacidade
instalada. Seu crescimento foi de 8,6 GW, equivalendo a uma taxa de crescimento de 11%.
Ainda continua no topo em relação ao quesito de capacidade eólica instalada, mas a tendência
é ser ultrapassado pela Ásia devido ao pequeno crescimento alcançado face ao crescimento
asiático.
A Alemanha apresenta uma capacidade instalada de 29.075 MW, sendo, assim, o
país europeu com maior capacidade instalada e o terceiro maior do mundo, perdendo apenas
para China e Estados Unidos, primeiro e segundo maior do mundo, respectivamente.
Logo atrás da Alemanha está a Espanha, tanto na colocação europeia quanto na
colocação mundial. Em 2011, a Espanha alcançou uma capacidade eólica instalada de 21.673
MW.
Na tabela 3 é mostrado um resumo do crescimento da capacidade eólica instalada
nos principais europeus produtores de energia eólica.
13
Tabela 3 – Distribuição da capacidade Instalada nos principais países produtores de energia
eólica da Europa, em MW
País
Alemanha
Espanha
Itália
França
Reino Unido
Portugal
Dinamarca
Suécia
Holanda
Irlanda
Total
Capacidade
Instalada
em 2011
29.075
21.673
6.737
6.640
6.018
4.083
3.927
2.798
2.328
2.031
85.310
Capacidade
adicionada
em 2011
2.007
1.050
950
980
730
375
180
746
68
603
7.689
Taxa de
crescimento
[%]
6,8
4,8
16,2
17,3
15,6
10,3
5,2
36,4
2,6
42,2
9,89
Capacidade
Instalada
em 2010
27.215
20.676
5.797
5.660
5.204
3.702
3.734
2.052
2.269
1.428
77.737
Capacidade
Instalada
em 2009
25.777
19.149
4.850
4.574
4.092
3.357
3.163
1.448
2.223
1.310
69.943
Fonte: World Wind Energy Report 2011 – WWEA, 2012.
1.4 Panorama Asiático e Australiano
A Ásia teve um aumento de 21,2 GW na capacidade instalada em 2011, o que
representa uma taxa de crescimento 34%. Apesar de ter apresentado uma taxa de crescimento
acima da taxa média mundial (20,3%), foi um crescimento relativamente pequeno quando
comparado aos anos de 2010 (51%) e 2009 (67%). Esse crescimento nos últimos anos foi
alavancado principalmente pela China.
Em 2007, a China possuía 5,9 GW de capacidade instalada e em 2008 já se teve
um aumento considerável, totalizando 12,2 GW. Em 2011, a China alcançou uma potência
instalada de 62,4 GW sendo responsável por 75% da capacidade eólica instalada na Ásia,
seguida pela Índia com 19%, totalizando 83,7 GW instalados no continente, ou seja, 35,3% da
capacidade eólica instalada no mundo.
Já na região das Austrália e Oceania, a taxa de crescimento da capacidade
instalada foi abaixo da taxa de crescimento médio mundial, alcançando 14% que equivale a
uma potência 351 MW.
A tabela 4 ilustra um resumo do crescimento da capacidade éolica instalada nos
principais países produtores da Ásia e na Austrália.
14
Tabela 4 – Distribuição da capacidade Instalada nos principais países produtores de energia
eólica da Ásia e Austrália, em MW
País
China
Índia
Japão
Austrália
Total
Capacidade
Instalada
em 2011
62.364
15.880
2.501
2.005
82.750
Capacidade
Taxa de
adicionada crescimento
em 2011
[%]
17.600
39,4
2.827
21,5
167
8,6
234
6,6
20.828
33,6
Capacidade
Instalada
em 2010
44.733
13.066
2.304
1.880
61.983
Capacidade
Instalada
em 2009
25.810
11.807
2.083
1.877
41.577
Fonte: World Wind Energy Report 2011 – WWEA, 2012.
1.5 Panorama Africano
A potência instalada na África é inexpressiva, mostrando-se ser apenas 0,4% da
capacidade mundial. Os principais países produtores de energia eólica na África, com quase
90% das turbinas instaladas nesses países, são: Egito, com 550 MW de capacidade instalada;
Marrocos, com 286 MW de capacidade instalada; Tunísia, com 54MW de capacidade
instalada. No ano de 2011 houve apenas a adição de 5 MW de capacidade nesses três países.
A tabela 5 mostra um breve resumo do crescimento da capacidade instalada nos
principais países africanos produtores de energia eólica.
Tabela 5 – Distribuição da capacidade Instalada nos principais países produtores de energia
eólica da África, em MW
País
Egito
Marrocos
Tunísia
Total
Capacidade
Instalada
em 2011
550
291
54
895
Capacidade
Taxa de
adicionada crescimento
em 2011
[%]
0
0
5
1,7
0
0
5
0,56
Capacidade
Instalada
em 2010
550
286
54
890
Capacidade
Instalada
em 2009
435
253
29
717
Fonte: World Wind Energy Report 2011 – WWEA, 2012.
1.6 Panorama Latino Americano
Em 2011, a América Latina pela primeira vez alcança o feito de adicionar mais de
1 GW de capacidade instalada em 1 ano. A taxa de crescimento foi de 56,4%, bem acima da
média mundial de 20,3%. Isso se deve à grande expansão promovida pelo Brasil e o México
com a adição de capacidade de 498 MW e 408 MW, respectivamente, sendo, os dois, os
15
países com a maior taxa de crescimento. O México apresentou uma taxa de crescimento de
78,3% e o Brasil uma taxa de 53,7%. Mas ainda, assim, a potência instalada é de 3.220 MW,
o que representa apenas 2,9% da capacidade mundial instalada.
Outro marco realizado pelos países latino americanos em 2011 foi a instalação de
novos parques eólicos em dois países que não possui tal produção de energia: Honduras, com
70MW instalado; Republica Dominicana, com 33,2 MW instalado. Brasil, México, Argentina,
Costa Rica, Jamaica, Chile e, os países já anteriormente citados, Honduras e República
Dominicana instalaram turbinas eólicas em 2011.
A tabela 6 ilustra um resumo do crescimento da capacidade instalada nos
principais países latino americanos produtores de energia eólica.
Tabela 6 – Distribuição da capacidade Instalada nos principais países produtores de energia
eólica da América Latina, em MW.
País
Brasil
México
Chile
Costa Rica
Argentina
Total
Capacidade
Instalada
em 2011
1.429
929
190
148
129
2.825
Capacidade
Taxa de
adicionada crescimento
em 2011
[%]
498
53,7
408
78,3
20
11,8
28
20,5
75
47,2
1.029
56,14
Capacidade
Instalada
em 2010
930
521
170
123
89
1.833
Capacidade
Instalada
em 2009
600
417
168
123
28
1.336
Fonte: World Wind Energy Report 2011 – WWEA, 2012.
1.7 Conclusões
Nesse capítulo foi abordado um breve histórico sobre a utilização do vento antes
da descoberta da eletricidade, destacando-se o uso para mover barcos a vela e substituindo a
força motriz animal em moinhos de vento. Depois da descoberta da eletricidade e com a
utilização das máquinas movidas a combustíveis fósseis, o setor eólico ficou um pouco
relegado, mas com a primeira “Crise do Petróleo”, as pesquisas no setor eólico foram
alavancadas e com isso, a utilização da energia eólica se mostra cada vez mais viável para a
produção de energia elétrica, com uma capacidade atual de gerar 500 TWh por ano, o que
seria aproximadamente 3% do consumo mundial.
16
2 PANORAMA ATUAL BRASILEIRO
2.1 Considerações Iniciais
Em 2001 foi lançado o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, fato que impulsionou
o desenvolvimento da energia eólica no país. Através do atlas foi possível obter informações
que proporcionam uma melhor identificação das áreas adequadas para o aproveitamento
eólico. Nesse ano houve uma grande explosão no interesse de empreendedores com o intuito
de investir na instalação e operação de novos parques eólicos no país. Segundo o atlas, a
região possui um grande potencial eólico, principalmente no litoral dos estados do Ceará e do
Rio Grande do Norte e, assim, foi a região que concentrou a atenção dos investidores.
Ao longo da década de 2000, a energia eólica teve um crescimento considerável e
ao fim de 2010, 0,8% da potencia instalada no Brasil é de fonte de geração eólica, o
equivalente a 831 MW. Segundo o Plano Decenal de Expansão de Energia 2020 elaborado
pelo MME e EPE, projeta-se que a potência instalada de parques eólicos em 2020 será 11,5
GW e vai ser 6,7% da potência instalada no país conforme mostra a tabela 7.
Tabela 7 – Projeção da evolução da capacidade instalada por fonte de geração, em MW.
Fonte
Hidrelétrica
Urânio
Gás Natural
Carvão
Óleo Combustível
Óleo Diesel
Gás de Processo
PCH
Biomassa
Eólica
2010
82.939
2.007
9.180
1.765
2.371
1.497
686
3.806
4.496
831
[%]
75,7
1,8
8,4
1,6
2,2
1,4
0,6
3,5
4,1
0,8
2015
94.053
2.007
11.659
3.205
8.790
1.121
686
4.957
7.353
7.022
[%]
66,8
1,4
8,3
2,3
6,2
0,8
0,5
3,5
5,2
5,0
2020
115.123
3.412
11.659
3.205
8.790
1.121
686
6.447
9.163
11.532
[%]
67,3
2,0
6,8
1,9
5,1
0,7
0,4
3,8
5,4
6,7
Fonte: Plano Decenal de Expansão de Energia 2020 – MME/EPE, 2011.
Atualmente, segundo a ANEEL, o Brasil tem 1,89 GW de potência instalada
proveniente de 86 parques eólicos em operação distribuídos em 12 estados coforme mostra a
tabela 8.
Dos parques eólicos instalados no Brasil, atualmente, o parque eólico Praia
Formosa, localizado em Camocim – Ceará, possui a maior potência instalada: 105 MW. Na
tabela 9 encontram-se os a localização dos parques em operação, bem como a potência
instalada de cada um.
17
Tabela 8 – Potencial Eólico Instalado por estados
Estado
Ceará
Rio Grande do Sul
Rio Grande do Norte
Santa Catarina
Bahia
Paraíba
Sergipe
Rio de Janeiro
Pernambuco
Piauí
Paraná
Minas Gerais
Total
Número de Parques
Instalados
19
13
13
13
3
13
1
1
6
1
2
1
86
Potência Instalada
[kW]
588.834
414.000
375.156
236.400
95.190
69.000
34.500
28.050
26.750
18.000
2.502
156
1.888.538
Fonte: ANEEL – 10/01/2013.
Tabela 9 – Parques Eólicos brasileiros em operação
Parque Eólico
Município
Eólica de Prainha
Aquiraz - CE
São Gonçalo do Amarante CE
Palmas - PR
Beberibe - CE
Fortaleza - CE
Rio do Fogo - RN
Acaraú - CE
Acaraú - CE
Guamaré - RN
Guamaré - RN
Macaparana - PE
Bom Jardim da Serra - SC
Beberibe - CE
Camocim - CE
Aracati - CE
Aracati - CE
Água Doce - SC
Amontada - CE
Paracuru - CE
Tramandaí - RS
Beberibe - CE
São Francisco de Itabapoana RJ
Parnaíba - PI
Eólica de Taíba
Eólio - Elétrica de Palmas
Parque Eólico de Beberibe
Mucuripe
RN 15 - Rio do Fogo
Praia do Morgado
Volta do Rio
Alegria II
Alegria I
Pirauá
Eólica de Bom Jardim
Foz do Rio Choró
Praia Formosa
Eólica Canoa Quebrada
Lagoa do Mato
Parque Eólico do Horizonte
Eólica Icaraizinho
Eólica Paracuru
Parque Eólico Elebrás Cidreira 1
Eólica Praias de Parajuru
Gargaú
Pedra do Sal
Fonte: ANEEL – 10/01/2013
Potência
Instalada
(kW)
10.000
5.000
2.500
25.600
2.400
49.300
28.800
42.000
100.650
51.000
4.950
600
25.200
105.000
10.500
3.230
4.800
54.600
25.200
70.000
28.804
28.050
18.000
18
Tabela 9 – Parques Eólicos brasileiros em operação (Continuação)
Parque Eólico
Município
Parque Eólico Enacel
Macau
Canoa Quebrada
Eólica Água Doce
Parque Eólico de Osório
Parque Eólico Sangradouro
Parque Eólico de Palmares
Aracati - CE
Macau - RN
Aracati - CE
Água Doce - SC
Osório - RS
Osório - RS
Palmares do Sul - RS
São Gonçalo do Amarante CE
Osório - RS
Aracati - CE
Pombos - PE
Gravatá - PE
Gravatá - PE
Gravatá - PE
Mataraca - PB
Bom Jardim da Serra - SC
Água Doce - SC
Bom Jardim da Serra - SC
Água Doce - SC
Bom Jardim da Serra - SC
Água Doce - SC
Bom Jardim da Serra - SC
Água Doce - SC
Água Doce - SC
Água Doce - SC
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Mataraca - PB
Alhandra - PB
Guamaré - RN
Guamaré - RN
Brotas de Macaúbas - BA
Guamaré - RN
Guamaré - RN
Porto Alegre - RS
Taíba Albatroz
Parque Eólico dos Índios
Bons Ventos
Xavante
Mandacaru
Santa Maria
Gravatá Fruitrade
Millennium
Púlpito
Aquibatã
Santo Antônio
Cascata
Rio do Ouro
Salto
Bom Jardim
Campo Belo
Amparo
Cruz Alta
Vitória
Presidente
Camurim
Albatroz
Coelhos I
Coelhos III
Atlântica
Caravela
Coelhos II
Coelhos IV
Mataraca
Alhandra
Aratuá I
Mangue Seco 3
Macaúbas
Mangue Seco 2
Mangue Seco 1
Parque Eólico Osório 2
Fonte: ANEEL – 10/01/2013.
Potência
Instalada
(kW)
31.500
1.800
57.000
9.000
50.000
50.000
8.000
16.500
50.000
50.000
4.950
4.950
4.950
4.950
10.200
30.000
30.000
3.000
6.000
30.000
30.000
30.000
10.500
22.500
30.000
4.500
4.800
4.800
4.800
4.800
4.800
4.800
4.800
4.800
4.800
4.800
6.300
14.400
26.000
35.070
26.000
26.000
24.000
19
Tabela 9 – Parques Eólicos brasileiros em operação (Continuação)
Parque Eólico
Município
Mangue Seco 5
Barra dos Coqueiros
Dunas de Paracuru
Novo Horizonte
Seabra
Sangradouro 3
Parque Eólico Cabeço Preto
Fazenda Rosário 3
Fazenda Rosário
Cerro Chato I (Antiga Coxilha Negra V)
Cerro Chato II (Antiga Coxilha Negra VI)
Cerro Chato III (Antiga Coxilha Negra
VII)
IMT
Quixaba
Quixaba
Miassaba II
Sangradouro 2
Parque Eólico Cabeço Preto IV
Ventos do Brejo A-6
Guamaré - RN
Barra dos Coqueiros - SE
Paracuru - CE
Brotas de Macaúbas - BA
Brotas de Macaúbas - BA
Osório - RS
João Câmara - RN
Palmares do Sul - RS
Palmares do Sul - RS
Santana do Livramento - RS
Santana do Livramento - RS
Potência
Instalada
(kW)
26.000
34.500
42.000
30.060
30.060
24.000
19.800
14.000
8.000
30.000
30.000
Santana do Livramento - RS
30.000
Curitiba - PR
Aracati - CE
Aracati - CE
Guamaré - RN
Osório - RS
João Câmara - RN
Brejinho - RN
Cabo de Santo Agostinho PE
Iturama - MG
Potência Total Instalada
2,20
25.500
25.500
14.400
26.000
19.800
6
Caminho da Praia
Clóvis Ferreira Minare
86
Total de parques
2.000
156
1,89 GW
Fonte: ANEEL – 10/01/2013.
2.2 Regulamentação
Para o desenvolvimento da tecnologia de produção de energia elétrica através da
energia eólica, é fundamental ter uma política que adote o incentivo desse tipo de geração,
bem como leis que regulamentam e direcionam esse desenvolvimento.
Em termos de regulamentação, as leis e decretos regulatórios sofreram uma
evolução ao longo dos anos afetando diretamente e indiretamente o desenvolvimento da
eólica no Brasil. Dessas leis e decretos importantes, listam-se:
• Lei 11.488 (Potência Injetada; PIA) - Jun/2007;
• Decreto 6048 (Leilão exclusivo para FAR) - Fev/2007;
• Lei 10848 (Geração Distribuída como opção para distribuição de energia) Mar/2004;
• Lei 10762 (Alterações no PROINFA e demais incentivos) - Nov/2003;
20
• Lei 10438 (Principais incentivos às FAR - PROINFA) - Abr/2002;
• Lei 9991 (Dispõe sobre realização de investimentos em P&D; Isenção FAR) Jul/2000;
• Lei 9648 (Outros incetivos para PCHs) - Mai/1998;
• Decreto 2335 (Constitui a ANEEL) - Out/1997;
• Lei 9427 (Institui a ANEEL; 1º Incentivo: AHE de PIE de 1-10 MW) Dez/1996;
• Lei 9074 (Concessão de Serviços de Energia Elétrica) - Jul/1995;
• Lei 8987 (Concessão de Serviços Públicos) - Fev/1995;
• Constituição Federal (art. 175) - Out/1988.
A figura 3 mostra a evolução da regulamentação no país.
Figura 3 – Marcos Regulatórios: Evolução Histórica.
Fonte: http://www.cresesb.cepel.br
Das obrigações da empresa responsável pelo parque eólico instalado, segundo as
leis e decretos anteriormente citados, pode-se destacar:
1. Implantar a central geradora eólica conforme cronograma apresentado à
ANEEL;
2. Cumprir e fazer cumprir as normas legais e regulamentares de geração e
comercialização de energia elétrica, respondendo perante a ANEEL, usuários
e terceiros, pelas consequências danosas decorrentes da exploração da central
geradora eólica;
3. Efetuar o pagamento, nas épocas próprias definidas, da Taxa de Fiscalização
dos Serviços de Energia Elétrica, nos termos da legislação específica;
4. Efetuar o pagamento dos encargos de uso dos sistemas de transmissão e
distribuição decorrentes da operação da central geradora eólica, nos termos da
legislação e normas específicas;
21
5. Efetuar solicitação de acesso ao distribuidor local ou ao Operador Nacional do
Sistema Elétrico - ONS, conforme o caso, nos termos do regulamento
específico, e, em especial o art. 9o da Resolução ANEEL no 281, de 1o de
novembro de 1999, republicada em 27 de junho de 2001, em prazo compatível
com o atendimento do cronograma de implantação da central geradora
termelétrica;
6. Celebrar os contratos de conexão e uso dos sistemas de transmissão, nos
termos da legislação e normas específicas;
7. Submeter-se à fiscalização da ANEEL;
8. Informar à ANEEL, um ano após a entrada em operação comercial da central,
o fator de capacidade real da mesma;
9. Organizar e manter permanentemente atualizado o cadastro de bens e
instalações da central geradora eólica, comunicando à ANEEL qualquer
alteração das características de sua unidade geradora;
10. Manter em arquivo, à disposição da fiscalização da ANEEL, Estudo de
Impacto Ambiental (EIA), Relatório de Impacto Ambiental (RIMA) ou estudo
formalmente requerido pelo órgão licenciador ambiental, projetos básico e
executivo, registros operativos e de produção de energia elétrica e os
resultados dos ensaios de comissionamento;
11. Observar e cumprir a legislação ambiental e de recursos hídricos,
providenciando as licenças correspondentes;
12. Submeter-se a toda e qualquer regulamentação de caráter geral ou que venha a
ser estabelecida pela ANEEL, especialmente aquelas relativas à produção
independente de energia elétrica;
13. Operar a central geradora eólica na modalidade integrada, submetendo-se às
instruções de despacho do Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS e
observando os procedimentos de rede aprovados pela ANEEL;
14. Assinar o acordo do Mercado Atacadista de Energia Elétrica - MAE;
15. Prestar todas as informações relativas ao andamento do empreendimento,
facilitar os serviços de fiscalização e comunicar a conclusão das obras, no
prazo de sessenta dias contado da data em que essa efetivamente ocorrer;
16. Aplicar, anualmente, o montante de, no mínimo, um por cento de sua receita
operacional líquida em pesquisa e desenvolvimento do setor elétrico, nos
termos da Lei no 9.991, de 24 de julho de 2000;
22
17. Comunicar à ANEEL, em caso de transferência de controle acionário, para
fins de averbação nos registros de autorizações.
Dos direitos da empresa responsável pelo parque eólico instalado, segundo as leis
e decretos anteriormente citados, pode-se destacar:
1. Acessar livremente, na forma da legislação, o sistema de transmissão e
distribuição, mediante pagamento dos respectivos encargos de uso e de
conexão;
2. Comercializar a energia elétrica produzida, nos termos da legislação e normas
pertinentes;
3. Modificar ou ampliar, desde que previamente autorizado pela ANEEL, a
central geradora eólica e as instalações de interesse restrito;
4. Oferecer, em garantia de financiamentos obtidos para a realização de obras e
serviços, os direitos emergentes desta Autorização, bem assim os bens
constituídos pela central geradora eólica, desde que a eventual execução da
garantia não comprometa a continuidade da produção de energia elétrica pela
central geradora eólica.
2.3 Conclusões
Nesse capítulo foi visto que a energia eólica tem sido uma das principais apostas
nos rumos para a diversificação da matriz energética do Brasil. Cada vez mais o setor eólico
atrai investidores e está alcançando quase 1% da capacidade instalada total no país. Até 2020,
prevê-se que a capacidade instalada chegará a quase 7%.
Todo esse crescimento se deve às políticas atuais que adotam o incentivo a
geração de energia elétrica através de energias alternativas renováveis. As leis e decretos
regulatórios sofreram uma evolução ao longo do tempo, direcionando esse desenvolvimento.
23
3 ESTAÇÃO DE MEDIÇÃO
3.1 Considerações Iniciais
Uma opção para a determinação do potencial eólico é a utilização de medições de
ventos oriundas de estações meteorológicas próximas ao local em estudo, mas, para a
estimativa do potencial eólico, tais medições podem resultar em um alto nível de incerteza à
análise.
A utilização de mapas eólicos ou modelos atmosféricos é uma metodologia
utilizada para a determinação do potencial eólico, todavia os dados podem levar a um
resultado com baixo nível de confiabilidade. A utilização desse método é indicado para se ter
uma visão macroscópica das regiões que apresentam uma maior viabilidade e atratividade
para instalar um empreendimento eólico, economizando, substancialmente, tempo e recursos.
A melhor metodologia para se determinar o potencial eólico é realizar as
medições de vento no local em estudo e, assim, obter um resultado de maior confiabilidade.
Para realizar as medições primeiramente instala-se uma torre anemométrica. Essa torre é uma
estação responsável pela coleta dos dados de vento, como, por exemplo, velocidade do vento
e sua direção. O período de medição realizada pela estação anemométrica deve ser
suficientemente longo para poder determinar o comportamento do vento, cobrindo, assim, as
variações meteorológicas do local. Com pelo menos um ano de medições é possível obter uma
análise suficientemente segura que caracterize o comportamento do vento. Conforme já
citado, a qualidade dos dados de ventos obtidos é imprescindível para determinar o potencial
do local. Os principais motivos que interferem na qualidade dos dados de ventos são:
• má escolha do local de medição;
• prática inadequada na escolha dos anemômetros;
• montagem imprópria dos anemômetros;
• altura de medição inadequada;
• duração das medições não representativa das condições ambientais do local;
• inexperiência dos técnicos responsáveis.
A estação anemométrica consiste basicamente dos sensores que realizam a leitura
dos vários parâmetros que caracterizam o vento e um sistema que armazena esses dados
podendo ou não transmitir esses dados para um banco de dados. Normalmente, a estação é
composta por dois anemômetros situados em duas alturas diferentes, uma biruta ou windvane,
e um datalogger que é o responsável pelo armazenamento dos dados oriundos dos sensores. A
figura 4 apresenta uma torre anemométrica.
24
Figura 4 – Torre de medição anemométrica.
Fonte: http://newsitetorres.com
A Figura 5 mostra um tipo de anemômetro, que é um sensor que mede a
velocidade do vento. Esse anemômetro tem concha do tipo cônica, e é o mais utilizado
mundialmente.
Existe ainda o tipo Sonic Detection And Ranging (SODAR), onde a velocidade do
vento é detectada remotamente, por meio de ultrassom. Esse tipo de anemômetro pode medir
tanto a velocidade do vento quanto a sua direção. A desvantagem desse tipo de anemômetro é
a menor precisão que ele apresenta, devendo ser utilizado com maior cautela, de forma
complementar aos anemômetros de concha. Os dados são armazenados no datalogger que
podem ser coletados no local ou remotamente com o auxílio de um Global System for Mobile
(GSM).
25
Figura 5 – Anemômetro de concha.
Fonte: Ammonit.
Figura 6 – Anemômetro Ultrassônico.
Fonte: Ammonit.
A direção do vento é medida através de uma biruta, ou windvane, como ilustrado
pela figura 7.
26
Figura 7 – Windvane ou Biruta.
Fonte: Ammonit.
Os dados medidos pelos anemômetros e pelo windvane são armazenados em um
datalogger, que está ilustrado na Figura 8.
Figura 8 – Datalogger.
Fonte: Ammonit.
27
3.2 Regulamentação
A EPE, através da nota técnica DEA 04/12, determina instruções para as medições
anemométricas e climatológicas nos parques eólicos. São instruções gerais para o
cumprimento das determinações estabelecidas pela Portaria MME 29, do dia 28 de janeiro de
2011, para os parques eólicos vencedores dos leilões promovidos pelo Ministério de Mina e
Energia (MME). Sobre as instruções das medições contidas na nota técnica DEA 04/12 é
fundamental destacar:
• Cada parque eólico, independentemente da potência instalada ou área ocupada,
deverá instalar, dentro da área do parque, uma estação anemométrica e climatológica;
• A estação de medição deve ser posicionada na parte frontal do parque eólico
tendo como referência a direção predominante dos ventos, em local representativo do parque
e onde a interferência por obstáculos naturais ou turbulência produzida por aerogeradores de
parques adjacentes seja mínima;
• A estação de medição deve receber manutenção preventiva anual, e corretiva
sempre que necessário, para garantir a qualidade das medições;
• A estação de medição deve ter adequada proteção contra descargas
atmosféricas e atender às normas relativas à sinalização luminosa para o tráfego aéreo.
• As medições de velocidade e direção dos ventos devem ser realizadas a cada
segundo e integralizadas em intervalo de dez minutos;
• A cada ano calendário (01 de janeiro a 31 de dezembro), os registros das
medições não poderão ter índice de perda de dados superior a 10% e o período contínuo
máximo de interrupção das medições não poderá ser superior a 15 dias.
Conforme ilustrado na figura 9, a estação de medição deve conter:
• um datalogger para registrar os dados medidos;
• três anemômetros de concha;
• dois medidores de direção dos ventos (windvanes);
• um medidor de umidade do ar;
• um medidor de pressão barométrica;
• um termômetro.
28
Figura 9 – Distribuição dos equipamentos na torre de medição anemométrica.
Fonte: Nota Técnica DEA 04/12 – EPE 2012.
O projeto e montagem da estação de medição e todos os seus equipamentos, bem
como sua manutenção são regulamentadas pelas seguintes normas técnicas e publicações:
• IEA - INTERNATIONAL ENERGY AGENCY: 11. Wind speed measurement
and use of cup anemometry; 1. Edition; Glasgow; 1999;
• MEASNET: Cup Anemometer Calibration Procedure; Version 1; Sep 1997;
29
• IEC – INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISSION: Wind
turbines - Part 12-1: Power performance measurements of electricity producing wind turbines
(IEC61400-12-1:2005);
• MEASNET: Evaluation of site-specific Wind conditions; Version 1, Nov 2009;
• MINISTÉRIO DA DEFESA, Comando da Aeronáutica – Portaria Nº 256/GC5,
de 13 de maio de 2011.
Segundo ainda as instruções da Nota Técnica DEA 04/12 da EPE e contemplando
todas as normas citadas anteriormente, têm-se os seguintes pontos fundamentais para a
especificação dos equipamentos de medição:
• Os anemômetros devem ser do tipo Class 1 ou melhor, de acordo com a
classificação da Norma IEC 61400-12-1 e deverão estar calibrados quando da instalação;
• A calibração inicial dos anemômetros deve ser realizada por instituição
acreditada MEASNET;
• Os medidores de direção dos ventos devem ser de precisão igual ou melhor que
3° (três graus), resolução igual ou menor que 1º (um grau), banda morta (dead band) não
superior a 6° (seis graus) e velocidade de partida (starting threshold) igual ou menor que 1
m/s;
• O higrômetro deve ter precisão igual ou melhor que ±2% entre 5% e 95% RH;
• O termômetro deve ter precisão igual ou melhor que ±0,5ºC entre -15°C e
60°C;
• O barômetro deve ter precisão igual ou melhor que ±5 hPa entre 800 hPa e
1060 hPa;
• Os anemômetros devem ser recalibrados pelo menos a cada vinte e quatro
meses de uso por laboratório acreditado de acordo com a norma ISO/IEC 17025. As
recalibrações devem obedecer aos procedimentos e recomendações da norma IEC 61400-121, anexo F;
• A estação deve continuar operando normalmente durante a recalibração de
equipamentos. Anemômetros retirados devem ser substituídos por anemômetros calibrados;
• O datalogger deve registrar corretamente o North Jump;
• O datalogger deve possuir;
– Intervalo de integração e registro de 10 minutos;
30
– Canais para registro das velocidades máxima e mínima do vento no intervalo
de integração e da média e do desvio padrão das medições realizadas no intervalo de
integração;
– Canais para registro da média e do desvio padrão das medições de direção do
vento realizadas no intervalo de integração;
– Canais para registro dos valores médios no intervalo de integração das
medições de umidade relativa do ar, pressão barométrica e temperatura ambiente;
– Abastecimento de energia elétrica independente e seguro;
– Memória suficiente para garantir o armazenamento de pelo menos 30 dias de
medições, para retirada de dados in situ caso haja problema de transmissão dos dados.
3.3 Conclusões
Das metodologias para determinar o potencial de um local que foram citadas
nesse capítulo, pode-se afirmar que fazendo as medições no local onde se pretende instalar o
parque eólico gera dados mais confiáveis, diminuindo as incertezas provenientes das
metodologias utilizadas. Essas medições são feitas por estação de medição que consiste dos
sensores que medem os parâmetros do vento.
Foi visto ainda que a nota técnica DEA 04/12, elaborada pela EPE, determina
instruções para realizar as medições anemométricas e climatológicas necessárias nos parques
eólicos, bem como relaciona as normas que se deve seguir em relação ao projeto, montagem,
manutenção e especificação dos equipamentos da estação. Um resumo da recomendação dos
equipamentos que devem ser contemplados na estação de medição está na figura 9.
31
4 ANÁLISE DE DADOS DE VENTO
4.1 Considerações Iniciais
A energia eólica nada mais é do que a energia cinética do vento. Como o vento
está sempre variando seja a sua velocidade seja a direção do seu deslocamento, então se faz
necessário à análise do seu comportamento espacial e temporal.
Para começar essa análise, considera-se um fluxo de ar que tem uma velocidade
percorre a seção transversal
um cilindro imaginário como mostra a figura 10.
Figura 10 – Fluxo de ar através de uma área transversal .
Fonte: Wind Energy Explained: Theory, Design and Application –
J.F. Manwell, J.G. McGowan e A.L. Rogers.
Sabendo que a massa do ar é
, a energia cinética dessa massa de ar é dada por:
(
)
(
)
Sendo:
é a energia cinética [J];
é a massa do ar [kg];
é a velocidade do vento [m/s].
A potência
̇
disponível no vento é descrita como:
̇
32
Sendo:
é a potência disponível no vento [W];
é a energia cinética [J];
̇ é o fluxo de energia [J/s];
é o tempo [s];
̇ é o fluxo de massa de ar [kg/s];
é a velocidade do vento [m/s].
O fluxo de massa é definido por:
̇
(
)
(
)
Sendo:
̇ é o fluxo de massa de ar [kg/s];
é a massa específica do ar [kg/m³];
é a velocidade do vento [m/s];
é área da seção transversal [m²].
Substituindo a equação (02) na equação (03) conclui-se que:
Sendo:
é a potência disponível no vento [W];
é a massa específica do ar [kg/m³];
é a velocidade do vento [m/s];
é área da seção transversal [m²].
Com equação (04) é possível fazer a análise da energia eólica de um determinado
local e pode ser escrita por unidade de área definido, assim, a densidade de potência:
(
Sendo:
)
33
é a densidade de potência [W/m²];
é a massa específica do ar [kg/m³];
é a velocidade do vento [m/s].
Analisando a equação (05) podemos definir a importância da precisão dos dados
de velocidade, já que, por exemplo, um erro de 10% nos dados medidos pode ocasionar um
erro de 33% na determinação da potência disponível no local, pois a potência do vento é
proporcional ao cubo de sua velocidade.
Como o vento tem uma característica estocástica e a sua velocidade é uma
variável contínua que sempre está mudando com o tempo, torna o estudo mais complexo. Para
facilitar a análise dos dados é necessário, assim, fazer uma discretização desses dados. Esses
dados são tabulados na forma de frequência de distribuição, onde as informações são
analisadas em intervalos verificando o número de ocorrências para determinar a frequência
que ocorre aquele fenômeno. Assim, é possível determinar um histograma das frequências de
distribuição da velocidade vento através de um histograma como exemplificado na figura 11.
Figura 11 – Exemplo de histograma das frequências de distribuição da velocidade
do vento.
Fonte: Wind Energy Explained: Theory, Design and Application – J.F. Manwell,
J.G. McGowan e A.L. Rogers.
Tendo o histograma é necessário descrevê-lo através de uma função densidade de
probabilidade, sendo utilizada a distribuição de Weibull. A distribuição estatística da função
de Weibull foi desenvolvida para situações onde se deseja analisar grandezas que apresentam
constantes variações, tornando-se uma ótima escolha no caso da energia eólica representando
as variações de velocidade do vento. A equação (06) representa a função densidade de
probabilidade de Weibull:
34
( )
( )
( )
(
)
Sendo:
é a velocidade do vento [m/s];
é o fator de escala [m/s];
é o fator de forma.
A partir da equação (06) é possível obter uma função equivalente: a função de
distribuição acumulada
( )
∫
Como
( )
(
)
(
)
, tem-se:
( )
∫
( )
A solução da integral da equação (08) é a função de distribuição acumulada de
Weibull, dada por:
( )
( )
(
)
Sendo:
é a velocidade do vento [m/s];
é o fator de escala [m/s];
é o fator de forma.
Fazendo algumas manipulações matemáticas, a equação (09) pode ser
transformada numa expressão linear:
( )
( )
( ))
(
(
(
( )))
( )
( )
(
)
(
)
(
)
35
(
( )))
(
( )
( )
(
, sendo:
Nota-se que a equação (13) é uma equação linear da forma
(
(
)
( )))
( )
( )
Assim, a reta pode ser obtida através do método dos mínimos quadrados, pela
expressão:
(∑
)
(∑ )(∑ )
) (∑ )
(
)
)(∑ ) (∑
)(∑ )
(∑ ) (∑ )
(
)
| |
(
)
| |
(
)
(∑
(∑
Logo, para determinar os parâmetros de Weibull, tem-se:
4.2 Estimativa do Potencial Eólico de um Local
Neste item será apresentada uma série histórica de ventos e suas características a
fim de se determinar o potencial eólico de um determinado local para a instalação de um
parque eólico. Na torre anemométrica foram instalados três anemômetros de concha em uma
mesma altura com o objetivo de obterem-se dados mais precisos da velocidade do vento
naquela altura. Levando em conta uma baixa rugosidade do terreno, instalaram-se
anemômetros apenas a uma altura de 80 metros, ou seja, os obstáculos que estão perto onde se
deseja instalar o parque eólico não irão causar interferências muito grandes. A série histórica
em questão consiste de dados de 2 anos de medições, em intervalos de 10 minutos como
exemplificado na tabela 10 a seguir.
36
Tabela 10 – Exemplo de dados de vento da série histórica em um intervalo de 1 hora
Data
01/01/2009
01/01/2009
01/01/2009
01/01/2009
01/01/2009
01/01/2009
01/01/2009
Hora
00:00
00:10
00:20
00:30
00:40
00:50
01:00
Série Histórica
v.01[m/s] v.02[m/s]
4,416
4,333
5,025
4,845
9,851
9,873
6,146
6,044
11,450
11,447
10,991
10,968
5,725
5,507
v.03[m/s]
4,446
5,046
9,462
5,917
11,136
10,903
5,525
dir [º]
223
218
223
223
219
225
225
Fonte: Elaborada pelo Autor.
Sendo assim, as tabelas 11, 12 e 13 ilustram as características gerais dos dados
oriundos dos anemômetros que serão utilizados para a avaliação do potencial eólico.
Tabela 11 – Dados de vento da série histórica em relação aos dados medidos pelo
anemômetro v.01.
Informações
Vmédio [m/s]:
s(X) - Desvio Padrão:
Vmin [m/s]:
Vmax [m/s]:
Total de Dados:
Direção Preferencial do Vento [ º ]:
Altura do Anemômetro Instalado [m]:
Valores
7,9844
2,8257
4,0000
12,0000
105120
218
80
Fonte: Elaborada pelo Autor.
Tabela 12 – Dados de vento da série histórica em relação aos dados medidos pelo
anemômetro v.02.
Informações
Vmédio [m/s]:
s(X) - Desvio Padrão:
Vmin [m/s]:
Vmax [m/s]:
Total de Dados:
Direção Preferencial do Vento [ º ]:
Altura do Anemômetro Instalado [m]:
Fonte: Elaborada pelo Autor.
Valores
7,8642
2,7862
3,8409
12,1195
105120
218
80
37
Tabela 13 – Dados de vento da série histórica em relação aos dados medidos pelo
anemômetro v.03.
Informações
Vmédio [m/s]:
s(X) - Desvio Padrão:
Vmin [m/s]:
Vmax [m/s]:
Direção Preferencial do Vento [ º ]:
Total de Dados:
Altura do Anemômetro Instalado [m]:
Valores
7,8644
2,7864
3,8402
12,1193
218
105120
80
Fonte: Elaborada pelo Autor.
O próximo passo é tabular os dados de tal forma que possa definir a função de
Weibull pelo método dos mínimos quadrados como mostrado nas tabelas 14, 15 e 16.
Tabela 14 – Dados para determinar a função de Weibull relativos ao anemômetro v.01.
Classes: 12
Mínimo Máximo
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
Média da
Classe (v)
0,0000
0,0000
0,0000
0,0000
4,3388
5,4773
6,4935
7,5035
8,4939
9,5098
10,5190
11,6607
Frequência
f(v)
0,0000000
0,0000000
0,0000000
0,0000000
0,2317732
0,1036625
0,0846271
0,0819064
0,0813927
0,0862253
0,1027397
0,2276731
F.acumulada
F(v)
0,0000000
0,0000000
0,0000000
0,0000000
0,2317732
0,3354357
0,4200628
0,5019692
0,5833619
0,6695871
0,7723269
1,0000000
Y
X
-1,3331
-0,8950
-0,6073
-0,3608
-0,1329
0,1020
0,3919
-
1,4676
1,7006
1,8708
2,0154
2,1393
2,2523
2,3532
-
Fonte: Elaborada pelo Autor.
Tabela 15 – Dados para determinar a função de Weibull relativos ao anemômetro v.02.
Classes: 13
Mínimo Máximo
0
1
1
2
2
3
3
4
Média da
Classe (v)
0,0000
0,0000
0,0000
3,9360
Fonte: Elaborada pelo Autor.
Frequência
f(v)
0,0000000
0,0000000
0,0000000
0,0495624
F.acumulada
F(v)
0,0000000
0,0000000
0,0000000
0,0495624
Y
X
-2,9792
1,3702
38
Tabela 15 – (Continuação) Dados para determinar a função de Weibull relativos ao
anemômetro v.02.
Classes: 13
Mínimo Máximo
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
13
Média da
Classe (v)
4,3918
5,4767
6,4899
7,5027
8,4953
9,5103
10,5264
11,5284
12,0473
Frequência
f(v)
0,1914384
0,1022926
0,0853120
0,0837424
0,0825818
0,0892409
0,1100742
0,1956431
0,0101123
F.acumulada
F(v)
0,2410008
0,3432934
0,4286054
0,5123478
0,5949296
0,6841705
0,7942447
0,9898877
1,0000000
Y
X
-1,2882
-0,8663
-0,5804
-0,3311
-0,1013
0,1420
0,4581
1,5248
-
1,4797
1,7005
1,8702
2,0153
2,1395
2,2524
2,3539
2,4448
-
Fonte: Elaborada pelo Autor.
Tabela 16 –Dados para determinar a função de Weibull relativos ao anemômetro v.03.
Classes: 13
Mínimo Máximo
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
13
Média da
Classe (v)
0,0000
0,0000
0,0000
3,9350
4,3920
5,4777
6,4919
7,4992
8,4938
9,5111
10,5243
11,5288
12,0472
Frequência
f(v)
0,0000000
0,0000000
0,0000000
0,0493531
0,1917047
0,1025114
0,0849125
0,0834570
0,0830670
0,0892409
0,1097222
0,1958999
0,0101313
F.acumulada
F(v)
0,0000000
0,0000000
0,0000000
0,0493531
0,2410578
0,3435693
0,4284817
0,5119387
0,5950057
0,6842466
0,7939688
0,9898687
1,0000000
Y
X
-2,9836
-1,2880
-0,8653
-0,5808
-0,3322
-0,1011
0,1422
0,4573
1,5243
-
1,3699
1,4798
1,7007
1,8705
2,0148
2,1393
2,2525
2,3537
2,4448
-
Fonte: Elaborada pelo Autor.
Utilizando o procedimento descrito pelas equações (14) a (17), determina-se a
função de Weibull, como mostrado na tabela 17 e ilustrado em curvas pela figura 12.
Tabela 17 – Parâmetros da Função de Weibull.
Anemômetro
v01
v02
v03
Fonte: Elaborada pelo Autor.
Valores Estimados
K
a
1,833
8,903
2,444
8,858
2,444
8,860
39
Figura 12 – Curvas relativas à função de Weibull.
Série2
Série3
Série4
Fonte: Elaborada Pelo Autor.
Logo, para determinar o potencial eólico do local e analisar a viabilidade de
instalação do parque eólico, avaliando a densidade de potência média. Na equação x.5 a
densidade é determinada instantaneamente em um fluxo de ar, sendo necessário para o cálculo
de densidade média de potência encontrar a velocidade média cúbica do vento.
(
( )
∫
)
Sendo:
é a velocidade instantânea do vento [m/s].
Substituindo o valor da velocidade média cúbica na equação x.5, tem-se:
∫
( )
(
)
(
)
(
)
Sabendo que a função gama é dada por:
( )
∫
Então a densidade de potência média pode ser escrita como:
(
)
40
Sendo:
é a densidade de potência [W/m²];
é a massa específica do ar [kg/m³];
é o fator de escala [m/s];
é o fator de forma.
Assim, é possível calcular a densidade de potência média do local em estudo, com
os resultados mostrados na tabela 18.
Tabela 18 – Densidade de Potência Média.
Anemômetro
v01
v02
v03
Média
Densidade de
Potência Média
[W/m²]
614,80
476,27
476,62
522,56
Fonte: Elaborada Pelo Autor.
Segundo (GRUBB; MEYER, 1993), para que a energia eólica seja considerada
tecnicamente aproveitável, a sua densidade de potência deve ter um valor igual ou superior a
500 W/m², quando a uma altura de pelo menos 50 m. Como o resultado obtido da densidade
de potência do estudo em questão foi de 522,56 W/m², pode-se concluir que é viável a
instalação de um parque eólico nesse local, pelo menos em termos de densidade de potência.
4.3 Conclusões
Nesse capítulo foi mostrada a ferramenta matemática necessária para determinar o
potencial eólico de um determinado local através do equacionamento de (1) a (21). Tendo em
vista as equações (4) e (5), conclui-se a importância de se ter uma medição de qualidade, pois
como densidade de potência varia com o cubo da velocidade, um erro de 10%, por exemplo,
nas medições resulta em um erro de 33% na determinação da potência disponível no local.
Também foi realizado nesse capítulo um estudo de caso para determinar a
viabilidade de instalação de um parque eólico em termos da sua densidade de potencial. De
41
acordo com o procedimento ilustrado pela primeira parte do capítulo, o valor de densidade de
potência do local foi 522,56 W/m². Como a densidade de potência calculada é superior a 500
W/m², pode-se afirmar que o local em estudo é viável para a instalação de um
empreendimento eólico.
42
5 CONCLUSÃO
5.1 Considerações Finais
A utilização do vento já é feita há tempos atrás pela humanidade quando foi
inventado o barco a vela, fazendo o transporte de pessoas e mercadorias utilizando a força do
vento. Com a evolução das técnicas agrícolas, surgiram os primeiros cata-ventos que tinham a
função de substituir a força motriz animal e humana pela força do vento, sendo amplamente
utilizado pelos países europeus até a invenção da máquina a vapor.
Com a utilização das máquinas movidas a combustíveis fósseis, o setor eólico
ficou um pouco esquecido, se limitando a poucas pesquisas dos, até então, dos primeiros
aerogeradores, dispositivo que utiliza a energia cinética dos ventos e transforma em energia
elétrica. O domínio do combustível fóssil foi pleno até a primeira “Crise do Petróleo”, em
1973, o que alavancou as pesquisas no setor eólico.
O panorama atual do setor eólico revela que a capacidade eólica instalada no
mundo já ultrapassou 200 GW, contribuição de 96 países, com previsão de mais de 1 TW para
2020, conforme ilustra a figura 2, e todas as turbinas eólicas instaladas tem a capacidade de
gerar 500 TWh por ano, o que seria aproximadamente 3% do consumo mundial de energia
elétrica. Conclui-se, assim, que o setor eólico é um setor que se desenvolve cada vez mais
com grande tendência de crescimento nos próximos anos.
O panorama atual no Brasil, apesar do atraso no desenvolvimento do setor eólico
em relação a outros países, é de crescimento e cada vez mais a energia eólica ganha
visibilidade já alcançando quase 1% da capacidade instalada total no país. Estima-se, ainda,
que até 2020 a participação da energia eólica chegará a quase 7%, mostrando, assim, a
importância do setor eólico na diversificação da matriz energética do Brasil. Todo esse
crescimento se deve às políticas atuais que adotam o incentivo a geração de energia elétrica
através de energias alternativas renováveis. As leis e decretos regulatórios sofreram uma
evolução ao longo do tempo, direcionando esse desenvolvimento.
A metodologia para determinar o potencial de um local mais confiável é
utilizando as medições feitas no próprio local em estudo, eliminado boa parte das incertezas
oriundas dos dados de ventos. Além disso, para uma melhor qualidade nas medições de vento
feitas, a estação de medição deve ser bem montada, seguindo todas as normas técnicas de
montagem e manutenção, bem como operada por pessoas tecnicamente habilitadas.
As estações de medição consistem dos sensores que medem os parâmetros do
vento, tais como velocidade pelo anemômetro e direção pelo windvane. Além dos sensores, as
43
estações anemométricas contam com um datalogger que registra os dados oriundos dos
sensores podendo ou não transmitir os dados diretamente para um banco de dados.
A nota técnica DEA 04/12, elaborada pela EPE, consiste de uma série de
instruções para a realização das medições anemométricas e climatológicas nos parques eólicos
a fim de se obter dados concisos e precisos. A figura 9 ilustra como a estação de medição se
caracteriza e como é recomendada a distribuição de seus vários sensores e equipamentos. A
nota técnica DEA 04/12 ainda trás as várias normas que regulamentam a montagem da
estação e especifica os equipamentos a serem instalados, minimizando ao máximo as
incertezas que se pode ter em relação às medições de vento.
A energia cinética do vento pode ser obtida tendo os valores da massa do ar que
realiza um deslocamento e a sua velocidade como mostrado em (1). Realizando os devidos
equacionamentos encontra-se uma ferramenta matemática essencial para a determinação
inicial da viabilidade da instalação de um empreendimento eólico m termos da densidade de
potência, como ilustrado por (5). É importante destacar, também, que devido à densidade de
potência variar com o cubo da velocidade, um erro de 10% nos dados resulta em um erro de
33% na determinação da potência disponível no local, concluindo-se, assim, que é
imprescindível a obtenção correta e precisa dos dados de vento.
Devido às características variáveis do vento, destacando-se, ainda, suas as
características contínuas e estocásticas, discretiza-se em forma de distribuição de frequência a
fim de facilitar a análise. A função densidade de probabilidade de Weibull, ilustrada pela
equação (6), é ideal para analisar grandezas que apresentam constantes variações, como a
velocidade de vento em um determinado local. A determinação dos parâmetros da função de
Weibull pode ser feita através do método dos mínimos quadrados, conforme o procedimento
ilustrado pelas equações (7) a (17).
Ainda nesse trabalho foi realizado um estudo de caso para determinar a
viabilidade de instalação de um determinado parque eólico em termos da sua densidade de
potencial. Foram realizadas medições através de três anemômetros redundantes localizados a
80 metros de altura. A partir dos dados dos anemômetros, foram determinados os parâmetros
da função de Weibull conforme ilustrado na tabela 17. De acordo com o procedimento
ilustrado pelo equacionamento de (18) a (21), o valor de densidade de potência do local foi
522,56 W/m², que é um valor superior a 500 W/m², concluindo-se, assim, que local em estudo
é viável para a instalação de um empreendimento eólico.
44
5.2 Trabalhos Futuros
Como trabalhos futuros, pode-se sugerir uma análise mais completa da viabilidade
da instalação de um empreendimento eólico considerando além dos fatores já abordados nesse
trabalho, outros fatores como a rugosidade do local, a curva de potência dos aerogeradores, a
análise topográfica do local e toda uma análise financeira.
45
REFERÊNCIAS
CUSTÓDIO, R. dos S. – Energia Eólica: Para Produção de Energia Elétrica. Rio de Janeiro:
Eletrobrás, 2009.
MANWELL, J. F.; MCGOWAN, J. G.; ROGERS, A. L. – Wind Energy Explained: Theory,
Design and Application. United Kingdom: John Wiley & Sons LTD, 2009.
CARVALHO, P. – Geração Eólica. Fortaleza: Imprensa Universitária, 2003.
GRUBB, M. J.; N. I. MEYER. – Wind energy: Resources, systems and regional strategies.
Washington, D.C.: Island Press, 1993.
BURTON, T.; SHARPE, D.; JENKINS, N., Wind Energy: Handbook. England: John Wiley
& Sons LTD, 2001.
WWEA – World Wind Energy Report 2011. WWEA, 2012
MME/EPE – Plano Decenal de Expansão de Energia 2020. Brasil: MME/EPE, 2011.
Disponível em: < http://www.aneel.gov.br – acessado em 14/01/2013 >.
Disponível em: < http://newsitetorres.com – acessado em 14/01/2013 >.
Disponível em: < http://www.ammonit.com – acessado em 25/01/2013 >.
Disponível em: < http://www.cresesb.cepel.br/index.php – acessado em 25/01/2013 >.