estudo do potencial eólico e previsão de ventos para ... - LEPTEN
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ESTUDO DO POTENCIAL EÓLICO EPREVISÃO DE VENTOS PARA GERAÇÃODE ELETRICIDADE EM SANTACATARINAMestran<strong>do</strong>: Alessandro DalmazOrienta<strong>do</strong>r: Júlio César PassosCo-orienta<strong>do</strong>r: Hanz Georg Beyer
MOTIVAÇÃOFontes Alternativas <strong>de</strong> Energia• Diversificação da matriz energética• Questões ambientais• Diminuição da <strong>de</strong>pendência <strong>de</strong>combustíveis fósseis• Programas governamentais <strong>de</strong>incentivoEnergia Eólica• Tecnologia disponível• Experiência• Diminuição <strong>do</strong>s custos <strong>de</strong>fabricação, instalação e geraçãoIncentivos• Garantia <strong>de</strong> compra da energia• Garantia da remuneração• Subsídios, financiamentos eincentivos• Marketing- por contribuir <strong>para</strong> preservaçãoambiental
ENERGIA EÓLICA - ORIGEM• Energia Eólica – energia cinética <strong>do</strong>s <strong>ventos</strong>• Ventos: origem-Gradientes <strong>de</strong> Pressão: aquecimentodiferencia<strong>do</strong> da superfície da Terra• Ventos e Energia Eólica são efeitospermanentes da dinâmica <strong>do</strong> planeta – FonteRenovável <strong>de</strong> Energia• Principal problema da fonte eólica é a difícil<strong>previsão</strong> da energia gerada• <strong>de</strong>pendência das condições atmosféricas,variações aleatórias
HISTÓRIA DA ENERGIA EÓLICA• A força <strong>do</strong>s <strong>ventos</strong> na antiguida<strong>de</strong>: movimentar embarcações• Os egípcios utilizavam velas como auxílio <strong>para</strong> as embarcações aremo• Os fenícios 1000 a.C. já dispunham <strong>de</strong> embarcações movidasexclusivamente a velas• A força <strong>do</strong>s <strong>ventos</strong> per<strong>de</strong>u espaço no séc. XIX, <strong>para</strong> propulsão avaporMoinhos <strong>de</strong> Vento• Primeiros registros no séc. VII, ano 644, na Pérsia• Utiliza<strong>do</strong>s na Europa <strong>do</strong> séc. XII ao início <strong>do</strong> séc. XIX• Principais funções: moagem <strong>de</strong> grãos, bombeamento <strong>de</strong> água,serrarias• Caiu em <strong>de</strong>suso após a revolução industrial
HISTÓRIA DA ENERGIA EÓLICA• No séc. XIX, nos EUA a força <strong>do</strong>s <strong>ventos</strong> foi explorada,principalmente <strong>para</strong> bombeamento <strong>de</strong> água• No séc. XIX - força <strong>do</strong>s <strong>ventos</strong> <strong>para</strong> geração <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>• 1.° turbina eólica <strong>para</strong> geração <strong>de</strong> energia elétrica foiconstruída em 1888, pelo americano Charles Brush (1849 –1929)• 12 kW• 144 pás <strong>de</strong> ma<strong>de</strong>ira• 17 m <strong>de</strong> diâmetro• A energia gerada era armazenada em baterias• Em operação por 20 anos
HISTÓRIA DA ENERGIA EÓLICA• O dinamarquês Poul La Cour (1846 –1908), em 1897, constrói uma nova turbinaeólica.• Mais a<strong>de</strong>quada a geração <strong>de</strong> energiaelétrica, com menor número <strong>de</strong> pás e maiorvelocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> rotação• Consi<strong>de</strong>ra<strong>do</strong> o pioneiro no <strong>de</strong>senvolvimento<strong>do</strong>s mo<strong>de</strong>rnos aerogera<strong>do</strong>res
HISTÓRIA DA ENERGIA EÓLICA• Por volta <strong>de</strong> 1930, nos EUA, turbinas eólicas ligadas a baterias possibilitavamacesso a eletricida<strong>de</strong> <strong>para</strong> mora<strong>do</strong>res afasta<strong>do</strong>s <strong>do</strong>s centros urbanos• Em 1955, na Alemanha, já operavam turbinas eólicas precursoras <strong>do</strong>smo<strong>de</strong>rnos aerogera<strong>do</strong>res, com torre tubular, controle <strong>de</strong> passo da pá e pásfabricadas em materiais compostos• A primeira turbina eólica ligada diretamente a re<strong>de</strong> elétrica, foi instalada naDinamarca em 1976• Atualmente, mais <strong>de</strong> 30 mil aerogera<strong>do</strong>res estão em operação no mun<strong>do</strong>, sen<strong>do</strong>mais <strong>de</strong> 18 mil só na Alemanha
CENÁRIO MUNDIALGeração <strong>de</strong> Energia Elétrica no Mun<strong>do</strong>Fonte 1980 2004Fóssil 69,30% 67,96%Hídrica 23,50% 19,71%Nuclear 6,90% 9,83%Outros 0,30% 2,50%Fonte: EIA (2005)• Gran<strong>de</strong> <strong>de</strong>pendência <strong>de</strong> combustíveis fósseis <strong>para</strong> geração <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>• Fontes alternativas <strong>de</strong> energia: crise <strong>do</strong> petróleo na década <strong>de</strong> 1970.• Déc. 1990: investimentos e incentivos a fontes alternativas (preocupação ambiental)• Foram estabelecidas metas, projetos <strong>de</strong> incentivos e apoio financeiro <strong>para</strong> energiasalternativas (principalmente na Europa)• A energia eólica se <strong>de</strong>stacou em vários países
CENÁRIO MUNDIAL• Em 1990 havia menos <strong>de</strong> 2 GW <strong>de</strong>potência eólica instalada no mun<strong>do</strong>• Em 2001, mais <strong>de</strong> 23 GW haviam si<strong>do</strong>instala<strong>do</strong>s no mun<strong>do</strong>• 80% na EuropaPotência ( MW)4000035000300002500020000150001000050000Capacida<strong>de</strong> Instalada Acumulada no Mun<strong>do</strong>3700031128238571735713594101531743 1983 2321 2801 3531 4821 6104 76361990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003• 8 GW instala<strong>do</strong>s em 2004Capacida<strong>de</strong> Instalada Anual no Mun<strong>do</strong>80007271• 11,4 GW instala<strong>do</strong>s em 20057000600065005872• No final <strong>de</strong> 2005, haviam 60 GW <strong>de</strong>potência eólica no mun<strong>do</strong>Potência ( MW)50004000300020001000037633441251715321290 1283730240 338 4801991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
CENÁRIO MUNDIALMaiores Potências Eólicas Instaladas até 2005PaísPotência (MW)Alemanha 18429Espanha 10000EUA 9100India 4430Dinamarca > 3000Fonte: GWEC (2006)• A Índia superou a Dinamarca em potência instalada <strong>de</strong> 2004 a 2005• Os EUA tem como meta <strong>para</strong> 2020 que 6% da eletricida<strong>de</strong> venha <strong>de</strong> geração eólica• A Europa tem como meta 5,5% <strong>para</strong> 2010 e 12% <strong>para</strong> 2020 (180 GW)
EUROPAComunida<strong>de</strong> Européia - Metas <strong>para</strong> Geração Eólica2010 2020Total 75 GW Total 180 GWPotência Instalada10 GW offshore 70 GW offshoreGeração <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong> na europa 5,50% 12,10%Fonte: EWEA (2003)• Merca<strong>do</strong> europeu <strong>de</strong> energia eólica vem crescen<strong>do</strong> 22% em média• Depen<strong>de</strong> <strong>de</strong> merca<strong>do</strong>s com gran<strong>de</strong> <strong>potencial</strong> mas pouco explora<strong>do</strong>s (França, Itália eReino Uni<strong>do</strong>)• Abertura <strong>de</strong> novos merca<strong>do</strong>s fora <strong>do</strong> continente europeuMaiores Merca<strong>do</strong>s <strong>para</strong> Energia Eólica na Europa em 2004PaísPotência (MW)Espanha 2065Alemanha 2037Reino Uni<strong>do</strong> 240Portugal 224Itália 221Potência instalada no ano <strong>de</strong> 2004.Fonte: Millais (2005)
BRASILGeração <strong>de</strong> Energia no BrasilHidráulica 76,22Térmica 21,54Nuclear 2,09Eólica 0,24Fonte: Aneel 24/02/2007• Brasil possui em torno <strong>de</strong> 97 GW <strong>de</strong> potência instalada• 240 MW <strong>de</strong> potência eólica• O primeiro aerogera<strong>do</strong>r <strong>do</strong> Brasil foi instala<strong>do</strong> em 1992 em F. <strong>de</strong> NoronhaEstu<strong>do</strong>s sobre o <strong>potencial</strong> <strong>eólico</strong> brasileiro mostram:• A maioria <strong>do</strong>s locais aprova<strong>do</strong>s pelo PROINFA apresentam estimativas <strong>de</strong> FCsuperiores a 0,30• No Nor<strong>de</strong>ste brasileiro, o valor <strong>de</strong> FC chega a 0,40• Os valores médios <strong>de</strong> FC encontra<strong>do</strong>s na Alemanha são <strong>de</strong> 0,23
PROINFA• Programa <strong>de</strong> Incentivo as Fontes Alternativas <strong>de</strong> Energia Elétrica• Cria<strong>do</strong> em 26 abril <strong>de</strong> 2002• Revisa<strong>do</strong> em novembro <strong>de</strong> 2003• Regulamenta<strong>do</strong> em março <strong>de</strong> 2004• Visa ao <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> fontes alternativas <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia elétrica• PCH (
BRASIL – 15 parques <strong>eólico</strong>s instala<strong>do</strong>sUsinaPotênciaOutorgada (MW)PotênciaFiscalizada (MW)LocalizaçãoEólica da PrainhaEólica <strong>de</strong> TaíbaEólio-elétrica experimental<strong>do</strong> Morro <strong>do</strong> CamelinhoEólio-elétrica <strong>de</strong> PalmasEólica <strong>de</strong> Fernan<strong>do</strong> <strong>de</strong>NoronhaMacuripeEólica <strong>de</strong> Bom Jardimda SerraEólica <strong>de</strong> Olinda10106,251 12,52,50,2250,2252,42,40,60,60,2250,225Aquiraz - CESão Gonçalo<strong>do</strong> Amarante - CEGolvea - MGPalmas - PRFernan<strong>do</strong> <strong>de</strong> Noronha - PEFortaleza - CEBom Jardim da Serra - SCOlinda - PEParque Eólico <strong>do</strong> Horizonte4,84,8Água Doce - SCMacau31,8Macau - RNParque Eólico <strong>de</strong> Osório 5050Osório - RSRN 15 - Rio <strong>do</strong> Fogo49,3 42,1Rio <strong>do</strong> Fogo - RNEólica <strong>de</strong> Água Doce99Água Doce - SCParque Eólico <strong>do</strong> Sangra<strong>do</strong>uro5050Osório - RSParque Eólico <strong>do</strong>s Índios 5050 Osório - RSFonte: Aneel 13/09/2006
SANTA CATARINAPossui 3 Parques Eólicos em operação• Usina Eólica <strong>de</strong> Bom Jardim da Serra1 aerogera<strong>do</strong>r 600 kW• Parque Eólico <strong>do</strong> Horizonte8 aerogera<strong>do</strong>res <strong>de</strong> 600 kW ( 4.800 kW)• Usina Eólica <strong>de</strong> Água Doce15 aerogera<strong>do</strong>res <strong>de</strong> 600 kW ( 9.000 kW)14 Projetos aprova<strong>do</strong>s• 2 em Laguna ( 3 MW e 46,5 MW)• 4 em Bom Jardim da Serra (1,93 MW e 3 com 30 MW)• 8 em Água Doce (4,8 MW, 9,6 MW, 21,44 MW e 5 com 30 MW)
CUSTOS DA ENERGIA EÓLICA• Os custos <strong>de</strong> geração e instalação vem cain<strong>do</strong> continuamente• Os custos são influencia<strong>do</strong>s por fatores tecnológicos e <strong>de</strong> projeto <strong>do</strong>s parques<strong>eólico</strong>s, que fazem cair os custos relativos <strong>do</strong> investimento e custos <strong>de</strong> geração• Melhora no <strong>de</strong>sempenho <strong>do</strong>s aerogera<strong>do</strong>res: eficiência, mais potência porunida<strong>de</strong> <strong>de</strong> área varrida• Melhor controle da turbina, movimentação• Desenho das pás• Sítios com velocida<strong>de</strong>s médias <strong>do</strong> vento maiores• Maior número <strong>de</strong> aerogera<strong>do</strong>res instala<strong>do</strong>s por parque <strong>eólico</strong>
CUSTOS DA ENERGIA EÓLICACustos <strong>de</strong> instalação• Europa em 2002: US$ 1070 / kW• No Brasil:• Osório (150 MW): R$ 4.400,00 / kW• Rio <strong>do</strong> Fogo (49,3 MW): R$ 4.200,00 / kW• Água Doce (9 MW): R$ 3.200,00 / kW• Remuneração PROINFA: R$ 180-204 / MWh (45% e 37% < Alemanha)• Remuneração Parque Eólico <strong>de</strong> Osório: R$ 231 / MWhFonte hídrica: R$ 110-114 / MWh (<strong>para</strong> o mesmo leilão <strong>de</strong> energia)
POTÊNCIA DO VENTO• A energia eólica é a energia cinética <strong>do</strong> ventoEV =1 mV22• A potência instantânea <strong>do</strong> vento é <strong>de</strong>finida por:PV=dEdtV=12⎛ dm ⎞⎜ ⎟V⎝ dt ⎠2• Para uma seção transversal <strong>de</strong> área A, a vazão mássica <strong>do</strong> ar é:.m=dmdt=ρAV• O que resulta na equação <strong>para</strong> a Potência <strong>do</strong> Vento:Pv=1ρ AV23
RENDIMENTO DE BETZ• O Rendimento <strong>de</strong> Betz, ou o Coeficiente <strong>de</strong> Potência Máximo, é a razão entre a potênciamáxima extraída e a potência disponível em um escoamento <strong>de</strong> ar.. .1m2m =p1= p 2• A potência que a turbina po<strong>de</strong>rá extrair <strong>do</strong> vento é:PEx= FV T• A força exercida pelo vento po<strong>de</strong> ser iguala<strong>do</strong> a:F = ( p − p ) AMJT
• Para calcular o valor da diferença<strong>de</strong> pressão antes e <strong>de</strong>pois daturbina, aplica-se a equação <strong>de</strong>Bernoulli• Saben<strong>do</strong> que:V = V =MJVT• Tem-se:( pM−pJ)=1 2ρ(V 1−V222)p1+ρV221=pM+ρV22MpJ+ρV22J=p2+ρV222
• Ao substituirmos na equação da Força exercida pelo vento e, posteriormente,na da Potência extraída, chega-se a:PEX1 2(2TVTV 1− V2= ρA2)• A velocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> vento na turbina é diferente da velocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> vento inci<strong>de</strong>nte−V• E po<strong>de</strong>-se <strong>de</strong>monstrar que:aV1 T= V V (1 )VT= 1− a1V 1+ VV 2T= V12 )2(12= V − a
• O coef. <strong>de</strong> potência é calcula<strong>do</strong> como sen<strong>do</strong>:c =pPEXPV• Substituin<strong>do</strong> a Potência extraída e a Potência <strong>do</strong> vento na equação acima, eposteriormente, V Te V 2, chega-se a:c p= 4a(1− a)2c p= 16 =270,593
DISTRIBUIÇÃO ESTATÍSTICA DE WEIBULL• Função <strong>de</strong> Acumulação <strong>de</strong> Weibull:F(x)⎡ x − x1−exp−⎢⎣ c=0⎥ ⎦⎤k• F(V) – fração <strong>do</strong> total <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s que se encontra entre os valores 0 e VF(V )=1−⎡exp⎢−⎢⎣⎛⎜⎝Vck⎞⎟⎠⎤⎥⎥⎦• Função Densida<strong>de</strong> <strong>de</strong> Probabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> Weibull:f( v)=⎛⎜⎝k ⎞⎛V⎟⎜c ⎠⎝c⎞⎟⎠⎡ ⎛Vexp⎢−⎜⎢⎣⎝ ck −1k⎞⎟⎠⎤⎥⎥⎦
DISTRIBUIÇÃO ESTATÍSTICA DE WEIBULL• k - representa a forma da curva.Expressa a regularida<strong>de</strong> da velocida<strong>de</strong><strong>do</strong> vento• c – representa o valor <strong>de</strong> V abaixo <strong>do</strong>qual encontra-se 63,2% <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>sFunção Densida<strong>de</strong> <strong>de</strong> Probabilida<strong>de</strong>0.160.140.120.10.080.060.040.02Distribuição <strong>de</strong> WeibullAgua Doce k =2.38 a =6.7 m/s Vmed =5.94 m/sImbituba k =1.65 a =6.31 m/s Vmed =5.63 m/s00 2 4 6 8 10 12 14 16 18Velocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)Agua Doce jan2003Imbituba nov2003
CÁLCULO DOS PARÂMETROS DE WEIBULL• V média <strong>do</strong> vento através da função <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong> <strong>de</strong> probabilida<strong>de</strong>:• V média em termos <strong>do</strong>s parâmetros <strong>de</strong> Weibull:V=∞∫0Vf( V ) dVV⎛ 1 = c Γ ⎜1+⎝ k⎞⎟⎠VV3⎛ =3 3c Γ ⎜1+⎝ k⎡ ⎛ ⎞⎤= ⎢cΓ ⎜1 + ⎟⎥ ⎣ ⎝ k ⎠ ⎦3 1⎞⎟⎠3VV33=⎛ 3 ⎞ Γ ⎜1+ ⎟⎝ k ⎠⎡ ⎛⎢ Γ ⎜1+⎣ ⎝1 ⎞⎤⎟k⎥⎠⎦3
ENERGIA PRODUZIDAPOR UM AEROGERADOR• Curva <strong>de</strong> potência <strong>de</strong> um aerogera<strong>do</strong>r(da<strong>do</strong>s técnicos <strong>do</strong> fabricante)• Curva <strong>de</strong> duração <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> umalocalida<strong>de</strong> (a partir da função <strong>de</strong>acumulação <strong>de</strong> Weibull)• A partir <strong>de</strong>stas duas curvas consegue-sea Curva <strong>de</strong> duração <strong>de</strong> potênciaVelocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)Duração <strong>de</strong> Velocida<strong>de</strong>, Agua Doce 20022422201816Velocida<strong>de</strong> Nominal1412108Velocida<strong>de</strong> Média64200 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Tempo ( h)
ENERGIA PRODUZIDAPOR UM AEROGERADOR• Curva <strong>de</strong> duração <strong>de</strong> potência• Área abaixo da curva representa aquantida<strong>de</strong> <strong>de</strong> Energia que seespera ser gerada pelo aerogera<strong>do</strong>rEa=T∫0P(V ) dtPotência ( kW)Duração <strong>de</strong> Potência, Agua Doce 200270060050040030020010000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Tempo ( h)VCE = T P(V ) dF(V )a∫VP
FATOR DE CAPACIDADE• o FC é <strong>de</strong>fini<strong>do</strong> como:FC=PENa. T• Po<strong>de</strong> ser interpreta<strong>do</strong> como o aproveitamento <strong>do</strong> <strong>potencial</strong> instala<strong>do</strong> em umparque ou <strong>de</strong> um aerogera<strong>do</strong>r• Para Energia Eólica valores <strong>de</strong> FC = 0,30 são consi<strong>de</strong>ra<strong>do</strong>s bons
PERFIL DE VELOCIDADES• Importante <strong>para</strong> projetos <strong>de</strong> geraçãoeólica o conhecimento das velocida<strong>de</strong>sem várias alturas diferentes• Geralmente as medições <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong>s<strong>de</strong> vento são feitas em apenas umaaltura h• Características <strong>do</strong> terreno alteram operfil <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> um local
PERFIL DE VELOCIDADES• Perfil LogarítmicoV ( z)V ( z )r=⎛ln⎜⎝⎛ln⎜⎝zz0zrz0⎞⎟⎠⎞⎟⎠• Lei <strong>de</strong> PotênciaV ( z)V ( z )=⎡⎢⎣zrz r⎤⎥⎦α0,37 − 0,088lnV( zr)=⎛ zr ⎞1−0,088ln⎜⎟⎝10⎠2α α = 0,096log( z ) + 0,016[ log( z )] 0, 240 0+
PERFIL DE VELOCIDADESRugosida<strong>de</strong> Superficial, Zo• Diferenças na constituição dasuperfície <strong>do</strong> terreno• Zo – altura em relação ao solo on<strong>de</strong>Vvento = 0Tipo <strong>de</strong> TerrenoRugosida<strong>de</strong> (mm)Gelo 0,01Mar calmo 0,2Mar agita<strong>do</strong> 0,5Neve 3Grama baixa 8Pasto 10Campo 30Plantações 50Poucas árvores 100Muitas árvores; Algumas contruções 250Florestas 500Suburbios 1500Cida<strong>de</strong>s 3000Manwell et al (2002)
TURBULÊNCIA• Variações no tempo, aleatórias• Perío<strong>do</strong> das variações: <strong>de</strong> segun<strong>do</strong>s até vários anos• Perío<strong>do</strong>:-Anos: Estações <strong>do</strong> ano- Dias: movimentação <strong>de</strong> massas <strong>de</strong> ar- Diárias: brisas- Segun<strong>do</strong>s a alguns minutos: rajadas e turbulênciaTURBULÊNCIA• Instabilida<strong>de</strong>s atmosféricas• Obstáculos• Esteiras• Rugosida<strong>de</strong> superficial• topografia
INTENSIDADE DE TURBULÊNCIA• A turbulência é medida através <strong>do</strong> valor da Intensida<strong>de</strong> <strong>de</strong> TurbulênciaI Tσ=V• Da<strong>do</strong>s coleta<strong>do</strong>s em uma freqüência maior que a <strong>do</strong> fenômenoDa<strong>do</strong>s coleta<strong>do</strong>s na or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> segun<strong>do</strong>s e médias <strong>de</strong> no máximo 10 min.
AEROGERADORESConstituí<strong>do</strong>s basicamente <strong>de</strong>:• Turbina ou rotor <strong>eólico</strong>• Gera<strong>do</strong>r elétrico• Sistemas integra<strong>do</strong>s e auxiliares: caixa <strong>de</strong> engrenagens e sistemas <strong>de</strong>orientação (pás e nacele)Tipos <strong>de</strong> Aerogera<strong>do</strong>res• Eixo vertical• Eixo horizontal
AEROGERADORESRotor com Eixo VerticalVantagens:• Montagem <strong>do</strong>s componentes <strong>de</strong> gran<strong>de</strong> massa – monta<strong>do</strong>s no solo• Não é necessário controle da orientação em relação a V ventoDois mo<strong>de</strong>los principais:• Darrieus• Savonius
AEROGERADORESDarrieus – 1931• Não apresenta torque <strong>de</strong> partida• Efeitos <strong>de</strong> sombra eleva<strong>do</strong>s• Monta<strong>do</strong>s próximos ao solo- melhor <strong>para</strong> montagem <strong>do</strong>s componentes- expõe o rotor a baixas V <strong>de</strong> vento• Comercialmente: D = 17 m e P = 170 kWO maior Darrieus: D = 64 m e P = 4,2 MWSavonius – 1922• Baixo rendimento e rotação reduzida• Maior uso <strong>para</strong> bombeamento <strong>de</strong> água• Para geração <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>, protótipos <strong>de</strong> 5 kW <strong>para</strong>sistemas isola<strong>do</strong>s
AEROGERADORESRotor <strong>de</strong> Eixo Horizontal• Rotor Multipás• Rotor Tipo HéliceMultipás• Ainda muito utiliza<strong>do</strong>s <strong>para</strong> bombeamento <strong>de</strong> água• Soli<strong>de</strong>z elevada (área das pás / área varrida)• Eleva<strong>do</strong> torque <strong>de</strong> partida• N.° pás entre 6 e 24, geralmente• Rotação baixa• Pouco utiliza<strong>do</strong> <strong>para</strong> geração <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>
AEROGERADORESTipo Hélice• Consenso entre fabricantes <strong>para</strong> geração <strong>de</strong>eletricida<strong>de</strong>• Consi<strong>de</strong>ra<strong>do</strong>s rotores rápi<strong>do</strong>s• Dois mo<strong>de</strong>los:- Rotor a Barlavento (mais usa<strong>do</strong>s)- Rotor a Sotavento• geralmente com 3 pás- maior estabilida<strong>de</strong>- maior rendimento- menor ruí<strong>do</strong>
AEROGERADORESControle <strong>de</strong> Potência• Melhorar o <strong>de</strong>sempenho• Não exce<strong>de</strong>r a potência <strong>do</strong> gera<strong>do</strong>r• Aliviar esforços na estrutura ecomponentes <strong>de</strong>vi<strong>do</strong> a V vento elevadasTipo <strong>de</strong> controle• Passivo (stall)• Ativo (pitch)Sistema <strong>de</strong> Orientação• Rotação da or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> 0,5° / s
REDES NEURAIS ARTIFICIAIS• As RNAs foram <strong>de</strong>senvolvidas baseadas nasestruturas neurais biológias• Tem a capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> apren<strong>de</strong>r através <strong>de</strong> exemplos(treinamento das RNAs)• Camadas <strong>de</strong> Entrada: recebe os padrões <strong>de</strong>entrada, x• Pesos: parâmetros ajustáveis a fim <strong>de</strong> melhorar aresposta, w• Backpropagation- forma <strong>de</strong> aprendiza<strong>do</strong> supervisionada
PREVISÃO EÓLICAProblema da geração eólica:• Inconstância da produção• Incerteza da produção• Com o aumento da contribuição da energia eólica na re<strong>de</strong> elétrica torna-sefundamental um melhor conhecimento da oferta <strong>de</strong> energia (Previsão <strong>de</strong>Geração)• Geração eólica < Valor estima<strong>do</strong> = outra fonte <strong>de</strong>ve suprir a falta <strong>de</strong> energia• Geração eólica > Valor estima<strong>do</strong>-Vento não po<strong>de</strong> ser controla<strong>do</strong> nem armazena<strong>do</strong>- Reduz a <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> fontes convencionais, já contratadas
PREVISÃO EÓLICA• Sistemas <strong>de</strong> <strong>previsão</strong> eólica – baseiam-seem resulta<strong>do</strong>s <strong>de</strong> um Sistema Numérico<strong>de</strong> Previsão <strong>de</strong> Tempo (NWP).• Os NWPs baseiam-se nas equações damecânica <strong>do</strong>s flui<strong>do</strong>s e condições iniciaisfornecidas, baseadas nas característicasda atmosfera• A principal parcela <strong>do</strong> erro <strong>de</strong> uma<strong>previsão</strong> eólica <strong>de</strong> curto prazo vem <strong>do</strong>erro <strong>do</strong> mo<strong>de</strong>lo NWP a<strong>do</strong>ta<strong>do</strong>Mo<strong>de</strong>lo Numérico <strong>de</strong> Previsão <strong>de</strong> TempoRefinamento Horizontaltopografia, rugosida<strong>de</strong>, atmosfera locaisCorreção <strong>de</strong> Erros (estatística)Curva <strong>de</strong> PotênciaPrevisão <strong>de</strong> Potência Local
MODELO ETA – CPTEC / INPE• Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> mesoescala• Resolução 40 km x 40 km• 38 camadas verticais• Cobre a maior parte da América <strong>do</strong> Sul• Condição inicial: <strong>previsão</strong> <strong>de</strong> 12h <strong>do</strong> mo<strong>de</strong>lo global <strong>do</strong> CPTEC (100 km x 100km)• O mo<strong>de</strong>lo Eta é roda<strong>do</strong> 2 vezes ao dia, as 00h e 12h (GMT)• Gera previsões <strong>para</strong> 6 até 72h• Intervalo <strong>de</strong> 6h entre as previsões
DADOS EÓLICOS DE SANTA CATARINA• Labsolar – Celesc coletaram da<strong>do</strong>s em 16 estações anemométricas noEsta<strong>do</strong>
DADOS EÓLICOS DE SANTA CATARINAForam instala<strong>do</strong>s:• 2 anemômetros da marca / mo<strong>de</strong>lo NRG 40, 3 conchas• Sistema <strong>de</strong> aquisição Data Logger NRG 9200-plus, que armazenava da<strong>do</strong>s <strong>de</strong>:- velocida<strong>de</strong> média- ângulo da direção média- respectivos <strong>de</strong>svios padrão• Eram armazena<strong>do</strong>s valores médios <strong>de</strong> um perío<strong>do</strong> <strong>de</strong> 10 min, calcula<strong>do</strong>s a partir <strong>de</strong>da<strong>do</strong>s coleta<strong>do</strong>s a cada 2s. Perío<strong>do</strong>s a<strong>de</strong>qua<strong>do</strong>s ao <strong>estu<strong>do</strong></strong> <strong>do</strong> <strong>potencial</strong> <strong>eólico</strong>• Os anemômetros foram instala<strong>do</strong>s a 30 m e 48 m acima <strong>do</strong> solo, com algumas exceções(Campo Erê: 20 e 30m, Rancho Queima<strong>do</strong>: 36m, Florianópolis: 25m)• Verificara-se falhas na coleta <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s, caracterizadas por seqüências <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s comvalores 0 ou 97,3 m. Estas séries foram retiradas, o que explica em parte não haverséries completas <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s <strong>para</strong> alguns anos e localida<strong>de</strong>s
DIREÇÃO DOS VENTOSÁgua Doce• Pre<strong>do</strong>mina <strong>ventos</strong> <strong>de</strong> NE• 25 – 30%Exemplos:• 2002 (97% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s)• 1999 (72% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s)Em 1999, verifica-se 15% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s nadireção N, o que não se repete nosoutros anos
DIREÇÃO DOS VENTOSBom Jardim da Serra• Direções <strong>de</strong> incidência <strong>do</strong>s <strong>ventos</strong>bastante variadasExemplo: 2001 (98% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s)Campo Erê• Direção pre<strong>do</strong>minante: NE• 20 – 25%Exemplo: 2000 (100% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s)
DIREÇÃO DOS VENTOSImbituba• Direção preferencial: NE – ENE• Em torno <strong>de</strong> 30%Exemplo: 2000 (100% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s)Laguna• Direção preferencial: NE• 25%Exemplo: 2000 (100% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s)
DIREÇÃO DOS VENTOSUrubici• Direção preferencial:• 2002 (97% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s) – N• Mais <strong>de</strong> 25%• 2003 (95% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s) – NNE• 30%
VELOCIDADE DO VENTOAgua Doce Médias Anuais10Água Doce• Média no perío<strong>do</strong>: 6,24 m/s(anos com mais <strong>de</strong> 80% <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s)Velocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)9876546,2 6,046,33 6,425,98 5,9931999 2000 2001 2002 2003 2004AnoBom Jardim da Serra Médias AnuaisBom Jardim da Serra10• Média no perío<strong>do</strong>: 4,96 m/sVelocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)9876545,365,174,755,445,12 5,2031999 2000 2001 2002 2003 2004Ano
VELOCIDADE DO VENTOCampo Erê• Média no perío<strong>do</strong>: 5,4 m/s**Da<strong>do</strong>s <strong>para</strong> h = 30 m.Com<strong>para</strong>n<strong>do</strong> as V vento a 30 m e 48 m <strong>para</strong> ÁguaDoce, Imbituba e Urubici, verifica-sediferenças <strong>de</strong> 4 – 9 %. Resultan<strong>do</strong> em V vento<strong>para</strong> Campo Erê a 48 m <strong>de</strong> 5,62 – 5,87 m/sVelocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)109876543Campo Erê Médias Anuais5,46 5,385,215,561999 2000 2001 2002AnoImbituba10Imbituba Médias Anuais• Média no perío<strong>do</strong>: 5,05 m/sVelocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)9876545,595,12 4,97 5,05 5,07 4,9831999 2000 2001 2002 2003 2004Ano
VELOCIDADE DO VENTOLaguna Médias Anuais10Laguna• Média no perío<strong>do</strong>: 7,91 m/sVelocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)9876548,537,708,126,8531999 2000 2001 2002AnoUrubici• Média no perío<strong>do</strong>: 7,22 m/sVelocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)109876547,17 7,14Urubici Médias Anuais6,477,437,1031999 2000 2001 2002 2003Ano
INTENSIDADE DE TURBULÊNCIA• Maiores valores em Bom Jardim da Serra (média = 0,22) e Imbituba (média = 0,20)• Menor valor <strong>para</strong> Laguna (média 0,12)• Resulta<strong>do</strong> fora <strong>do</strong> padrão da localida<strong>de</strong> em Água Doce no ano <strong>de</strong> 1999• Os valores encontra<strong>do</strong>s em B. J. da Serra e Imbituba, são consi<strong>de</strong>ra<strong>do</strong>s altosAgua Doce B.J.da Serra Imbituba Laguna Campo Erê Urubici1999 0,48 0,23 0,19 0,10 0,15 0,15( σ[IT] ) (1,60) (0,43) (0,36) (0,25) (0,22) (0,25)2000 0,18 0,21 0,20 0,12 0,16 0,16( σ[IT] ) (0,92) (0,38) (0,38) (0,31) (0,27) (0,29)2001 0,15 0,23 0,21 0,12 0,17 0,17( σ[IT] ) (0,32) (0,44) (0,37) (0,27) (0,28) (0,28)2002 0,14 0,23 0,21 0,15 0,17 0,15( σ[IT] ) (0,27) (0,41) (0,36) (0,35) (0,29) (0,26)2003 0,14 0,19 0,19( σ[IT] ) (0,23) (0,34) (0,30)---2004 0,14( σ[IT] ) (0,22)Intensida<strong>de</strong> <strong>de</strong> Turbulência - Médias Anuais- ----
PARÂMETROS DE WEIBULL• Os valores <strong>de</strong> k <strong>para</strong> SC nãoindicam boa regularida<strong>de</strong>.• Os maiores valores são inferiores a2,5• No litoral <strong>do</strong> Ceará sãoencontra<strong>do</strong>s valores superiores a 4Localida<strong>de</strong>Água DoceBom Jardim da SerraImbitubaLagunaCampo ErêUrubiciV (m/s) k c (m/s)6,24 2,44 7,044,96 1,66 5,545,05 1,74 5,677,91 1,78 8,895,4 2,34 6,097,22 1,84 8,13Valores médios <strong>para</strong> os anos com mais <strong>de</strong> 80% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s disponíveis
DENSIDADE DE POTÊNCIA• Calculada através <strong>de</strong>:P 1 3= ρ V K CA2• Ruim se < 100 W / m 2• Bom se 100 < P/A < 400 W / m 2• Ótimo se > 400 W / m 2 1999 2000 2001 2002 2003 2004Densida<strong>de</strong> <strong>de</strong> Potência (W / m²)Água Doce (1,08)* 228,60 187,30 220,70 226,00 185,70 193,50Bom Jardim da Serra (1,06)* 180,80 177,00 130,00 196,50 164,70 180,10Campo Erê (1,11)* 147,00 142,20 131,70 161,80 - -Imbituba (1,2)* 214,60 174,40 167,00 174,00 173,30Laguna (1,2)* 694,60 579,80 716,90 437,20 - -Urubici (1,03)* 375,40 410,70 292,20 426,50 375,40 -* massa específica <strong>do</strong> ar, (kg / m3)
FATOR DE CAPACIDADE• FC >= 0,25 aceitável• FC >= 0,30 bom• FC médio na Alemanha = 0,23• FC médio em SC a partir <strong>do</strong>s sítiosestuda<strong>do</strong>s = 0,24• No litoral <strong>do</strong>s esta<strong>do</strong>s <strong>do</strong> CE e RN sãoencontra<strong>do</strong>s valores <strong>de</strong> FC em torno <strong>de</strong>0,40SítioFCÁgua Doce 0,23Bom Jardim da Serra 0,16Imbituba 0,16Laguna 0,4Campo Erê 0,16Urubici 0,34*calcula<strong>do</strong>s a partir da curva <strong>de</strong> potência <strong>de</strong> umaerogera<strong>do</strong>r Wobben E-40 <strong>de</strong> 600 kW
MÉDIAS PARA SANTA CATARINAV Dens. Pot. PotênciaLocalida<strong>de</strong> k FC(m/s) (W/m²) (kW)Agua Doce 6,24 210,80 2,44 0,24 141,20Bom Jardim da Serra 4,96 153,50 1,67 0,16 94,75Imbituba 5,05 172,18 1,74 0,16 96,77Campo Erê 5,40 145,68 2,34 0,16 96,27Laguna 7,91 648,35 1,78 0,40 237,53Urubici 7,22 404,20 1,84 0,34 205,96Valores <strong>para</strong> anos com mais <strong>de</strong> 80% <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s disponíveisVelocida<strong>de</strong>6 m/sDensida<strong>de</strong> <strong>de</strong> potência 262 W / m²Fator <strong>de</strong> forma, k 2Fator <strong>de</strong> Capacida<strong>de</strong>, FC 0,23Potência137,7 kW• Curva <strong>de</strong> potência <strong>do</strong> E-40 / 600 kW• Médias <strong>para</strong> cada localida<strong>de</strong> a partir <strong>do</strong>s anos com mais <strong>de</strong> 80% <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s• Médias <strong>para</strong> SC a partir das médias <strong>de</strong> cada localida<strong>de</strong>
POTENCIAL EÓLICO PARA SANTA CATARINA• Resulta<strong>do</strong>s <strong>do</strong> <strong>estu<strong>do</strong></strong> feito através <strong>do</strong> programa WAsP <strong>para</strong> seis localida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> Esta<strong>do</strong><strong>de</strong> SC• Com o WAsP é possível que se façam extrapolações, tanto verticais quanto horizontais<strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s sobre um mapa topográfico da região• Não foram feitos os <strong>estu<strong>do</strong></strong>s necessários <strong>para</strong> caracterização da rugosida<strong>de</strong> superficial eobstáculos• Para cada sítio foram feitas estimativas <strong>para</strong> três tamanhos <strong>de</strong> aerogera<strong>do</strong>res:-600 kW-800 kW- 2000 kW• São apresenta<strong>do</strong>s mapas <strong>do</strong> <strong>potencial</strong> <strong>eólico</strong>, estima<strong>do</strong>s a partir da posição da torreanemométrica, <strong>para</strong> uma área <strong>de</strong> 10 x 10 km
MAPA DE RECURSOS EÓLICOS:BOM JARDIM DA SERRA• Resulta<strong>do</strong>s <strong>para</strong>aerogera<strong>do</strong>r compotência <strong>de</strong> 600 kW• Mapa 20 x 20 km• Simulação 10 x 10 km• FC max = 0,42• FC na torre = 0,14 – 0,17
RECURSOS EÓLICOS• Água Doce• Bom Jardim da Serra• Imbituba• Campo Erê• Laguna• UrubiciAltitu<strong>de</strong> (m) V médio (m/s) k c (m/s) P/A (W/m²) Ea (MWh) FCMédia 1202,3 5,81 2,48 6,5 193 1018 0,194Mínimo 1064,5 4,78 2,25 5,4 107 559 0,106Máximo 1300 7,01 2,51 7,9 334 1650 0,314Altitu<strong>de</strong> (m) V médio (m/s) k c (m/s) P/A (W/m²) Ea (MWh) FCMédia 1349,3 4,54 1,7 5,1 142 664 0,126Mínimo 582 1,76 1,25 1,9 10 28 0,005Máximo 1563,5 8,57 1,8 9,5 978 2235 0,425Altitu<strong>de</strong> (m) V médio (m/s) k c (m/s) P/A (W/m²) Ea (MWh) FCMédia 20,5 5,34 1,86 6 193 945 0,180Mínimo 0 4,73 1,73 5,3 125 644 0,123Máximo 139,6 7,28 2,06 8,2 482 1835 0,349Altitu<strong>de</strong> (m) V médio (m/s) k c (m/s) P/A (W/m²) Ea (MWh) FCMédia 888,1 5,69 2,51 6,4 178 950 0,181Mínimo 780,3 4,19 2,22 4,7 69 336 0,064Máximo 945 7,02 2,63 7,9 339 1660 0,316Altitu<strong>de</strong> (m) V médio (m/s) k c (m/s) P/A (W/m²) Ea (MWh) FCMédia 6 7,3 1,92 8,2 476 1842 0,350Mínimo -0,9 6,34 1,81 7,2 290 1373 0,261Máximo 120 9,53 2,08 10,8 1035 2725 0,518Altitu<strong>de</strong> (m) V médio (m/s) k c (m/s) P/A (W/m²) Ea (MWh) FCMédia 1545,4 5,84 1,76 6,6 316 1204 0,229Mínimo 684,5 0,38 1,06 0,4 0 0 0,000Máximo 1800,4 11,74 1,89 13,1 2440 2868 0,546
AEROGERADOR INSTALADO EM LOCAL DEMELHOR RECURSO EÓLICO
AEROGERADOR INSTALADO EM LOCAL DEMELHOR RECURSO EÓLICO• Estimativas <strong>de</strong>:• Aprox. 15% <strong>de</strong> aumento<strong>de</strong> geraçãoÁgua Doce 2002V médio (m/s) k c (m/s) P/A (W/m²) Ea (MWh) FC1 6,45 2,49 7,3 261 1359 0,2592 6,82 2,47 7,7 310 1568 0,2981 - Aerogera<strong>do</strong>r posiciona<strong>do</strong> junto ao anemômetro altitu<strong>de</strong> = 1245 m2 - Aerogera<strong>do</strong>r posiciona<strong>do</strong> 5078 m <strong>de</strong> distância <strong>do</strong> anemômetro altitu<strong>de</strong> = 1300 m• Aprox. 130% <strong>de</strong> aumento<strong>de</strong> geraçãoBom Jardim da Serra 2001V médio (m/s) k c (m/s) P/A (W/m²) Ea (MWh) FC1 4,85 1,76 5,5 153 721,12 0,1372 7,04 1,7 7,9 492 1667 0,3171 - Aerogera<strong>do</strong>r posiciona<strong>do</strong> junto ao anemômetro altitu<strong>de</strong> = 1400 m2 - Aerogera<strong>do</strong>r posiciona<strong>do</strong> 5311 m <strong>de</strong> distância <strong>do</strong> anemômetro altitu<strong>de</strong> = 1565 m
ESTIMATIVAS COM AEROGERADORESDE MAIOR POTÊNCIA NOMINALLocalida<strong>de</strong> PN (kW), h (m) FC Ea (MWh)• Estimativas com tamanhosdiferentes <strong>de</strong> AGs,• Posição = torre anemométricaÁgua DoceBom Jardim da SerraImbitubaLagunaCampo ErêUrubici600, 48 0,23 1202800, 70 0,28 19912000, 113 0,32 5615600, 48 0,16 867800, 70 0,2 14142000, 113 0,22 3853600, 48 0,17 914800, 70 0,23 16172000, 113 0,28 4824600, 48 0,4 2107800, 70 0,45 31512000, 113 0,48 8433600, 48 0,2 1075800, 70 0,27 18792000, 113 0,32 5537600, 48 0,32 1685800, 70 0,36 25192000, 113 0,38 6623
COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOSCOM O WAsP COM OS CALCULADOSVelocida<strong>de</strong> média• 0,31 – 2,75 %• Maior média: Urubici, 1,43%Densida<strong>de</strong> <strong>de</strong> Potência• Maior média: B. J. da Serra 3,8%Fator <strong>de</strong> forma, k• 0,49 – 8,05 %• Maior média: Urubici 3,98%Energia anual estimada• Maior média: Imbituba 7%Fator <strong>de</strong> escala, c• 0,15 – 2,56 %• Maior média: B. J. da Serra 1,44%Porém, Laguna em segun<strong>do</strong> lugar com 3,5%
DADOS DE GERAÇÃO DAS USINASEÓLICAS DE SANTA CATARINA• Usina Eólica <strong>de</strong> Bom Jardim da Serra• Usina Eólica <strong>do</strong> Horizonte• Da<strong>do</strong>s <strong>de</strong> Potência, em intervalos <strong>de</strong> 5 minForam calcula<strong>do</strong>s:• Energia• Potência média• FC• Os valores <strong>de</strong> geração foram com<strong>para</strong><strong>do</strong>s as estimativas apresentadas anteriormente• Os valores <strong>para</strong> Água Doce são referentes aos 8 aerogera<strong>do</strong>res. O valor da produçãoindividual não está disponível• Po<strong>de</strong> ser <strong>de</strong> gran<strong>de</strong> influência nos resulta<strong>do</strong>s a pequena quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s <strong>para</strong>com<strong>para</strong>ção
DADOS DE GERAÇÃO DAS USINASEÓLICAS DE SANTA CATARINA• Valores relativamente coerentes• Da<strong>do</strong>s <strong>de</strong> geração comprovam asestimativas• Pmédia calculada = aprox. 140 kW• Pmédio medi<strong>do</strong> = aprox. 140 – 150kW• FC médio calcula<strong>do</strong> = 0,23• FC da<strong>do</strong>s medi<strong>do</strong>s = 0,23 – 0,25• valores aceitáveis <strong>para</strong> a UsinaEólica <strong>do</strong> HorizonteValores calcula<strong>do</strong>s a partir <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s anemométricos CELESCPotência Média (kW) FC Qt<strong>de</strong> <strong>de</strong> Da<strong>do</strong>s *2000 128,93 0,21 0,642001 146,64 0,24 0,862002 151,07 0,25 0,972003 125,9 0,21 0,852004 119,7 0,2 0,47Valores calcula<strong>do</strong>s a partir <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s <strong>de</strong> geração da Usina Eólica <strong>de</strong> HorizontePotência Média (kW) FC Qt<strong>de</strong> <strong>de</strong> Da<strong>do</strong>s *200420051213,4 **151,7 ***1119,7 **139,9 ***0,250,230,720,49* fração <strong>do</strong> ano com da<strong>do</strong>s disponíveis** potência <strong>para</strong> 8 aerogera<strong>do</strong>res *** valor médio por aerogera<strong>do</strong>r
DADOS DE GERAÇÃO DAS USINASEÓLICAS DE SANTA CATARINA• Valores relativamente coerentes• Da<strong>do</strong>s <strong>de</strong> geração comprovam asestimativas• Pmédia calculada = aprox. 102 kW• Pmédio medi<strong>do</strong> = aprox. 74 – 135 kW• FC médio calcula<strong>do</strong> = 0,16 – 0,17• FC da<strong>do</strong>s medi<strong>do</strong>s = 0,17 – 0,18• Baixo <strong>de</strong>sempenho da Usina Eólica <strong>de</strong>B. J. da SerraValores calcula<strong>do</strong>s a partir <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s anemométricos CELESCPotência Média (kW) FC Qt<strong>de</strong> <strong>de</strong> Da<strong>do</strong>s *2000 106,01 0,18 0,842001 83,49 0,14 0,982002 118,13 0,2 0,632003 101,56 0,17 0,69Valores calcula<strong>do</strong>s a partir <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s <strong>de</strong> geração da Usina Eólica <strong>de</strong> B, J, da SerraPotência Média (kW) FC Qt<strong>de</strong> <strong>de</strong> Da<strong>do</strong>s *2002 135,1 0,22 0,472003 108,6 0,18 0,842004 85,2 0,14 0,672005 74,8 0,12 0,33* fração <strong>do</strong> ano com da<strong>do</strong>s disponíveis
DADOS DE GERAÇÃO DAS USINASEÓLICAS DE SANTA CATARINAÁgua Doce 2004• Curvas <strong>de</strong> duração <strong>de</strong> potência<strong>para</strong> da<strong>do</strong>s calcula<strong>do</strong>s e medi<strong>do</strong>s• Foram se<strong>para</strong><strong>do</strong>s os da<strong>do</strong>s <strong>para</strong> osperío<strong>do</strong>s coinci<strong>de</strong>ntesPotência (kW)50004500400035003000250020001500100050000 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Tempo (h)Potência MedidaPotência Calculada (x8)• Água Doce 2004- 3700 h <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s coinci<strong>de</strong>ntes• Bom Jardim da Serra 2003- 3300 h <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s coinci<strong>de</strong>ntesPotência (kW)700600500400300200100Bom Jardim da Serra 200300 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500Tempo (h)Potência MedidaPotência Calculada
PREVISÃO DE VENTOS PARAGERAÇÃO EÓLICADa<strong>do</strong>s utiliza<strong>do</strong>s: Mo<strong>de</strong>lo Eta• Velocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> vento (componentes)• Rugosida<strong>de</strong> superficial• Pressão• Da<strong>do</strong>s Eta: 40 x 40 km, resolução >> área ocupada por um parque <strong>eólico</strong>• Alturas das camadas Eta• Foram utiliza<strong>do</strong>s os da<strong>do</strong>s medi<strong>do</strong>s Celesc (30 e 48 m) <strong>para</strong> validar as correlações <strong>para</strong> operfil <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong>sDesta forma:• A partir <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s medi<strong>do</strong>s a 30 m, e cada uma das correlações, foram calcula<strong>do</strong>s osvalores correspon<strong>de</strong>ntes a 48 m, e estes com<strong>para</strong><strong>do</strong>s com os medi<strong>do</strong>s a 48 m• Para as equações on<strong>de</strong> é necessário o valor da rugosida<strong>de</strong> superficial, foi a<strong>do</strong>ta<strong>do</strong> o valor<strong>de</strong> 0,03 m
PREVISÃO DE VENTOS PARAGERAÇÃO EÓLICAPerfil Logarítmico e Lei <strong>de</strong> Potência(quan<strong>do</strong> o expoente <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> darogosida<strong>de</strong>)• Melhores resulta<strong>do</strong>s. RMSE médio emtorno <strong>de</strong> 0,06• Resulta<strong>do</strong>s semelhantes entre os <strong>do</strong>isperfisLei <strong>de</strong> Potência (quan<strong>do</strong> o expoente não levaem consi<strong>de</strong>ração a rugosida<strong>de</strong>)Altura ( m)Perfil <strong>de</strong> Velocida<strong>de</strong>, Agua Doce 01 Jan 2002.504540353025201510501,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00Velocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)Eq. 3.35 Eq. 3.36 e 3.37 Eq. 3.36 e 3.38• RMSE bem maior que nos casosanteriores. RMSE em torno <strong>de</strong> 0,16
PREVISÃO DE VENTOS PARAGERAÇÃO EÓLICACom<strong>para</strong>ção Veloc. <strong>do</strong> Vento, Lei Logarítmica• Perfil LogarítmicoVelocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento (m/s)11109876j5430 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30dias (Janeiro 2002)perfil logarítmico medi<strong>do</strong>s (z=48 m)Com<strong>para</strong>ção Veloc. Vento, Lei <strong>de</strong> Potência• Lei <strong>de</strong> Potência• Expoente não <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nte da rugosida<strong>de</strong>superficialVelocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento (m/s)111098765430 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30dias (Janeiro 2002)medi<strong>do</strong>s (z=48 m)perfil Lei <strong>de</strong> Potência (sem rugosida<strong>de</strong>)
COMPARAÇÃO ENTRE DADOSETA E CELESC• Água Doce, Imbituba e Campo Erê• Eta 1.° camada (10 m), 1.° rodada<strong>previsão</strong> <strong>de</strong> 6h (3h Hor. Brasília)• Celesc: h = 48 m, Campo Erê 30 m- da<strong>do</strong> Celesc e Eta mesmo horário- da<strong>do</strong> Celesc média <strong>de</strong> 1h• Previsão Eta acompanha bem a tendência dasmedições• Da<strong>do</strong> Celesc x Celesc média 1h: Diminuição noRMSE anual <strong>de</strong> no máx. 6%.Valores muito próximos (ver gráfico)• Da<strong>do</strong>s Celesc x Eta: gran<strong>de</strong>s diferençasRMSE médio anual bastante eleva<strong>do</strong>Diferença em relação ao da<strong>do</strong> medi<strong>do</strong>:Água Doce: 46%Campo Erê: 36%Imbituba: 17%Velocida<strong>de</strong> <strong>do</strong> Vento ( m/s)Com<strong>para</strong>ção ETA x CELESC Campo Erê Julho 2002141210864200 5 10 15 20 25 30Tempo ( dias)ETA CELESC CELESC média
DADOS ETA CORRIGIDOS• Correção feita a partir <strong>do</strong> perfil <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong>s. Calculan<strong>do</strong>valor Eta <strong>para</strong> 48 m• Perfil escolhi<strong>do</strong>: Perfil Logarítmico, em função <strong>do</strong>sresulta<strong>do</strong>s apresenta<strong>do</strong>s• Rugosida<strong>de</strong> Superficial:- Zo valor Eta (A. Doce, C. Erê e Imbituba)- Zo = 0,03 m (A. Doce e C. Erê)-Zo= valor Etae Zo= 0,03 m (A. Doce e C. Erê)Localida<strong>de</strong> Zo (m)Água Doce 0,2179Campo Erê 0,1700Imbituba 0,0175Não foram feitos os <strong>de</strong>mais testes <strong>para</strong> Imbituba por ser arugosida<strong>de</strong> Eta próxima ao valor espera<strong>do</strong> <strong>para</strong> o tipo <strong>de</strong> terreno.Já os valores <strong>para</strong> Água Doce e Campo Erê são bem acima <strong>do</strong>espera<strong>do</strong>.
DADOS ETA CORRIGIDOSCom Rugosida<strong>de</strong> Eta:-Significativa aproximação <strong>do</strong>s valores <strong>de</strong> V média anual-Água Doce: 23% (46%)-Campo Erê: 18% (36%)-Imbituba: 5% <strong>para</strong> 2002, porém, <strong>para</strong> o ano <strong>de</strong> 2003 quase 50% (17%)• Em termos <strong>de</strong> RMSE, este foi o procedimento que apresentou os menores valores (exceto Imbituba)• Os valores <strong>de</strong> RMSE ainda são bem altos: em torno <strong>de</strong> 2,5 m/sRugosida<strong>de</strong> = 0,03 m-Resulta<strong>do</strong>s piores que no caso anterior-Água Doce: 31%-Campo Erê: 23%Rugosida<strong>de</strong> Eta em conjunto com Zo = 0,03 m-on<strong>de</strong> se conseguiu as menores diferenças entre o valor Eta corrigi<strong>do</strong> e as medições-Água Doce: 10%-Campo Erê: 9%
PREVISÃO EÓLICA COM USO DEREDES NEURAIS ARTIFICIAIS• Da<strong>do</strong>s Eta: 40 x 40 km• Posição <strong>do</strong> anemômetro diferente da localização<strong>do</strong>s pontos Eta• Da<strong>do</strong>s Celesc utiliza<strong>do</strong>s <strong>para</strong> treinamento dasre<strong>de</strong>s neurais• Variações na arquitetura da RNA• forma <strong>de</strong> se fornecer os da<strong>do</strong>s a RNA
PREVISÃO EÓLICA COM USO DEREDES NEURAIS ARTIFICIAIS• Valores <strong>de</strong> RMSE altos em to<strong>do</strong>s os casos• Para a massa <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s, RNA com 3n e 5n mostraram-se equivalentes em termos <strong>de</strong>RMSE• Com a utilização <strong>do</strong>s 4 pts ETA: melhora em alguns casos – AD 2003 e BJS 2004resulta<strong>do</strong>s muito ruins em AD 2004piores resulta<strong>do</strong>s que com 1 pt <strong>para</strong> BJS 2003Valores <strong>de</strong> RMSE <strong>para</strong> previsões anos 2003 e 2004 Água Doce e Bom Jardim da SerraÁgua Doce1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos2,31 2,12 1,92 1,87 1,87 1,83 2,48 2,51 2,19 2,31 2,18 2,25Água DoceTreino 2002 - Previsão 20031 Neurônio 3 Neurônios 5 Neurônios 1 NeurônioTreino 2002 e 2003 - Previsão 2004Bom Jardim da Serra3 Neurônios 5 NeurôniosBom Jardim da Serra1 Neurônio 3 Neurônios 5 Neurônios 1 Neurônio 3 Neurônios5 Neurônios1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos 1 pto 4 ptos2,38 2,91 1,96 4,27 1,95 4,38 4,05 3,01 3,68 2,52 3,57 2,41
PREVISÃO EÓLICA COM USO DEREDES NEURAIS ARTIFICIAISVelocida<strong>de</strong>s Médias Anuais• Melhora bastante significativaÁgua Doce: 3n e 5n - 2003 2% <strong>para</strong> pt mais próximo 1% <strong>para</strong> 4 pts- 2004 8% 50%Bom Jardim da Serra: - 2004 melhores resulta<strong>do</strong>s <strong>para</strong> 4 pts1,6% 1n 1,2% 3n 2,2% 5n- <strong>para</strong> pt mais próximo mín. 36%- 2003 melhores resulta<strong>do</strong>s <strong>para</strong> pt mais próximo5% 1n 8,2% 3n 6,1% 5n- <strong>para</strong> 4 pts mín. 12%
PREVISÃO EÓLICA COM USO DEREDES NEURAIS ARTIFICIAISCom<strong>para</strong>ção entre Treino Mês a Mês comTreino Ano completo• Tentativa <strong>para</strong> melhorar as previsõesmensais• RMSE menor <strong>para</strong> Treino Ano completo• V média anualÁgua Doce- Melhores resulta<strong>do</strong>s <strong>para</strong> Treino Mês aMês 4,8% contra 9,1%Imbituba- Melhores resulta<strong>do</strong>s <strong>para</strong> Treino Anocompleto 11,4% contra 14,1%Valores <strong>de</strong> RMSE ( m/s)Agua DoceImbitubaMês20032003P1 P2 P3 P1 P2 P3Janeiro 4,65 2,11 2,24 1,9 2,8 1,83Fevereiro 3,52 2,09 2,1 1,9 2,04 1,76Março 3,77 2,18 1,9 1,94 2,55 1,63Abril 3,46 2,69 1,67 1,68 1,55 1,3Maio 3,84 2,31 1,95 2,07 4,78 1,53Junho 3,63 2,33 2,08 3,28 3,29 3,09Julho 4,32 2,06 2,32 4 2,41 2,38Agosto 3,38 1,9 1,84 3,58 3 2,45Setembro 2,86 2,85 1,78 3,36 2,37 2,23Outubro 3,36 3,31 2,26 3,3 2,09 2,08Novembro 3,48 1,46 1,62 2,51 2,05 1,62Dezembro 3,65 3,2 1,95 3,52 2,99 2,09Média 3,66 2,37 1,98 2,75 2,66 2,00P1= ETA x CELESC P2= ETA x CELESC Re<strong>de</strong>s Neurais mês a mesP3=ETA x CELESC Re<strong>de</strong>s Neurais ano
PREVISÃO EÓLICA COM USO DEREDES NEURAIS ARTIFICIAISRNA Alimentada• Alimenta-se a re<strong>de</strong> neural a medida quenovas previsões vão sen<strong>do</strong> feitas• RMSE <strong>para</strong> 2003 pouco menor que casosanteriores• V média anual: diferença <strong>de</strong> 3,5%• Para 2004, valor alto <strong>de</strong> RMSE, e diferençana V média anual <strong>de</strong> 14%Água Doce. Previsão mensal. RNA alimentadaMês 2003 2004Jan 1,46 1,94Fev 1,66 1,40Mar 2,21 1,97Abr 2,11 2,50Mai 1,96 3,52Jun 1,85 1,68Jul 2,49 2,31Ago 1,76 xSet 1,27 xOut 1,81 xNov 0,96 xDez 2,10 xMédia 1,80 2,19Re<strong>de</strong> treinada com da<strong>do</strong>s 2002, alimentada mês a mês.
PREVISÃO EÓLICA COM USO DEREDES NEURAIS ARTIFICIAISPerfil <strong>de</strong> Velocida<strong>de</strong>• 3 camadas Eta, on<strong>de</strong> em cada camada:- Componentes da velocida<strong>de</strong>- Temperatura- Pressão• RMSEs melhores que casos anteriores• Melhor resulta<strong>do</strong> <strong>para</strong> 4n• Pouca diferença entre 16n e 4n, alimentadaou não• Diferenças entre V média anual• 4n alimentada 1,4%• 16n e 4n 1,8%Previsão <strong>para</strong> Água Doce 2003. Da<strong>do</strong>s perfil <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong>s ETARMSE (m/s)Mês 16 n4 n1 2 AlimentadaJaneiro 2,23 1,72 1,85Fevereiro 1,88 1,75 1,73Março 1,51 1,56 1,63Abril 1,80 1,94 1,82Maio 1,70 1,69 2,12Junho 1,90 1,80 1,90Julho 2,10 2,05 1,91Agosto 1,64 1,67 1,59Setembro 1,40 1,45 1,55Outubro 1,92 1,92 1,91Novembro 0,80 1,17 0,73Dezembro 1,75 1,71 1,66Anual 1,79 1,74 1,77Re<strong>de</strong> treinada com da<strong>do</strong>s ano 2002.
PREVISÃO DE POTÊNCIA COM USODE REDES NEURAIS ARTIFICIAIS• Poucos testes <strong>de</strong>vi<strong>do</strong> a pequena quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong> da<strong>do</strong>s coinci<strong>de</strong>ntes• Da<strong>do</strong>s Eta 3 camadas; Eta 2.° camada; GFS 7 camadas• Valores médios <strong>de</strong> Potência: Água Doce (GFS) 3,6%• Bom Jardim da Serra: 22,5% e 19% (2.°cam)• Bom Jardim da Serra (GFS): 9,9%• Valor <strong>do</strong> RMSE muito alto <strong>para</strong> to<strong>do</strong>s os casosPot média CELESC (kW) Pot ETA (kW) Pot ETA 2°cam (kW) Pot GFS (kW)Água Doce2005 1509,19x x 1454,68RMSE* (kW) 933,83 (64,2%)Bom Jardim da Serra2003 92,4113,16 109,95RMSE* (kW) 107,48 (95%) 113,5 (103,2%)2005 87,86x x 96,54RMSE* (kW) 87,2 (90,3%)* % em relação a Pot. MédiaRNA treinadas com anos <strong>de</strong> 2002 - prev 2003 e 2004 - prev 2005.
CONCLUSÕES• Destacam-se Laguna e Urubici- V média anual > 7 m/s- FC Laguna = 0,4 FC Urubici = 0,34- Àgua Doce: características básicas <strong>para</strong> aproveitamento <strong>eólico</strong>V médio > 6 m/s; regularida<strong>de</strong>; FC = 0,24 (AG 600 kW)• As 6 localida<strong>de</strong>s apresentam regiões com possibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> bom aproveitamento <strong>eólico</strong>(FC > 0,30)• Apenas Bom Jardim da Serra apresenta gran<strong>de</strong>s variações direcionais• Intensida<strong>de</strong> <strong>de</strong> Turbulência <strong>de</strong>ve ser levada em consi<strong>de</strong>ração, principalmente B. J. daSerra e Imbituba (> 0,2)
CONCLUSÕES• Valores estima<strong>do</strong>s <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia compatíveis com a geração• Energia Gerada: Água Doce – aceitável Bom Jardim da Serra – fraco<strong>de</strong>sempenho• Previsão Eólica: Boa representação da tendência <strong>do</strong> comportamento <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s• Boa aproximação <strong>do</strong>s valores médios anuais <strong>de</strong> Velocida<strong>de</strong> e Potência• Gran<strong>de</strong> variação <strong>do</strong>s resulta<strong>do</strong>s, com RMSE <strong>de</strong> no mínimo 1,74 m/s (anual)
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS• Avaliação <strong>do</strong> <strong>potencial</strong> das <strong>de</strong>mais localida<strong>de</strong>s em SC• Caracterização das classes <strong>de</strong> rugosida<strong>de</strong> superficial <strong>para</strong> SC, e avaliação dainfluência na quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong> energia estimada• I<strong>de</strong>ntificação e caracterização <strong>do</strong>s obstáculos próximos às torresanemométricas e avaliação <strong>do</strong> impacto <strong>de</strong>stes na geração <strong>de</strong> energia• Estu<strong>do</strong> <strong>de</strong> viabilida<strong>de</strong> econômica <strong>de</strong> projetos <strong>eólico</strong>s <strong>para</strong> as estações eólicas <strong>de</strong>SC
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS• Análise econômica <strong>para</strong> <strong>de</strong>terminar os tamanhos <strong>de</strong> AGs mais a<strong>de</strong>qua<strong>do</strong>s acada localida<strong>de</strong>• Estu<strong>do</strong> <strong>do</strong> rendimento <strong>do</strong>s AGs em diferentes alturas em com<strong>para</strong>ção comAGs <strong>de</strong> maior potência, análise técnica e econômica• Estu<strong>do</strong> <strong>de</strong> <strong>previsão</strong> <strong>de</strong> <strong>ventos</strong> através <strong>de</strong> RNA utilizan<strong>do</strong> como da<strong>do</strong>s <strong>de</strong>referência <strong>para</strong> o treinamento um perfil <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong>s local.• Aplicações da técnica <strong>de</strong> RNA <strong>para</strong> sítios <strong>eólico</strong>s <strong>de</strong> outras regiões brasileiras