Apostila Anemometria, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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CENTRO DE TECNOLOGIAS DO GÁS & ENERGIAS RENOVÁVEIS

CTGAS-ER

ANEMOMETRIA

DARLAN EMANOEL SILVA DOS SANTOS

Natal, Fevereiro de 2012

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. III

iii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. CAPACIDADE EÓLICA ACUMULADA INSTALADA NO MUNDO

ENTRE 1996 E 2009. ...................................................................................... 2

FIGURA 2. TAXA DE CRESCIMENTO DE MERCADO MUNDIAL. ................................. 2

FIGURA 3. POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO.................................................................. 4

FIGURA 4. CRESCIMENTO DA GERAÇÃO EÓLICA NO BRASIL. .................................. 5

FIGURA 5. ESTAÇÃO METEOROLÓGICA. ......................................................................... 6

FIGURA 6. TORRE ANEMOMÉTRICA PARA DETERMINAÇÃO DE POTENCIAL

EÓLICO. .......................................................................................................... 6

FIGURA 7. ATLAS DO POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO. ............................................ 7

FIGURA 8. IMAGEM AÉREA DE UM SITE EM ESTUDO. ............................................... 10

FIGURA 9. TERRENO COMPLEXO (A) E TERRENO SIMPLES (B). .............................. 11

FIGURA 10. TORRE ANEMOMÉTRICA COM SEUS DIVERSOS SENSORES.

TORRE (A), SENSORES PRINCIPAIS (B), SENSORES

INTERMEDIÁRIOS (C E D), FACE (E), SISTEMA DE

TRANSMISSÃO (F) E CAIXA (G). ............................................................. 13

FIGURA 11. ANÁLISE BIDIMENSIONAL DE NAVIER-STOKES DE FLUXO

ENTORNO DE TORRE TUBULAR E TRELIÇADA. ................................ 15

FIGURA 12. ANÁLISE DAS DISTORÇÕES DO FLUXO DE VENTO E

DETERMINAÇÃO DAS DISTÂNCIAS DOS SUPORTES DOS

SENSORES DA TORRE............................................................................... 16

FIGURA 13.ANEMÔMETRO THIES FIRST CLASS ADVANCED. .................................. 17

FIGURA 14.ANEMÔMETRO THIES COMPACT. ............................................................... 17

FIGURA 15.ANEMÔMETRO THIES CLASSIC................................................................... 18

FIGURA 16.ANEMÔMETRO FIRST CLASS L100.............................................................. 18

FIGURA 17. ANEMÔMETRO RISO P2546. ......................................................................... 18

FIGURA 18.ANEMÔMETRO VASAILA WAA 252. ........................................................... 19

FIGURA 19. ANEMÔMETRO YOUNG DE HÉLICE 27106T. ............................................ 19

iv

FIGURA 20. DETERMINAÇÃO DA CLASSE DE ANEMÔMETROS. .............................. 20

FIGURA 21.MEDIDOR DE DIREÇÃO THIES FIRST CLASS............................................ 21

FIGURA 22. MEDIDOR DE DIREÇÃO THIES COMPACT. ............................................... 21

FIGURA 23. MEDIDOR DE DIREÇÃO THIES CLASSIC. ................................................. 21

FIGURA 24. SENSOR DE TEMPERATURA E PRESSÃO BAROMÉTRICA

CALLTEC. .................................................................................................... 22

FIGURA 25. ESCUDO DE PROTEÇÃO CONTRA RADIAÇÃO E CHUVA. .................... 22

FIGURA 26. BARÔMETRO AMMONIT AB 60. .................................................................. 23

FIGURA 27. BARÔMETRO AMMONIT AB 100. ................................................................ 23

FIGURA 28. BARÔMETRO VASAILA PTB 110. ................................................................ 23

FIGURA 29. INDICAÇÃO ERRADA DE SUPORTE PARA INSTALAÇÃO DE

ANEMÔMETRO. .......................................................................................... 24

FIGURA 30. EFEITO NOS DADOS POR INTERFERÊNCIA DE SUPORTE .................... 24

FIGURA 31. INDICAÇÃO CORRETA DE SUPORTE PARA INSTALAÇÃO DE

ANEMÔMETRO. .......................................................................................... 24

FIGURA 32. EFEITO NOS DADOS POR SEM INTERFERÊNCIA DE SUPORTE. .......... 24

FIGURA 33. ESQUEMA DE TORRE TRELIÇADA COM SUPORTES

INSTALADOS DIAMETRALMENTE OPOSTOS. .................................... 25

FIGURA 34. EFEITO DE SOMBRA CAUSADO POR INSTALAÇÃO DE

EQUIPAMENTOS DIAMETRALMENTE OPOSTOS. .............................. 25

FIGURA 35. DADO DE VENTO COM VALOR FORA DA FAIXA DE MEDIÇÃO

ESPERADA. .................................................................................................. 26

FIGURA 36. DADO DE VENTO COM ALTERAÇÃO DE OFFSET. ................................. 26

FIGURA 37. DADO DE VENTO COM VALORES ZERADOS........................................... 26

FIGURA 38. DADO DE VENTO COM VALORES CONGELADOS. ................................. 26

FIGURA 39. MEDIDOR DE DIREÇÃO COM DADO ALTERADO POR PÁSSARO. ...... 28

FIGURA 40. TORRE ANEMOMÉTRICA EDUCACIONAL DO CTGAS-ER. ................... 32

FIGURA 41. SUPORTES DOS SENSORES DA TORRE ANEMOMÉTRICA DO

CTGAS-ER. ................................................................................................... 33

vi

• LISTA DE EQUAÇÕES LISTA DE TABELAS VII
• 1. INTRODUÇÃO
• 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................................................
• 2.1. ENERGIA EÓLICA NO MUNDO
• 2.2. ENERGIA EÓLICA NO BRASIL
• 2.3. ANEMOMETRIA PARA DETERMINAÇÃO DE POTENCIAL EÓLICO
• 2.3.1. BOAS PRÁTICAS DE INSTALAÇÃO DE TORRES DE MEDIÇÃO
• 2.3.1.1. AVALIAÇÃO PRELIMINAR DE UM SITE
• 2.3.1.2. A TORRE DE MEDIÇÃO
• 2.3.1.3. OS EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO
• 2.3.1.3.1. ANEMÔMETROS
• 2.3.1.3.2. BIRUTAS
• 2.3.1.3.3. SENSORES DE TEMPERATURA E UMIDADE
• 2.3.1.3.4. BARÔMETROS.......................................................................................................
• 2.3.1.4. EFEITOS CAUSADOS POR ERROS DE INSTALAÇÃO
• 2.3.1.5. CRITÉRIOS PAR ANÁLISE DE DADOS
• 3. ESTUDO DE CASO
• 3.1. TORRE ANEMOMÉTRICA EDUCACIONAL
• 3.2. VALIDAÇÃO DE DADOS DA TORRE ANEMOMÉTRICA
• 3.2.1 IDENTIFICAÇÃO DE PROBLEMAS
• 3.2.2 APLICAÇÃO DOS CRITÉRIOS DE VALIDAÇÃO DE DADOS
• 3.2.2.1 CRITÉRIOS PARA TESTES DE RANGE
• 3.2.2.2 CRITÉRIOS PARA TESTES DE TENDÊNCIA
• 3.2.3 AVALIAÇÃO DOS DADOS APÓS APLICAÇÃO DE CRITÉRIOS
• 4. OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE TORRES ANEMOMÉTRICAS
• 4.1 INSPEÇÃO LOCAL
• 4.2 PROCEDIMENTOS DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO.............................................
• 4.2.1 PROCEDIMENTOS DE ESCRITÓRIO
• 4.2.2 PROCEDIMENTOS DE SITE........................................................................................
• 4.2.3 PROCEDIMENTOS DE PARTIDA
• FIGURA 58. EQUIPAMENTO DE AQUISIÇÃO DE DADOS - DATALOGGER.
• FIGURA 59. ANEMÔMETRO DE COPOS FIRST CLASS.
• FIGURA 60. WIND VANE - BIRUTA.
• FIGURA 61. THERMOHIGRÔMETRO.
• FIGURA 62. TORRE DE MEDIÇÃO ANEMOMÉTRICA.
• DE MEDIÇÃO. FIGURA 63. GRÁFICO DE PARETO COM ANÁLISE DE FALHAS EM TORRES
• FIGURA 64. TÚNEL DE VENTO.
• FIGURA 65. INCERTEZA DO SENSOR NA MEDIÇÃO.
• FIGURA 66. INCERTEZA DE MEDIDAS EM EMPREENDIMENTOS EÓLICOS.
• UMIDADE E TEMPERATURA................................................................... FIGURA 67. (A) ESCALONAMENTO DA VELOCIDADE E (B) RELAÇÃO ENTRE
• FIGURA 68. ÁREA DE ENSAIO DO TÚNEL DE VENTO.
• FIGURA 69. RESULTADO DE ENSAIO DE CALIBRAÇÃO DE ANEMÔMETRO.

vii

LISTA DE TABELAS

TABELA 1. UTILIZAÇÃO INTERNACIONAL DA ENERGIA EÓLICA. ........................... 3

TABELA 2. ESTIMATIVA DE CT PARA DIVERSOS TIPOS DE TORRE EM

TRELIÇA....................................................................................................... 15

TABELA 3. CLASSIFICAÇÃO DE ANEMÔMETROS........................................................ 20

TABELA 4. CRITÉRIO DE VALIDAÇÃO PARA TESTES DE RANGE............................ 30

TABELA 5. CRITÉRIO DE VALIDAÇÃO PARA TESTES DE TENDÊNCIA. ................. 30

TABELA 6. SAÍDA DO SOFTWARE COM SUMÁRIO DA ANÁLISE. ............................ 44

TABELA 7. SAÍDA PRINCIPAL COM ANÁLISE DOS DADOS BRUTOS. ..................... 44

TABELA 8. SAÍDA PRINCIPAL COM ANÁLISE DOS DADOS TRATADOS. ................ 45

TABELA 9. SAÍDA COM INFORMAÇÃO DOS DADOS IDENTIFICADOS. ................... 45

TABELA 10. SAÍDA COM INFORMAÇÕES QUANTO A FALTA DE DADOS E

PARÂMETROS “ C ” E “ K ” DE WEIBULL. ................................................ 46

TABELA 11. INSTITUIÇÕES COM TÚNEL DE VENTO COM CONFIGURAÇÃO

MEASNET..................................................................................................... 64

1. INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, em função do aumento relacionado ao uso de combustíveis fósseis e os problemas pelo uso dessa fonte ao longo do século XX, as energias de fontes renováveis apresentaram-se como alternativa a geração de energia elétrica. Também foi considerada como fator para o desenvolvimento dessa nova indústria a diminuição dos valores dos equipamentos, além do incentivo a implantação desse novo mercado no território nacional. No Brasil, onde a base energética é basicamente hídrica, observa-se um esgotamento dessa fonte, sendo cada vez mais difícil encontra locais para realização de projetos dessa natureza, seja de pequeno porte como em PCHs (Pequenas Centrais Hidroelétricas), ou em projetos de grande porte, o que tem encontrado resistência por parte de grupos ambientalistas e parte da população. No entanto, observa-se que há potencial hidroelétrico a ser explorado. Foi medido que no território nacional, o potencial estimado de 260 GW e com 79 GW instalado, e sendo assim, essa fonte ainda será à base da matriz energética. (SILVA, 2006) Apesar do potencial que ainda possa ser explorado na fonte hídrica, há uma necessidade crescente pela diversificação da matriz energética nacional, além de fontes que venham ao encontro da necessidade de se adequar as políticas energéticas do país a uma linha mais “verde’. Dentro dessa visão, a energia eólica apresenta potencial a geração de energia por fonte renovável em substituição as fontes fósseis e com o contínuo avanço tecnológico, as turbinas eólicas tiveram grande evolução e hoje apresentam preços acessíveis ao mercado. A medição de vento é necessária em diversas áreas como, por exemplo, na meteorologia, na previsão do tempo, na agricultura, indústria e pesquisas científicas. Idealmente, a caracterização do recurso eólico num local deve ser feita com base em medições realizadas em vários pontos da área de interesse e ao longo de um número significativo de anos. Na prática, a falta de tempo e de recursos financeiros leva que as decisões sejam muitas vezes baseadas num único registro medido ao longo de apenas um ano, sendo a medição do vento feita com instrumentação específica como anemômetros, sensores de direção, transdutores de pressão e termohigrometros. Para a medição de vento como método para determinação do potencial eólico de uma região específica, torres anemométricas instrumentadas e projetadas para esse fim são usadas em larga escala no mundo inteiro, sendo seus dados, após o período da campanha de medição, analisados e avaliados em softwares específicos para esse fim.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. ENERGIA EÓLICA NO MUNDO

A capacidade acumulada de geração por meio de fonte eólica apresentou crescimento considerável desde o final do século passado, sendo considerado um como um bom caminho alternativo ao uso de fontes não-renováveis, como conseqüência na degradação ao meio ambiente, sendo a fonte que apresenta, na atualidade, uma das maiores taxas de crescimento. O crescimento da energia eólica apresenta uma perspectiva promissora no mundo todo, mesmo considerando problemas relacionados à economia ou procura por novos mercados, indicando um crescimento sustentável. A potência eólica instalada em vários países pode ser observada na tabela 01 (DUTRA, 2009). A evolução da capacidade acumulada de geração eólica é mostrada na Figura 01, indicando um crescimento gradativo desde meados de 1996, além da taxa de crescimento de utilização anual Figura 02. (OLIVEIRA, 2011).

FIGURA 1. Capacidade Eólica acumulada instalada no mundo entre 1996 e 2009.

FIGURA 2. Taxa de crescimento de mercado mundial.

2.2. ENERGIA EÓLICA NO BRASIL

O Brasil teve seu primeiro aerogerador instalado em 1992, na ilha de Fernando de Noronha, com uma máquina com capacidade de 75 kW, com intenção de diminuir a demanda por combustível no sistema de geração, tendo outra turbina instalada em 2000 com capacidade de 225 kW. Em 1994 a Companhia Elétrica de Minas Gerais – CEMIG instalou uma usina eólica experimental com potência de 1000 kW, sendo esta já conectada ao sistema elétrico nacional. Em 1999, a companhia elétrica do Paraná – COPEL juntamente com a Wobben-ENERCON, instalou a usina eólica de Palmas, com uma potência instalada de 2, MW. Em 1996, a Companhia Elétrica do Ceará – COELCE iniciou o programa da usina de Mucuripe, em Fortaleza, com 1,2 MW de potencia instalada, com posterior entrada das usinas de Prainha (10 MW) e Taíba (5 MW), além de outros projetos implementados até meados de 2002, quando o governo brasileiro, por meio do ministério de Minas e Energia – MME, criou o Programa de incentivo às fontes de alternativas de energia elétrica – PROINFA, com objetivo de aumentar a participação da energia elétrica gerada a partir de fontes alternativas de energia (PAVINATTO, 2005). Por meio do atlas eólico brasileiro, elaborado por uma iniciativa do Governo Federal, Ministério de Minas e Energia, Eletrobrás e CRESESB, foram observados que com medições a 50 m de altura o Brasil apresentava potencial de geração de aproximadamente 140 GW. O mapa do potencial eólico do Brasil pode ser observado na Figura 03.

FIGURA 3. Potencial eólico brasileiro.

O Brasil ainda apresenta uma participação pequena de geração comparada a países com maior tradição na implantação de parques eólicos. No entanto, ao longo da última década, o país teve um crescimento expressivo na geração de energia eólica, principalmente depois de 2006 como pode ser visto na Figura 04.

FIGURA 4. Crescimento da geração eólica no Brasil.

2.3. ANEMOMETRIA PARA DETERMINAÇÃO DE POTENCIAL EÓLICO

Anemometria refere-se aos processos relacionados à medição e análise posterior de dados em local pré-determinado para elaboração de um micrositting. O termo advém de Ánemos (vento) acrescido da expressão Metrein (medir), e de maneira geral representa o estudo dos métodos da medição da velocidade e direção do vento. Apesar da anemometria para determinação de potencial ser uma aplicação bastante específica para esse estudo, a anemometria apresenta aplicações diversas em diversos setores da indústria como, por exemplo: o Indústria Aeronáutica – Nos mais diversos tipos de sensores relacionados à medição da velocidade do vento em uma aeronave ou na aplicação desse sistema em aeroportos para controle de pousos e decolagens de vôos comerciais, militares e domésticos; o Indústria Aerodinâmica – Com grande aplicação nos túneis de vento que servem de estudo para a indústria civil, na análise de estruturas prediais e a própria indústria aeronáutica no estudo de perfis aerodinâmicos; o Meteorologia – Amplamente utilizada na caracterização climatológica como, por exemplo, na alimentação de modelos de previsão.

FIGURA 7. Atlas do potencial eólico brasileiro.

Para uma caracterização confiável na anemometria para energia eólica, as seguintes variáveis relacionadas ao vento devem ser estudadas: o Velocidade do vento; o Direção do vento. Também há a necessidade da medição de variáveis complementares que auxiliaram no estudo, sendo eles: o Umidade relativa do ar; o Pressão barométrica; o Temperatura do ar. Todos esses dados poderão ser utilizados na caracterização do recurso eólico dentro de uma área como, por exemplo, na alimentação de modelos de extrapolação de vento em microescala.

2.3.1. BOAS PRÁTICAS DE INSTALAÇÃO DE TORRES DE MEDIÇÃO

A medição do vento por meio de torres de medição de potencial eólico (torres anemométricas) apresenta-se como a principal forma de medição, sendo a mais confiável para esse fim. Novas tecnologias como a medição a laser e som, tem se apresentado como alternativas para medição a estão entrando no mercado brasileiro ainda de forma incipiente. Para correta análise de regimes de vento locais, são recomendadas estimativas de potencial eólico baseadas em medições de alta qualidade e especificidade por meio de torres de medição com campanhas de pelo menos 01 ano de duração, sendo a torre de medição o equipamento utilizado para a realização dessa campanha, e nela estão dispostos todos os sensores e equipamentos para esse fim, sendo a correta disposição desses instrumentos na torre um fator crítico na caracterização do vento.

O projeto da Torre de Medição tem que atender as seguintes condições pré-estabelecidas: (I) altura das máquinas que serão implantadas e (II) rosa dos ventos com levantamento prévio das características do vento (podendo ser o resultado obtido a partir de atlas eólico). Atualmente, os projetos de torres instaladas no Brasil, apresentam altura média de 100m em função do tamanho dos aerogeradores que estão sendo implantados nos atuais parques eólicos em construção. A rosa dos ventos apresenta-se como pré-requisito fundamental em função do correto posicionamento dos sensores na torre, a fim de se evitar interferência da torre na medição, além de possibilitar o seu melhor alinhamento. Na instalação da torre deve-se atentar área de cobertura da mesma, ou seja, o raio de representatividade dessa torre por meio dos dados de vento medido. Nesse ponto, são determinados dois tipos de terrenos a serem catalogados: terreno simples e terreno complexo. Para terrenos simples, considera-se um raio de representatividade de até 10 km enquanto para terrenos complexos, um raio de no máximo 2 km. Outras características também devem ser observadas como: relevo, árvores, cidades ou outros obstáculos que possa interferir na medição do vento local. Infere-se dessa forma, que para terrenos complexos se faz necessário um maior número de torres para perfeita caracterização da área. (MEASNET, 2009) Determinado o local de instalação da torre, se faz necessário levar em consideração diversos parâmetros de instalação como: Instalação do anemômetro de topo em tubo vertical (de preferência igual em que foi calibrado); desvio angular inferior a 2°; tubo do suporte do anemômetro com diâmetro menor que o diâmetro do corpo do anemômetro; altura mínima do anemômetro de topo de 0,75 m; instrumentos instalados posicionados pelo menos a 1,5 m dos anemômetros; para-raio com cone de proteção de 60°; posicionamento do medidor de direção a pelo menos 1,5 m abaixo do anemômetro principal; sensores de pressão e temperatura instalados a 1,5 m do anemômetro principal, sendo o medidor de temperatura protegido de irradiação; entre outros. (IEC, 2005) Para registro dos dados de vento, médias de 10 minutos com taxas de amostragem de 1 Hz da velocidade e direção devem ser coletadas no período de um ano a fim de se caracterizar toda a sazonalidade do vento dentro desse período, sendo considerada uma medição completa, séries temporais com as seguintes características: período de coleta de dados de pelo menos 01 ano; disponibilidade de dados maior que 90%; disponibilidade de dados preenchidos por técnicas como MCP maior que 95%. (MEASNET, 1997). Ponto de destaque para essa análise refere-se à calibração dos anemômetros em uso. É recomendado que os anemômetros sejam calibrados da cada 06 meses, devendo ser feita em túnel de vento e em instituições que possibilite rastreabilidade internacional MEASNET, devendo fazer parte do processo de calibração: calibração prévia do túnel de vento; cálculo

de medição. Essa análise rápida poderá determinar se as bases serão, por exemplo, concretadas ou não. o Fotos panorâmicas locais – Essas imagens darão recurso necessário à caracterização da área ao redor da torre de medição, podendo inclusive identificar possíveis interferências na futura medição; o Georreferenciamento – Uso de ferramenta GIS na caracterização do local como objeto complementar a análise da área. Identificação dos pontos, áreas e obstáculos determinando suas coordenadas com respectivo referenciamento de datum, sistema de coordenadas e zona. A figura 08 apresenta um bom exemplo do número de informações que podem ser extraídas de uma área num levantamento preliminar de um site.

FIGURA 8. Imagem aérea de um site em estudo.

Por meio da imagem podem-se observar várias questões que podem ser levantadas como, por exemplo: o Há um acesso para essa área permitindo transporte de material; o Há inúmeros obstáculos na forma de prédios baixos ao longo do acesso; o A área não é plana; o Há lagos ao longo da área; o Outros Observa-se assim que rapidamente, o número de informações que podem ser extraídas de uma simples imagem é bastante grande e se faz necessária para a caracterização do local. De maneira geral, o local deve ser representativo em relação à área total do projeto que se pretende implantar na região, observando as distâncias entre os obstáculos, facilidade de acesso para transporte de equipamentos e manutenções, análise de zonas de transição de rugosidade entre outras. A influência dos obstáculos pode resultar em perdas significativas,

requerendo dessa forma modelagens complexas, devendo-se considerar também sua posição relativa em relação à área de interesse, dimensões e porosidade. (DUTRA, 2001) O ponto que se deseja especificar refere-se ao ponto do espaço coincidente com a altura do cubo do aerogerador que se deseja instalar. Problemas relacionados à interferência da própria torre, dos suportes e outros instrumentos devem ser identificados e minimizados; além da correta determinação dos sensores com suas respectivas alturas e disposição. Nesse ponto já se tem uma idéia do projeto da campanha de medição para coleta e análise de dados. Com essas informações é determinado o número de torres de medição e as alturas dos sensores que serão instalados. A Figura 09 apresenta duas imagens que representam zonas com relevos distintos.

FIGURA 9. Terreno complexo (A) e terreno simples (B).

A caracterização correta da área do projeto determina a área de abrangência da torre de medição e conseqüentemente o seu número. A análise do terreno, no entanto não pode ser simplesmente visual. Uma boa estimativa para classificação do terreno é obtido por meio da relação existente entre a altura e o comprimento de um morro, por exemplo. A análise indica que se a relação (H/L) entre a altura (H) e o comprimento (L) for menor ou igual a 0,02 o terreno pode ser caracterizado como simples (FROST, 1979). Nesse ponto pode-se determinar assim o raio de representatividade da torre de medição, que se refere ao raio máximo partindo do local de instalação da torre onde o registro dos dados de vento seja representativo. Assim pode-se dizer que quanto maior o número de obstáculos, elevada rugosidade, árvores entre outros, menor será o raio de representatividade dessa torre de medição. O terreno do tipo simples, com área plana e sem obstáculos representativos e relevo complexo com relevo pronunciado e presença de obstáculos tem raios de representatividade de 2 km e 10 km respectivamente. (MEASNET, 2009) Como recomendação para o início da campanha de medição, estratégias devem ser estabelecidas. Entre elas pode-se citar: