“O pessimista reclama do vento; o otimista espera que ele mude; o realista ajusta as velas.”
A analise do vento se tornou fundamental para o desenvolvimento da energia eólica. A determinação da energia gerada pela usina eólica requer o conhecimento estatístico do vento.
Todos possuem conhecimentos sobre o vento. A praia, o mar, as pipas, as montanhas e os temporais nos forçaram a analisar esse poderoso elemento da natureza.
Ele pode ser suave ou destruidor conforme mostram as fotos acima.
A potência eólica é proporcional ao cubo da velocidade do vento, conforme o Capítulo Turbinas Eólicas. Portanto, torna-se necessário fazer um estudo estatístico da velocidade do vento semelhante à análise feita para a energia hidrelétrica.
Muito antes da geração de energia elétrica, o vento foi a força motriz das embarcações e, por isso, os marinheiros de antigamente desenvolveram muito conhecimento sobre este elemento da natureza.
No século XIX, Sir Francis Beaufort, desenvolveu uma escala, baseada em efeitos visuais, utilizada até hoje para definir a força do vento.
O sucesso desta escala, conhecida como Escala Beaufort, se baseou na falta de instrumentos de medição de velocidade do vento naquela época.
Na verdade, a medição do vento não é simples, mesmo atualmente com as estações meteorológicas modernas.
Escala Beaufort
| Grau | Designação | Nós | km//h | m/s | Aspecto no mar | Efeitos em terra |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | Calmaria | <1 | <2 | <1 | Espelhado | Fumaça vertical |
| 1 | Bafagem | 1 a 3 | 2 a 6 | 1 a 2 | Pequenas rugas da superfície do mar | Fumaça indicando a direção do vento |
| 2 | Aragem | 4 a 6 | 7 a 11 | 2 a 3 | Ligeira ondulação sem rebentação | As folhas das árvores ovem; Os moinhos começam a trabalhar |
| 3 | Fraco | 7 a 10 | 13 a 19 | 4 a 5 | Ondulação até 60 cm, com alguns carneiros | As folhas agitam-se e as bandeiras desfraldamao vento |
| 4 | Moderado | 11 a 16 | 20 a 30 | 6 a 8 | Ondulação até 1.5 m, carneiros frequentes | Poeira e pequenos papéis levantados; movem-se os galhos das árvores |
| 5 | Fresco | 17 a 21 | 31 a 39 | 9 a 11 | Ondulação até 2.5 m, muitos carneiros | Movimentação de árvores pequenas; Superfície dos lagos ondula |
| 6 | Muito Fresco | 22 a 27 | 41 a 50 | 11 a 14 | Ondas grandes até 3.5 m; borrifos | Movem-se os ramos das árvores; Dificuldade em manter um guarda-chuva aberto |
| 7 | Forte | 28 a 33 | 52 a 61 | 14 a 17 | Mar revolto até 4.5 m com espuma e borrifos | Movem-se as árvores grandes; Dificuldade em andar contra o vento |
| 8 | Muito Forte | 34 a 40 | 63 a 74 | 17 a 21 | Mar revolto até 7.5 m com rebentação e faixas de espuma | Quebram-se galhos de árvores; circulação de pessoas difícil |
| 9 | Duro | 41 a 47 | 76 a 87 | 21 a 24 | Mar revolto até 9 m; borrifos afetam visibilidade | Danos em árvores; impossível andar contra o vento |
| 10 | Muito Duro | 48 a 55 | 89 a 102 | 25 a 28 | Mar revolto até 12 m; superfície do mar branca | Árvores arrancadas; danos na estrutura de construções |
| 11 | Tempestade | 56 a 63 | 104 a 117 | 29 a 32 | Mar revolto até 14 m; Pequenos navios sobem nas vagas | Estragos abundantes em telhados e árvores |
| 12 | Furação | > 64 | > 119 | > 33 | Mar todo de espuma; visibilidade nula | Grandes estragos |
A Circulação Atmosférica
A atmosfera possui papel vital na vida na terra, mas representa apenas 1% do seu raio. Isto significa que esta pequena casca gasosa nos envolve, protege e estabiliza a temperatura da terra transferindo energia térmica ao redor do planeta.
Portanto, a atmosfera compartilha o papel de regulador da temperatura terrestre com os oceanos, que desempenham a função de armazenadores de calor, formando o maior sistema termodinâmico do planeta.
Classifica-se a atmosfera como uma solução de gases, cuja composição se encontra na tabela abaixo. Conforme visto no Capítulo de Combustão, considera-se a composição do ar como sendo de Nitrogênio e Oxigênio.
Composição da Solução Atmosférica próxima à superfície
| Gás | Símbolo | Percentual por volume de ar seco |
|---|---|---|
| Nitrogênio | N2 | 78,08 |
| Oxigênio | O2 | 20,95 |
| Argônio | Ar | 0,93 |
| Neon | Ne | 0,0018 |
| Helio | He | 0,0005 |
| Hidrogênio | H2 | 0,00006 |
| Xenonio | Xe | 0,000009 |
Além desses gases que constituem a base da atmosfera, existem outros componentes cuja composição varia ao longo do tempo, conforme mostra a Tabela abaixo.
| Elemento | Símbolo | Percentual volumétrico | ppm |
|---|---|---|---|
| Vapor d'água | H2O | 0 a 4 | |
| Dióxido de Carbono | CO2 | 0,039 | 395 |
| Metano | CH4 | 0,00018 | 1,8 |
| Óxido de Nitrogênio | N2O | 0,00003 | 0,3 |
| Ozônio | O3 | 0,000004 | 0,04 |
| Particulados | 0,000001 | 0,01 a 0,15 | |
| Clorofluorcarbonos | CFC | 0,00000002 | 0,0002 |
| A concentração de Ozônio se encontra entre 5 e 12 ppm em altitudes entre 11 e 50 km |
Fluidos aquecidos se tornam menos densos e tendem a se expandir devido ao aumento de pressão. Isto significa que o ar quente tende a subir na atmosfera e o ar frio a descer. Como o sol aquece a terra de forma desigual, a dinâmica da atmosfera depende da geografia e do movimento da terra ao redor do sol.
Os vídeos abaixo apresentam a circulação dos ventos na atmosfera.
Conforme mostrado nos vídeos acima, a velocidade do vento possui duas componentes; vertical e a horizontal. Mede-se a componente horizontal com relativa facilidade, mas a vertical não.
Na verdade, representa-se a velocidade do vento por um vetor tridimensional composto por flutuações espaço temporais sobrepostas no tempo sobre as componentes de larga escala1.
Todas as turbinas eólicas funcionam baseadas no vento horizontal, mas a componente vertical afeta o dimensionamento estrutural da turbina.
Análise do Vento
A Figura 1 mostra a velocidade média horária do vento horizontal de uma semana na cidade de Natal disponibilizados pelo Instituto Nacional de Meteorologia do Ministério da Agricultura entre 1/8/2008 e 7/8/2008. Observa-se uma volatilidade maior do que a observada nas vazões dos rios e a periodicidade diária. Isso,significa uma maior volatilidade na energia gerada e maior dificuldade de operação do sistema.
A Figura 2 mostra a relação entre vento e chuva na mesma localidade e dias. Aparentemente, existe uma correlação negativa entre chuva e vento nessa localidade.
Por sua vez, a Figura 3 mostra a relação entre a velocidade do vento e as rajadas de vento. As rajadas consistem de variações rápidas que afetam as estruturas, a aterrissagem de aeroplanos, mas não contribuem para a geração de energia. Porém, as turbinas eólicas, torres e sistemas de proteção devem considerá-las para que a geração opere confiavelmente.
Finalmente, a figura 4 demonstra a correlação entre a velocidade do vento e a irradiação solar nessa localidade e semana. Observa-se uma correlação positiva entre elas nesse local. Essa característica representa um aumento de risco para o setor elétrico porque usinas eólicas e solares operando na região aumentarão a volatilidade da energia gerada.
Referências
- AHRENS, C. D., Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment, 10 Ed., Brookes/Cole, 2013.2