ESTIMATIVA DA GERAÇÃOEÓLICA EM PALMAS (PR)

Autores: Alexandre K. Guetter, Felipe S. Hiruma,Paulo H. Soares

1. INTRODUÇÃOA capacidade instalada da geração eólica tem tido um crescimento significativo noBrasil [1]:

� Até 12/2012: 2.000 MW ou 1,5% do capacidade instalada total;� 2013 a 2022:15.000 MW, correspondendo a 9,5% da capacidade estimada.

A viabilidade econômica de uma usina eólica depende da receita média anual e doscustos de investimento, operação e manutenção. A receita média anual é função dorendimento do equipamento e de variáveis meteorológicas.

Fig. 1. Fluxograma para estimativa da energia média anual

O objetivo deste trabalho é avaliar a energia anual de 2008 gerada pela Usina Eólio-Elétrica de Palmas (PR) a partir da aplicação de um método estocástico, explicitando ovalor da superestimativa da geração ao se aplicar a curva de potência com densidadedo ar de referência.

2. LOCAL DE ESTUDO E DADOSA Usina Eólio-Elétrica de Palmas se localiza no município de Palmas-PR. Foi a primeirausina eólica da região sul do Brasil. É composta por cinco aerogeradores Enercon E-40, potência nominal de 500 kW cada um, 44 metros de altura (eixo do rotor) e rotor de40 m de diâmetro.

Os dados de vento e geração para o ano de 2008, tem resolução de 10 minutos, eforam fornecidos pela COPEL. Os dados de temperatura, pressão e umidade relativatem resolução horária e foram fornecidos pelo SIMEPAR.

3. METODOLOGIAA potência do aerogerador (Eq. 1) varia linearmente com a densidade do ar (ρ), área devarredura das hélices (A), coeficiente da curva de potência (Cp) e com o cubo davelocidade natural do vento na direção do eixo do aerogerador:

Fig. 2. Curva de potência do aerogerador Enercon E-40/500 kW

A Eq. (2) apresenta a formulação estocástica da energia gerada annual [2]:

Onde E(E) é o valor esperado da energia anual, S é o desvio padrão e r é a correlação das variáveis indicadas no índice.

4. RESULTADOSA massa específica média do ar foi de 1,07 kgm-3, sendo que a massa específica nostrimestres quentes (OND e JFM) foi 2,3% menor do que nos trimestres frios (AMJ eJAS), reduzindo a geração de energia no semestre quente.

A Fig. 3 ilustra o ciclo diurno e a distribuição de frequência da massa específica do ar,por trimestre. A amplitude de variação diurna da massa específica do ar foi de 3%,sendo que a geração no período da tarde/noite é menor do que na madrugada/manhã.

Fig. 3. Ciclo diurno (a) e distribuição de frequência (b) da massa específica do ar em Palmas (PR)

As menores velocidades do vento em Palmas (PR) foram registradas no períodoquente (OND e JFM) e durante o final da manhã e tarde. A Fig. 4 ilustra o ciclo diurno ea distribuição de frequência da velocidade do vento na altura do eixo do aerogerador.

Fig. 4. Ciclo diurno (a) e distribuição de frequência (b) do vento em Palmas (PR)

As séries horárias da massa específica do ar e velocidade do vento serviram comodados de entrada para a estimativa da energia gerada em 2008 na Usina Eólio-Elétricade Palmas (PR). A energia anual foi estimada por três procedimentos distintos: (1) como uso da curva de potência do fabricante (massa específica de referência para o ar),tendo a velocidade do vento como dado de entrada; (2) com o uso da curva Cp dofabricante, sendo que a velocidade do vento e densidade do ar foram os dados deentrada; (3) com o uso do modelo estocástico, com as estatísticas das médias, desviospadrões e correlações dos dados horários da massa específica do ar, velocidade dovento e Cp.

A COPEL forneceu os valores da energia gerada em 2008 que serviram para validar as estimativas de geração obtidas pelos três procedimentos (Tabela 1).

Tab. 1. Comparação das estimativas de energia gerada em 2008 com as medições da COPEL

5.CONCLUSÃOEste estudo comprovou que a estimativa da energia anual gerada na Usina Eólio-Elétrica de Palmas (PR), localizada no terceiro planalto Paranaense, com elevaçãosuperior a 1000 m, foi superestimada em 12,8% quando se usou a curva de potênciado fabricante. A análise dos dados meteorológicos de temperatura, pressão e umidaderelativa produziram as estimativas de massa específica do ar. As estimativas da energiagerada a partir dos dados de vento e massa específica produziram erros inferiores a2%.

A variabilidade conjunta do vento e densidade do ar afetam significativamente a energiagerada. Os ciclos diurnos e sazonal do vento e densidade implicam na redução dageração nos períodos quentes e úmidos, o que é considerado no método estocástico.

[1] MME – Plano Decenal de Expansão de Energia2022 – Ministério de Minas e Energia e Empresa dePesquisas Energéticas, 2013. Disponível em:http://www.epe.gov.br/pdee/forms/epeestudo.aspx

[2] Zekai, S. Stochastic wind energy calculationformulation. Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics 84 (2000) 227-234

3 3 3 3

31( ) ( ) ( ) ( ) (2)

2 p p ppp C C CV V V C V

E E A E E V E C r S S r S S r S Sρ ρ ρρρ = + + +

31 (1)

2pP AV Cρ=

Medida pela

COPEL

(1) Com base na

curva de potencia

(2) Com base na

curva de Cp

(3) Formulacao

estocástica

Energia gerada

em 2008 (MWh)4.313,86 4.867,84 4.228,42 4.230,85

Diferença (%) +12,8% -2% -2%

Receita anualReceita anualEnergia médiaanual

Energia médiaanual

Velocidade

do vento incidente

Velocidade

do vento incidente

Massa específica do ar úmido: pressão, temperatura e umidade

do ar

Massa específica do ar úmido: pressão, temperatura e umidade

do ar

Rendimento do equipamento:

Curva de potência

Rendimento do equipamento:

Curva de potência

0,00

0,08

0,16

0,24

0,32

0,40

0,48

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25

Co

eficiente C

pPo

tên

cia

(kW

)

Velocidade do vento a 44 metros (m/s)

Curva de potência Curva de Cp

(a) (b)

(a) ((b)