4, v.1ENERNET: rede mundial existente, e livre mercado de EE (energia elétrica)Estimativa do consumo residencial de lenha em uma pequena comunidade rural do Município de São João D'Aliança - GO author indexsubject indexsearch form
Home Pagealphabetic event listing  





An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Estimativa de velocidade média do vento a partir de dados de estações meteorológicas com três registros diários

 

 

Bernardo LibermanI; Vicente Teixera BatistaI; Gilnei Carvalho OcáciaII

IDepartamento: Matemática - Universidade Luterana do Brasil, 92420-280, Canoas-RS tel: (051) 477-9285 fax: (051) 477-1313
IIDepartamento: Ciência Agrária - Universidade Luterana do Brasil, 92420-280, Canoas-RS tel: (051) 477-9285 fax: (051) 477-1313

 

 


RESUMO

No Rio Grande do Sul há uma rede de 22 estações meteorológicas agrícolas, apresentando longas séries históricas de dados climatológicos, como direção e velocidade do vento, com registros diários às 9, às 15 e às 21 horas.
A estimativa da velocidade média de vento local, mensal, trimestral ou anual, realizada a partir desses dados, leva a valores superestimados pois nenhuma destas medidas é realizada na madrugada, quando a velocidade média do vento tem menor intensidade.
Para minimizar esse erro, propõem-se um método de estimar a velocidade média local a partir da estimativa da velocidade às três horas da manhã, considerando-se os gradientes entre 15 e 21 horas e entre 15 e 09 horas. Considera-se a velocidade média como uma combinação dos valores obtidos pela duas projeções, sendo a contribuição do primeiro valor igual a
α (entre 0 e 1) e, do segundo, 1- α.
O método, aplicado à planície costeira do RS, foi validado com a utilização de dez estações anemológicas. Nesta região, utilizando-se
α igual a 0,5 os resultados foram bons. Para valores da velocidade média anual, o erro médio foi de 1,7%, o erro mínimo de 0,5% e o erro máximo de 3,6%, enquanto o erro médio, apresentado pelo uso da média aritmética apenas das medidas nos três horários das séries históricas, foi de 6,8%, sendo o erro mínimo de 2,6% e o erro máximo, de 9,7%. Para períodos trimestrais e mensais, o método também apresenta bons resultados, porém não é adequado para cálculo de médias diárias.

Palvras chaves: Velocidade do vento; planície costeira; energia eólica.


ABSTRACT

There is a network of 22 agricultural weather stations in Rio Grande do Sul - a southern Brazilian State. They present extensive historical series of climatic/weather data, such as wind direction and wind speed daily measured at 9:00 a.m., 3 p.m., and 9:00 p.m.
The estimate of local monthly, quarterly or annual average of the wind speed, obtained from the data, leads to overestimated values, since none of these measurements occur during the night when average wind speed is less intense.
In order to minimize that error, one proposes a new method of estimating the average local wind speed based on the estimate of the wind speed at 3:00 a.m. To do this one take into account the gradients between 3:00 p.m. and 9:00 p.m., as well as between 3:00 p.m. and 9:00 a.m.
Average speed is considered as a combination of the values obtained from two extrapolations. The contribution of the first value is taken as
α (between 0 and 1) and from the second one as 1- α.
This method was validated against the results from 10 anemological stations in the coastal plain of Rio Grade do Sul. In this region, using
α as 0.5, the results were considered satisfactory. For values of annual average speed, the average error was 1.7%; minimum error, 0.5%; and maximum error, 3.6 %. The average error pointed out by the use of arithmetic average only of the measurements in the three moments of the historical series was 6.8 %, being 2.6%, the minimum error and 9.7%, the maximum error. For periods of one or three months, the method also presents satisfactory results. However, it is not adapted to calculate the daily averages.


 

 

INTRODUÇÃO

Como os fenômenos meteorológicos tem ciclo muito longo, os estudos estatísticos que sobre eles são realizados exigem a utilização de longas séries históricas de dados climáticos (HUNTER, 1999). Este é o caso da velocidade do vento em um determinado local, que, além disso, apresenta requisitos de precisão no levantamento dos dados, para uma avaliação energética, que devem ser mais acurados do que para a maioria dos outros propósitos, pois por exemplo, um erro de 3% na medição da velocidade, conduz a um erro de 10% na produção anual de energia (DEWI, 1999), já que esta varia com o cubo da velocidade do vento.

A maioria destas estações apresentam três leituras diárias de velocidade e direção de vento: às 09 horas; às 15 horas; e, às 21 horas. Como pode ser observado, o intervalo entre a primeira leitura do dia e a segunda leitura, bem como entre a segunda e a terceira leitura, é de 6 horas, no entanto, entre a última leitura do dia (21 horas) e a primeira do dia seguinte (09 horas) o intervalo é de 12 horas. Justamente nesse intervalo é que ocorrem os maiores períodos de calmaria, durante a madrugada (OCÁCIA, 1998). Assim a média obtida com as três leituras sempre é superior a média diária real, visto que, em média, a velocidade das 03 horas, que seria a quarta leitura na seqüência de 6 horas, é sempre menor que as demais leituras (09 horas, l5 horas e 21 horas). Por outro lado, a velocidade das 15 horas, em média, é sempre maior que as demais leituras das 09 horas e das 21 horas.

Com a estimativa da velocidade média às 03 horas da manhã e a inclusão deste valor no cálculo da velocidade média diária, o erro neste cálculo diminui, pois a velocidade média diária se aproxima do valor real. Conhecendo-se a velocidade média do vento de um determinado lugar, pode-se estimar o potencial eólico médio deste local.

 

MÉTODO E ANÁLISE DE CASO

Com o auxílio da lógica fuzzy, procura-se estimar o valor da velocidade às 03 horas da manhã utilizando-se gradientes de velocidade, de forma semelhante a apresentada por HIRATA, 1996. Para cada gradiente existe um coeficiente de contribuição na estimativa da velocidade. Este coeficiente está relacionado com o grau de pertinência do valor estimado da velocidade para às 03 horas, na forma apresentada na equação (3), em relação aos gradientes anteriores (das 15 às 21 horas), equação (1), e posteriores (das 09 às 15 horas) equação (2),

em que,

V3a - velocidade estimada com base no gradiente anterior , m.s-1;

V21 - velocidade às 21 horas, m.s-1;

V15 - velocidade às 15 horas, m.s-1.

em que,

V3b - velocidade estimada com base no gradiente posterior, m.s-1;

V9 - velocidade às 9 horas, m.s-1.

em que,

V3e - a velocidade estimada para as 3 horas, m.s-1;

α - a contribuição do gradiente anterior;

O método foi validado com dados de dez estações com registro horário da velocidade do vento levantados na Planície Costeira do Rio Grande do Sul (OCÁCIA, 1998), que possibilitaram, além da comparação dos resultados obtidos pela estimativa da velocidade média com os valores medidos às 03 horas, principalmente a comparação das médias, considerando:

 dados de registros horários;

 utilizando-se valores de apenas três horários diários (das 09, das 15 e das 21 horas); e,

 com os valores dos três horários do caso anterior mais a utilização do valor estimado de velocidade média às 03 horas da manhã.

Na tabela 1 são apresentados os valores das velocidades médias anuais, para cada estação, às três horas da manhã. São mostrados os valores obtidos através de medidas (V3) e os valores estimados (V3e).

Na tabela 2 são apresentados os erros, absolutos e percentuais, da velocidade média anual estimada para às três horas da manhã, em relação ao valor médio anual obtido através dos valores medidos.

Na tabela 3 e na figura 1, são apresentados os valores de velocidade média anual obtidos de diferentes formas.

 

 

  1. com a utilização de 24 registros diários;
  2. com a utilização de três registros diários;
  3. com a utilização de três registros diários e do valor médio estimado às três horas da manhã.

É notório que em todos os casos, o erro na velocidade média calculada com o uso de apenas três valores diários (09, 15 e 21 horas) é maior do que o obtido utilizando-se, conjuntamente com aqueles valores, a velocidade média estimada para às três horas da manhã. Isto pode ser visto na tabela 4 e na figura 2. Para a planície costeira do Rio Grande do Sul, os resultados foram satisfatórios, pois para os valores de velocidade média anual, considerando o valor médio estimado para às três horas, o erro médio foi de 1,7%, sendo o erro mínimo de 0,5% e o erro máximo de 3,6%, enquanto o erro médio, consideradas apenas as medidas nos três horários das séries históricas, foi de 6,8%, sendo o erro mínimo de 2,6% e o erro máximo, de 9,7%.

 

 

Os dados constantes nas tabelas 5, 6, 7 e 8 exemplificam e confirmam as tendências reais dos valores médios de velocidade do vento, na planície costeira do Rio Grande do Sul, de apresentarem sempre um valor maior às 15 horas, em relação às 9 e às 21 horas, e destes em relação às 3 horas.

Os dados das estações E e H, escolhidas arbitrariamente, foram utilizados para uma análise de aplicação do método, mês a mês, conforme as tabelas 5 e 7, e por estação do ano, conforme as tabelas 6 e 8.

Para a estação E, verifica-se, na análise mensal que os erros relativos atingem valores bem maiores do que o da média anual. Para valor médio mensal obtido com a utilização de apenas três registros diários, o erro relativo atinge perto de 15%. Mais exatamente 14,6% no mês de dezembro, caindo para 6,6%, no mesmo mês, quando a média é calculada com a utilização da velocidade estimada, contra um erro de 2,3% (tabela 4) na média anual, com utilização do valor estimado para às três horas.

Na análise mês a mês, de modo geral houve um decréscimo no erro, embora exista uma variação significativa entre a média anual obtida pela média dos erros mensais e a média anual com utilização direta dos dados do ano (tabelas 4 e 5). Isto acontece porque a média obtida mês a mês com a utilização de três dados medidos e um valor estimado, ora é maior, ora é menor que a velocidade média obtida com os dados de registro horário. Quando todos os dados são considerados em conjunto, há uma compensação parcial dos erros absolutos que aproximam o valor estimado da velocidade média do valor médio horário.

De modo menos intenso, isto também acontece quando são tomados os valores trimestrais, agrupando os dados o que provoca uma compensação parcial dos erros absolutos e uma aproximação da velocidade média do valor médio horário.

Verifica-se visivelmente que o erro, em média, na maioria dos períodos diminui quando é incluído o valor estimado médio às três horas da manhã.

Neste trabalho, para a região no entorno das grandes lagoas do Rio Grande do Sul, onde as medidas realizadas indicam sempre tendências decrescentes nos valores de velocidade tomadas as seqüências 15, 21 e 03 horas, bem como 15, 09 e 03 horas (o valor da velocidade média às três horas sempre é o menor de todos). Foram realizados testes com α=0,5. Assim, o valor estimado representa uma média aritmética simples dos dois valores projetados, o que torna a estimativa da velocidade média bastante simples. As figuras 3 e 4 ilustram essas tendências seqüenciais de valores projetados.

 

 

 

 

Os erros ε3m e ε4m são fornecidos pelas equações 1 e 2.

 

CONCLUSÕES

O método aqui utilizado possibilita a estimativa da velocidade média anual de um local, a partir de séries históricas compostas por registros em apenas três horários diários com um menor grau de incerteza do que simplesmente utilizando-se a média aritmética do banco de dados. Foram obtidos resultados com um erro percentual pequeno, menores do que 3,6%, contra os quase 10% do caso anterior.

Os resultados aqui apresentados, embora mostrem pequenos percentuais de erro, tem aplicabilidade restrita a região litorânea do Rio Grande do Sul, que foi utilizada para validação do método em virtude da existência de séries continuas de dados de vento. Para sua aplicação em outras regiões há necessidade de validação do método para cada condição de micro-clima, com a determinação do parâmetro de participação de cada gradiente de velocidade α, que é específico de cada local, para determinação da velocidade média.

O método também foi aplicado para estimativas de valores médios da velocidade do vento por estações do ano e por mês, produzindo resultados que comprovam sua validade, embora quanto menor o período de tempo considerado, maior será o grau de incerteza, sendo totalmente inadequada sua aplicação para determinação de valores médios diários.

Por fim, resta dizer que a aplicação deste método a outras regiões do Estado, com a utilização de modelos de meso-escala e do "Software" WASP, sobre as estações meteorológicas existentes, conjuntamente com uma rápida campanha anemológica nos locais onde não existem medições para validação do método e para traçado da camada limite, possibilita a construção de um atlas eólico estadual com base de dados disponível para sua verificação.

 

AGRADECIMENTOS

A empresa RIVA-CALZONI e a ENEL (Itália) que patrocinaram a campanha anemológica.

 

REFERÊNCIAS

[1] HUNTER, R. S. (Ed). Wind speed measurement and use of cup anemometry. The Renewable Energy Systems Ltd. United Kingdon, v.9, n.1, 50p. , 1999.

[2] DEWI, Instituto Alemão de Energia Eólica. Energia Eólica. Wilhelmshaven, 86 p., 1999.

[3] HIRATA, M. H. , GUEDES, U. G. , SIQUEIRA, L. P. Additional data for the analysis of wind resources in Brasil. CEPEL/ ELETROBRAS, 1997.

[4] OCÁCIA, G. C. Aproveitamento da energia eólica na planície costeira do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 1998, 166 p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica, área de concentração de Energia) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS.