Identitet

A velocidade do vento medida num local mostra variações no espaço, tempo e direcção [18, 64, 84].

A figura 2.5 torna claro que a velocidade média do vento aumenta em altura e que a velocidade real do vento varia no tempo e direcção em torno do seu valor médio devido ao efeito da turbulência [18, 84].

Em termos médios, o vento é habitualmente caracterizado por uma velocidade crescente em altura. No entanto, as flutuações do escoamento conduzem à consideração da sobreposição de duas componentes [18].

A primeira componente, de comportamento mais regular, é função somente da altura ao solo (z) e denomina-se velocidade média do vento. A velocidade média é calculada com base num período que caia dentro do vazio espectral

(ver figura 2.6), tipicamente entre 10 minutos e 1 hora, e representa o regime quase-estacionário2_{de energia disponível para a turbina [22, 84].}

(a) Variação da velocidade do vento com o tempo. (b) Variação da velocidade do vento com a altura.

Figura 2.5: Variabilidade das velocidades do vento com o tempo e em altura [18]. A segunda componente, de comportamento variável, é função da altura ao solo (z) e ainda função do tempo (t). O seu comportamento variável deve-se à sua instabilidade provocada pela turbulência. A turbulência afecta também a energia disponível, mas de forma indirecta, uma vez que a turbina não reage a flutuações rápidas na velocidade ou na direcção do vento [22].

Deste modo, a equação 2.7 traduz as variações temporais e espaciais (em altura) da velocidade do vento [18]:

u(z, t) = u(z) + u′(z, t) (2.7)

A existência de uma zona de vazio espectral (figura 2.6), com muito pouca energia associada, permite tratar separadamente as duas componentes características do vento e encarar a turbulência como uma perturbação ao escoamento quase-estacionário caracterizado por uma velocidade média [22].

A zona mesometereológica está associada a frequências baixas, correspondendo a maiores períodos de tempo, estando relacionada com o movimento de grandes massas de ar (ver a secção 2.2.2).

A zona micrometerológica está associada a frequências mais elevadas, correspondendo a períodos muito curtos de tempo, estando profundamente ligada à turbulência (ver a secção 2.2.3) [22].

2_{Classifica-se como Quase-Estacionário, no sentido em que as variações são lentas, quando}

comparadas com as variações associadas à turbulência, este assunto será tratado com mais destaque em 2.2.2 e 2.2.3.

Figura 2.6: Espectro de frequências do vento ao longo de uma grande gama de valores de frequência [84].

Variação da Velocidade com Altura Nos problemas relacionados com o

aproveitamento da energia eólica é frequente apresentar-se a distribuição da velocidade com a altura utilizando-se os modelos da Lei Exponencial e da Lei Logarítmica. A Lei Exponencial é o modelo mais simples, apresentando assim a vantagem da sua fácil utilização. Contudo os resultados obtidos não possuem a mesma precisão da Lei Logarítmica [61].

A Lei Exponencial é expressa por:

Uw(z) = Uw,r

( z zr

)αrug

(2.8) A Lei Logarítmica é expressa por:

Uw(z) = Uw,r

ln(_zz₀) ln(zr

z0

) (2.9)

E que Uw(z) representa a velocidade média do vento à cota z, Uw,r representa a

velocidade média do vento à cota de referência, zrrepresenta a cota de referência,

z0 representa o comprimento de rugosidade da superfície e αrug representa o

coeficiente da lei exponencial - neste caso o coeficiente de rugosidade da superfície.

Rugosidade da Superfície Como foi referido, a variação da velocidade do

vento com a altura, utilizando tanto a lei exponencial como a logarítmica, está dependente de parâmetros relativos à rugosidade da superfície - quer seja o comprimento de rugosidade da superfície (z0 em metros) ou o coeficiente

de rugosidade da superfície (αrug). Os valores característicos para estes dois

Superfície z0 (m) αrug (−) Centro da Cidade 1-10 0,40 Cidades, Florestas 0,7 Suburbios 0,3 0,30 Vilas 0,1 Aldeias 0,03 0,16 Relvados Planos 0,01

Deserto, Mar Severo 0,001 0,12

Mar Calmo 0,0002

Tabela 2.1: Valores do coeficiente de rugosidade (αrug) e do comprimento de

rugosidade (z0) [16].

A rugosidade de uma determinada área é dada pela distribuição dos seus elementos. Pelo que quanto mais densos e altos forem, maior será a rugosidade, isto é, maior será a dificuldade de deslocamento do fluxo de vento [61].

Presença de Obstáculos e Efeito de Sombra Os obstáculos têm uma

influência significativa na diminuição da velocidade do vento e são fontes de turbulência na sua vizinhança, como se pode ver na figura 2.7. O escoamento é influenciado por vários factores do obstáculo, como: a forma dos obstáculos, a distância entre eles, a sua porosidade, etc [22, 61].

Figura 2.7: Consequências da presença de um obstáculo no fluxo do vento [64]. A figura 2.7 mostra o modo como o escoamento é afectado na área posterior ao obstáculo, podendo verificar-se que para além da criação de uma zona turbulenta (que se pode estender até cerca de três vezes a altura do obstáculo - hs) há

também uma diminuição da velocidade do vento e consequentemente da energia disponível [22, 64].

O Efeito de Sombra refere-se aos efeitos provocados pela passagem do vento na torre. Tal como qualquer obstáculo, a torre também provocará uma descida da velocidade e um aumento da turbulência a jusante da torre.

Esta perturbação no fluxo do vento é um dos principais motivos da maior utilização das turbinas upwind em relação às turbinas downwind, uma vez que estando as pás da turbina downwind "atrás" da torre, as pás vão ser afectadas pelo efeito de sombra, o que provoca uma diminuição da produção de energia da turbina e vibrações nas pás que se alastram para a restante estrutura [64].

Efeito de Esteira Outro aspecto a considerar é o chamado efeito de esteira. Uma

vez que uma turbina eólica produz energia mecânica a partir da energia do vento incidente, o vento que sai da turbina tem um conteúdo energético muito inferior ao do vento que entrou na turbina [22].

Figura 2.8: Espaçamento entre turbinas num parque eólico devido ao efeito de esteira [36].

De facto, na parte de trás da turbina forma-se uma esteira de vento turbulento e com velocidade reduzida relativamente ao vento incidente [22].

É por esta razão que a colocação das turbinas dentro de um parque eólico deve ser efectuada de modo criterioso. É habitual espaçar as turbinas de uma distância entre cinco e nove diâmetros na direcção preferencial do vento e entre três e cinco diâmetros na direcção perpendicular. Mesmo tomando estas medidas, a experiência mostra que a energia perdida devido ao efeito de esteira, nos parques eólicos, é de cerca de 5% [22].

2.2.2 Distribuição das Velocidades do Vento em Períodos Temporais