SESE A13 EO IncidenciaVento 01 Arquivo

Sistemas de
Energia Solar e
Eólica
Professor: Jorge Andrés Cormane
Angarita
Incidência do Vento sobre o
Planeta
Sistemas de energia Eólica
Os ventos
É importante que se tenha um bom conhecimento
das leis que governam o comportamento dos ventos
3
Atmosfera Terrestre
A meteorologia faz uma divisão da atmosfera por
camadas segundo suas características térmicas
• Largura
 entre 80 km e 100 km acima da superfície terrestre
 aproximadamente 1,6 % do raio médio da terra
• 4 camadas
 troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera
• 3 zonas de transição
 tropopausa, estratopausa e mesopausa
 zonas isotérmicas
4
Atmosfera Terrestre
Fluxo de ar livre
da influência da
superfície
Presença de
seres vivos
Gradiente ambiental
-6,5 °C/km
Estabelece o equilíbrio
térmico da Terra
5
Atmosfera Terrestre
Do ponto de vista meteorológico, a troposfera
estabelece as condiciones meteorológicas
Camada Limite: parte da atmosfera onde os ventos são influenciados pela
superfície terrestre
6
Os ventos
Os ventos que sopram
classificados como:
na
Terra
podem
ser
1. ventos de circulação global
2. ventos de circulação local
O movimento das massas de ar na atmosfera é provocado pelo
aquecimento desigual do planeta e sua rotação
7
Ventos de Circulação
Global
São resultado das alterações originadas pela
distribuição da radiação solar na superfície terrestre
entre o equador e os polos
A atmosfera encontra-se em constante movimentação
8
Ventos de Circulação
Global
• Pressão atmosférica
• é a pressão exercida pela camada de moléculas de ar
sobre a superfície
Diz-se que é normal
quando o seu valor é de
760 mm/Hg (1013 mb)
Maior altitude
Menor pressão
Moléculas de ar distantes
Dificuldade para respirar !!!
Menor altitude
Maior pressão
Moléculas de ar concentradas
Facilidade para respirar !!!
A variação espacial da pressão atmosférica serve para conhecer o dinâmica
global de movimentação do vento próximo à superfície
9
Ventos de Circulação
Global
A UMIDADE determina os movimentos verticais de
subida e descida do ar na atmosfera
• Sistema de baixa pressão (B) - Ciclones




Região da atmosfera onde o ar é quente e leve
Correntes de ar ascendentes
Ventos Divergentes em Altitude
Permite à formação de nuvens
Caracterizada por mau tempo
Ventos
Convergentes
Ventos
Convergentes
Baixa
Pressão
Superfície
10
Ventos de Circulação
Global
A UMIDADE determina os movimentos verticais de
subida e descida do ar na atmosfera
• Sistema de alta pressão (A) - Anticiclones




Região da atmosfera onde o ar é frio e seco
Ventos Convergentes em Altitude
Correntes descendestes
Não permite à formação de nuvens
Associados a céu claro
Ventos
Divergentes
Ventos
Divergentes
Alta
Pressão
Superfície
11
Ventos de Circulação
Global
A TEMPERATURA do ar determina os movimentos
horizontais
B
Variação da pressão
em um dado local
(Perpendicular)
Força do
Gradiente
Gradiente
de Pressão
Linhas que unem pontos
de mesma pressão
(quanto mais próximas,
maior será a velocidade )
Força de
deslocamento do ar
(A para o B)
Pressão
Crescente
Isóbaras
A
O vento sempre sopra das ALTAS para as BAIXAS zonas de pressão
12
Ventos de Circulação
Global
O equador
Maior radiação solar
Mais quente !!
Os polos
Menor radiação solar
Mais frio !!
O ar quente que
sobe nos trópicos,
e move-se pela
atmosfera até os
polos
Ventos das
superfícies frias
circulam dos
Polos para o
Equador
A substituição das massas de ar fecham o ciclo
13
Ventos de Circulação
Global
• Força de Coriolis
 representa o efeito da rotação da Terra na trajetória dos
ventos
o vento apresenta movimentos circulares ou em espiral, ao redor dos
centros de pressão
14
Ventos de Circulação
Global
Hemisfério
Norte
A
B
Equador
B
A
Hemisfério
Sul
O ar que circula em torno de um centro de pressão apresenta um
deslocamento para direções opostas dependendo do hemisfério analisado
15
Ventos de Circulação
Global
Estudos relativos à circulação atmosférica global
• Edmond Halley – 1686
• George Hadley – 1735
• William Ferrel – 1856
 Carl-Gustav Rossby - 1941
 Erick Palmén - 1951
Ao inicio, o mapeamento dos ventos era com fins de transporte e comercio.
Hoje pretende-se determinar padrão global de circulação atmosférica
16
Ventos de Circulação
Global
Edmond Halley – 1686
• Circulação no plano vertical
 Propõe a existência de grandes zonas de alta (polos) e
baixa (equador) pressão.
 A circulação de ar entre os polos e o equador ocorre
para equilibrar a energia entre as latitudes
 Terra com superfície homogênea
• Circulação no plano horizontal
 No conseguiu explicar a circulação de ventos na direção
Leste-Oeste
17
Ventos de Circulação
Global
18
Ventos de Circulação
Global
George Hadley -1735
• Circulação no plano vertical
 Mantem os resultados do modelo de Halley
 Cada hemisfério tem uma única célula de convecção
• Circulação no plano horizontal
 Incorpora os efeitos de rotação da Terra para explicar a
circulação de ventos na direção Leste-Oeste
19
Ventos de Circulação
Global
20
Ventos de Circulação
Global
William Ferrel -1856
• Circulação no plano vertical
 Propõe um modelo de circulação de três células em cada
hemisfério
 Faixa Tropical (0° a 30°) – Célula de Hadley –
Ascendente
 Faixa Temperada (30° a 60°) – Célula de Ferrel –
Descendente
 Faixa Polar (60° a 90°) – Célula Polar – Ascendente
• Circulação no plano horizontal
 Mantem os resultados do modelo de Hadley
21
Ventos de Circulação
Global
22
Ventos de Circulação
Global
O modelo de Ferrel modificado
• Carl-Gustav Rossby (1941)
 Incorpora um frente polar que separa o ar polar do ar
subtropical
 Substitui a célula de Ferrel por movimentos ondulatórios
produzidos pelo encontro de massas de ar de origem
polar e tropical
• Erick Palmén (1951)
 Considera que a zona polar é uma zona de mistura
horizontal
 Modificou a célula de Ferrel ao incorporar a atuação das
correntes de origem polar e subtropical
23
Os ventos não são
estacionários e a
superfície do planeta
não é homogênea
As regiões de alta e baixa pressão não
são contínuas, implicando variações
importantes da circulação
atmosférica com a longitude
O modelo atual descreve as características principais da circulação
atmosférica de grande escala
24
Ventos de Circulação
Global
Os recursos eólicos variam de acordo com a posição
geográfica. Em geral espera-se recursos eólicos
• Abundantes em países localizados
 América do Norte, Europa e o Norte central da Ásia
• Menores em países localizados
 África, Austrália, América Latina
25
Ventos de Circulação
Local
Resultantes das diferenças das capacidades de
absorção de calor temperatura nas zonas costeiras
(mar – terra) e das mudanças do relevo (vales –
montanhas)
26
Ventos de Circulação
Local
• Brisa Marítima
 Durante o dia
 Maior capacidade do solo em refletir os raios solares, a
temperatura do ar aumenta, e forma-se uma corrente
de ar que sopra do mar para terra
27
Ventos de Circulação
Local
• Brisa Terrestre
 Durante a noite
 A temperatura do solo cai mais rapidamente do que a
água do mar mudando o sentido do vento
Ar quente
na atmosfera
Ar frio
na superfície
Mar
Terra
Brisa
Terrestre
28
Ventos de Circulação
Local
• Brisa do Vale
Br
is
isa
Br
Montanha
ad
d
oV
ale
ale
V
o
 Durante o dia
 No topo da montanha o ar aquece e se eleva, dando
lugar ao ar frio que flui dos vales
Montanha
Vale
29
Ventos de Circulação
Local
• Brisa do Vale e Brisa de Montanha
 Durante o noite
 a temperatura do topo da montanha cai mais
rapidamente do que no vale mudando o sentido do
vento
Br
Mo isa d
nta e
nh
a
de
a
isa
Br tanh
n
Mo
Montanha
Montanha
Vale
30
Ventos de Circulação
Local
• Massa de ar
 Porção de ar atmosférico que permaneceu estacionário
sobre uma determinada região, adquirindo características
próprias de temperatura, umidade e pressão atmosférica
 Regiões polares
 Regiões de floresta tropical
 Regiões de deserto
 Áreas marinhas
As características termodinâmicas das massas de ar se modificam
lentamente durante seus deslocamentos
31
Ventos de Circulação
Local
• Frentes
 Zonas de transição entre duas massas de ar de diferentes
características termodinâmicas




Frente Fria
Quente
Fria
Oclusa (fria e quente)
Estacionária (frente estacionaria por um longo período)
Frente Quente
Frente Oclusa
Frente Estacionária
À medida que as massas de ar se deslocam, acabam se encontrando umas
com outras
32
33
Características do Vento
Existe controvérsia entre os autores quanto
terminologia aplicada às taxonomias do clima
à
Vento=f(espaço,tempo)
Os sistemas climáticos estão associados a diferentes escalas de tempo e
espaço
34
Características do Vento
Em meteorologia tem-se uma classificação para os
movimentos atmosféricos, baseada no tamanho e na
duração do evento
• Microescala (Escala Local)
 Tamanho: < 1 km
 Duração: segundos a min
 Fenômeno: turbulências e rajadas
• Mesoescala (Escala Regional)
Variações
bruscas na
direção do vento
 Tamanho: 1 a 100 km
 Duração: minutos a dias
 Fenômeno: tempestades, tornados e brisa terrestre
35
Características do Vento
• Macroescala (Sinóptica)
 Tamanho: 100 a 1000 km
 Duração: dias a semanas
 Fenômeno: Ciclones , anticiclones e furações
Variações na direção
do vento de 30° a 180°
• Macroescala (Planetária)
 Tamanho: 1000 a 40.000 km
 Duração: semanas a anos
 Fenômeno: ventos alísios e ventos do oeste
36
Características do Vento
Escala de Beaufort - 1805
• Quantifica a intensidade dos ventos, tendo em
conta sua velocidade e os efeitos resultantes das
ventanias no mar e em terra
37
38
Características do Vento
Escala de Saffir-Simpson
• Destinada a classificação de furacões no Atlântico
e Pacifico Este
39
Características do Vento
Escala Fujita
• Destinada a classificação de tornados conforme à
quantia de estrago causados
40
Características do Vento
No aproveitamento da energia eólica,
torna-se importante distinguir os vários
tipos de variações temporais da
velocidade do vento
41
Características do Vento
No aproveitamento da energia eólica, torna-se
importante distinguir os vários tipos de variações
temporais da velocidade do vento
• Interanuais (> 1 ano)
 importantes para a estimativa de médio e longo prazo da
produção de energia
• Sazonais (ao longo de um mês ou de um ano)
 importantes para a definição de estratégias em regiões
onde existe complementaridade dos recursos energéticos
42
Características do Vento
• Diárias (durante o ciclo de radiação diário)
 importantes para definir a estratégias de operação e
controle dos aerogeradores
• De curta duração (< 10 minutos)
 importantes no projeto construtivo das pás (estresse e
fadiga), assim como na qualidade da potência produzida
43
44
Forças envolvidas no vento
Para facilitar o estudo do vento, considera-se o vento
como uma corrente contínua de porções de ar
 Outras forças envolvidas são,
• A força centrifuga
• A força do atrito
• A força da gravidade
45
Características do vento
Variações devidas à localização e direção dos
ventos
• Turbinas
de
eixo
horizontal
precisam
de
mecanismos que coloquem as pás na direção
perpendicular à direção dos ventos para captarem
o máximo de energia
• Mudanças repentinas na direção dos ventos e
movimentos associados podem causar fadiga nas
pás e nos mecanismos de controle de orientação
da nacele.
46
Ventos próximos à superfície
A pressão atmosférica varia
• Com inversamente com a altitude
 A densidade do ar diminui com a altitude, tornando-se,
mais leve
• Com inversamente com a temperatura
 O ar quando aquece dilata e torna-se mais leve
• Com a latitude
 A pressão à superfície do globo dispõe-se por faixas, mais
ou menos paralelas segundo a latitude e alternadamente
de baixas e de altas pressões
47
As origens
A luz do Sol aquece o solo, e o ar acima é aquecido
por condução, convecção e radiação infravermelha.
48
As origens
Cerca da metade da radiação incidente é absorvida
pela superfície terrestre.
Qual é o destino dessa energia?
• aquecimento do ambiente
• evaporação da água
• fotossíntese das plantas
49
A atmosfera terrestre
O clima é o resultado de uma relação funcional entre
a Terra e o Sol
A atmosfera interfere nessa relação por meio dos processos de atenuação
da radiação solar que chega na superfície terrestre
50