SESE A13 EO IncidenciaVento 01 Arquivo
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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
