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X SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA FÍSICA APLICADA


 

CLIMATOLOGIA DA RAJADA DE VENTO NO ESTADO DO PARANÁ

 

 

 

Maria Elisa Siqueira Silva

Departamento de Geografia da Universidade de São Paulo – São Paulo – SP

Marcelo Brauer Zaicovski

Instituto Tecnológico SIMEPAR - Centro Politécnico da UFPR – Curitiba – PR

 




Palavras-chaves: potencial eólico, climatologia de rajada de vento, Paraná.

Eixo 3: Aplicação da Geografia Física à Pesquisa

Sub-eixo 3.3: Gestão e Planejamento Ambiental






 

Introdução

 

A energia eólica, gerada pelo movimento do ar, tem sido utilizada há milhares de anos com várias finalidades: moagem de grãos, bombeamento de água e outras aplicações que envolvem energia mecânica. As primeiras tentativas de geração de eletricidade pelo uso da energia eólica ocorreram no final do século XIX. Mas foi somente na década de 70, com a crise internacional do petróleo, que as iniciativas para a geração de energia eólica tomaram impulso com maiores incentivos econômicos, viabilizando a produção em escala comercial (ANEEL, 2002). A energia elétrica eólica é geralmente utilizada de forma híbrida, juntamente a outras formas de geração de energia, tal como a hidráulica. Em regiões onde a distribuição da energia hidroelétrica é prejudicada, o fornecimento de energia elétrica proveniente da força dos ventos constitui uma alternativa. Além de contribuir para a eventual escassez de energia elétrica, a geração e consumo da energia eólica está de acordo com os preceitos atuais de respeito aos ecossistemas. Em contraposição aos efeitos causados pela queima de combustíveis fósseis (por exemplo, o carvão mineral e derivados do petróleo), a utilização da energia eólica não gera subprodutos que alteram significativamente o meio ambiente, sendo classificada, assim, como uma técnica limpa.

Atualmente a energia eólica contribui com uma fração bastante pequena de toda a energia consumida globalmente, se comparada à soma da energia gerada por diversas fontes. Se, por um lado, a capacidade eólica global apresenta uma escala da ordem do milhar de megawatts (103 MW), a capacidade hidráulica global participa com um montante da ordem de tera megawatts (TMW, 106 MW). Desta forma, verifica-se que o uso da energia elétrica hidráulica é preponderante. Contudo, a política de descentralização e diversificação das fontes de energia visando a sustentabilidade do sistema incentivam o crescimento de empreendimentos direcionados à geração de energia advindas de fontes não-convencionais, principalmente as renováveis. No Brasil, aproximadamente 90% da energia elétrica total produzida é proveniente de fontes hidráulicas. No entanto, como os maiores potenciais hidráulicos estão localizados em regiões com fortes restrições ambientais e distantes dos principais centros consumidores, o setor elétrico brasileiro tem estimulado a geração descentralizada de energia elétrica, de forma que as fontes não-convencionais tendem a tomar maior espaço na matriz energética nacional (ANEEL, 2002).

A Alemanha, Dinamarca, Estados Unidos e Espanha apresentam os maiores parques de geração de energia eólica, contribuindo com aproximadamente 75% da energia eólica global. A Tabela 1 apresenta a evolução recente da capacidade eólica, em MW, instalada em vários países e regiões do mundo, dentre os maiores produtores.

 

Tabela 1 Energia eólica – Capacidade instalada no mundo (MW)

País/região

1997

1998

1999

2000*

Alemanha

2080

2874

4445

4997

Estados Unidos

1590

1927

2492

2514

Dinamarca

1116

1450

1742

2009

Espanha

512

834

1530

1804

Brasil

3

7

20

20

Outros

2283

2822

3226

3737

Total

7584

9914

13455

15081

Fonte: Windpower, 2000. * Dados referentes ao mês de outubro.

 

A capacidade de geração de energia eólica no mundo tem crescido rapidamente. Em 1990, a capacidade instalada era inferior a 2000 MW. Em 1994, subiu para 3734 MW. Em 1998 chegou a 10000 MW e em 2000, a capacidade instalada no mundo era superior a 15000 MW (AWEA, 2000). O aumento médio anual neste período foi superior a 90 %. O Brasil possui atualmente apenas 22,2 MW de potência eólica instalada, fornecendo energia para o consumo de cerca de 200000 pessoas, através da COELCE (no Ceará), da COPEL (no Paraná) e da CELESC (em Santa Catarina).

Vários estudos têm sido realizados com o objetivo de se estimar o potencial eólico no território brasileiro. De acordo com os levantamentos dos dados da intensidade do vento e estudos realizados com o auxílio de modelos atmosféricos, foram definidas, em princípio, regiões específicas com grandes potenciais eólicos: o litoral das regiões Norte e Nordeste, o Vale do São Francisco, o Sudoeste do Paraná e o Litoral Sul do Rio Grande do Sul (ANEEL, 2002). A partir do ano 2000 foram concluídos novos estudos sobre o potencial eólico no território brasileiro, gerando como resultados atlas que mostram este potencial em termos nacionais (Amarante et al., 2001) e, mais especificamente, para alguns estados da federação, como a Bahia (Amarante et al., 2001) e o Rio Grande do Sul (Amarante et al., 2002).

Os trabalhos desenvolvidos até o momento apresentam o potencial eólico médio nacional e regional, sem verificar suas possíveis variações extremas nas várias escalas temporais e espaciais. Este trabalho apresenta uma climatologia da rajada de vento para o estado do Paraná contemplando uma resolução espacial bastante alta. Os dados de vento utilizados nesta análise pertencem à rede telemétrica do Sistema Meteorológico do Paraná – SIMEPAR - que apresenta um conjunto de 35 estações meteorológicas automáticas espalhadas por todo o estado. Outro ponto a ser destacado neste estudo é a alta freqüência temporal dos dados coletados, permitindo a avaliação da climatologia regional em várias escalas temporais, desde a diurna até a anual. Apesar desta avaliação ater-se à climatologia da rajada do vento próxima à superfície, a uma altitude de 10 m, pretende-se prover subsídios para a determinação de regiões e períodos potenciais para a geração de energia eólica no estado do Paraná.

 

2 DADOS E CARACTERIZAÇÃO GEOGRÁFICA DA REGIÃO

 

Os dados de intensidade de vento utilizados na definição desta climatologia são coletados automaticamente por estações pertencentes à rede telemétrica do SIMEPAR, constituída por 35 estações automáticas, tal como indicado na Figura 1. A área total do estado Paraná corresponde a aproximadamente 200000 km2, sendo que a densidade média de estações meteorológicas desta rede é igual a uma estação para cada área de 5700 km2.

 

Figura 1  Rede de estações telemétricas meteorológicas do SIMEPAR

 

As séries de dados analisadas apresentam uma freqüência temporal horária para o período de 1998 a 2000. O início de operação da maioria das estações automáticas ocorreu entre os anos de 1996 e 1997, sendo que somente a partir de 1998 passaram a existir séries completas para todos os meses do ano, para um conjunto de 25 estações. A partir de 1999, todas as 35 estações apresentam séries completas de dados. As medidas da intensidade do vento são gerenciadas por um Data Logger com capacidade de processamento e armazenamento de dados. O Data Logger registra os dados a cada 10 minutos e está programado para comparar as medidas de intensidade do vento, armazenando a de maior valor,  a cada hora, fornecendo, então, o valor da rajada de vento.  Desta forma, a rajada de vento horária é transmitida por satélite para o SIMEPAR, em Curitiba, e assimilada pelo seu banco de dados.

O relevo do estado do Paraná (Figura 2) apresenta maior variação na direção logitudinal, sendo composto pela planície litorânea e pelos três planaltos que se sucedem de leste para oeste. A faixa leste do estado, entre a planície litorânea e o primeiro planalto, é bastante acidentada devido à presença da Serra do Mar. O estado do Paraná apresenta altitudes que variam desde o nível do mar, na faixa litorânea, até o valor médio de 1400 metros na região do segundo planalto. O ponto mais alto do estado, Pico Paraná, localiza-se na Serra do Mar e apresenta 1890 m de altura. As estações telemétricas encontram-se distribuídas em sete sub-regiões: Região da Capital, Região Central, Região Litoral, Região Norte, Região Oeste, Região Sudoeste e Região Sul.

 

 

 Figura 2  Relevo do estado do Paraná

 

Associado ao relevo e à posição geográfica do estado, o clima influencia as características de intensidade e direção do vento.  A dinâmica das massas de ar atuantes na região, tropical e de latitudes médias e, a continentalidade contribuem para a determinação das diferenças climáticas regionais. Durante o inverno a intensidade média do vento aumenta devido à intensificação do gradiente meridional de temperatura.  Por outro lado, o forte aquecimento da superfície do solo durante o verão e a maior disponibilidade de umidade na atmosfera propiciam a formação de intensos sistemas atmosféricos de mesoscala, associados a fortes rajadas de vento.

Este estudo limita-se à análise da intensidade da rajada de vento para um período de cinco anos, estendendo-se de 01 de janeiro de 1998 a 31 de dezembro de 2002, período para o qual estão disponíveis os dados de rajada de vento com a resolução ora utilizada. A pequena variação interanual dos dados de rajada de vento aumentam a confiabilidade estatística da série temporal relativamente pequena. Por outro lado, deve-se considerar que não existem outros conjuntos de dados observacionais que possam substituir o conjunto ora utilizado, uma vez que os conjuntos existentes apresentam baixa densidade temporal e espacial. O conjunto de dados do Instituto Agronômico do Paraná (IAPAR) possui séries temporais um pouco mais longas, porém com uma freqüência temporal bem menor, apresentando medições apenas nos horários sinóticos, o que inviabilizaria a avaliação da climatologia diurna.

 

3 CONTROLE DE QUALIDADE DOS DADOS E ESTATÍSTICAS

 

  A análise estatística exige uma pré-avaliação da qualidade dos dados utilizados. O procedimento para controle de qualidade consistiu em analisar a disponibilidade dos dados transmitidos das estações meteorológicas telemétricas para o banco de dados do SIMEPAR e em aplicar testes de qualidade para a identificação de valores espúrios. O controle de qualidade foi definido de forma a determinar o percentual de falhas existente em cada horário. Para cada escala temporal, foi adotado um limite mínimo de 60% de disponibilidade dos dados no cálculo das médias. Do controle de qualidade aplicado às séries temporais de rajada de vento fizeram parte os testes para identificação de valores extremos, superiores a 35,0 ms-1 ou inferiores a 0,0 ms-1; o teste de salto que ocorre quando o valor absoluto da diferença entre dois valores consecutivos de rajada de vento é superior a 25,0 ms-1 e; o teste de persistência que ocorre quando um mesmo valor de rajada se repete durante, pelo menos, cinco horas consecutivas. Em todos estes casos, quando o critério do teste é satisfeito, o dado horário é substituído por um código de falha.

Após a detecção das falhas e da aplicação dos testes para o controle de qualidade observou-se que as séries analisadas apresentaram, em média, 98% de disponibilidade do volume teórico de dados – se todos os horários do período de cinco anos (1998-2002) estivessem disponíveis. São Miguel do Iguaçu apresentou a menor freqüência de dados úteis, 89,8%, sendo que a maior parte das falhas deveu-se a problemas na transmissão do dado. Por outro lado, Maringá apresentou a maior disponibilidade, 98,0% de dados disponíveis. A partir do volume anual de falhas por transmissão observou-se que houve uma diminuição na freqüência de falhas no decorrer do período, desde 1998 até 2002. Este fato está associado à melhoria técnica nas condições de transmissão dos dados. A transmissão dos dados representou a maior fonte para ocorrência de falhas nos dados, apesar de pequena (2%, em média). Os testes de qualidade aplicados às séries temporais indicaram que a ocorrência de valores fora dos limites estabelecidos é pequena (0,82 %, em média), que a ocorrência de saltos elevados e a persistência do mesmo valor por mais de cinco horas consecutivas são também bastante pequenas e, muitas vezes, nulas.

A climatologia diurna, mensal e anual foram calculadas como médias simples respeitando o critério de disponibilidade de 60%, tal como citado anteriormente. O ciclo diurno médio mensal foi determinado pela média dos dados de rajada de vento em cada hora do dia. A climatologia mensal e anual foram calculadas depois da determinação da rajada máxima diária, sendo esta última estabelecida pela comparação dos 24 valores horários de um mesmo dia.

Por exemplo, a média mensal da rajada horária, , foi calculada pela equação:

 

,

 

em que ih indica a hora do mês e nmes é o total de horas disponíveis para um determinado mês im.

A partir do valor de rajada máxima mensal é calculada a rajada máxima anual, ou seja, para cada ano é calculado um único valor que represente a rajada máxima. Além da média climatológica mensal e anual, a freqüência de ocorrência de rajadas de vento foi classificada em categorias de intensidade: leve, fraca, moderada e forte, tal como exposto na Tabela  2.

 

Tabela 2  Classificação de velocidade de rajada de vento, segundo a escala de Beaufort

Categoria

Velocidade (m/s)

Impactos ou Danos

Leve

      0 - 09

Sem danos: movimento de folhas e pequenos galhos

Fraca

   10 – 14

Danos leves: queda de pequenos galhos das partes altas.

Moderada

   15 – 19

Danos moderados: quebra de galhos fortes, levantamento de telhados.

Forte

   20 – 30

Danos severos: derrubada de árvores, arrancamento de telhados frágeis, derrubada de torres de transmissão.

 

4 RESULTADOS

 

Os resultados apresentados referem-se à climatologia anual e mensal da intensidade da rajada de vento a 10 m de altura para o estado do Paraná, calculada com os valores horários coletados nas estações telemétricas do SIMEPAR. Os maiores valores médios de rajada máxima diária para o período analisado (1998-2002) ocorrem no setor oeste do estado, atingindo, em média, valores médios máximos entre 8 e 10 ms-1, conforme indicado pela Figura 3.

 

Figura 3  Rajada de vento máxima média para o período 1998-2002

 

  Inserida no setor oeste, a região de Salto Osório e Pato Branco apresenta valores médios mais baixos, com intensidade da rajada máxima diária variando entre 4 e 6 ms-1.  Ainda no setor oeste, a região de Maringá (norte do estado) apresenta um valor médio anual intenso, superior a 10 ms-1.  O setor leste apresenta os menores valores de rajada máxima diária, alcançando valores mínimos inferiores a 4 ms-1, próximo à região de Antonina. A região de Ponta Grossa, situada na sub-região Central do estado, apresenta valores médios bastante intensos, com rajada máxima diária média superior a 10 ms-1.

 

A variação sazonal do valor médio mensal da intensidade da rajada diária do vento é indicada pelas Figuras 4 a 16. De acordo com estes mapas, pode-se notar que a rajada máxima do vento no estado do Paraná possui um ciclo anual bem definido, apresentando valores máximos nos meses de setembro e outubro e valores mínimos durante o trimestre maio, junho e julho. O aumento da intensidade da rajada máxima diária coincide com a intensificação e deslocamento da circulação atmosférica no Hemisfério Sul (HS). Durante o inverno do HS a circulação atmosférica desloca-se para norte e torna-se mais intensa devido ao aumento do gradiente meridional da temperatura.

 

      Figura 4  Rajada de vento máxima média para janeiro e fevereiro

 

Durante os meses de setembro e outubro, as regiões que apresentam maior intensidade localizam-se no setor oeste do estado do Paraná, atingindo os municípios de Guarapuava, Maringá e Cascavel. Por outro lado, a região de Ponta Grossa, localizada no setor leste do estado, também apresenta núcleos intensos durante este período. Durante os meses de maio, junho e julho, as menores intensidade de rajada são observadas no extremo leste do estado, indicando valores inferiores a 4 ms-1. Além desta região, as regiões de Telêmaco Borba (Central), Cândido de Abreu (Central) e a região entre os municípios de Guarapuava e Ponta Grossa (Central) também apresentam valores relativamente baixos de intensidade de rajada máxima média, indicando valores que variam entre 4 e 6 ms-1. No setor Oeste, a região a norte de Francisco Beltrão apresenta, entre maio e julho, baixa intensidade, com valores entre 4 e 6 ms-1.

 

Figura 5  Rajada de vento máxima média para março e abril

 

 

Figura 6  Rajada de vento máxima média para maio e junho

 

Figura 7  Rajada de vento máxima média para julho e agosto

 

Figura 8  Rajada de vento máxima média para setembro e outubro

 

 

 Figura 9  Rajada de vento máxima média para novembro e dezembro

 

Pelas análises estatísticas da série dos dados de rajada de vento constatou-se que todas as sub-regiões do estado do Paraná apresentam um ciclo anual bem definido quanto à freqüência de rajada moderada e forte (vento com intensidade superior a 15 ms-1).  As rajadas moderadas e fortes ocorrem preferencialmente entre agosto e janeiro do ano seguinte.  Os meses preferenciais de ocorrência de rajadas moderadas e fortes para cada sub-região do estado e o número médio de dias com ocorrência de rajada nesta intensidade estão indicados na Tabela 2.

 

Tabela 3 Meses preferenciais e número médio de dias com rajada moderada e forte

 

Em cada uma das sub-regiões são identificados os municípios que apresentam maior ocorrência de rajadas moderadas e fortes. Os postos e o número médio mensal de dias com ocorrência de rajadas moderadas e fortes durante o período preferencial estão indicados na Tabela 3. Nota-se que Apucarana, Nova Prata do Iguaçu, Cascavel e Palmital são as estações com as maiores freqüências de rajadas moderadas e fortes.

 

Tabela 4  Postos com maior freqüência mensal de rajadas moderadas e fortes

Região

Posto

No de dias

Capital

Cerro Azul

4

Centro

Palmital

10

Litoral

Guaratuba

4

Norte

Apucarana

15

Oeste

Cascavel

12

Sudoeste

Nova Prata do Iguaçu

15

Sul

Foz do Areia

7

 

As sub-regiões que apresentam maior freqüência de rajadas moderadas e fortes são: Central, Norte, Oeste, Sudoeste e Sul (Tabela 4). As regiões da Capital e Litoral apresentam baixa freqüência de rajadas com intensidade superior a 15 ms-1. Os postos meteorológicos com freqüência de rajadas moderada e forte superior a 90 dias (3 meses) estão listados na Tabela 4. Ressalta-se a alta freqüência de ocorrência de rajadas moderadas e fortes em Apucarana e Ponta Grossa.

 

Tabela 5 Município com mais de três meses com rajadas superiores à moderada

Região

Posto

No de dias com

Rajada > 15 ms-1

Centro

Guarapuava

110

Palmital

116

Ponta Grossa

182

Norte

Apucarana

212

Cambará

106

Umuarama

102

Oeste

Assis Chateaubriand

120

Cascavel

164

Toledo

106

Sudoeste

Nova Prata do Iguaçu

146

Sul

Foz do Areia

103

Palmas

92

 

Numa escala temporal ainda menor verificou-se que a média anual da rajada horária apresenta um ciclo diurno bem definido. A maior parte das estações apresenta um pico de intensidade entre 12 e 14 horas (horário local). Três postos apresentam máximos entre 10 e 12 horas e, outros oito postos, entre 14 e 16 horas.  Desta forma, verifica-se que as rajadas mais intensas ocorrem preferencialmente durante a tarde.

 

5 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES

 

Os resultados obtidos neste estudo dão suporte à estimativa do potencial eólico no estado do Paraná através da análise climatológica da rajada de vento a 10 metros do solo. A estimativa do potencial eólico é normalmente feita a uma altura 50 m, onde as pás das turbinas encontram-se posicionadas. Desta forma, a climatologia da rajada do vento disponibilizada neste trabalho indica as regiões com provável potencial para a geração de energia eólica. Por outro lado, a determinação acurada da climatologia da rajada de vento só foi possível uma vez que esteve disponível, através da instalação da rede telemétrica do SIMEPAR, uma matriz de dados com alta resolução espacial e temporal. Tal conjunto de dados é também útil na eventual validação dos resultados obtidos pela modelagem atmosférica.

Os testes de controle de qualidade dos dados detectaram pequenas falhas nas séries temporais analisadas indicando uma disponibilidade média de 97,8 % de dados. Os testes aplicados para detecção de valores espúrios indicaram uma quantidade muito baixa de dados contaminados, viabilizando perfeitamente a análise estatística proposta. A análise espacial do valor médio anual ao longo do estado do Paraná indicou que os maiores valores médios de rajada máxima diária ocorrem no setor oeste do estado, atingindo, em média, valores máximos entre 8 e 10 ms-1. O setor leste apresenta os menores valores de rajada máxima diária, atingindo valores mínimos inferiores a 4 ms-1 na região de Antonina. A região de Ponta Grossa, situada na sub-região Central do estado, apresenta valores médios bastante intensos, com rajada máxima diária superior a 10 ms-1.

A variação mensal da rajada máxima do vento no estado do Paraná possui um ciclo anual bem definido, apresentando valores máximos nos meses de setembro e outubro e valores mínimos durante o trimestre maio, junho e julho. A média anual da rajada horária apresenta um ciclo diurno bem definido. A maior parte das estações apresenta um pico de intensidade durante a tarde. O valor mínimo de rajada ocorre principalmente durante a madrugada, o que está possivelmente relacionado à estabilidade atmosférica noturna decorrente do resfriamento da superfície da Terra. O aumento da intensidade da rajada média de vento no período da tarde está associado ao aquecimento da superfície e da atmosfera adjacente que provocam convecção pelos movimentos turbulentos do ar. Durante o final do inverno e início da primavera, as rajadas mais intensas podem estar associadas ao escoamento zonal mais intenso característico da época mais fria e ao início do período de incidência de sistemas meteorológicos de mesoscala que provocam ventos mais fortes. A maior incidência de ventos mais intensos nos meses de setembro e outubro e, portanto, de maior geração de energia nas usinas eólicas coincide com o período de menor capacidade dos reservatórios das hidrelétricas. Esta complementaridade sazonal potencializa maior confiabilidade e estabilidade sazonal ao sistema energético brasileiro.

A determinação precisa da variação espacial e temporal do movimento do ar auxilia o processo de definição de regiões com potencial para geração de energia eólica. O crescimento da demanda e do consumo de energia em todo o mundo (notadamente no Brasil), a crescente escassez de combustíveis fósseis e não-renováveis, a necessidade de controle ambiental, preservação da natureza e crescimento auto-sustentado, constituem fatores que promovem o crescimento da comercialização de energia eólica, implicando em abertura de fontes de riquezas ainda inexploradas (Rios Vivos, 2002).

 

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 

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ANEEL, 2002. Atlas Nacional de Energia Elétrica (Brasil). Agência Nacional de Energia Elétrica. 153 p. Disponível em http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/ Arquivo capturado em 15/08/2003.

 

Prates, J.E.; Guetter, A.K.; Zaicovski M.B.; Bucholdz  Mapeamento da Rajada de Vento para Projetos de Linhas de Transmissão. Relatório Técnico 14/2001, Curitiba, SIMEPAR, pp.104, 2001.

 

Rios Vivos, 2002. Alguns fatos concretos sobre a Energia Eólica.

 

Disponível em http://www.riosvivos.org.br/. Arquivo capturado em 16/08/2003.

 

Wilks, D.S.  Statistical Methods in the Atmospheric Sciences: An Introduction.  Academic Press, London, 465p. 1995.

 

Windpower Monthly News Magazine. Volumes 14 (1998), 15 (1999), 16 (2000), Dinamarca, 2000. Disponível em http://www.windpower.monthly.com.