Simulação do aproveitamento da energia eólica para irrigação no distrito de...
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Deivielison Ximenes Siqueira Macedo | comentários
Arquivado no curso de Engenharia Agrícola na UFC
SIMULAÇÃO DO APROVEITAMENTO DA ENERGIA EÓLICA PARA IRRIGAÇÃO NO DISTRITO DE IRRIGADO BAIXO-ACARAÚ – CE1
Erialdo de Oliveira Feitosa2, Daniel Albiero3, Aline Castro Praciano4, Deivielison Ximenes Siqueira Macedo5, Carlos Alessandro Chioderoli6
1Aceito para publicação em 2° trimestre de 2014 2 Mestre em Engenharia Agrícola, Universidade Federal do Ceará – UFC; 3 Doutor em Engenharia Agrícola – Unicamp, Docente na Universidade Federal do Ceará – UFC; 4 Acadêmica do curso Superior de Agronomia, Universidade Federal Do Ceará – UFC; 5 Mestre em Engenharia Agrícola, Universidade Federal do Ceará – UFC; 6Doutor em Ciências do Solo, UNESP Campus de Jaboticabal;
Resumo A geração de energia elétrica proveniente de sistemas eólicos surge como uma alternativa de grande potencial para a região Nordeste do Brasil, podendo promover o desenvolvimento econômico e social da região. Os sistemas de irrigação utilizados nos perímetros irrigados demandam quantidades significativas de energia, o que aumenta consideravelmente o custo de produção final. O trabalho objetivou a simulação da geração de energia elétrica provinda da fonte eólica como alternativa energética para o perímetro irrigado do Baixo-Acaraú, CE. Para tal foi utilizado o software EOLUSOFT – Versão Beta 1.0 NUTEMA-PUCRS desenvolvido na PUC do Rio Grande do Sul, pelo Núcleo Tecnológico de Energia e Meio Ambiente, e no bombeamento de água foi considerada uma bomba d água de 5 cv com capacidade para bombear 10.800 l/h. Como resultado da simulação o sistema eólico apresentou-se possível de atender as necessidades de alimentação elétrica rural no perímetro irrigado com as condições de velocidade de vento analisados para o local, sendo capaz de fornecer o abastecimento de água para a irrigação.
Palavras-chave: Energia renovável, geração de energia, potencial eólico.
Abstract The generation of electric energy from wind systems arises as an alternative of great potential for the Northeast region of Brazil, which will promote the economic and social development of the region. The irrigation systems utilized in irrigated areas demand significant quantities electricity, which considerably increases the cost of final production. The study aimed the simulation of generation of electric energy from wind source how energy alternative for Irrigated Baixo-Acaraú-CE. For this we used the software EOLUSOFT - Version 1.0 Beta NUTEMA-PUCRS developed at PUC in Rio Grande do Sul, the Technological Center of Energy and Environment. Pumping of water was considered a bomb d 5 hp water pump with a capacity of 10.800 l / h. How result of the wind system simulation presented it possible to meet the needs of rural power supply in irrigated conditions with wind speed analyzed for the site, being able to provide water for irrigation.
Keywords: Renewable energy, power generation, wind potential.
A energia elétrica é um insumo importantíssimo para o desenvolvimento das civilizações modernas, estando presente em quase todas as atividades dos processos produtivos (MEDEIROS et al., 2003). Dentre os setores consumidores de energia, a agricultura irrigada desponta como altamente dependente para aumentar a produção e conseguir suprir as necessidades do mercado, que é cada vez mais exigente e competitivo.
Com advento da agricultura irrigada veio o aumento produtivo das culturas, mas no
Brasil esse modelo de agricultura ocupa apenas 10% da área total cultivada no país, e é responsável por aproximadamente 30% do valor bruto da produção agrícola (LARA, 2010). Porém, com a implantação dos projetos públicos de irrigação com suas infraestruturas de captação e adução, reservatórios, estações de bombeamento, canais, adutoras, faz-se necessário a utilização da energia elétrica, por consequência, representa um forte componente nos custos totais que podem chegar a 35% do custo da produção, reduzindo a margem de lucro do produtor (ANA, 2004).
De acordo com Turco et al. (2009), a irrigação é responsável por grande parte do consumo de energia no perímetro irrigado, e este pode ser ainda maior se o produtor rural não adotar um método de controle da irrigação. A justificativa do irrigante para o consumo de água em excesso está relacionada, em geral, à preocupação de que a cultura não sofra estresse hídrico, o que poderia comprometer a produção. O descontrole da irrigação gera um aumento do custo de produção pelo desperdício dos recursos energia e água.
Como exemplo dessa iminente preocupação do setor rural, no Perímetro Irrigado
Baixo-Acaraú, do Departamento Nacional de Obras Contra as Secas - DNOCS, localizado na região Norte do Estado do Ceará, onde se verifica que 30% dos custos de produção correspondem às despesas com energia elétrica suscitou a necessidade de geração de energia alternativa por meio da energia eólica que visa atender todo o consumo de energia elétrica dos produtores rurais. Portanto, torna-se fundamental inserir no processo produtivo fontes alternativas de energia que induzam a diminuição dos custos de energia elétrica na área rural em paralelo as ações de manejo racional da água. (ARAUJO et al., 2011).
Neste contexto o sistema de geração de energia elétrica por meio da energia dos ventos é fundamental para a região do Nordeste, pois apresenta elevado potencial do ponto de vista do aproveitamento dessa energia para promover um desenvolvimento sustentável, voltado ao atendimento da necessidade energética dos perímetros irrigados e para a sustentabilidade do crescimento econômico e social aliado a manutenção dos sistemas naturais água, solo, biodiversidade (SOBRAL, 2009).
Diante do exposto o presente trabalho objetivou realizar uma simulação da energia elétrica gerada por meio de aerogerador no perímetro irrigado Baixo-Acaraú – Ceará, Brasil, para a demanda energética dos sistemas de irrigação.
O perímetro irrigado Baixo-Acaraú, está localizado na região Norte do Estado do
Ceará, no trecho final da bacia do rio acaraú, abrangendo áreas dos municípios de Acaraú, Bela Cruz e Marco, entre as coordenadas geográficas 3º01' de Latitude Sul e 40º01' de Longitude Oeste, e Altitude de 20 m. Tendo clima do tipo Aw Tropical Chuvoso, com temperatura média anual de 28,1 ºC, precipitação média anual de 900 m, e evaporação média anual de 1600 m. (OLIVEIRA et al., 2012).
Segundo Oliveira et al. (2012) o distrito de irrigação do Baixo-Acaraú possui uma área irrigável total de 12.603 ha, porém, apenas 8.335 ha são cultivados, em que o restante da área
ainda não foi ativada ou se destina à preservação, e sua demanda energética é atendida pela usina hidrelétrica de sobradinho. No entanto, a sua importância econômica está na diversidade de culturas produzidas no perímetro de alto valor agregado como abacaxi, banana, melão, melancia, e culturas de subsistências como feijão e milho, melhorando a qualidade de vida dos produtores que estão associados às atividades agrícolas desenvolvida no perímetro refletindo em altas produtividades e alta renda anual por produtor, (LACERDA e OLIVEIRA, 2007).
A velocidade média do vento é o principal parâmetro estatístico a ser utilizada para determinar a capacidade de produção de energia através do conhecimento do potencial eólico de uma região, então foram verificados os dados de vento dos últimos 1 anos, compreendendo o período de janeiro de 2000 a dezembro de 2010. Os mesmo foram obtidos por meio do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), são series de dados históricos medidos pelas estações meteorológicas convencionais, em que são digitalizados e armazenados em uma plataforma chamada BDMEP (Banco de Dados Meteorológicos para Ensino e Pesquisa).
O BDMEP é um banco de dados armazenados e mantidos pelo INMET, que tem a função de apoiar as atividades de ensino e pesquisa, o mesmo contém dados meteorológicos diários em forma digital, referentes a séries históricas da rede de estação do INMET relacionado às 191 estações meteorológicas convencionais.
As variáveis atmosféricas disponibilizada para consulta são velocidade e direção do vento, precipitação, temperatura do bulbo seco, temperatura do bulbo úmido, temperatura máxima e mínima, umidade relativa do ar, pressão atmosférica ao nível de cada estação, e insolação. Para ter acesso aos mesmos, tem-se que fazer um cadastro junto ao INMET, e especifica a finalidade de utilização dos dados, feito a sua solicitação, quando aprovado o usuário receberá um e-mail, com uma senha, e por meio do e-mail cadastrado e a senha recebida tem-se o acesso ao BDMEP, onde são disponibilizados dados horários, diários e mensais.
Na Figura 1, é apresentado o gráfico com médias anuais calculadas através das médias mensais obtidas no BDMEP coletado pela estação meteorológica de Acaraú, e realizado a extrapolação para a altura de 20 m, compreendendo o período de 2000 a 2010, em que as barras em azul representam a média anual calculada, onde a mesma foi 3, 86 m s-1, e a linha vermelha o comportamento típico do vento durante cada ano analisado, bem como de forma geral qual ano teve maior velocidade do vento, consequentemente maior disponibilidade de energia.
Figura 1: Velocidade média do vento no período de onze anos em Acaraú. Fonte: INMET, (2014).
O primeiro tratamento desses dados analisados foi á extrapolação da velocidade média do vento para a altura de 20 m, em que a mesma corresponde à altura de instalação do aerogerador, foi necessário realizar essa extrapolação, uma vez que a estação meteorológica de Acaraú, e como a maioria dos postos de medição, possuem alturas de medição de velocidades de vento na ordem de 2 m. Para realização dessa etapa foi utilizada a Lei de Hellmann que determina a velocidade de vento para um perfil vertical, e que é dado pela seguinte equação:
h1 = altura medida pela estação meteorológica; h2 = altura de interesse; V(h1) = velocidade média do vento na altura medida (m s-1);
V(h2) = velocidade medida do vento na altura de interesse (m s-1); α = expoente de altitude de Hellmann (o valor de α depende da rugosidade do terreno e da estratificação térmica).
Na Tabela 1 Essa equação é usada para o cálculo da velocidade média horária na altura desejada, ou seja, a altura de funcionamento do aerogerador, em que existindo uma velocidade média
conhecida a uma altura de referência, observando sempre o grau de rugosidade do terreno para a determinação do expoente apresentados na Tabela 1. Onde foi utilizado o alfa da classe 1, devido as característica da área em estudo se aproximarem mais daquelas descritas por ela.
Tabela 1 - Classificação do grau de rugosidade do terreno na determinação do expoente
Classe ( m) Tipo de área
0 0,0002 Com água. Tais como mares e lagos.
1 0,0300 Aberta com poucos quebra-ventos, plana ou levemente ondulaoo0da, podendo apresentar simples fazendas e árvores ou arbustos.
Terrenos de fazendas com quebra-ventos afastados a mais de 1000 m entre si, e algumas construções espalhadas; caracterizados por grandes áreas abertas entre alguns quebra-ventos, com uma paisagem aberta; o terreno pode ser plano ou ondulado.
4 0,4000 Áreas urbanas, florestas e terras de fazenda com muitos quebra-ventos aglomerados, com separação média de poucas centenas de metros.
Fonte: CUSTÓDIO, 2009.
Na Figura 2, é apresentado o gráfico da velocidade média do vento referente a cada mês de todos os anos analisados, pois tornando se de fundamental importância conhecer a ocorrência da velocidade média do vento em cada mês para dimensionamento de demanda referente ao período de maior ou menor potencial para geração.
Figura 2: Variação da velocidade média do vento ao longo dos meses de 2000 a 2010. Fonte: INMET, (2013).
Também foi calculada a função de distribuição de probabilidade de Weibull, amplamente difundida e testada nos estudos com energia eólica, onde foi usada a ferramenta GDER, em que essa ferramenta utiliza dados de velocidade média do vento e o desvio padrão para o calculo dos dois parâmetros da função de Weibull, o parâmetro de forma (k), e o de escala (c), em que utilizou-se a média anual de todos os anos avaliados, e o desvio padrão dessas dados. Pois devido à grande variabilidade da velocidade do vento em função do regime climático da região Nordeste de acordo com cada mês do ano, torna-se necessário conhecer a distribuição de probabilidade de freqüência da mesma.
Ambiente através do Grupo de Energia Eólica da PUCRS
Na etapa de simulação da geração de energia, foi realizada a análise da energia anual que pode ser gerado, em que foi analisado um aerogerador do modelo EXCEL com potência nominal de 10 kW, diâmetro do rotor 7 m, rotação nominal 350 rpm, e velocidade nominal de 13 m s-1, considerando a utilização de apenas uma turbina eólica para a geração de eletricidade para consumo no bombeamento de água visando a irrigação, e apenas um área de produtor rural que no perímetro Baixo-Acaraú representa em torno de 8 hectares. Para realização da mesma foi utilizado o software EOLUSOFT – Versão Beta 1.0 NUTEMA-PUCRS, que foi desenvolvido na PUC do Rio Grande do Sul, pelo Núcleo Tecnológico de Energia e Meio
O primeiro passo nesta etapa de simulação foi avaliar a velocidade média do vento durante o período medido e realizar a sua extrapolação para a altura de 20 m, que seria a altura de funcionamento da turbina eólica para o local em estudo e simular um tipo de uso no caso irrigação, para verificar a possibilidade usando um único aerogerador de 10 kW, e preenchendo as informações solicitadas pelo software sobre como a energia será consumida.
A próxima etapa foi preencher as informações para dimensionamento do sistema eólico informando o método utilizado para distribuição, no caso deste estudo a distribuição de Weibull, e outras informações visualizadas na tela do software mostradas nos resultados para gerar os dimensionamentos, com relação à demanda energética em função do bombeamento de água para irrigação com sistemas microaspersão e gotejamento foi considerado uma bomba d água de 5 cv com vazão de 10.800 l h-1, e por fim em função das condições edafoclimaticas do local em estudo, foi calculado o consumo técnico de energia, obtendo o seguinte valor 2251,45 kWh durante um ciclo produtivo da cultura da banana no Perímetro Irrigado Baixo-Acaraú.
O esquema de funcionamento do sistema eólico de bombeamento é mostrado na Figura 3. O mesmo opera de forma direta, ou seja, o aerogerador tem a função de gerar energia, pois quando o vento entra em contato com a turbina, fazendo a mesma rotacionar ocorre à conversão
da energia cinética do vento em energia mecânica, onde essa nova forma de energia é entregue ao gerador, o qual por meio dos processos eletromecânicos converte a para energia elétrica em corrente alternada (CA), uma vez que o aerogerador está conectado através de cabos a um controlador, no qual tem a função de estabilizar uma frequência e uma tensão de acionamento do conjunto motobomba, realizado essa fase o controlador entregue a essa energia para o inversor que apenas converte a mesma para uma corrente compatível com a carga, no caso especifico a motobomba, que uma vez acionado faz o processo de sucção da fonte hídrica e recalque para um reservatório elevado e finalmente a distribuição de água para o sistema de irrigação por gotejamento.
A geração de energia elétrica proveniente de sistemas eólicos surge como uma alternativa de grande potencial para a região Nordeste do Brasil, podendo promover o desenvolvimento econômico e social da região. Os sistemas de irrigação utilizados nos perímetros irrigados demandam quantidades significativas de energia, o que aumenta consideravelmente o custo de produção final. O trabalho objetivou a simulação da geração de energia elétrica provinda da fonte eólica como alternativa energética para o perímetro irrigado do...