Influência da estabilidade atmosférica e de jatos noturnos no desempenho de parques eólicos em terrenos complexos

Abstract

O papel central das eólicas na transição energética global têm-se desdobrado em grandes esforços coletivos de pesquisa para compreender ventos estratificados em terrenos complexos através de experimentos em campo de uma gama de escalas espaço-temporais inédita. Estes esforços visam à redução do custo de implantação de parques eólicos pelo melhoramento de modelos numéricos devido a um melhor entendimento da interação entre as múltiplas escalas do vento e da turbulência. A estabilidade atmosférica tem papel central à medida que permite a ocorrência de fenômenos peculiares como os jatos noturnos e ondas de montanha. Existe uma lacuna de pesquisa sobre os efeitos da estabilidade atmosférica e de jatos noturnos, observados nesses experimentos de campo e há muito estudados em laboratório, no desempenho de parques eólicos em terrenos complexos. Esta Tese explora esta lacuna combinado-se dados de geração de energia e de torres anemométricas de dois parques do Complexo Eólico de Morrinhos com simulações numéricas de alta resolução utilizando o modelo de mesoescala Weather Research and Forecasting (WRF). Os dois parques são compostos por duas fileiras de aerogeradores orientadas ortogonalmente ao vento predominante e separadas por 1?2 km na direção deste. As fileiras de barlavento e sotavento situam-se próximas aos aclives e declives do platô, respectivamente, e os últimos conectam-se a um vale a sotavento. A primeira parte dos resultados desta Tese descreve a relação entre os ventos, o desempenho dos parques e a estabilidade atmosférica somente do ponto de vista das observações coletadas ao longo de meses (longo-prazo). Quantifica-se desempenho como a diferença percentual entre as potências médias dos aerogeradores de sotavento e barlavento, em que valores positivos estão associados a um desempenho superior de aerogeradores de sotavento. Durante o dia, sob condições convectivas, as fileiras a barlavento tem desempenho levemente superior (0 a -10%). Durante a noite, sob condições estáveis, fileiras a sotavento têm desempenho leve e notavelmente superior antes (?10%) e depois (>30%) da meia-noite, respectivamente. A segunda parte responde inconsistências conceituais da primeira parte, como a insuficiência da estabilidade na descrição das diferenças de desempenho antes e depois da meia-noite através de simulações de mesoescala de uma única semana (curto-prazo) com notáveis padrões de desempenho. Estuda-se também o papel do detalhamento topográfico e do uso de Simulação de Grandes Escalas (LES) em um único ciclo diurno. Neste esforço, descobre-se que jatos noturnos causados pela passagem de uma corrente de gravidade próximo à meia-noite interage com a topografia e geram fortes ventos descendentes entre platô e vale, próximo aos aerogeradores de sotavento. A camada limite atmosférica antes da meia-noite é mais estável, embora rasa, comparativamente à do jato, inibindo padrões extremos de vento. Assim, esta tese ilustra a pertinência da estabilidade atmosférica e da profundidade da camada limite atmosférica, associadas aos jatos noturnos recentemente observados em campanhas de medição, no desempenho de parques eólicos construídos em terrenos complexos.

Abstract: The central role of wind energy in the global energy transition unfolds in major collective research efforts to understand stratified winds in complex terrains in field experiments of unprecedented spatiotemporal scales. These efforts seek the reduction of the cost of implantation of wind farms by the improvement of numerical models through a better understanding of the interaction between the multiple scales of wind flow and turbulence. Atmospheric stability plays a central role since it allows the occurrence of peculiar phenomena such as nocturnal jets and mountain waves. There is a research gap on the influence of atmospheric stability and nocturnal jets, observed in these field experiments and long studied in the laboratory, on the performance of wind farms in complex terrain. This Thesis explores this gap combining energy production data and mast observations of two wind farms of the Morrinhos complex with high-resolution numerical simulations using the mesoscale model Weather Research and Forecasting (WRF). The two farms are composed of two rows of turbines oriented orthogonally to the prevailing wind and separated by 1--2 km in the streamwise direction. The upstream and downstream rows are located close to the slopes of the plateau, and the latter connects to a valley downstream. The first part of the results reported in the Thesis describes the relationship between winds, farm performance and atmospheric stability solely from the point of view of observations collected over months (long-term). Performance is quantified as the percentual difference between the mean power of upstream and downstream turbines, where positive values are associated with the superior performance of the downstream turbines. During the daytime under unstable conditions, upstream turbines perform slightly better (0 to -10%). During the nighttime under stable conditions, downstream turbines perform slightly and notably better before (?10%) and after (>30%) midnight, respectively. The second part tries to answer conceptual inconsistencies of the first part, such as the insufficiency of stability in describing performance differences before and after midnight through mesoscale simulations of a single week (short-term) with remarkable performance patterns. The role of topographic detail and usage of large-eddy simulation (LES) is also studied in a single diurnal cycle. In this effort, it is discovered that nocturnal jets caused by the passage of a gravity current close to midnight interact with the topography and generate strong downslope winds between the plateau and the valley, close to the downstream turbines. The atmospheric boundary layer before midnight is more stable, although shallow, compared to the jet's, which inhibits extreme wind patterns. Thus, this thesis illustrates the relevance of atmospheric stability and boundary-layer depth, associated with the nocturnal jets recently observed in field campaigns, in the performance of operational wind farms built over complex terrain.