A tecnologia LiDAR aplicada a medições eólicas sobre corpos hídricos e oceano

Abstract

A avaliação de recursos eólicos em águas interiores e alto mar (offshore) com o uso de LiDARs é uma alternativa mais econômica e versátil em relação a torres meteorológicas convencionais. LiDARs realizam medidas indiretas do vento através do efeito Doopler da radiação infravermelha retro espalhada por aerossóis e partículas carregadas pelo ar, fornecendo medições da velocidade do vento em diferentes níveis verticais. Estes equipamentos vêm sendo instalados sobre plataformas fixas e móveis. Quando instalado sobre plataformas móveis como boias, as oscilações e movimentos gerados pelas ondas devem ser avaliados e corrigidos. O primeiro capítulo de resultados deste trabalho descreve o uso de um sistema mecânico de compensação de movimentos para medições de um LiDAR Zephir 300 montado sobre uma boia flutuante. Um teste de 24 horas foi realizado no Reservatório Hidrelétrico de Furnas, Guapé-MG, com medição dos ventos e dos movimentos de rotação residuais do LiDAR. Algoritmos de correção para velocidade horizontal do vento foram aplicados utilizando os ângulos de arfagem (pitch) e rolamento (roll) medidos por um sensor inercial. As análises demonstram que o erros da velocidade horizontal, associados ao movimento das ondas, é desprezível para ângulos inferiores a 20 graus, mas que os erros associados à altura de medição devem ser corrigidos. A segunda parte trata de medições com o LiDAR Zephir 300 e uma estação meteorológica sobre uma base fixa construída na Plataforma de Pesca Entremares, localizada em Balneário Arroio do Silva-SC. Uma campanha de 6 meses de medições foi realizada a cerca de 250 metros da linha de praia. Dados do LiDAR foram fortemente correlacionados com medições do anemômetro sônico (R = 0.989). Ventos oceânicos se mostraram mais intensos e menos cisalhados verticalmente que ventos continentais. Ventos intensos tendem a soprar ao longo da costa sul de SC, estando diretamente associados à Alta Subtropical do Atlântico. O ciclo dos ventos mostrou pico de velocidade à tarde com médio cisalhamento vertical e menores velocidades pela manhã. O maior cisalhamento vertical foi observado à noite. A influência da brisa marítima e terrestre é significativa e modula a circulação geral. Valores médios de densidade de potência da ordem de 250 W m-2 foram observados. Uma produção média de 1.45 MW (CF = 0.23 para turbina SE6.2) foi obtida utilizando-se a curva velocidade-potência de equipamentos modernos. O potencial eólico offshore, em comparação a medições previamente realizadas em região continental próxima a 7 km da linha de costa, é cerca de 2.5 vezes maior, sob índices de intensidade turbulenta 7,2% menores. O sistema testado serve como protótipo para um programa de medições mais amplo e audacioso, para monitorar os 1.3 TW de energia offshore avaliados ao longo dos mais de 7000 km de costa do País.

Abstract : Wind resources assessment with LiDARs for both onshore and offshoreareas is a cost saving and versatile alternative to conventional metmasts. LiDAR technology remotely measures the wind through a infraredlight which is backscattered by aerosols and particles carried by theair, providing wind measurements in different heights. These equipmentscan be assembled in both mobile and fixed platforms. Wheninstalled in mobile platforms such as buoys, the motion and oscillationcaused by the waves must be evaluated and corrected. The first chapterof this dissertation describes the usage of a mechanical stabilizationsystem for the motion compensation of a buoy mounted LiDAR. A 24hours test has been performed over the Furnas hydroelectric reservoir,Guapé-MG, measuring winds and residual LiDAR motions. Correctionalgorithms for horizontal wind speed have been applied by using pitchand roll measured by an inertial sensor. The analysis shows that thehorizontal wind speed errors are negligible for inclinations below 20degrees, but errors due to measurement heights must be corrected. Asecond part also studies LiDAR Zephir 300 measurements, but now togetherwith a meteorological station fixed over the Entremares CoastalPier, in Balneário Arroio do Silva-SC. A 6 months campaign was carriedout 250 meters off the coast line. LiDAR data is strongly correlatedwith sonic anemometer (R = 0.989). Sea winds are more intense andhave lower vertical shear. Winds tend to flow along the Santa CatarinaSouthern coast line, being directly linked to the South Atlantic SubtropicalHigh. Higher wind speeds and medium wind shear were recordedin the afternoon, with the lowest speeds in the morning. Strong windshear is verified at night. The sea and land breezes have significantinfluence and modulate the main circulation. Average power densityvalues are in the order of 250 W m??2. An average 1.45 MW (CF =0.23 for SE6.2 turbine) was found from modern equipments power curves.The offshore wind potential, when compared to 7 km inland site,is about 2.5 times higher with 7.2% lower turbulence intensity values.This system serves as a prototype for a wider and bolder measurementprogram for monitoring the 1.3 TW of offshore wind energy potentialalong the 7000 km lenght brazilian coastline.