Avaliação do potencial eólico costeiro do Maranhão através de medições de campo e reanálises atmosféricas

Abstract

O setor eólico encontra-se em franca expansão, tanto no mercado mundial como no Brasil. Atualmente o mercado se volta para a exploração da tecnologia offshore, entretanto há ainda regiões continentais disponíveis para o aproveitamento de energia. O objetivo deste trabalho é a avaliação dos recursos eólicos da costa leste do estado do Maranhão, levando em consideração regiões continentais com potencial de exploração futura. Dados de campo coletados por um perfilador de ventos a laser (LIDAR) e acústico (SODAR), juntamente com dados de reanálise atmosférica do produto ERA5 foram utilizados de forma a descrever aspectos sinóticos e micrometeorológicos da variabilidade dos ventos na região costeira entre Paulino Neves e Barreirinhas. A amplitude sazonal de variação dos ventos é significativa, sendo verificada tanto pela reanálise atmosférica, quanto pelas observações de campo. De setembro a dezembro de 2021 o clima estava seco e os ventos alísios intensificados, com velocidades da ordem de 8 a 12 m·s-1. De janeiro até maio de 2022, a migração da Zona de Convergência Intertropical para o sul causou altas taxas de precipitação e ventos fracos e variáveis, da ordem de 4 a 8 m·s-1. A análise espacial dos perfis verticais médios medidos pelo LIDAR e SODAR, em pontos até cerca de 9 km da praia, demonstram que há pouca variação das velocidades para ventos acima de 130 m. Medições realizadas a 25 km de distância, já indicam significativo decaimento dos ventos para todos os níveis amostrados. Variações diurnas indicam a presença da brisa marinha que atua intensificando os ventos no princípio da tarde. Perfis realizados no ponto próximo a praia demonstram um perfil vertical com baixo cisalhamento de velocidades, típico de uma camada limite oceânica instável. Perfis mais distantes da linha de costa, demonstram forte cisalhamento de velocidades no período da manhã e da noite, mas um perfil mais uniforme ao meio-dia e princípio da tarde. Resultados sugerem que o aquecimento solar do solo durante o dia permite o favorecimento de condições atmosféricas instáveis, permitindo o transporte líquido de momentum em direção ao solo, o que explica altas velocidades do vento, mesmo a distâncias superiores a 9 km da costa. A densidade de potência para o ponto mais próximo da costa foi próxima dos 1000 W·m-2 durante os meses de setembro e outubro austral. Utilizando modelo comercial de turbina, notou-se maior fator de capacidade (CF=0,70) foi observado no mesmo período para o mesmo local. Diferenças de CF para o período do outono foram da ordem ΔCF=0,1 entre pontos até 9 km de distância da costa. Levando em consideração a possibilidade de instalação de turbinas de 130 m de altura no futuro, o fator de capacidade é consistente e evidencia o grande potencial costeiro da região leste do Maranhão.

The wind power sector is in great expansion, both in the world market and in Brazil. Currently, the market turns to the exploration of offshore technology, however there are still continental regions available for the use of energy. The objective of this work is to evaluate the wind resources on the east coast of the state of Maranhão, taking into account continental regions with potential for future exploration. Field data collected by a laser (LIDAR) and acoustic (SODAR) wind profiler, together with atmospheric reanalysis data from the ERA5 product were used in order to describe synoptic and micrometeorological aspects of wind variability in the coastal region between Paulino Neves and Barreirinhas. The seasonal amplitude of wind variation is significant, being verified both by atmospheric reanalysis and by field observations. From September to December 2021, the climate was dry and the trade winds intensified, with speeds in the order of 8 to 12 m·s-1. From January to May 2022, the southward migration from the Intertropical Convergence Zone caused high rates of precipitation and light and variable winds, on the order of 4 and 8 m·s-1. The spatial analysis of the average vertical profiles measured by LIDAR and SODAR, at points up to about 9 km from the beach, demonstrate that there is little variation in speeds for winds above 130 m. Measurements carried out at 25 km away already indicate significant wind decay for all sampled levels. Diurnal variations indicate the presence of a sea breeze that acts to intensify the winds in the early afternoon. Profiles performed at the point close to the beach demonstrate a vertical profile with low shear velocities, typical of an unstable oceanic boundary layer. Profiles further from the shoreline demonstrate strong shear velocities in the morning and evening, but a more uniform profile at midday and early afternoon. Results suggest that solar heating of the ground during the day favors unstable atmospheric conditions, allowing the net transport of momentum towards the ground, which explains high wind speeds, even at distances greater than 9 km from the coast. The power density for the closest point to the coast was close to 1000 W·m-2 during the months of austral September and October. Using a commercial turbine model, a higher capacity factor (CF=0.70) was observed in the same period for the same location. CF differences for the autumn period were of the order ΔCF=0.1 between points up to 9 km away from the coast. Taking into account the possibility of installing 130 m high turbines in the future, the capacity factor is consistent and highlights the great coastal potential of the eastern region of Maranhão.