Este trabalho apresenta uma avaliação do impacto do avanço tecnológico no potencial eólico do Rio Grande do Sul, a partir da evolução verificada nos aerogeradores desde o ano de 2002, data da publicação do atual Atlas Eólico do estado. Para tal, é exposto um panorama da energia eólica no Brasil e no mundo, assim como as características das circulações globais de massas de ar e os fenômenos que dão origem aos principais deslocamentos sobre o estado, bem como o comportamento do vento dentro da camada limite atmosférica. Para embasar o desenvolvimento desse trabalho são apresentadas as principais evoluções tecnológicas verificadas no período e como elas contribuíram para o aumento da competitividade da fonte, bem como as tendências para as futuras gerações de aerogeradores. Para realizar a estimativa do novo potencial eólico do estado desenvolveu-se uma ferramenta que converte a imagem dos mapas publicados no Atlas Eólico em uma matriz de valores, o que é realizado comparando a cor de cada pixel dos mapas às respectivas legendas. Tratando-se matematicamente os dados obtidos dos mapas de velocidade média de vento, fator de forma k e densidade do ar é possível calcular o potencial energético de cada um dos pontos dessa matriz de dados. Este potencial é obtido a partir da integração das curvas de potência, corrigidas para cada densidade do ar, com as distribuições de probabilidade de Weibull, calculadas a partir da velocidade média de vento e fator de forma de cada local do estado. De modo a validar o procedimento de cálculo utilizado, os resultados da integração, com o emprego da mesma curva de potência utilizada no Atlas Eólico, são comparados com os dados energéticos publicados no documento. Ao considerar aerogeradores mais modernos, com base na mesma metodologia de cálculo, o potencial eólico estimado para o Rio Grande do Sul, para localidades com ventos a partir de 7 m/s de média anual, aumentou em 65% sua capacidade de geração na altura de 75 m, alcançando um total de 219,26 TWh/ano. Nas mesmas condições, na altura de 100 m, o aumento foi de 61%, obtendo-se um potencial energético de 398,53 TWh/ano. Para ambas alturas citadas não há alteração significativa na potência instalável, estimada em 54,33 MW e 119,00 MW, respectivamente. A partir do banco de dados criado foi possível projetar, com base na lei logarítmica, a distribuição de vento nas alturas de 125 m e 150 m, anteriormente não apresentados no Atlas do estado. Nessas alturas o potencial teórico estimado foi de 761,94 TWh/ano e 872,30 TWh/ano, a partir de uma potência instalável de 211,31 MW e 270,25 MW, respectivamente. / This paper intends to evaluate the impact of the technological advances on the wind power potential of the state of Rio Grande do Sul, based on the developments in wind turbines since 2002, year of publication of the current Wind Atlas. It is exposed an overview of the wind energy in Brazil and in the World , as well as the characteristics of the wind global circulation and the phenomena that give rise to the main wind displacements on the state area and the behavior of the wind within the atmospheric boundary layer. To support the development of this work, the main technological developments in the period and how they contributed to improve the competitiveness of this source are presented, as well as the trends for future wind turbines generations. In order to estimate a new wind potential for the state of Rio Grande do Sul, a program that compares the colors of each pixel on the maps published in the Wind Atlas with their captions, generating a matrix of data was developed. With the data obtained from the maps of the average wind speed, factor k and air density, it is possible to calculate the energy potential at each point of the matrix. This potential is obtained from the integration of power curves, corrected for each air density, using the Weibull probability distributions, calculated from the mean wind speed and form factor at each local of the state area. In order to validate the procedure, the results of the integration, applying the same power curve used in the Wind Atlas, are compared with the amount of energy published on the document. Making use of the modern wind turbines, based on the same calculation methodology, the wind energy potential of the Rio Grande do Sul, considering only sites with annual wind average speed higher than 7 m/s, increased its generation capacity at the height of 75 m by 65 %, reaching a total of 219.26 TWh/year. Under the same conditions, at the height of 100 m, the increase was 61 %, yielding an energy potential of 398.53 TWh/year. For both heights, there are not significant changes in the installable potential, estimated at 54.33 MW and 119.00 MW, respectively. From the database created it was possible to estimate, based on the logarithmic law, the distribution of the wind at heights of 125 m and 150 m, not previously presented in the Atlas of the state. At such heights, the estimated theorical potential is 761.94 TWh/year and 872.30 TWh/year, with an installed capacity of 211.31 MW and 270.25 MW, respectively.

Este trabalho apresenta uma avaliação do impacto do avanço tecnológico no potencial eólico do Rio Grande do Sul, a partir da evolução verificada nos aerogeradores desde o ano de 2002, data da publicação do atual Atlas Eólico do estado. Para tal, é exposto um panorama da energia eólica no Brasil e no mundo, assim como as características das circulações globais de massas de ar e os fenômenos que dão origem aos principais deslocamentos sobre o estado, bem como o comportamento do vento dentro da camada limite atmosférica. Para embasar o desenvolvimento desse trabalho são apresentadas as principais evoluções tecnológicas verificadas no período e como elas contribuíram para o aumento da competitividade da fonte, bem como as tendências para as futuras gerações de aerogeradores. Para realizar a estimativa do novo potencial eólico do estado desenvolveu-se uma ferramenta que converte a imagem dos mapas publicados no Atlas Eólico em uma matriz de valores, o que é realizado comparando a cor de cada pixel dos mapas às respectivas legendas. Tratando-se matematicamente os dados obtidos dos mapas de velocidade média de vento, fator de forma k e densidade do ar é possível calcular o potencial energético de cada um dos pontos dessa matriz de dados. Este potencial é obtido a partir da integração das curvas de potência, corrigidas para cada densidade do ar, com as distribuições de probabilidade de Weibull, calculadas a partir da velocidade média de vento e fator de forma de cada local do estado. De modo a validar o procedimento de cálculo utilizado, os resultados da integração, com o emprego da mesma curva de potência utilizada no Atlas Eólico, são comparados com os dados energéticos publicados no documento. Ao considerar aerogeradores mais modernos, com base na mesma metodologia de cálculo, o potencial eólico estimado para o Rio Grande do Sul, para localidades com ventos a partir de 7 m/s de média anual, aumentou em 65% sua capacidade de geração na altura de 75 m, alcançando um total de 219,26 TWh/ano. Nas mesmas condições, na altura de 100 m, o aumento foi de 61%, obtendo-se um potencial energético de 398,53 TWh/ano. Para ambas alturas citadas não há alteração significativa na potência instalável, estimada em 54,33 MW e 119,00 MW, respectivamente. A partir do banco de dados criado foi possível projetar, com base na lei logarítmica, a distribuição de vento nas alturas de 125 m e 150 m, anteriormente não apresentados no Atlas do estado. Nessas alturas o potencial teórico estimado foi de 761,94 TWh/ano e 872,30 TWh/ano, a partir de uma potência instalável de 211,31 MW e 270,25 MW, respectivamente. / This paper intends to evaluate the impact of the technological advances on the wind power potential of the state of Rio Grande do Sul, based on the developments in wind turbines since 2002, year of publication of the current Wind Atlas. It is exposed an overview of the wind energy in Brazil and in the World , as well as the characteristics of the wind global circulation and the phenomena that give rise to the main wind displacements on the state area and the behavior of the wind within the atmospheric boundary layer. To support the development of this work, the main technological developments in the period and how they contributed to improve the competitiveness of this source are presented, as well as the trends for future wind turbines generations. In order to estimate a new wind potential for the state of Rio Grande do Sul, a program that compares the colors of each pixel on the maps published in the Wind Atlas with their captions, generating a matrix of data was developed. With the data obtained from the maps of the average wind speed, factor k and air density, it is possible to calculate the energy potential at each point of the matrix. This potential is obtained from the integration of power curves, corrected for each air density, using the Weibull probability distributions, calculated from the mean wind speed and form factor at each local of the state area. In order to validate the procedure, the results of the integration, applying the same power curve used in the Wind Atlas, are compared with the amount of energy published on the document. Making use of the modern wind turbines, based on the same calculation methodology, the wind energy potential of the Rio Grande do Sul, considering only sites with annual wind average speed higher than 7 m/s, increased its generation capacity at the height of 75 m by 65 %, reaching a total of 219.26 TWh/year. Under the same conditions, at the height of 100 m, the increase was 61 %, yielding an energy potential of 398.53 TWh/year. For both heights, there are not significant changes in the installable potential, estimated at 54.33 MW and 119.00 MW, respectively. From the database created it was possible to estimate, based on the logarithmic law, the distribution of the wind at heights of 125 m and 150 m, not previously presented in the Atlas of the state. At such heights, the estimated theorical potential is 761.94 TWh/year and 872.30 TWh/year, with an installed capacity of 211.31 MW and 270.25 MW, respectively.

Este trabalho apresenta uma avaliação do impacto do avanço tecnológico no potencial eólico do Rio Grande do Sul, a partir da evolução verificada nos aerogeradores desde o ano de 2002, data da publicação do atual Atlas Eólico do estado. Para tal, é exposto um panorama da energia eólica no Brasil e no mundo, assim como as características das circulações globais de massas de ar e os fenômenos que dão origem aos principais deslocamentos sobre o estado, bem como o comportamento do vento dentro da camada limite atmosférica. Para embasar o desenvolvimento desse trabalho são apresentadas as principais evoluções tecnológicas verificadas no período e como elas contribuíram para o aumento da competitividade da fonte, bem como as tendências para as futuras gerações de aerogeradores. Para realizar a estimativa do novo potencial eólico do estado desenvolveu-se uma ferramenta que converte a imagem dos mapas publicados no Atlas Eólico em uma matriz de valores, o que é realizado comparando a cor de cada pixel dos mapas às respectivas legendas. Tratando-se matematicamente os dados obtidos dos mapas de velocidade média de vento, fator de forma k e densidade do ar é possível calcular o potencial energético de cada um dos pontos dessa matriz de dados. Este potencial é obtido a partir da integração das curvas de potência, corrigidas para cada densidade do ar, com as distribuições de probabilidade de Weibull, calculadas a partir da velocidade média de vento e fator de forma de cada local do estado. De modo a validar o procedimento de cálculo utilizado, os resultados da integração, com o emprego da mesma curva de potência utilizada no Atlas Eólico, são comparados com os dados energéticos publicados no documento. Ao considerar aerogeradores mais modernos, com base na mesma metodologia de cálculo, o potencial eólico estimado para o Rio Grande do Sul, para localidades com ventos a partir de 7 m/s de média anual, aumentou em 65% sua capacidade de geração na altura de 75 m, alcançando um total de 219,26 TWh/ano. Nas mesmas condições, na altura de 100 m, o aumento foi de 61%, obtendo-se um potencial energético de 398,53 TWh/ano. Para ambas alturas citadas não há alteração significativa na potência instalável, estimada em 54,33 MW e 119,00 MW, respectivamente. A partir do banco de dados criado foi possível projetar, com base na lei logarítmica, a distribuição de vento nas alturas de 125 m e 150 m, anteriormente não apresentados no Atlas do estado. Nessas alturas o potencial teórico estimado foi de 761,94 TWh/ano e 872,30 TWh/ano, a partir de uma potência instalável de 211,31 MW e 270,25 MW, respectivamente. / This paper intends to evaluate the impact of the technological advances on the wind power potential of the state of Rio Grande do Sul, based on the developments in wind turbines since 2002, year of publication of the current Wind Atlas. It is exposed an overview of the wind energy in Brazil and in the World , as well as the characteristics of the wind global circulation and the phenomena that give rise to the main wind displacements on the state area and the behavior of the wind within the atmospheric boundary layer. To support the development of this work, the main technological developments in the period and how they contributed to improve the competitiveness of this source are presented, as well as the trends for future wind turbines generations. In order to estimate a new wind potential for the state of Rio Grande do Sul, a program that compares the colors of each pixel on the maps published in the Wind Atlas with their captions, generating a matrix of data was developed. With the data obtained from the maps of the average wind speed, factor k and air density, it is possible to calculate the energy potential at each point of the matrix. This potential is obtained from the integration of power curves, corrected for each air density, using the Weibull probability distributions, calculated from the mean wind speed and form factor at each local of the state area. In order to validate the procedure, the results of the integration, applying the same power curve used in the Wind Atlas, are compared with the amount of energy published on the document. Making use of the modern wind turbines, based on the same calculation methodology, the wind energy potential of the Rio Grande do Sul, considering only sites with annual wind average speed higher than 7 m/s, increased its generation capacity at the height of 75 m by 65 %, reaching a total of 219.26 TWh/year. Under the same conditions, at the height of 100 m, the increase was 61 %, yielding an energy potential of 398.53 TWh/year. For both heights, there are not significant changes in the installable potential, estimated at 54.33 MW and 119.00 MW, respectively. From the database created it was possible to estimate, based on the logarithmic law, the distribution of the wind at heights of 125 m and 150 m, not previously presented in the Atlas of the state. At such heights, the estimated theorical potential is 761.94 TWh/year and 872.30 TWh/year, with an installed capacity of 211.31 MW and 270.25 MW, respectively.

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No. of bitstreams: 2 Dissertacao Mateus Gomes.pdf: 6830547 bytes, checksum: 47179b5d6a73fd8cdb299c49042f908c (MD5) Carta comprovante Mateus Gomes.jpg: 517376 bytes, checksum: 897b93ae582b7da42bf02be5122cf5a6 (MD5) Previous issue date: 2018-02-26 / Não recebi financiamento / Electricity generation is a global challenge to be faced by several countries. This has led to the pursuit and development of new clean technologies to sustainable supply of the growing world demand for energy. Currently the main sources of renewable energy are: biomass, solar, geothermal, tidal, wind on and offshore (land and sea). Among these sources, wind energy presents worldwide growth and recently a significant increase in its use in the offshore segment. Brazil is among the ten largest onshore wind power producers in the world, however it does not have yet any offshore wind farms. The country has great potential for exploration of offshore wind power, since there are large population concentrations with increasing energy demands in coastal areas and an Exclusive Economic Zone (EEZ) of approximately 3.5 × 10^6 km^2. The objective of this work was to develop a methodology for the use of offshore wind energy through the proposal of an offshore wind farm on the Southeast coast of Brazil. The study was carried out for the Southeast region of Brazil in order to complement the energy matrix of the region, which today is mostly composed of hydroelectric power plants. The offshore wind farm proposal was carried out following the methodology developed in this work, which is based on two different types of data collection sources: ocean buoys and automatic meteorological stations. Weibull frequency distributions were calculated for each data collection source, power curve and capacity factor for the selected wind turbines in each locality, in order to identify the best location for the utilization of offshore wind energy in the Southeast region. The location of the collection point Cabo Frio 2 presented the best wind characteristics for offshore wind energy production, however its installation would require great complexity, so the selected collection point for the installation of an offshore wind farm in this work was the station A606 - Arraial do Cabo. The capacity factor calculated in the selected region was 0,51 for the wind turbine with lower power and 0,39 for the wind turbine with higher power, and the calculated wind speed at the reference height was 7,77 m/s, which is an adequate value for wind energy production. The wind farm proposed for this region is capable of supplying annually 604.461 MWh through 39 wind turbines, which are enough to supply the energy demand of approximately 115,870 residences during the whole year in a county located in the state of Rio de Janeiro. / A geração de energia elétrica é um desafio mundial a ser enfrentado por vários países. Isso tem levado a busca e desenvolvimento de novas tecnologias limpas para o abastecimento de forma sustentável da crescente demanda mundial por energia. As principais fontes de energia renováveis da atualidade são: biomassa, solar, geotérmica, maremotriz, eólica on e offshore (terra e mar). Dentre essas fontes, a energia eólica sinaliza crescimento mundial e recentemente um aumento significativo na sua utilização no segmento offshore. O Brasil está entre os dez maiores produtores mundiais de energia eólica onshore, entretanto ainda não possui empreendimentos eólicos offshore. O país possui grande potencial para exploração da fonte eólica offshore, visto que existem grandes concentrações populacionais com crescentes demandas energéticas em áreas costeiras e uma Zona Econômica Exclusiva (ZEE) de aproximadamente 3.5 × 10^6 km^2. O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para utilização da energia eólica offshore através da proposta de um parque eólico offshore no litoral Sudeste do Brasil. O estudo foi realizado para a região Sudeste do Brasil com intuito de complementar a matriz energética elétrica da região, que hoje é em sua maioria composta por hidroelétricas. A proposta do parque eólico offshore foi realizada seguindo a metodologia desenvolvida neste trabalho, que se baseia em dois diferentes tipos de fontes de coleta de dados: boias oceânicas e estações meteorológicas automáticas. Foram calculadas as distribuições de frequência de Weibull para cada fonte de coleta de dados, curva de potência e o fator de capacidade para os aerogeradores selecionados em cada localidade, com objetivo de identificar a melhor localização para utilização de energia eólica offshore na região sudeste. Os resultados mostram que, dentre os pontos de coleta de dados analisados, o local do ponto de coletas Cabo Frio 2 apresentou as melhoras características de ventos para exploração de energia eólica offshore, entretanto sua instalação demandaria grande complexidade, por isso o ponto de coleta selecionado para instalação de um parque eólico offshore neste trabalho foi a estação A606 - Arraial do Cabo. O fator de capacidade calculado na região selecionada foi de 0, 51 para o aerogerador com menor potência e 0,39 para o aerogerador com maior potência, e a velocidade no local calculada na altura de referência foi de 7,77 m/s, que é um valor adequado para produção de energia eólica. O parque proposto para esta região é capaz de fornecer anualmente 604.461 MWh, utilizando 39 aerogeradores, que são suficientes para abastecer cerca de 115.870 domicílios durante todo o ano para um município localizado no estado do Rio de Janeiro.

This thesis analyzes the monthly data from historical series of the heat stroke cycles, solar radiation and average wind speeds in the 1961 and 2008 period to identify long-term inaccuracies in the location of both wind and solar sources. The state of Rio Grande do Sul-Brazil, was chosen as a case study, to estimate the behavioral trend of these variables and compare them with the measured data, testing the homogeneity of information. Therefore, it aims at improving the long-term prognosis in locating projects of solar power generation plants. The analysis of these climatic variables was carried out using ARIMA models (autoregressive integrated moving average models) as well as the Box & Jenkins methodology and seasonality studies with the X11 ARIMA models with 5% statistical significance. In this study, the period between 1961 and 2011 indicated that heat stroke rates were not enough to overcome the values recorded in the 1960s and 1970s, when the percentages were in most months 1% below the historical average. The observed heat stroke data suggest decreasing trends in the 1980s and 1990s, due to the presence of the phenomenon called "global dimming", which contributed to lower levels of solar radiation.!A possible structural break has been found in the wind series from August 2001 through the CUSUMQ test (cumulative sum of squares of recursive waste) and the Lane et al test. (2002), leading to higher values and overestimating the final prognosis of wind power. A decrease in the average wind speed was also observed from 2003 to 2011 during six months of these years.!The spring season, often with the highest wind potential had the highest mean decrease while the season with the lowest wind potential, fall, had the opposite behavior during the studied period. By spectral analysis, performed by Fourier method, the time series of sunshine and solar radiation also showed cycles with possible ranges of influence on measurements of the solar energy potential. Such temporal variations in the data, indicate that possible locations for the wind and photovoltaic plants may be seriously affected since longterm weather fluctuations can vary significantly even at the best location selected to generate electricity. / Esta tese analisa os dados mensais das séries históricas dos ciclos de insolação, radiação solar e velocidade média dos ventos para melhorar o prognóstico de longo prazo na localização de áreas para fontes eólicas e solares de geração de potência elétrica. Como estudo de caso, tomou-se o período de dados de 1961 a 2008 para definir imprecisões de longo prazo que podem ocorrer no estado do Rio Grande do Sul, Brasil, na estimativa da tendência comportamental das variáveis meteorológicas e compará-las com dados medidos, testando assim, a homogeneidade das informações. As análises das variáveis climáticas foram realizadas através de modelos ARIMA (modelos autorregressivos integrados de média móvel), por meio da metodologia Box & Jenkins e do estudo da sazonalidade com modelos X11 ARIMA em níveis de significância estatística de 5%. Neste estudo, o período entre 1961 e 2011 indicou que os índices de insolação não foram suficientes para superar os valores verificados nas décadas de 1960 e 1970, em que os percentuais foram na maioria dos meses da ordem de -1% abaixo da média histórica. Os dados observados da insolação sugerem tendências decrescentes nas décadas de 1980 e 1990, pela presença do fenômeno global dimming sobre o estado do Rio Grande do Sul contribuindo para menores níveis de radiação solar. Foi constatada também uma possível quebra estrutural na série eólica em agosto de 2001 através do teste CUSUMQ (soma acumulada dos quadrados dos resíduos recursivos) e do teste de Lane et al. (2002), conduzindo a valores maiores e superestimando o prognóstico final do potencial eólico. Também foi constatada, redução em seis dos doze meses do ano na velocidade média dos ventos no período de 2003 a 2011. A estação da primavera, geralmente com o maior potencial eólico, indicou uma maior média de redução enquanto a estação de menor potencial eólico, o outono, mostrou um comportamento inverso para este mesmo período. Através da análise espectral, realizada pelo método de Fourier, as séries históricas de insolação e radiação solar mostraram também ciclos com amplitudes possíveis de influenciar as mensurações do potencial energético solar. Com estas variações temporais nos dados, as previsões de localização de centrais eólicas e fotovoltaicas ficam seriamente prejudicadas, uma vez que as oscilações meteorológicas de longo prazo podem variar sensivelmente na melhor localização de áreas para geração de energia elétrica.