Caracterização do vento costeiro e offshore através de simulação numérica de mesoescala utilizando o modelo WRF e observações de LiDAR em um parque eólico no litoral do nordeste brasileiro

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Maciel, Juliana Magalhães Gonçalves
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247707
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2023.
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spelling Caracterização do vento costeiro e offshore através de simulação numérica de mesoescala utilizando o modelo WRF e observações de LiDAR em um parque eólico no litoral do nordeste brasileiroEngenharia mecânicaEnergia eólicaVentosUsinas eólicasDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2023.A energia eólica offshore experimenta um grande desenvolvimento nos últimos anos e deve se consolidar no Brasil muito em breve. O interesse em investigar as características dos ventos costeiros e offshore são impulsionados pela perspectiva de instalação de grandes complexos eólicos no litoral brasileiro, especialmente na região nordeste do país. Neste contexto, esse trabalho teve como objetivo caracterizar o recurso eólico costeiro e offshore utilizando o modelo WRF (Weather Research and Forecasting) para simular ventos costeiros, com características offshore, influenciados pela combinação dos ventos alísios de grande escala e a circulação de brisa (mesoescala). Além disso, avaliar a influência da variabilidade espaçotemporal do recurso eólico costeiro e offshore do litoral do Piauí-PI, utilizando observações de LiDAR (Light Detection And Ranging) da Usina Eólica de Pedra do Sal (UEPS). Para investigação, foram simulados dois períodos de uma semana. A semana dos dias 15 a 22 de julho caracterizada por ventos moderados (9,2 m/s) e a semana dos dias 15 a 22 de outubro caracterizada por ventos fortes (12,78 m/s). Uma análise de sensibilidade foi realizada no modelo WRF onde foram testadas quatro diferentes configurações de camada limite e diferentes resoluções para os níveis verticais para dois domínios de 9 km e 3 km de resolução de grade, alimentados com dados de reanálise global do ERA5. Uma torre anemométrica e um perfilador de vento LiDAR ficaram em operação na UEPS entre junho de 2013 a setembro de 2014, e os dados aqui observados foram utilizados para validar as simulações. Segundo análises estatísticas, os menores erros na simulação do vento, considerando comparações entre LiDAR e torre anemométrica, foram encontradas utilizando a parametrização MYNN e 41 níveis verticais (MAE de 1,64 m/s e Bias de -0,37 m/s para torre e MAE de 1,56 m/s e Bias de 0,13 m/s para o LiDAR). Após selecionar a configuração que melhor representou os ventos na região da UEPS, caracterizou-se a circulação de brisa e sua influência no recurso eólico offshore. A decomposição dos vetores em magnitude de velocidade (U,V) confirmam a presença da brisa marítima na região, bem como a predominância de ventos offshore que são estabelecidos da combinação dos ventos alísios com a brisa marítima local. A brisa marítima permanece na região litorânea durante um maior período na semana de outubro, em regime de ventos fortes e céu claro. Os ventos alísios que sopram de sudeste contornam a cadeia de montanhas da Serra do Ibiapaba (954 m de altitude), localizada aproximadamente 80 km da UEPS, onde a interação dos ventos com a topografia próxima revela padrões de ventos acelerados na UEPS, principalmente durante a semana de outubro, onde ventos costeiros apresentam maior magnitude de velocidade que ventos offshore. A análise do recurso eólico apresentou padrão de ventos distintos entre região costeira e offshore, sendo a segunda caracterizada com ventos mais constantes e com menor variabilidade diurna. Dessa forma, o presente estudo analisa a presença da brisa marítima e seu impacto na velocidade do vento local, bem como avalia o potencial do recurso eólico costeiro e offshore no litoral do nordeste brasileiro utilizando simulações de mesoescala e observações de LiDAR.Abstract: Offshore wind energy has experienced great development in recent years and should consolidate itself in Brazil very soon. The interest in investigating the characteristics of coastal and offshore winds is driven by the prospect of installing large wind complexes on the Brazilian coast, especially in the northeast region of the country. In this context, this work aims to characterize the coastal and offshore wind resource using the WRF (Weather Research and Forecasting) model to simulate coastal winds, with offshore characteristics, influenced by the combination of large-scale trade winds and breeze circulation (mesoscale). In addition, to evaluate the influence of the space-time variability of the coastal and offshore wind resource on the coast of Piauí-PI, using LiDAR (Light Detection And Ranging) observations from the Pedra do Sal Wind Power Plant (UEPS). For investigation, two periods of one week were simulated. The week from the 15th to the 22nd of July was marked by moderate winds (9.2 m/s) and the week from the 15th to the 22nd of October was marked by strong winds (12.78 m/s). A sensitivity analysis was performed on the WRF model where four different layer boundary configurations and different levels were tested for two domains of 9 km and 3 km of degree resolution, fed with ERA5 global reanalysis data. An anemometric tower and a LiDAR wind profiler were in operation at UEPS between June 2013 and September 2014, and the data observed here were used to validate the simulations. According to statistical analyses, the smallest errors in the wind simulation, considering comparisons between LiDAR and anemometric tower, were found using the MYNN parameterization and 41 vertical levels (MAE of 1.64 m/s and Bias of -0.37 m/s for tower and MAE of 1.56 m/s and Bias of 0.13 m/s for LiDAR). After selecting the configuration that best characterizes the winds in the UEPS region, the breeze circulation and its influence on the offshore wind resource were characterized. The representation of vectors in magnitude of velocity (U,V) confirm the presence of sea breeze in the region, as well as the predominance of offshore winds that arise from the combination of trade winds with the local sea breeze. The sea breeze remains in the coastal region for a longer period in the week of October, in a regime of strong winds and clear skies. The trade winds that blow from the southeast skirt the Serra do Ibiapaba mountain chain (altitude of 954 m), located about 80 km from the UEPS, where the interaction of winds with the topography accelerates accelerated wind patterns in the UEPS, mainly during the week of October, where the coastal winds have a greater magnitude of speed than the offshore winds. The wind resource analysis showed a distinct wind pattern between the coastal and offshore regions, the latter being characterized by more constant winds and little diurnal variability. Thus, this study analyses the presence of sea breeze and its impact on local wind speed, as well as evaluates the potential of coastal and offshore wind resource in the Brazilian northeast coast using mesoscale simulations and LiDAR observations.Passos, Júlio CésarRadünz, William CorrêaUniversidade Federal de Santa CatarinaMaciel, Juliana Magalhães Gonçalves2023-06-28T18:27:36Z2023-06-28T18:27:36Z2023info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis113 p.| il., gráfs.application/pdf381818https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247707porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-06-28T18:27:37Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/247707Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732023-06-28T18:27:37Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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