Análise da influência da rugosidade do oceano no potencial eólico offshore a partir de modelos linearizados

Abstract

Uma prática comum no estudo do potencial eólico offshore é considerar a rugosidade do mar como constante para toda a região, frequentemente ignorando as características do mar local e os efeitos da costa. Portanto, o objetivo deste trabalho é estimar o impacto do comprimento da rugosidade aerodinâmica no recurso eólico em alto mar, a fim de permitir projetos com maior confiabilidade e rentabilidade para esse cenário. Para alcançar esse objetivo, foram utilizados os dados de medição da estação meteorológica FINO 1 para modelar a condição climática e para determinar a rugosidade a partir de métodos difundidos na literatura, como a relação de Charnock e o método analítico. Outra abordagem explorada foi a utilização da malha de dados de reanálise do ERA5 de rugosidade, resultando em zonas com valores distintos de rugosidade no mar. A partir da modelagem de vento e topografia, foi utilizado o software comercial WAsP para realizar as simulações e determinar o potencial eólico, comparando-se os resultados obtidos para cada caso com os dados de operação e medição do parque eólico offshore Alpha Ventus. As simulações foram realizadas para 3 casos: o primeiro utilizando a valor de rugosidade do mar recomendado pelo WAsP (0,2 mm), o segundo consistiu em utilizar os polígonos referentes aos dados de reanálise do ERA5 e o terceiro o valor médio calculado pelo método analítico (3,66 mm). A relação de Charnock, por sua vez, não pode ser simulada uma vez que obteve valores de rugosidade inferiores ao mínimo permitido pelo WAsP, não permitindo sua inserção. A partir dos resultados obtidos, notou-se uma variação máxima de 11,13% entre as simulações quando há uma variação grande entre a altura de medição e simulação. Por fim, constatou se o efeito da costa sobre a região, evidenciando como os efeitos podem estar contidos no valor da rugosidade do mar.

A widespread practice in studying offshore wind potential is to consider sea roughness as constant throughout the region, often overlooking local sea characteristics and coastal effects. Therefore, the aim of this study is to estimate the impact of aerodynamic roughness length on offshore wind resources to enable more reliable and profitable projects in this scenario. To achieve this goal, measurement data from the FINO 1 meteorological station were used to model the climatic condition and determine roughness using methods widely used in the literature, such as the Charnock’s relation and the analytical method. Another approach explored was the use of ERA5 reanalysis data mesh of roughness, resulting in zones with distinct roughness values at sea. Wind and topography modeling employed the commercial software WAsP to conduct simulations and determine wind potential, comparing the results obtained for each case with operational and measurement data from the offshore wind farm Alpha Ventus. Simulations were conducted for three cases: the first using the sea roughness value recommended by WAsP (0.2 mm), the second utilizing polygons related to ERA5 reanalysis data, and the third using the average value calculated by the analytical method (3.66 mm). The Charnock’s relation, however, could not be simulated as it yielded roughness values below the minimum allowed by WAsP, preventing its insertion. From the results obtained, a maximum variation of 11.13% was noted between simulations when there was a large variation between measurement and simulation height. Finally, the effect of the coast on the region was observed, highlighting how effects may be contained in the value of sea roughness.