Energia Solar
Introdução à Energia Solar
Samuel Luna de Abreu
Sumário
• Introdução• O Sol• Relações Astronômicas Sol-Terra
Introdução à Energia Solar
• Relações Astronômicas Sol-Terra• Irradiação Solar
Relações astronômicas Sol-Terra
• A trajetória do Sol no céu e sua posição em relação a qualquer superfície na Terra podem ser calculados
• Seu conhecimento é fundamental para:
Introdução à Energia Solar
• Seu conhecimento é fundamental para:– compreender melhor as diferenças de
comportamento de edificações e sistemas de aquecimento solar ao longo do ano
– quantificar a radiação em superfícies inclinadas– determinar sombreamentos
Movimento da Terra ao redor do Sol
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Movimento da Terra ao redor do Sol
4/4 equinócio vernal 20-21/3
solstício de verão 21-22/61UA
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5/10
1UA
perihélio - 3/1
solstício de inverno 21-22/12
equinócio outonal 22-23/9
afélio - 4/71,017 UA 0,983 UA
1UA
Correção da excentricidade da órbita terrestre
• relação entre a distância Terra-Sol e a distância no dia em que equivale a 1 UA
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UA
]365/360cos[033,01)/( 2
00 nrrE ⋅+==
Declinação - δ• inclinação do eixo de rotação da terra
em relação ao plano que contém a trajetória terrestre
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trajetória terrestre
]365
284360[45,23
nsen
+=δ
Inverno e Verão
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Esfera celeste
S
Terra
N
Sol
23,5° - solstíciode verão
23,5° - solstíciode inverno
trajetória aparente do Sol
polo norte da efera celeste
δ
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90°
polo sul da efera celeste
hora solar e hora legal
• necessidade de padronizar os horários• no Brasil temos 4 fusos• maior parte está no horário de Brasília
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• maior parte está no horário de Brasília (3 horas em relação ao horário GMT)
• horário de verão• hora solar difere da hora legal devido a
longitude e equação do tempo
hora solar e hora legal
TLS ELLoficialhoráriosolarhorário +−+= )(4__
equação do tempo:
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)18,229)(2sen04089,02cos014615,0
sen032077,0cos001868,0000075,0(
Γ−Γ−Γ−Γ+=TE
365/)1(360 −=Γ nonde:
Superfícies orientadas arbitrariamenteθz - ângulo zenital -ângulo entre a trajetória de incidência direta da irradiação solar e uma linha vertical
Sol
normal ao planoinclinado
zênite
θ
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linha vertical
αs - altitude solar -ângulo entre a trajetória de incidência direta da irradiação solar e a horizontal (= 90° -θz )
Norte
Sul
Leste
Oestesuperfíciehorizontal
projeção do sol na horizontal
γ
θ
θZ
αS
γS
β
Superfícies orientadas arbitrariamenteγs - azimute solar –desvio da projeção do sol na horizontal em relação ao sul, leste negativo e oeste positivo
Sol
normal ao planoinclinado
zênite
θ
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negativo e oeste positivo (-180°≤ γs ≤180°)
Norte
Sul
Leste
Oestesuperfíciehorizontal
projeção do sol na horizontal
γ
θ
θZ
αS
γS
β
Superfícies orientadas arbitrariamenteβ - inclinação da superfície em relação a horizontal (0°≤ β ≤180°)
γ - azimute da superfície
Sol
normal ao planoinclinado
zênite
θ
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γ - azimute da superfície – desvio da projeção horizontal da normal da superfície em relação ao sul, leste negativo e oeste positivo (-180°≤ γ≤180°)
Norte
Sul
Leste
Oestesuperfíciehorizontal
projeção do sol na horizontal
γ
θ
θZ
αS
γS
β
Superfícies orientadas arbitrariamenteω - ângulo horário –deslocamento do sol ao longo do dia (15°/hora, -180°≤ γs ≤180°)
Sol
normal ao planoinclinado
zênite
θ
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s
θ - ângulo de incidência – ângulo entre a trajetória de incidência direta da irradiação solar e a normal a superfície
Norte
Sul
Leste
Oestesuperfíciehorizontal
projeção do sol na horizontal
γ
θ
θZ
αS
γS
β
Determinação da irradiação solar
• só é possível dimensionar e simular o funcionamento a partir do conhecimento da irradiação solar disponível
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da irradiação solar disponível• dependendo da finalidade, é necessário
conhecer a irradiação solar em valores horários, diários ou mensais
• Irradiação solar extraterrestre – radiação incidente em uma superfície horizontal no topo da atmosfera
• Irradiação solar global – total de irradiação recebido em uma superfície de todo o hemisfério visível.
• Componentes da irradiação solar global
ZSCEII θcos00 =
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• Componentes da irradiação solar global– direta – recebida diretamente do disco solar– difusa – recebida do resto do hemisfério visível
• espalhada na atmosfera• refletida pelas superfícies vizinhas
Irradiação solar em superfícies inclinadas
• medições disponíveis são na horizontal• superfícies inclinadas são de interesse
prático nas situações reais
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prático nas situações reais• uma série de modelos podem ser
utilizados para estimar a irradiação em superfícies inclinadas
Irradiação solar em superfícies inclinadas
idifirefidiri IIII ,,, ++=
direta: refletida:( )cos1 βρ −⋅⋅I
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θcos,, ndiridir II = ( )2
cos1,
βρ −⋅⋅= II iref
difusa:
++⋅
+−= bididifidif rAsenfAII ))2(1(2
cos1)1( 3
, ββ
Irradiação solar em superfícies inclinadas
5000
5500
6000
6500
horizontalinclinação = 28° / azimute = 0° inclinação = 28° / azimute = 45°
Wh/
m2 ]
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 122500
3000
3500
4000
4500
Irrad
iaçã
oS
olar
[W
Mês
Irradiação solar em superfícies inclinadas
5000
6000
7000 horizontal vertical - N vertical - S vertical - L e O
r[W
h/m
2 ]
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120
1000
2000
3000
4000
Irrad
iaçã
oS
olar
Mês
Medição da Irradiação Solar
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Medição da Irradiação Solar
Heliógrafo de Campell-Stokes• equipamento disponível em
grande quantidade em estações meteorológicas
• registra o número de horas de insolação diárias
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insolação diárias• a irradiação solar global é
estimada utilizando a “Lei de Angström
Piranômetros• fornece dados da irradiação
solar global na faixa do espectro de interesse energético
• baixas incertezas, relacionadas ao tipo de piranômetro utilizado
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ao tipo de piranômetro utilizado• possibilidade do fornecimento de
medidas instantâneas
• medida utilizando piranômetros• a parcela direta é removida
utilizando dispositivos de sombreamento:– anéis de sombreamento
Irradiação solar difusa
disco de sombreamento
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– anéis de sombreamento• menor custo• maior confiabilidade• maior incerteza de medição
– discos de sombreamento• maior custo• necessita de um rastreador
solar• menor incerteza de medição
anel de sombreamento
disco de sombreamento
• medida utilizando pirheliômetros• necessita de um rastreador
solar• custo alto• utilizado para calibração de
Irradiação solar direta
rastreador solar Eppley
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• utilizado para calibração de piranômetros pirheliômetro Eppley NIP
Estação solarimétrica
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estação solarimétrica BSRN de Florianópolis
Rede de estações solarimétricas
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Irradiação solar medida(Florianópolis – SC)
600
800
1000
120003/01/1999
Rad
iaçã
o (W
/m2 )
Global Direta Difusa
600
800
1000
1200Dia 27/06/1999
Rad
iaçã
o (W
/m2 )
Global Direta Difusa
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0
200
400
600
Rad
iaçã
o (W
/m
Tempo (hora)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0
200
400
600
Rad
iaçã
o (W
/mTempo (hora)
dia de céu claro dia de céu parcialmente encoberto
Irradiação solar medida(Florianópolis – SC)
4000
5000
6000
7000
Irra
diaç
ão S
olar
Glo
bal D
iária
[Wh/
m2 ]
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média mensal dos totais diários de irradiação solar global
jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez0
1000
2000
3000
Mês
Irra
diaç
ão S
olar
Glo
bal D
iária
[Wh/
m
Estimativa da irradiação solar na superfície
• a partir de dados medidos– mapas são gerados a partir da interpolação dos valores das
estações existentes– número de estações radiométricas necessárias para garantir
bons resultados inviabiliza financeiramente
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– séries históricas mais longas estão disponíveis (basicamente dados de horas de insolação)
• a partir de imagens de satélite– mapas são gerados a partir de imagens de satélite– resolução espacial e temporal equivalente à fornecida pelo
satélite– poucas estações radiométricas necessárias para calibrar e
validar os modelos
Estimativa da irradiação solar na superfície a partir de imagens de satélite
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