Tecnologia que move o mundo Data
Tecnologia que move o mundo
Data
Introdução• Dos 62,5 MW/m2 que sai da superfície solar apenas 1 kW/m2 chega à
superfície terrestre, após percorrer 150 milhões de km em 8 minutos.
• A radiação extraterrestre é a radiação fora da atmosfera, sendo atenuada para metade na atmosfera pelas seguintes causas:
– a banda visível do espectro (0.35-0.75µm) que é metade da energia éreflectida por interacção com as moléculas gasosas e pó. Com nuvens cerca de 80% da energia é refletida para o espaço.
– Parte da radiação infravermelha (>0.75 µm), um pouco menor que a energia da banda visível, é absorvida pelo vapor de água CO2, etc.
– A radiação ultravioleta (<0.35m m), com muito pouca energia é eliminada pela camada de ozono
• Para calcular a produção FV basta conhecer a radiação global, integrada em toda a banda o espectro solar. Entende-se por radiação:
– Irradiância : potência que incide na superfície por unidade de área (kW/m2).
– Irradiação : energia que incide na superfície por unidade de área durante um período de tempo (irradiação horária, diária, mensal, anual, etc.) ( kWh/m2).
Espectro da radiação solar
Eλ
λ
Radiação extraterresteConstante solar Isc = 1353 Wm-2
Radiação Global ao nível do mar (1000 Wm-2)
Radiação Directa ao nível do mar (768 Wm-2)
Infravermelho(51% da energia)
Visível(40%)
Ultravioleta(9%)
Componentes da radiação• Podemos diferenciar três componentes de radiação solar incidente:
– Radiação directa : constituída por raios solares recebidos em linha recta do sol
– Radiação difusa : procedente de todo o céu visível, excluindo o disco solar, e originada pelos raios não directos e dispersos pela atmosfera. Depende fundamentalmente das nuvens, sendo muito variável no tempo. Podem existir vários tipos de modelizações (isotrópico, circunsolar, método de Klucher, método de Hay)
– Radiação reflectida no albedo : procedente do solo e com origem na reflexão da radiação incidente na superfície. Depende das características do solo.
– Radiação global : é a radiação total que incide na superfície e é a soma da radiação directa e difusa componentes anteriores
– Radiação total : é a soma da radiação directa, difusa e de albedo
Componentes da radiação
H
ρ
RadiaçãoExtreterrestre
RadiaçãoDirecta Hb
Absorvida pela atmosfera
reflectida
ESPAÇOEXTERIOR
ATMOSFERA
Difusa HdRadiaçãoGloba Ht
Mapas de radiação solar• O valor da irradiação global sobre a superfície pode
obter-se em Atlas solares, como:http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/countries/countries-europe.htm#ES-PT
Caracterização do recurso solar• O software RETScreen fornece séries de irradiação média diária em plano
horizontal para cada mês e a temperatura média para cada mês
http://retscreen.gc.ca
Declinação• A declinação δ é o ângulo entre o plano do equador e a direcção sol-terra
Solstício de Invernoδ = -23,45º
δ = -23,45ºδ = +23,45º
Equinócio de Primaveraδ = 0º
Equinócio de Outonoδ = 0º
Solstício de Verãoδ = +23,45º
28423,45 sin 2
365n
radianos
dδ π
+ = ⋅ ⋅ 1442443
δ é a declinação
dn é o dia do ano [1 a 365]
δ obtido em graus
Posição do sol relativamente a um plano horizontal
Solstício de Verão
Solstício de Inverno
Equinócios
POLO SUL
• O zénite é a direcção vertical sobre o plano horizontal
• O ângulo do zénite relativamente ao polo norte é 90º- φ• φ - latitude (º)
•Distância zenital, θz - é o ângulo entre o zénite e a radiação directa no plano.
•Elevação solar, γγγγs=90- θz - é o ângulo entre o plano horizontal e a radiação directa no plano.
• O Azimute solar, ψψψψs - é o ângulo formado entre a direcção Sul e a projecção da linha Sol-terra sobre a horizontal. O azimute para oeste épositivo e para Este é negativo.
Posição do sol relativamente a um plano horizontal
• A evolução temporal, ao longo do dia, é dada pelo ângulo horário solar. • O ângulo horário de 15º corresponde a 1 hora• Para a hora que o sol está mais alto (meio dia solar) o ângulo solar é nulo, é
negativo para a manhã e positive à tarde.
• Ângulo de saída do sol Ws e por do sol Wp:
• Conversão em horas do ângulo solar:
• Ângulo solar para uma determinada hora:
( )arccoss tg tgω δ φ= − − ⋅ p sω ω= −
( )º12
15ºsolar
solarHω
= +
( ) ( )º 12 15solar solarHω = − ⋅
NOTA: ângulo solar e azimute não são a mesma coisa
Posição do sol relativamente a um plano horizontal
90º arccos(sin sin cos cos cos )z sθ γ δ φ δ φ ω= − = ⋅ + ⋅ ⋅
sin sin sinarccos ;para 0
cos coss
s s ss
γ φ δψ ω ψ ψγ φ
⋅ −= < = − ⋅
Distância zenital solar e elevação solar
Azimute solar
Dia =21Mês =3Latitude =41,65
ωs = -89ºhoras=6h02horap=17h57
Dia =21Mês =6Latitude =41,65
ωs = -112ºhoras=4h29horap=19h30
sψsψ−
90ºs zγ θ= −
Posição do sol relativamente a um plano inclinado
• ββββ - é a inclinação do plano, que corresponde ao ângulo entre a “linha da gota de água” e a horizontal.
• αααα - é o azimute do plano, que corresponde ao ângulo entre a “linha da gota de água” e o Sul
arccos(sin sin cos sin cos sin cos
cos cos cos cos cos sin sin cos cos cos sin sin sin )sθ δ φ β δ φ β α
δ φ β ω δ φ β α ω δ α ω β= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ +
+ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅
( ) ( )arccos(sin sin cos cos cos )sθ δ φ β δ φ β ω= ⋅ − + ⋅ − ⋅
( )( )( )max ; arccosss s tg tgω ω δ φ β= − − ⋅ −
• θs - é o ângulo de incidência solar, sendo o ângulo entre a linha sol-terra e a normal ao plano • (90 – θs) – corresponde ao ângulo de incidência relativamente ao plano
Ângulo de incidência solar
Ângulo de incidência solar para planos orientados a sul
Hora de saída do sol sobre o plano
Radiação extraterreste num plano horizontal
ESPAÇO EXTERIOR
ATMOSFERA
{
21353
/ factor de excentricidadeda órbita terreste
21 0,033 cos cos( )
365n
sc zs
W m
dI I
π θ ⋅ = ⋅ + ⋅ 14444244443
constantesolar
Irradiância Extraterrestre
(W/m2)
distância zenital
( )21 0,033 cos sin sin cos cos cos
365n
sc
dI I
π δ φ δ φ ω ⋅ = ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
( )0
2241 0,033 cos sin sin cos cos sin
365n
sc s s
dH I
π ω δ φ δ φ ωπ
⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
A irradiância na superfície da atmosfera será:
A irradiância na superfície terrestre será:ângulo horário
LatitudeDeclinação
Integrando ao longo do dia dn teremos a irradiação extraterreste:
PotênciaW/m2
EnergiaWh/m2
ângulo horáriode saída do sol
módulo de ws (em radianos)
Estimativa da radiação no painel
• Existem vários tipos de problemas:– Não dispomos de dados experimentais e pretendemos obter a
radiação diária difusa, directa e global, no painel inclinado
– Conhecemos valores de radiação global diária, em plano horizontal, medidos na proximidade do local e pretendemos obter a radiação diária difusa, directa e global, no painel inclinado
– Conhecemos valores de radiação global, em plano horizontal, diária medidos na proximidade do local e pretendemos obter a radiação horária difusa, directa e global, no painel inclinado
Estimativa da radiação diária no painel
1. Calcular o valor da radiação diário extraterrestre H0, para plano horizontal
2. Consultar o valor de radiação global diária medida numa estação próxima H (Wh/m2/dia)
– Se não existir um valor medido de radiação global, estimar com base no índice de insolação
( )0
2241 0,033 cos sin sin cos cos sin
365n
sc s s
dH I
π ω δ φ δ φ ωπ
⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
0
nH H a b
N = ⋅ + ⋅
a e b são parâmetros típicos ara cada região. Se não existirem correlações usar, para Portugal, a=0,18 b=0,62
n é o número de horas de insolação, horas por dia em que a irradiância é superior a 100 W/m
N é o número de horas de duração do dia
n/N é o índice de insolação
Estimativa da radiação diária no painel
3. Calcula-se o índice de atenuação KT, que representa o efeito de atenuação da atmosfera terrestre. Este índice obtém-se para plano horizontal:
4. A componente da radiação difusa Hd pode ser estimada função da radiação global H e do índice de atenuação KT, Existem vários modelos de regressão (diários : modelo de Collares-Pereira ou o modelo de Ruth e Chant; mensais : modelo de Page ou modelo de Iqbal)
5. A componente da radiação directa Hb pode ser calculada pela diferença da radiação global H e da radiação difusa Hd:
global medida ou estimada
extraterrestre calculadaT
o
HK
H=
( )2 3 41,188 2,272 9,473 21,856 14,648d T T T TH H K K K K= ⋅ − ⋅ + ⋅ − ⋅ + ⋅
T0,99 se K 0,17dH H= ⋅ <ou
b dH H H= −
Estimativa da radiação diária no painel
6. A radiação total pode ser calculada pela soma das três componentes (modelo isotrópico de Duffie e Beckman):
H
ρ
RadiaçãoExtreterrestre
RadiaçãoDirecta Hb
Absorvida pela atmosfera
reflectida
ESPAÇOEXTERIOR
ATMOSFERA
Difusa HdRadiaçãoGloba Ht
1 cos 1 cos
2 2t b b dH H R H Hβ β ρ+ − = ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅
Estimativa da radiação diária no painel
7. As componente de radiação global H, radiação difusa Hd e radiação directa Hb são os valores diários em plano horizontal, discutidos nos passos anteriores.
8. O coeficiente Rb converte a radiação directa em plano horizontal na radiação no plano do painel.
– Para painel inclinado β e orientado a sul:
1 cos 1 cos
2 2t b b dH H R H Hβ β ρ+ − = ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅
( ) ( )cos cos sin sin sin
cos cos sin sin sinss ss
bs s
Rφ β δ ω ω φ β δ
φ δ ω ω φ δ− ⋅ ⋅ + ⋅ − ⋅
=⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
módulo de ws e wss(em radianos)( )( )( )max ; arccosss s tg tgω ω δ φ β= − − ⋅ −
Estimativa da radiação diária no painel
8. ρ é a reflectividade do solo, sendo usados os seguintes valores:
– solo seco escuro 0,2
– solo húmido verde 0,3– areia clara 0,4– neve 0,6
1 cos 1 cos
2 2t b b dH H R H Hβ β ρ+ − = ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅
Estimativa da radiação horária no painel
• A radiação horária directa hb e difusa hd, pode ser obtida com as correspondentes radiações diárias Hb e Hd.
Em que:
Para cada hora
th r H= ⋅ d d dh r H= ⋅ b dh h h= −
NOTA: utilizar o módulo de ws (em radianos)
Considerar as sombras no cálculo da radiação
Estimativa da radiação horária no painel
• A componente difusa representa cerca de 30% da radiação total, sendo este valor mais importante nos meses de inverno.
Difusa Directa Total
Julho Latitude=50º Inclinação 60º
Dezembro Latitude=50º Inclinação 60º
irrad
iânc
ia (
W/m
2 )
Cálculo da inclinação óptima e radiância média
• A inclinação óptima para cada dia do ano é calculada função da latitude e da declinação:
• Um valor aproximado da radiância média diária também pode ser encontrado directamente a partir de valores diários do índice de atenuação (KT). Esta fórmula é útil quando pretendemos evitar cálculos horários.
β φ δ= −
( )2( / ) 219 832médio TE W m K FC= + ⋅ ⋅ {1 0,000117 optFC
φ δ
β β−
= − ⋅ −
Inclinação óptima para o dia considerado Inclinação adoptada
Para cada dia
Para cada dia
Caracterização do recurso solar
• Ajuste para a inclinação do painel no RetScreen
Variação da radiação com a inclinação do painel
• Existe uma inclinação óptima, para um painel fixo ao longo do ano. – Sistemas ligados à rede (-10º que Latitude)– Sistemas isolados (+20º que Latitude)
Latitude = 42ºInc. Óptima=32º
Variação = 20%
Inclinação β (º)
Méd
ia a
nual
da
radi
ação
diá
ria g
loba
l (kW
h/m
2 )
Variação da radiação com a inclinação do painel
• Existe uma inclinação óptima, para um painel fixo ao para cada mês (Dezembro e Junho).
Latitude = 42º
Inclinação β (º)
Méd
ia a
nual
da
radi
ação
diá
ria g
loba
l (kW
h/m
2 )
Inc. Óptima=66ºpara Dezembro
Inc. Óptima=0ºpara Julho
JULHO
DEZEMBRO
Obrigado!