aula-2 [salvo pelo usuário] · 2011. 2. 28. · 23,5° - solstício de verão 23,5° - solstício...

Energia Solar

Introdução à Energia Solar

Samuel Luna de Abreu

Sumário

• Introdução• O Sol• Relações Astronômicas Sol-Terra


• 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:


• 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


Movimento da Terra ao redor do Sol

4/4 equinócio vernal 20-21/3

solstício de verão 21-22/61UA


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


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


trajetória terrestre

]365

284360[45,23

nsen

+=δ

Inverno e Verão


Esfera celeste

S

Terra

N

Sol

23,5° - solstíciode verão

23,5° - solstíciode inverno

trajetória aparente do Sol

polo norte da efera celeste

δ


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


• 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:


)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


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


zênite

θ


negativo e oeste positivo (-180°≤ γs ≤180°)

Norte

Sul

Leste



γ

θ

θZ

αS

γS

β

Superfícies orientadas arbitrariamenteβ - inclinação da superfície em relação a horizontal (0°≤ β ≤180°)

γ - azimute da superfície

Sol


zênite

θ


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



γ

θ

θZ

αS

γS

β

Superfícies orientadas arbitrariamenteω - ângulo horário –deslocamento do sol ao longo do dia (15°/hora, -180°≤ γs ≤180°)

Sol


zênite

θ


s

θ - ângulo de incidência – ângulo entre a trajetória de incidência direta da irradiação solar e a normal a superfície

Norte

Sul

Leste



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


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 =


• 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


prático nas situações reais• uma série de modelos podem ser

utilizados para estimar a irradiação em superfícies inclinadas


idifirefidiri IIII ,,, ++=

direta: refletida:( )cos1 βρ −⋅⋅I


θcos,, ndiridir II = ( )2

cos1,

βρ −⋅⋅= II iref

difusa:

++⋅

+−= bididifidif rAsenfAII ))2(1(2

cos1)1( 3

, ββ


5000

5500

6000

6500

horizontalinclinação = 28° / azimute = 0° inclinação = 28° / azimute = 45°

Wh/

m2 ]


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 122500

3000

3500

4000

4500

Irrad

iaçã

oS

olar

[W

Mês


5000

6000

7000 horizontal vertical - N vertical - S vertical - L e O

r[W

h/m

2 ]


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


Medição da Irradiação Solar

Heliógrafo de Campell-Stokes• equipamento disponível em

grande quantidade em estações meteorológicas

• registra o número de horas de insolação diárias


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


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


– 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


• utilizado para calibração de piranômetros pirheliômetro Eppley NIP

Estação solarimétrica


estação solarimétrica BSRN de Florianópolis

Rede de estações solarimétricas


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


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 ]


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


– 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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