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Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOSPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Energia solar térmica
Agosto, 2016
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Ementa:
� Conceitos de radiação solar e disponibilidade;
� Transferência de calor em sistemas de energia solar;
� Radiação em meios opacos e transparentes;
� Absorção da radiação em coletores;
� Teoria dos coletores planos;
� Dimensionamento de sistemas de aquecimento;
� Sistemas de concentração;
� Simulação de sistemas de energia solar;
� Aplicações.
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Bibliografia:
� IQBAL, H. An introduction to solar radiation. Toronto: Academic
Press, 1983.
� HULSTRON, R. L. Solar resources. Massachusetts: The MIT Press,
1989.
� DUFFIE, J.A.; BECKMAN, W.A. Solar engineering of thermal
processes. 3th ed. New York: John Wiley, 2006.
� RABL, A. Active solar collectors and their applications. New York:
Oxford University Press, 1985.
�LORENZO, E. Radiación solar y dispositivos fotovoltaicos. Vol. II,
Sevilla: Progenza, 2006.
� KALOGIROU, S.A., Solar energy engineering: process and systems.
Academic Press, 2009. Disponível em: http://www.sciencedirect.com/science/book/9780123745019
� Macagnan, M.H. Introdução à radiação solar. Apostila da disciplina. Disponível em: http://www.professor.unisinos.br/mhmac/Energia%20Solar%20Termica/index.htm
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Links interessantes:
� International Energy Agency - Solar Heating & Cooling Programme http://www.iea-shc.org/
� SANDIA National Laboratories - Sistemas de Concentraçãohttp://energy.sandia.gov/energy/renewable-energy/solar-energy/csp-2/
� NREL - National Renewable Energy Laboratory
http://www.nrel.gov/
� IRENA - International Renewable Energy Agencyhttp://www.irena.org/home/index.aspx?PriMenuID=12&mnu=Pri
�Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEhttp://www.ise.fraunhofer.de/en/renewable-energy-data
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Bibliografia:
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Bibliografia:
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Bibliografia:
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Introdução:
� O Sol é a maior fonte de energia da Terra: grátis, limpa, autônoma,
etc., mas …
� Mercado da energia solar em crescimento;
� Crescente preocupação mundial em relação à sustentabilidade,
aquecimento global, meio ambiente, green buildings, etc.;
� Uso extensivo na China e Austrália para aquecimento doméstico de
água;
� Na Europa, através de políticas de “incentivo”, para aquecimento de
água e espaço além da geração de energia com módulos fotovoltaicos.
Em países do Mediterrâneo é utilizada em sistemas de dessalinização
ou, mais recentemente, para refrigeração por absorção;
� Nos Estados Unidos, através de política de impostos ou de programas
de concessionárias como reação à volatilidade do preço do petróleo (a
maioria das instalações é da década de 80);
� No Brasil …
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Introdução
Fonte: Dasol, 2014. Energia solar térmica. Abrava.
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Introdução
Fonte: Dasol, 2014. Energia solar térmica. Abrava.
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Introdução
Participação das fontes no aquecimento de água para banho em
domicílios.
Fonte: EPE, Empresa de Pesquisa Energética, 2015. Plano decenal de expansão de energia 2024. Ministério de Minas e Energia.
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Introdução
Domicílios com água quente para banho.
Fonte: EPE, Empresa de Pesquisa Energética, 2015. Plano decenal de expansão de energia 2024. Ministério de Minas e Energia.
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Introdução:
� A capacidade atual instalada, através de coletores solares térmicos,
nos 55 países membros do IEA (International Energy Agency) é
aproximadamente 195,8 GWth, o que corresponde a uma produção de
energia da ordem de 162.125 GWh (= 583,649 TJ). Isso corresponde a
uma economia da ordem de 17,3 milhões de toneladas equivalentes de
óleo;
� Isso também representa a não geração de 53,1 milhões de toneladas
de CO2.
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Introdução:
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Introdução:
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Introdução:
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Country Water Collectors* * * Air Collectors* * * TOTAL [MW th]unglazed FPC ETC unglazed glazed
Albania 54.0 0.4 54.4Australia 3,780.0 1,964.1 76.8 5,820.9Austria 419.6 2,724.6 46.5 0.5 3,191.3Barbados* 92.2 92.2Belgium 32.8 198.7 22.9 254.5Brazil 894.0 3,384.0 4,278.0Bulgaria 32.3 0.5 32.7Canada 459.5 33.4 12.9 214.6 3.2 723.7Chile 19.7 19.7China 9,448.3 108,151.7 117,600.0Cyprus 2.4 626.9 6.9 636.1Czech Republic 105.0 174.8 40.8 320.6Denmark 14.4 365.3 5.7 2.3 12.6 400.2Estonia 1.4 0.6 2.0Finland 8.2 21.1 3.0 32.4France incl. DOM 62.4 1,490.9 44.7 1,598.0Germany 445.9 8,233.2 925.0 23.5 9,627.6Greece 2,849.5 11.4 2,860.9Hungary 5.7 83.8 21.1 0.6 0.2 111.3India 2,413.2 365.8 11.4 2,790.4Ireland 0.3 71.8 34.0 106.1Israel 20.9 2,896.5 0.3 2,917.8Italy 30.6 1,562.5 220.8 1,813.9Japan 3,645.5 65.2 339.0 4,049.6Jordan 4.2 538.3 153.0 695.5Korea, South 1,096.4 1,096.4Latvia 4.9 0.2 5.1Lebanon** 243.8 243.8Lithuania 3.0 0.2 3.2Luxembourg 19.6 2.0 21.6Macedonia* 17.5 0.5 0.003 18.0Malta 22.5 7.9 30.4Mexico 463.5 500.1 108.8 5.6 1,078.0Morocco** 238.9 238.9Namibia 14.5 0.9 15.4Netherlands 277.5 283.4 7.0 567.9New Zealand* 4.9 100.1 6.8 111.8Norway 1.4 10.1 0.7 0.7 13.0Poland 356.9 102.2 459.1Portugal 1.7 512.2 13.8 527.7Romania 65.8 11.2 77.0Slovakia 84.5 10.5 95.0Slovenia 105.5 9.1 114.6South Africa 562.6 231.7 20.1 814.4Spain 85.4 1,540.4 96.3 1,722.0Sweden 98.0 171.5 39.9 309.4Switzerland 149.0 521.6 35.1 606.9 1,312.6Taiwan 0.1 1,379.2 52.8 1,432.1Thailand* 64.0 64.0Tunisia 319.3 23.5 342.8Turkey 9,323.1 9,323.1United Kingdom 307.8 87.5 395.3United States 13,552.8 1,647.5 64.9 51.5 15,316.7Uruguay* 8.5 8.5Zimbabwe 12.6 0.2 12.7TOTAL 21,482.7 62,132.6 110,911.7 825.2 447.8 195,800.0
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Distribuição da demanda de calor na indústria por nível de temperatura Fonte: Vannoni et al. (2008, p.4)
� Surpreende notar que entre as aplicações menos difundidas
mundialmente está a de aquecimento solar de processos industriais,
principalmente sabendo que em diversos setores da indústria, conforme
mostra abaixo, aproximadamente 60% da demanda de calor está nas
faixas de média (100 a 400 ºC) ou baixa temperatura (abaixo de 100 ºC).
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Aplicações
Aquecimento de água quente sanitária.
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Aplicações
Edifícios multifamiliares.
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Aplicações
Aquecimento de piscinas.
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Aplicações em sistemas passivos
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Aplicações
Aquecimento de água e calefação.
Calor de processo (com concentração).
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Aplicações
Ciclo de potência – Concentrador tipo calha parabólica
Capacidades das 9 plantas localizadas no Deserto de Mojave, Califórnia.
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Aplicações
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Aplicações
Ciclo de potência – Central tipo Torre.
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Aplicações
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Aplicações
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Aplicações
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Aplicações
Ciclo de potência com coletor Fresnel Linear – Puerto Errado 2 (Espanha)
Condensado
Vapor superaquecido
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Aplicações
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Aplicações
�
�
� �
Refrigeração com ciclo de absorção.
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Aplicações
Tratamento de água através de UV
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Variabilidade da fonte solar
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Variabilidade da fonte solar
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Variabilidade da fonte solar
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O Sol
Estrela de massa gasosa (H e He), possuindo uma temperatura efetiva de corpo negro de ≈ 5.777K
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O Sol
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A constante solar
Distância média Sol-Terra = 1 UA (unidade astronômica)
Constante solar, Gsc
1367 W/m2
433 Btu/ft2 h4,92 MJ/m2 h
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A constante solar
A radiação térmica (radiação na região do espectro desde 0,2 até 1.000 µm) é emitida por todas as substâncias em virtude de sua temperatura. A distribuição espectral da radiação emitida por um corpo negro é dada pela Lei de Planck.
−
=1
2
5
2
kThCexp
hCE
o
ob
λλ
πλ
onde h é a constante de Planck, k é a constante de Boltzmann. Os grupos 2πhCo2 e hCo/k são chamados de primeira e segunda constante de radiação, C1 e C2, cujos valores são 3,7405x108 W µm4/m2 e 14.387,8 µmK, respectivamente.
Integrando-se a equação acima em todos os comprimentos de onda, chega-se na equação de Stefan-Boltzmann, que calcula a energia total emitida pelo corpo negro, por unidade de área.
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0
TdEE bb σλλ == ∫∞
onde σ é a constante de Stefan-Boltzmann, igual a 5,6697x10-8 W/m2K4.
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A constante solar
Considerando que o raio do Sol, rs, seja igual a 6,965x108 m, a potência térmica emitida pelo Sol pode ser calculada.
A fração dessa potência recebida na superfície externa da Terra pode ser calculada em função da distância média Terra-Sol, re, que é igual a 1,496x1011 m.
( )( )
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2
24
2 W/m3681
4
4
4.
r
rT
r
rT
r
EG
e
s
e
s
e
solsc ≈=== σ
ππσ
π
( ) ( )( ) ( )[ ] Wx,x..x,rTdEAE sbssol26284824
0
10849631096564777510669754 =⋅=== −∞
∫ ππσλλ
re
ou seja, a energia/potência recebida em uma superfície é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre a fonte emissora e a superfície receptora.
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A constante solar
Variabilidade da TSI (total solar irradiance).
Fonte: Richter, C., Lincot, D. e Gueymard, C.A. (ed.)., 2013, Solar Energy, Springer: New York.
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A constante solar
Variabilidade da TSI (total solar irradiance) por três “composites”.
Fonte: Richter, C., Lincot, D. e Gueymard, C.A. (ed.)., 2013, Solar Energy, Springer: New York.
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O espectro da radiação solar
Radiação que seria recebida na Terra na ausência da atmosfera.
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O espectro da radiação solar
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A extinção da radiação solar
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A extinção da radiação solar
Na absorção a energia de um fóton é retida pela matéria enquanto que na dispersão a radiação é desviada do processo de propagação em linha reta.
Assim, absorção atmosférica é um processo de extinção da radiação que reduz a disponibilidade da energia solar na superfície da Terra de maneira considerável. Exemplo:
�Ozônio (O3) presente na alta atmosfera absorve quase que completamente a radiação de ondas curtas em comprimentos de onda menores que 290 nm.
�Vapor de água absorve fortemente a parte da radiação no espectro do infravermelho, com bandas de absorção em 1, 1,4 e 1,8 µm.
�Dióxido de carbono (CO2) também absorve fortemente a radiação no infravermelho. Devido a esses dois gases, a transmissão de radiação acima de 2,5 µm é muito baixa.
�Também são absorvedores da radiação o oxigênio e o nitrogênio, em uma grande faixa de comprimentos de onda.
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A extinção da radiação solar
Dispersão é um processo onde a radiação é forçada a desviar de sua trajetória em linha reta devido a não uniformidades da atmosfera (moléculas, partículas de poeira, etc.). Para a radiação solar, dois tipos de dispersão podem ser caracterizados:
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A extinção da radiação solar
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O espectro da radiação solar:
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Cor λ, µm Irradiância, Wm-2 Porcentagem da Isc
Violeta 0,390 - 0,455 108,85 7,96
Azul 0,455 - 0,492 73,63 5,39
Verde 0,492 - 0,577 160,00 11,70
Amarelo 0,577 - 0,597 35,97 2,63
Laranja 0,597 - 0,622 43,14 3,16
Vermelho 0,622 - 0,770 212,82 15,57
Ultravioleta <0,4 109,81 8,03
Visível 0,390 - 0,770 634,40 46,4
Infravermelho >0,770 634,40 46,4
O espectro da radiação solar:
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A órbita terrestre:
órbita elíptica(Eclíptica)
Solstício de inverno 21/22 junhoδ = 23.45°
Solstício de verão 21/22 dezembroδ = -23.45°
Equinócio de outono 20/21 março
δ = 0°
Equinócio de primavera 22/22 setembro
δ = 0°
≈ 1,017 UA≈ 0,983 UA
1 UA
1 UA
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Variação da radiação extraterrestre:
Em função da variação da distância Terra-Sol, a radiação extra-terrestre incidente em um plano normal à radiação varia ± 3,3%.
Pode ser calculada como:
oscon EII && =
onde é a constante solar (1367 W/m2) e Eo é o fator de correção da excentricidade da órbita terrestre, calculado como:
scI&
Γ+Γ+Γ+Γ+=
2000077,0
2cos000719,000128,0cos034221,000011,1
sen
senEo
Nessa equação, Γ, em radianos, é calculado como:
365/)1(2 −=Γ ndπ
onde dn é o dia no ano (1 em 1º de janeiro e 365 em 31 de dezembro)
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Variação da radiação extraterrestre:
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A declinação terrestre:
Norte celeste ou polo norte verdadeiro
Ângulo formado entre o plano equatorial e a linha que une os centros da Terra e do Sol, ao meio dia.
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A declinação terrestre:
Nos equinócios:
Nos solstícios:
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A declinação terrestre:
Esse ângulo pode ser calculado pela equação:
Γ+Γ−Γ+Γ−Γ+Γ−=
300148,03cos002697,02000907,0
2cos006758,0070257.0cos399912,0006918,0
sensen
senδ
A variação máxima da declinação durante um dia (24 h) acontece nos equinócios e é menor que 0,5°→ considerando-se constante, nesse caso.
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Geometria Terra-Sol:
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Geometria Terra-Sol:
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Trajetória do sol visto por um observador:
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Tempo solar verdadeiro:
O tempo solar verdadeiro (ou hora solar) é o tempo especificado em todas as relações envolvendo a posição do Sol em um determinado momento. Está baseado no movimento angular aparente do Sol através do céu, onde o meio dia solar é a hora em que o Sol cruza o meridiano do observador.
{ ( ){min
t
min
locsthora
ELLTOTSV +−+=43421
4
onde TO é a hora oficial, Lst a longitude do fuso horário, Lloc é a longitude do local e Et é a equação do tempo. A equação do tempo é calculada por:
)18,229)(204089,0
2cos014615,0032077,0cos001868,0000075,0(
Γ−Γ−Γ−Γ+=
sen
senEt
A equação do tempo considera a perturbação na taxa de rotação da Terra, a qual afeta o tempo que o Sol cruza o meridiano do observador. O último termo da direita na equação é a conversão para minutos.
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Variação anual da equação do tempo:
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Geometria Terra-Sol:
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Geometria Terra-Sol:
Latitude: posição angular do local, norte ou sul do equador, norte positivo → -90° ≤ φ ≤ 90°;
Longitude: é medida ao longo do Equador e representa a distância entre um ponto e o Meridiano de Greenwich. Também é medida em graus, podendo ir de 0º a 180º para leste ou para oeste;
Ângulo de zênite: ângulo formado entre a vertical e o vetor Terra-Sol, i.é, o ângulo de incidência da radiação direta e a horizontal (θz);
Ângulo de altitude solar: é o ângulo entre a horizontal e o vetor Terra-Sol, i.é, o complemento do ângulo de zênite (αs);
Ângulo de azimute solar: deslocamento angular da projeção do vetor Terra-Sol no plano horizontal (γs);
Ângulo horário: deslocamento angular do sol, leste ou oeste, do meridiano local, devido a rotação da Terra, com 15° por hora. Manhã negativo e tarde positivo.
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Geometria Terra-Sol:
Ângulo horário:
( ) 1512 ⋅−= TSVωÂngulo de zênite:
δφωδφθ sinsincoscoscoscos z +=
Ângulo de altitude solar:
zs θα −= 90
Ângulo de azimute solar:
( )( )φθ
δφθωγcossin
sinsincoscos)(sign
z
zs
−= −1
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Massa de ar:
Massa de ar (m): relação entre a massa de atmosfera através da qual a radiação direta cruza e aquela que cruzaria se o sol se encontrasse no zênite, isto é:
( )
( )∫
∫
∞
∞
=
0
0
d
d
zz
dd
m
ρ
ρ
Para ângulos de zênite < 70 uma boa aproximação é:
zm
θcos1=
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( )( ) 634,1080,965057,0cos
0001184,0exp−−+
−=zz
hm
θθ
Equação empírica (Kasten e Young – 1989) considerando que a atmosfera não é plana. Nessa equação, h é a altitude do local, em m.
Massa de ar:
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Definições:
Radiação direta: radiação recebida do disco solar, que não tenha sido dispersada na atmosfera.
Radiação difusa: radiação solar recebida do sol após sua direção ter sido mudada pela atmosfera (também chamada de radiação do céu, etc.)
0
50
100
150
200
250
Jan. Fev. Mar. Abr. Mai Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez.
Radiação Directa
Radiação Difusa
Irra
diaç
ão (
kWh/
m²
mês
)
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Céu claro, encoberto e parcialmente encoberto
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Definições:
Radiação total ou global: é a soma dos dois componentes anteriores, isto é, radiação direta mais a difusa.
Irradiância (W/m2): taxa de energia radiante incide em uma determinada superfície, por unidade de área.
Irradiação (J/m2): energia incidente em uma determinada superfície, por unidade de área, obtida pela integração da irradiância sobre um determinado tempo (geralmente 1 hora ou 1 dia).
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Directa
Difusa
Wh/m²d
Processo típico de radiação direta e difusa durante o dia (hemisfério norte).
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Ângulo de inclinação: ângulo formado entre o plano da superfície em questão e a horizontal → 0° ≤ β ≤ 180°;
Ângulo azimutal da superfície: desvio da projeção da normal da normal da superfície no plano horizontal (γ). Norte 180°;
Ângulo de incidência: ângulo entre o vetor Terra-Sol e a normal da superfície (θs).
Coordenadas para superfícies inclinadas:
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Ângulo de incidência:
Coordenadas para superfícies inclinadas:
ωγβδωγβφδωβφδ
γβφδβφδθ
sinsinsincos
coscossinsincoscoscoscoscos
cossincossincossinsincos s
++++
+−=
ou:
( )γγβθβθθ −+= szzs cossinsincoscoscos
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Efeito da inclinação da superfície
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Duração do dia:
δφδφδφω tantan
coscos
sinsincos s −=−=
Ângulo de nascimento do Sol:
Número de horas de Sol:
( )δφ tantancosN −= −1
15
2
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Duração do dia:
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Duração do dia:
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Duração do dia: