Atlas Brasileiro de Energia Solar 2ª. Edição Revisada e Ampliada

Transcrição

1 Atlas Brasileiro de Energia Solar 2ª. Edição Revisada e Ampliada Enio Bueno Pereira Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE Centro de Ciências do Sistema Terrestre CCST enio.pereira@inpe.b

2 LABREN - Laboratório de Modelagem e Estudos de Recursos Renováveis de Energia O LABREN integra o CCST, e realiza atividades de pesquisa e ensino de meteorologia aplicada ao setor de energia e sobre os impactos das energias no sistema climático através do emprego de dados de satélite, modelagem computacional e observações de campo. Linhas de Pesquisa: Clima e variabilidade do recurso solar e eólico. Previsão de curto prazo de geração solar e eólica. Energia e Mudanças ambientais globais. Observação, caracterização e modelagem dos recursos solar e eólico. 2 30/06/16 LABREN

3 Níveis de irradiação solar no Brasil comparado com a Europa (Alemanha é o país que mais utiliza geração de energia elétrica com tecnologia solar) >32% da capacidade PV mundial Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar, 2006 Fonte: PVGIS

4 Avaliação da disponibilidade de energia solar em áreas de grande extensão ü Utilização de uma rede de radiômetros distribuídos estrategicamente sobre a região de interesse em conjunto com a aplicação de técnicas de interpolação das medidas de radiação ü Uso de modelos computacionais para determinação de estimativas da radiação solar incidente por meio de relações empíricas ou da solução da equação de transferência radiativa na atmosfera

5 Documentação disponível As fontes de informação disponíveis são na maior parte iniciativas dos governos de estado (contratos com prestadores de serviço) A maioria baseada em interpolações de dados medidos em estações meteorológicas automáticas em superfície 5 30/06/16 Revisão: inicia@vas anteriores

6 Dados medidos X dados modelados Modelos de meteorológicos, modelos de transferência radiativa, redes neurais, etc /06/16 Texto do rodapé aqui

7 Análise Comparativa Rede de Radiômetros X Modelo numérico satelital

8 Grandes diferenças no potencial solar 5,9 kwh/m² Interpolação tem representa;vidade restrita 5,00 kwh/m² 8 10/11/2015 Revisão: inicia@vas anteriores

9 Classificação dos Modelos Numéricos Modelos Estatísticos utilizam formulações empíricas entre medidas de radiação incidente e condições locais validade restrita à região estudada Modelos Físicos solucionam a equação de transferência radiativa por meio de parametrização dos processos radiativos que ocorrem na atmosfera necessidade de conhecimento de condições meteorológicas para parametrização dos processos radiativos na atmosfera: propriedade ótica das nuvens e o perfil dos constituintes atmosféricos como aerossóis, vapor d água, ozônio e outros gases atmosféricos

10 Classificação dos Modelos Numéricos Modelos Estatísticos utilizam formulações empíricas entre medidas de radiação incidente e condições locais validade restrita à região estudada Modelos Físicos solucionam a equação de transferência radiativa por meio de parametrização dos processos radiativos que ocorrem na atmosfera necessidade de conhecimento de condições meteorológicas para parametrização dos processos radiativos na atmosfera: propriedade ótica das nuvens e o perfil dos constituintes atmosféricos como aerossóis, vapor d água, ozônio e outros gases atmosféricos

11 Satélites Geoestacionários Mapa de cobertura da superfície da Terra

12 Princípio geral dos modelos satelitais E toa = E toa +E atm + E solo E toa E toa mas E solo = E sup ( 1 A s ) E atm isolando E sup E sup A s E sup E sup = ( E toa E toa E atm ) ( 1 A s ) E solo Duas incógintas E atm e A s

13 Modelo BRASIL-SR modelo físico espectral de transferência radiativa na atmosfera ü As nuvens são o principal fator de modulação da transmitância atmosférica; ü Emprega dados climatológicos mensais da atmosfera como entrada para definir as propriedades da atmosfera; ü Assume que a transmitância atmosférica se distribui linearmente entre o estado de totalmente encoberto e o céu claro: ü Essa condição equivale a: τ cloud < τ < t clear E$ sur = k {E# toa }

14 ü O fluxo radiativo incidente, E$ sur, é calculado pela equação: E$ sur = E# toa {( τ clear τ cloud )(1 C eff ) + τ cloud } ü C eff é a cobertura efetiva de nuvens que é obtida pela análise estatísitica dos pixeis das imagens de satélite, L: C eff = L - L clear / L cloud L clear ü O cálculo de τ clear e τ cloud constitui a principal parte do modelo e é realizado pelo método "Two-Stream com as seguintes premissas: ² Divide a atmosfera em 30 níveis verticais ² Para cada camada se atribui os valores climatológicos em fnção dos dados de superfície; ² O intervalo de integração pelo método vai de 0 a 4 µm, dividido em 135 subintervalos.

15 Diagrama de blocos do modelo Brasil-SR Dados de entrada Modelo Brasil-SR

16 Exemplo de dados de entrada Dados de meteorológicos mensais foram obtidos de estações automáticas nacionais interpolados pelo método Krigging e com valores médios entre 1999 e 2015 Umidade relativa % Topografia m Topografia na resolução do píxel de 30 metros (Shuttle Radar Topography Mission - SRTM) Temperatura o C

17 Atlas Brasileiro de Energia Solar 1ª Edição Publicado em 2006 pelo INPE foi o pioneiro com emprego de técnicas modernas empregando dados satelitais e modelos de transferência radiativa. INPE/UFSC, /11/2015 Atlas Brasileiro de Energia Solar Edição 2015

18 Primeira edição do Atlas Brasileiro de Energia Solar Características: Baseado em 10 anos de dados satelitais da série GOES entre 1995 a 2005 e empregando dados climatológicos de entrada Resolve equações de transmitância atmosférica através do modelo BRASIL-SR (INPE-UFSC) Deficiências Não trata adequadamente a questão dos aerossóis (muito importante na época das queimadas e para DNI) Fraca resolução temporal da maioria das imagens de satélite; Viés relativo médio de 6% e RMS médio de 15% 18 30/06/16 Atlas Brasileiro de Energia Solar Edição 2015

19 Questão dos aerossóis Petrolina SONDA site a) Dia de céu claro b) Dia encoberto c) Dia com queimadas

20 Segunda edição ampliada e revisada do Atlas Brasileiro de Energia Solar Previsão 2016 Melhorias: Série de imagens satelitais mais longa (16 anos) Melhoria no modelo de transferência radiativa BRASIL-SR Melhoria na parametrização e assimilação de dados de aerossóis Melhoria na base de dados climatológicos de entrada Aumento nos dados de validação em superfície Menor incerteza nos dados de saída Melhor representação da variabilidade decadal 2ª Edição INPE UFSC UNIFESP IFSC ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR (Brazilian Atlas of Solar Energy) Enio Bueno Pereira Fernando Ramos Mar ns Ricardo Rüther Samuel Luna de Abreu 20 30/06/16 Atlas Brasileiro de Energia Solar Edição 2015

21 Irradiância Global Plano inclinado igual a latitude local

22 Variabilidade sazonal (GHI) Razão entre o desvio quadrático médio e a média da GHI na estação do ano Vsaz! =!!!!!!!!,!! saz ²!!! saz

23 Irradiância difusa

24 Irradiância direta normal Dez-Fev Mar-Mai Jul-Ago Set-Nov

25 Validação de modelos levantamento de incertezas SONDA rede nacional de coleta de dados radiométricos e anemométricos /06/16 Atlas Brasileiro de Energia Solar Edição 2015

26 Validação dos dados (479 estações válidas) Viéz médio +2% (6%) RMS médio 11% (15%) R 2 médio 89%

27 Distribuição do RMS (%) (desvio médio =!"#$!!!!!!!!!

28 Distribuição do viés (%)!"É! =!!!!!!!!

29 Distribuição do Coeficiente de correlação! =!!!!!!!!!!!!!!!!.!!!!!!

30 Previsão de radiação solar ü Ajuste de saída de modelo meteorológico (WRF) com emprego de rede neural artificial (RNA) ü Treinamento da RNA realizado com dados de irradiância ou de produção local ü Previsões são empregam metodologias distintas para escalas de tempo distintas modelo radiativo modelo mesoescala

31 Alguns resultados para previsão de 24 horas

32 Previsão de radiação solar

33 Por que em energia solar? Fonte: Perez et al /06/16 Texto do rodapé aqui

34 Contribuição da Rede Brasileira de Pesquisas sobre Mudanças Climáticas Globais, convênio FINEP/ Rede CLIMA e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) para Mudanças Climáticas, financiado pelo projeto CNPq Processo / e FAPESP Processo 2008/ /11/2015

35 Rodrigo S. Costa, D.Sc. Tecnologista Marcelo P. Pes, D.Sc. Pesquisador DTI Enio B. Pereira, D.Sc. Pesquisador Coordenação Meteorologista, Doutor em Meteorologia (INPE, Brasil, 2012) Físico, Doutor em Ciência do Sistema Terrestre (INPE, Brasil, 2015) F í s i c o, D o u t o r e m Geociências (Rice University, EUA, 1980) Jefferson Gonçalves, Bel. Programador Francisco Lima, D.Sc. Pesquisador DTI André R. Gonçalves, M.Sc. Tecnologista Bacharel em Computação Científica (UNITAU, Brasil, 2008) Físico, Doutor em Meteorologia (INPE, Brasil, 2015) Eng. Aeronáutico, Mestre em Meteorologia (INPE, Brasil, 2011) 35 Fernando Ramos Martins, D.Sc. 30/06/16 A Equipe Pesquisador, UNIFESP Físico, Doutor em Geofísica Espacial (INPE, Brasil, 2001) Silvia V. Pereira, Bel. Especialista GIS e Design Bacharel em Desenho Industrial (Escola de Belas Artes de São Paulo, Brasil, 1997) Venize A. Teixeira, M.Sc. Desenvolvimento Meteorologista, Mestre em Ciências Ambientais (UFPA, Brasil, 2010)

36 Os Estudantes Eduardo W. Luiz, M.Sc. Doutorando, CCST Meteorologista, Mestre em Meteorologia (INPE, Brasil, 2011) Lucía C. Pinto, M.Sc. Doutoranda, CCST Meteorologista, Mestre em Meteorologia Agrícola (UFV, Brasil, 2007) Guilherme M. Neves Mestrando, LAC Baicharel Engenharia Metalúrgica (UFF, 2007) Maria Francisca Velloso, M.Sc. Doutoranda, CCST Meteorologista, Mestre em Eng. Mecânica (COPPE, Brasil, 2009) Fabiana Lourenço e Silva Ferreira Diutoranda, CCST Arquiteta, Mestre em Engenharia de Sistemas Prediais (USP, 2003) 36 30/06/16 Os Estudantes

37 Os Colaboradores José C. Thomaz, Bel. Pesquisador, LIM /CPTEC/ INPE Físico Samuel L. de Abreu, D.Sc. Professor, IFF-SC Sylvio L. Mantelli, D.Sc. Pesquisador colaborador, INPE / UFSC Eng. Mecânico, Doutor em Eng. Mecânica (UFSC, Brasil, 2003) Eng. Elet. Eletrônico, Doutor em Eng. do Conhecimento (UFSC, Brasil, 2003) 37 30/06/16 Os Colaboradores