ESTUDO DA ILUMINÂNCIA NATURAL EM DIAS DE CÉU CLARO EM ESTAÇÕES DA REDE SONDA
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- Heloísa Caetano Domingos
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1 ESTUDO DA LUMNÂNCA NATURAL EM DAS DE CÉU CLARO EM ESTAÇÕES DA REDE SONDA Forn, D. V. 1, ; Pes, M. P. 1, ; Guedes, M. 1, ; Bertagnoll, R. F. 1, ; Guarner, R. A. 3 ; Martns, F. R. 3 ; Perera, E. B. 3 ; Schuch, N. J 1. RESUMO: Devdo aos comprovados mpactos sobre o meo-ambente e o possível comprometmento da qualdade de vda das gerações futuras, o consumo de energa é questão de grande mportânca na atualdade. As estações da rede SONDA possuem equpamentos para coletar dados de radação solar e de varáves atmosfércas com o objetvo de possbltar o desenvolvmento, aperfeçoamento e valdação de modelos para o levantamento dos recursos de energas solar e eólca no Brasl. Este trabalho estuda o comportamento da lumnânca natural em das de céu claro em função do ângulo zental solar, através de dados coletados em quatro estações SONDA. Assume-se que essas estações representam as dferenças clmatológcas brasleras, de manera que, com o emprego dos dados desses locas possa ser desenvolvdo um modelo empírco únco de prevsão da lumnânca natural para o país. Modelos locas específcos para cada estação foram desenvolvdos e seus desvos estatístcos calculados. O modelo regonal, desenvolvdo para todo o terrtóro braslero, demonstrou boa concordânca apenas com parte das estações analsadas, sendo necessáros estudos com maor quantdade de dados para a avalação de sua aplcabldade. ABSTRACT: The SONDA network ams at provdng relable ground data to be used n clmate models valdaton and energy resource assessment. Ths work descrbes the cloudless natural lumnance behavor as a functon of solar zenth angle, usng ground data acqured at four SONDA stes located under dfferent clmate condtons. The man goal was to nvestgate f one emprcal model can be used to provde relable estmates of natural lumnance for any place n Brazlan terrtory. Fve emprcal models were developed: local models for each measurement ste and one regonal model for whole country. The estmates provded by each model were compared wth ground data and ts statstc devatons were calculated. All four local models have shown good agreement wth ground data. The regonal model has presented good agreement only wth part of the ground data. One reason for that can be related to the large dfference n data amount avalable for each SONDA stes. More data s necessary to mprove regonal model and then evaluate ts relablty and applcablty. Palavras Chaves: lumnânca natural, Estações Sonda. NTRODUÇÃO A otmzação do consumo de energa é um dos atuas desafos enfrentados pela socedade moderna, devdo à crescente escassez dos recursos naturas que, muto provavelmente, trará mpactos para as gerações futuras. O uso da energa pela socedade moderna responde por uma sére de mpactos ambentas. Uma das formas de mnmzar o consumo de energa elétrca e combustíves é o melhor aprovetamento da lumnânca natural. A lumnânca natural é uma 1 Centro Regonal Sul de Pesqusas Espacas CRSPE/NPE MCT - Caxa Postal CEP Santa Mara (RS), Brasl, (55)30-801, (danelforn, marcelo, guedes, rafaelb, njschuch)@lacesm.ufsm.br. Laboratóro de Cêncas Espacas de Santa Mara LACESM/CT UFSM, cooperação NPE UFSM. 3 CPTEC/NPE MCT, Av. Astronautas 1758, , São José dos Campos (SP), (1) , (rcardog, enobp)@cptec.npe.br, fernando@dge.npe.br.
2 medda do fluxo fotométrco por undade de área, consstndo numa grandeza físca que fornece nformações sobre o fluxo de energa eletromagnétca na faxa espectral do vsível[1]. Contudo, o olho humano não é gualmente sensível a todos os comprmentos de onda da radação vsível, de manera que essa sensbldade é levada em conta na curva de resposta de um meddor de lumnânca. Desta forma, a lumnânca, medda em Lux (lúmens por m ), representa a curva de resposta do olho humano á radação solar ncdente. O estudo da lumnânca tem aplcações em dversas áreas da atvdade humana como, por exemplo, o desenvolvmento de projetos arqutetôncos mas efcentes e a otmzação do sstema de lumnação públca através do correto estabelecmento dos nstantes de aconamento e deslgamento do sstema []. Este trabalho desenvolvdo no Laboratóro de Recursos de Energas Renováves do CRSPE/NPE MCT realza um estudo do comportamento da lumnânca natural em das de céu claro como função do ângulo zental solar utlzando dados coletados em quatro estações da rede SONDA, representatvas de dferentes característcas geográfcas. O objetvo prncpal do estudo é desenvolver um modelo matemátco empírco váldo para todo o Brasl e comparar com os modelos específcos para cada localdade. Numa segunda etapa, a ser desenvolvda futuramente, será nvestgada a contrbução da nebulosdade e dos aerossós atmosfércos na redução da lumnânca natural. METODOLOGA O SONDA (Sstema de Organzação Naconal de Dados Ambentas) voltados ao setor de energa é um projeto executado pelo CPTEC/NPE-MCT e fnancado pelo FNEP. Tem por fnaldade prncpal a mplantação de uma rede de estações coletoras de dados solarmétrcos e atmosfércos em dferentes sítos no terrtóro braslero. Neste trabalho foram utlzados dados de quatro estações da rede SONDA localzadas em: a) São Martnho da Serra (RS) - Observatóro Espacal do Sul (OES/CRSPE/NPE MCT), Lat.:9,44ºS Lon.: 53,8ºO, dentfcada a partr daqu como SMS; b) Petrolna (BA), Lat.:9,07ºS Lon.:40,3ºO, dentfcada por PTR ; c) Brasíla (DF); Lat.:15,60ºS Lon.:47,71ºO, dentfcada por BRB; d) Floranópols (SC); Lat.:7,60ºS Lon.:48,50ºO, dentfcada por FLN; As quatro estações cobrem uma faxa de lattudes bastante representatva do terrtóro braslero, desde 9ºS ate 30ºS. Além dsso, elas representam dferentes característcas clmatológcas, sendo uma localzada na regão sem-árda do Nordeste braslero, a segunda localzada no planalto central do País, uma localzada em na área urbana de uma cdade de grande porte em regão costera e fnalmente a quarta localzada em área rural ao sul do país sujeta ao clma mas temperado.
3 Todas as estações são equpadas com um pranômetro CM1 (Kpp&Zonen), para coleta de dados de rradação solar global e um pranômetro CM (Kpp&Zonen) para medda de rradação solar dfusa. Dados de lumnânca são meddos por um luxímetro LUX LTE (Kpp & Zonen). Todas as estações apresentam uma resolução temporal de 1 mnuto para coleta de dados de lumnânca e rradação solar. Os dados das 4 estações foram submetdos a um rígdo programa de controle de qualdade com o ntuto de garantr a confabldade das meddas realzadas pelas estações da rede SONDA. Apenas a estação SMS dspõe anda de um mageador Total Sky mager TS 1440 (YES) que adqure magens do céu automatcamente á cada 15 mnutos. A seleção dos das de céu claro fo realzada através da análse das curvas de rradação global e dfusa. Em condções de céu claro as curvas devem ser suaves, sem varações abruptas que ndcam a presença e/ou passagens de nuvens. A determnação do índce K t, razão entre as ntegras dáras de radação global e dfusa, ndca das de céu claro para K t > 0,7 pos a presença de nuvens provoca uma maor atenuação da radação solar [3]. No Observatóro Espacal do Sul em São Martnho da Serra, as magens do céu para os das seleconados como céu claro foram observadas com a fnaldade de confrmar a não ocorrênca de nebulosdade. A Tabela 1 apresenta nformações relatvas ao tratamento de dados de cada uma das estações. Tabela 1. nformações relatvas a cada uma das estações de coleta de dados de lumnânca em superfíce utlzadas no desenvolvmento deste trabalho. Estação Período de dados analsados Número de das de céu claro São Martnho da Serra agosto/004 a junho/ Floranópols agosto/004 a dezembro/ Brasíla agosto/004 a dezembro/ Petrolna agosto/004 a dezembro/005 7 Os valores de lumnânca seleconados foram relaconados aos valores do ângulo zental solar (SZA) referentes ao horáro de cada medda em cada estação. O SZA vara com a lattude do local, da do ano e mnuto das meddas sendo calculado através de equações matemátcas smples [3]. Modelos matemátcos para ajuste de curvas de lumnânca natural foram desenvolvdos ndvdualmente para cada estação através de regressões polnomas de tercera ordem descrtas em [1]: log = 0 + 1x + x + 3x 4 x (1) sendo que os coefcentes,, estão apresentados na Tabela 3.1, x = ( 90 SZA) / 90 (SZA 0 1, 3 em graus), é o valor da lumnânca natural. Um modelo representatvo de todo o terrtóro naconal, nttulado BR, fo desenvolvdo abrangendo os dados de todas as estações.
4 Os modelos empírcos locas foram valdados através da quantfcação dos desvos estatístcos MBE ( Mean Bas Error ) e RMSE ( Root Mean Square Error) defndos em () e (3). MBE = n = 1 ( y N x ) () RMSE = n = 1 ( y N x ) 1/ (3) onde: x é o valor meddo de lumnânca, y é o valor estmado pelo modelo e N é o número de dados utlzados na análse. RESULTADOS A dspersão das meddas de lumnânca em cada estação é apresentada nas Fguras 1 a 4, juntamente com os seus respectvos modelos locas e o modelo BR. Todos os modelos possuem os seus coefcentes apresentados na Tabela. Tabela. Coefcentes determnados para dferentes faxas de SZA no ajuste dos modelos matemátcos para as dferentes estações: MODELO BR SMS FLN BRB PTR SZA º 50 3,9385,8905 -,3068 0,549 50º 75º 3,5845 6,099-10,793 7, º 100º,9058 0, , ,9743 0º 50 4,0677,498-1,937 0,461 50º 75º 3,5668 6,5744-1,588 9,619 75º 100º,91 1,347-14, ,8016 0º 50 3,9956,188-1,11 0, º 75º 3,4814 6,71-11,3974 8, º 100º,7891 0,409-15, ,5539 0º 50 3,9853 3,135-3,418 1,36 50º 75º 3,5145 7, ,931 10, º 100º,9466 1, , ,6851 0º 50 4,1443,4364 -,0874 0, º 75º 3,674 5, ,030 7,103 75º 100º 3,108 18, , ,3444 Os modelos empírcos locas descrevem com boa concordânca o comportamento da lumnânca natural medda pelas suas estações, apresentando baxos desvos estatístcos, conforme mostra a Tabela 3, causados pela varabldade dos consttuntes atmosfércos e pela presença de nuvens de baxa espessura ótca não detectadas pela na seleção dos das de céu claro. Observam-se
5 maores desvos no crepúsculo solar (SZA > 90), quando o camnho ótco percorrdo pela radação solar é maor, e portanto, estando mas sujeta a nterações com os consttuntes atmosfércos. Fgura 1 Dspersão das meddas (SMS) Fgura Dspersão das meddas (FLN) Fgura 3 Dspersão das meddas (BRB) Fgura 4 Dspersão das meddas (PTR) O modelo BR apresentou boa concordânca com os dados coletados em SMS e BRB, de manera que apresentou um desempenho smlar aos modelos locas desenvolvdos para essas estações, com BAS da ordem de 1% e RMSE em torno de 5%. O modelo regonal BR não apresentou um bom desempenho nas estações FLN e PTR. Os desvos apresentados pelo modelo BR nessas estações é superor aos desvos observados para os modelos locas. A localzação de FLN em uma cdade de grande porte em área costera pode ser um dos fatores que nfluencaram os resultados em conseqüênca da maor umdade e concentração de aerossós atmosfércos. Outro fator que nfluencou os resultados é a dferença de quantdade de das de céu claro entre as quatro
6 estações. O modelo BR apresenta-se melhor ajustado à estação de SMS uma vez que está estação apresenta quase 3 vezes mas das de céu claro dsponíves. Tabela 3. Meddas Estátstcas realzadas (klux). Estação Desvo Modelo local Modelo BR SMS MBE -0,0157-0,04 RMSE 0, ,0581 FLN MBE -0,0169 0,06636 RMSE 0,0693 0,09405 BRB MBE 0,0071-0,0069 RMSE 0, ,06074 PTR MBE -0,014-0,07896 RMSE 0, ,16669 CONCLUSÃO O modelo BR apresentou boa confabldade para as localdades SMS e BRB. Nessas localdades os desvos apresentados pelas estmatvas fornecdas pelo modelo regonal BR foram da mesma ordem de grandeza dos desvos apresentados pelas estmatvas dos respectvos modelos locas. A confabldade do modelo BR para as estações localzadas em FLN e PTR fo nferor a apresentada pelos modelos locas. Duas hpóteses foram levantadas para explcar o fato: a menor quantdade de das de céu claro dessas estações, prncpalmente PTR, quando comparado aos dados dsponíves em SMS; e a localzação de FLN em uma cdade de grande porte em regão costera. Uma vez que a quantdade de dados de SMS utlzados no ajuste do modelo BR fo maor do que a quantdade de dados das demas estações, o modelo está melhor ajustado às condções atmosfércas dessa regão. No entanto, uma sére maor de dados, nclusve utlzando dados de outras estações da rede SONDA, deverá ser analsada para uma melhor avalação e aperfeçoamento do modelo empírco BR. Além do melhoramento do modelo BR, a análse da nfluênca da nebulosdade sobre a lumnânca natural com o ntuto de estmar valores de lumnânca em função da presença de nuvens de ser realzada na contnudade deste trabalho. AGRADECMENTOS À FNEP (projeto SONDA ). Ao Centro Regonal Sul de Pesqusas Espacas CRSPE/NPE MCT pelo estágo de MPP, e ao PBC/NPE MCT CNPq/MCT pela aprovação dos Projetos de MG, RFB e DVF. REFERÊNCAS BBLOGRÁFCAS 1 Ryer, A., Lght measurement handbook. SBN , nternatonal Lght nc. Newburyport, USA, 64p.
7 Martns, F.R., Perera, E.P., Longo, K. Níves de lumnânca do céu no alvorecer e no ocaso. Anas do X Congresso Braslero de Meteorologa, Fortaleza, qbal, M., An ntroducton to Solar Radaton: Academc Press Canadá, Toronto, 390p
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