Energia Solar. Samuel Luna de Abreu. Introdução à Energia Solar

Transcrição

1 Energia Solar Samuel Luna de Abreu

2 Sumário Introdução O Sol Relações Astronômicas Sol-Terra Irradiação Solar

3 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: 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

4 Movimento da Terra ao redor do Sol

5 Movimento da Terra ao redor do Sol 4/4 equinócio vernal 20-21/3 solstício de verão 21-22/6 afélio - 4/7 1UA 1,017 UA 0,983 UA perihélio - 3/1 1UA solstício de inverno 21-22/12 equinócio outonal 22-23/9 5/10

6 Correção da excentricidade da órbita terrestre relação entre a distância Terra-Sol e a distância no dia em que equivale a 1 UA 2 E0 = ( r / r0 ) = 1+ 0,033cos[360 n / 365]

7 Declinação - δ inclinação do eixo de rotação da terra em relação ao plano que contém a trajetória terrestre δ = 23,45sen[ n ]

8 Inverno e Verão

9 Esfera celeste polo norte da efera celeste trajetória aparente do Sol 23,5 - solstício de inverno Sol δ S N Terra 23,5 - solstício de verão 90 polo sul da efera celeste

10 hora solar e hora legal necessidade de padronizar os horários no Brasil temos 4 fusos 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

11 hora solar e hora legal horário _ solar = horário _ oficial + 4( L L ) + S L E T equação do tempo: E T = (0, ,001868cosΓ 0,014615cos 2Γ 0,04089sen2Γ)(229,18) onde: Γ = 360( n 1) / 365 0,032077senΓ

12 Superfícies orientadas arbitrariamente Sol normal ao plano inclinado θ zênite Norte θ z - ângulo zenital - ângulo entre a trajetória de incidência direta da irradiação solar e uma linha vertical superfície horizontal Oeste projeção do sol na horizontal Sul α S γ S γ θ Z β Leste α s - altitude solar - ângulo entre a trajetória de incidência direta da irradiação solar e a horizontal (= 90 -θ z )

13 Superfícies orientadas arbitrariamente Sol superfície horizontal Oeste normal ao plano inclinado θ α S θ Z zênite β Norte γ s - azimute solar desvio da projeção do sol na horizontal em relação ao sul, leste negativo e oeste positivo (-180 γ s 180 ) γ S γ Leste projeção do sol na horizontal Sul

14 Superfícies orientadas arbitrariamente Sol normal ao plano inclinado zênite β - inclinação da superfície em relação a horizontal (0 β 180 ) superfície horizontal Oeste projeção do sol na horizontal Sul θ α S γ S γ θ Z β Norte Leste γ - azimute da superfície desvio da projeção horizontal da normal da superfície em relação ao sul, leste negativo e oeste positivo (-180 γ 180 )

15 Superfícies orientadas arbitrariamente Sol normal ao plano inclinado θ zênite Norte ω - ângulo horário deslocamento do sol ao longo do dia (15 /hora, -180 γ s 180 ) s superfície horizontal Oeste projeção do sol na horizontal Sul α S γ S γ θ Z β Leste θ - ângulo de incidência ângulo entre a trajetória de incidência direta da irradiação solar e a normal a superfície

16 Determinação da irradiação solar só é possível dimensionar e simular o funcionamento a partir do conhecimento da irradiação solar disponível dependendo da finalidade, é necessário conhecer a irradiação solar em valores horários, diários ou mensais

17 Irradiação solar extraterrestre radiação incidente em uma superfície horizontal no topo da atmosfera I 0 = I SC E 0 cosθ Irradiação solar global total de irradiação recebido em uma superfície de todo o hemisfério visível. 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 Z

18 Irradiação solar em superfícies inclinadas medições disponíveis são na horizontal superfícies inclinadas são de interesse prático nas situações reais uma série de modelos podem ser utilizados para estimar a irradiação em superfícies inclinadas

19 direta: Irradiação solar em superfícies inclinadas I i = I dir, i + I ref, i + I dif, i refletida: I ( ) I = I cosθ ρ 1 cos β dir, i dir, n difusa: I I ref, i = I 1+ cos β 3 = I dif (1 Ai ) (1 + f d sen ( 2)) + Ai rb 2 dif, i β 2

20 Irradiação solar em superfícies inclinadas Irradiação Solar [W Wh/m 2 ] horizontal inclinação = 28 / azimute = 0 inclinação = 28 / azimute = Mês

21 Irradiação solar em superfícies [Wh/m 2 ] Irradiação Solar inclinadas horizontal vertical - N vertical - S vertical - L e O Mês

22 Medição da Irradiação Solar

23 Heliógrafo de Campell-Stokes equipamento disponível em grande quantidade em estações meteorológicas registra o número de horas de insolação diárias a irradiação solar global é estimada utilizando a Lei de Angström

24 Piranômetros fornece dados da irradiação solar global na faixa do espectro de interesse energético baixas incertezas, relacionadas ao tipo de piranômetro utilizado possibilidade do fornecimento de medidas instantâneas

25 Irradiação solar difusa medida utilizando piranômetros a parcela direta é removida utilizando dispositivos 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

26 Irradiação solar direta medida utilizando pirheliômetros necessita de um rastreador solar custo alto utilizado para calibração de piranômetros pirheliômetro Eppley NIP rastreador solar Eppley

27 Estação solarimétrica estação solarimétrica BSRN de Florianópolis

28 Rede de estações solarimétricas

29 Irradiação solar medida (Florianópolis SC) Global Direta Difusa 03/01/ Global Direta Difusa Dia 27/06/1999 Radiação (W/m 2 ) (W/m 2 ) Radiação Tempo (hora) dia de céu claro Tempo (hora) dia de céu parcialmente encoberto

30 Irradiação solar medida (Florianópolis SC) 7000 lobal Diária [Wh/m 2 ] Irradiação Solar Gl jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Mês média mensal dos totais diários de irradiação solar global

31 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

32 Estimativa da irradiação solar na superfície a partir de imagens de satélite

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