Elementos de uma climatologia da radiação solar para a região de Itajubá, MG

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1 Elementos de uma climatologia da radiação solar para a região de Itajubá, MG Jacqueline de Souza Botan¹, Marcelo de Paula Correa¹ 1 Instituto de Recursos Naturais Universidade Federal de Itajubá, Itajubá MG jacquelinebotan@hotmail.com; mpcorrea@unifei.edu.br RESUMO: Este estudo apresenta uma comparação entre dados de radiação solar inferidos do satélite GOES com informações de superfície fornecidas por uma PCD instalada no campus da Universidade Federal de Itajubá (22,41 S; 45,44 W). O objetivo principal foi avaliar o ajuste das informações remotas às verdades terrestres, de modo a validar mapas regionais da disponibilidade de radiação solar em superfície. Os resultados mostraram uma significativa correlação entre os métodos de observação e possibilitaram a geração dos primeiros mapas de disponibilidade mensal de radiação solar na região com o uso dos softwares Global Maper 9.01 e ArcGis 9.2. ABSTRACT: This study shows a comparison between solar radiation data collected from GOES satellite and a meteorological station installed in Itajubá city (22,41 S; 45,44 W). The main purpose of this paper is to evaluate the agreement between these data and to develop regional maps on solar radiation availability. Our results show a significant correlation between the both methods and the development of the first maps of solar radiation availability using Global Maper 9.01 and ArcGis 9.2 softwares. Palavras-chave: Radiação solar, Itajubá, PCD, Satélite. 1. INTRODUÇÃO Frente ao possível esgotamento das reservas de petróleo e a atual situação de controle de poluição aos quais a sociedade é submetida, as alternativas energéticas sustentáveis vêm ganhando espaço no mercado de oferta interna de energia, correspondendo no Brasil a 3,5% da geração total (BEN, 2009). Uma das fontes sustentáveis e de baixo impacto que se destaca atualmente é a energia solar, utilizada para geração elétrica, através de placas fotovoltaicas, e térmicas, por meio de concentradores de energia, processos cuja média de emissão, em tonelada equivalente de CO 2, é de 280 a 410. Isto é, bem abaixo dos 1114 tco 2 que corresponde à média numa termoelétrica (Tolmasquim, 2003). Para o Brasil, a utilização de sistemas fotovoltaicos seria uma alternativa eficiente, sendo necessária uma área de 1400 km² de placas instaladas para suprir a demanda atual de energia elétrica (Eletropaulo, 2008). Desta forma, estudos sobre a disponibilidade de radiação solar no território nacional são necessários para garantir maiores eficiências no uso dessa alternativa. A estimativa de radiação solar em superfície para América de Sul geralmente é feita a partir de imagens do canal visível do satélite GOES 12, geradas diariamente, com amostragem de 4km/pixel. O modelo físico GL 1.2 é aplicado sobre as imagens obtidas e, a partir do brilho, infere os níveis de radiação (Ceballos, 2007). Neste modelo é admitido que a radiação visível sofra absorção apenas na estratosfera e o efeito dos aerossóis seja desconsiderado (Ceballos, et al, 2005). Outro modo de medição de radiação solar em superfície são as plataformas coletoras de dados (PCD), também chamadas de verdades terrestres, que amostram de forma contínua parâmetros como umidade, temperatura, radiação, entre outros. 1

2 PCD s e satélites diferenciam-se principalmente na área de amostragem, sendo as PCD amostradoras pontuais e os satélites amostradores de grandes áreas. Os satélites por serem amostradores remotos podem acumular erros e não indicar o valor real de energia disponível. A partir disto, esse estudo se propôs a verificar o quão próximo da realidade terrestre os dados dos satélites estão e se os mesmos podem ser utilizados para geração de mapas de radiação solar que definam a disponibilidade regional do recurso e áreas que apresentariam maior eficiência de implantação de coletores solares. 2. METODOLOGIA 2.1. Definição da área e período de estudo: Neste estudo foram utilizados dados de radiação, de uma série de oito anos ( ), da área definida como a região que compreende a PCD instalada no Campus da Unifei (22,41 S; 45,44 W, 850m) e seis pontos, p11 ( S; W), p12 ( S; W ), p21 ( S; W), p22 ( S; W), p31 ( S; W ) e p32 ( S; W), circundantes a ela, como demonstrado na figura 2.1: Figura 2.1: Região de estudo 2.2. Coleta dos dados: Os dados de satélites são relativos a séries de médias pentadais de irradiância (Wm -2 ) estimadasas com o modelo GL1.2 e sua leitura e organização foram realizadas com o desenvolvimento de uma rotina em Fortran. Estes dados foram disponibilizados pela Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (DSA/Cptec/Inpe), em Cachoeira Paulista. Os dados da PCD, referentes à dose (MJ/m²) acumulada de três horas, foram selecionados a partir de medições realizadas no Campus da Universidade Federal de Itajubá (Unifei) Correção dos dados e cálculo das pêntadas da PCD: Nos primeiros anos de sua instalação a PCD operava acumulando a radiação diária e fornecendo valores acumulados 2

3 parciais de três horas, sendo zerada uma vez ao dia às 5:00 UTC ( Universal Time Coordinated). A partir de 04/12/1999 esse sistema foi e a PCD continuou fornecendo valores a cada três horas, porém, sendo zerados a cada três horas também. Devido a isto, os dados do ano 1999 foram corrigidos para possibilitar uma comparação direta com os demais anos de estudo. Com base nos valores de dose corrigidos, calculou-se a irradiância a partir da equação (1): = 10 (1) Os dados da PCD, referentes à irradiâncias, foram convertidos em médias pentadais para possibilitar a comparação direta dos níveis de radiação dos sete pontos. Para tanto o seguinte método foi usado: 1)Calculou-se a média diária; 2) Calculou-se a média na pêntada, considerando-se estritamente cinco dias julianos (não fechando com cada mês). Porém, se a pêntada tivesse menos de cinco dias com medições, ela foi calculada com no mínimo três dias; 3) Nos anos bissextos, a última pêntada foi calculada com seis dias ao invés de cinco. Dessa forma assegurou-se uma correspondência objetiva de ano a ano; e 4) Quando uma pêntada foi rejeitada, colocou-se o valor nulo Tratamento dos dados: A partir dos valores pentadais dos sete pontos, classificou-se como dados válidos aqueles cuja razão entre o valor da pêntada da PCD e a correspondente pêntada do satélite fosse no mínimo igual 0,7. Os demais dados foram excluídos. Com os dados válidos foram plotados gráficos da variação temporal e da comparação entre os valores da PCD e do Satélite. Nos gráficos de variação temporal obteve-se a equação de aproximação linear e nos gráficos comparativos obteve-se a equação de aproximação linear e o coeficiente de correlação. As pêntadas restantes foram, também, separadas de acordo com os meses, e para cada mês foram calculados a média e desvio padrão nos oito anos de estudo. Com as médias mensais e os desvios padrão se utilizou o programa Global Maper 9.01 para gerar isolinhas de níveis médios de irradiância e respectivo desvio padrão para cada mês. Com as isolinhas obtidas utilizou-se o programa ArcMap 9.2 para gerar os mapas de irradiância e desvios apresentados nos resultados. 3. RESULTADOS A figura 3.1a apresenta um dos gráficos referentes à flutuação temporal das pêntadas no período de estudo e a reta de aproximação linear, cujas equações são mostradas na tabela Tabela 3.1: Equação linear da distribuição temporal das pêntadas PCD -0,09x + 229,37 P11 0,06x + 190,71 P22 0,05x + 186,41 P12 0,06x + 187,09 P31 0,03x + 195,02 P21 0,05x + 189,68 P32 0,04x + 181,37 3

4 Figura 3.1: Variação temporal dos níveis de radiação (3.1a) e comparação entre os níveis indicados por satélite e PCD (3.1b) A figura 3.1b apresenta um dos gráficos comparativos entre PCD e Satélite, a partir dos quais se obteve a taxa de correlação e equação de regressão linear entre satélite e PCD, mostrados na tabela 3.2 (os demais gráficos seguem o mesmo padrão). Tabela 3.2: Equação de regressão linear e coeficiente de correlação Equação da reta R² R Equação da reta R² R PCD-P11 y = 0,82x + 41,70 0,72 0,85 PCD-P22 y = 0,82x + 35,86 0,73 0,85 PCD-P12 y = 0,80x + 44,31 0,70 0,84 PCD-P31 y = 0,87x + 28,18 0,78 0,88 PCD-P21 y = 0,84x + 34,30 0,75 0,86 PCD-P32 y = 0,81x + 30,88 0,73 0,86 Os coeficientes de correlação obtidos indicam forte correlação entre os dados da PCD e do satélite. Desta forma, mesmo sob a influência do relevo devido à presença da serra da Mantiqueira e, também pela ocupação urbana local, na região de Itajubá os dados de satélite mostram-se como alternativa às verdades terrestres para a geração de mapas de radiação solar disponível. Uma vez demonstrada a correlação entre a PCD e Satélite, os valores médios mensais e os desvios padrão foram calculados para a geração dos mapas de radiação. Um exemplo dos primeiros testes realizados para obtenção de tais cartas é apresentado na figura 3.2. Figura 3.2: Mapa da disponibilidade mensal de radiação solar em superfície 4

5 4. CONCLUSÃO Este estudo mostrou uma forte correlação, com média r²=0,86, entre os valores de radiação inferidos por satélite e os da PCD, assegurando o uso da interpolação de resultados obtidos por satélites com vista a avaliações de níveis de radiação nesta localidade. Desta forma, a interpolação de dados remotos de quadrículas vizinhas, pode ser utilizada, em regiões onde não há a instalação de PCD s, para inferir a energia solar média que atinge a superfície. As equações lineares da distribuição temporal de radiação no período de estudo (tabela 3.1) mostram valores positivos dos coeficientes de inclinação para os satélites, mas negativo no caso da PCD. Essas diferenças, por serem relativamente pequenas, não parecem indicar acréscimo ou diminuição na disponibilidade do recurso, mas possivelmente, desvios na amostragem devido à deterioração dos equipamentos, variações na cobertura por nuvens ou até mesmo diferenças nos níveis de poluição. Uma avaliação mais aprofundada pode ser indicada como perspectivas para trabalhos futuros. Os níveis de radiação usados para geração dos mapas correspondem às médias mensais de nove anos de dados ( ) para cada um dos sete pontos estudados. Tais médias foram aplicadas nos programas Global Maper 9.01 e ArcGis 9.2 para geração dos mapas exemplificados na figura 3.2. Podem-se observar níveis de radiação bem distribuídos ao longo do ano, com mínimo anual de 180,01 ± 48,77 W/m² e máximo de 214,58 ± 43,86 W/m². Observou-se também que os valores mínimos de radiação se concentraram no mês de Fevereiro e máximos nos meses de Dezembro e Julho, o que pode estar relacionado ao sistema de distribuição de chuvas e estiagem da região e conseqüente variação de presença de nuvens. Devido a essa disponibilidade constante de radiação solar, julga-se como eficiente a aplicação de sistemas de aproveitamento do recurso, como placas fotovoltaicas e aquecedores solar, pois a geração será continua e com pequenas variações ao longo do ano. Melhores estimativas da flutuação e disponibilidade de radiação solar em superfície e avaliações diárias podem ser feitas agora com o uso da nova PCD instalada no campus da Unifei, possuindo dados horários de diversas variáveis meteorológicas. AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolviemnto Científico e Tecnológico (CNPq) e à Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais (Fapemig) pelo suporte necessário ao desenvolvimento deste estudo 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BEN - BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL ANO DE BASE 2008: resultados preliminares, Rio de Janeiro: EPE 2009, 48p. CEBALLOS, J. C.; BOTTINO M. J.; RIGHINI, R. Radiación solar en Argentina estimada por satélite: Algunas características espaciales y temporales. IX Congremet, Buenos Aires, Argentina, CEBALLOS, J. C.; BOTTINO, M. J. O modelo GL/CPTEC de radiação solar por satélite: potencial de informações para agrometeorologia. XV Congresso Brasileiro de Agrometeorologia, Aracaju-SE, p. ELETROPAULO. Fontes alternativas de Crescimento: Eólica e Solar. Terceiro Trimestre de Disponível em: Acesso em 14/02/2009 TOLMASQUIM, M. T. Fontes renováveis de energia no Brasil. RJ: Interciência- CENERGIA, p. 5