DETERMINAÇÃO DO POTENCIAL ENERGETICO FOTOVOLTAÍCO NA REGIÃO METROPOLITANA DO CARIRI POR IMAGEM DE SATÉLITE

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1 João Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016 DETERMINAÇÃO DO POTENCIAL ENERGETICO FOTOVOLTAÍCO NA REGIÃO METROPOLITANA DO CARIRI POR IMAGEM DE SATÉLITE Sebastiao Erailson de Sousa Santos (URCA ) sebastiaoerailson@hotmailcom Joao Alvino Sampaio da Silva (IFCE ) alvinosampaio@yahoocombr Eduado Olegario Marinho (FATEC CARIR ) eduardoolegario@outlookcom Wesllan Duarte (FATEC CARIR ) duartewesllan@hotmailcom O objetivo deste trabalho foi determinar o potencial energético fotovoltaico na região metropolitana do Cariri, a partir de dados do satélite LANDSAT 5-TH, com a combinação do algoritmo SEBAL e a eficiência de produção da fotocelula Para rrealização deste estudo foi obtida uma imagem da órbita 217/ponto 65, datada do dia 29/08/2011 a que corresponde ao DJ241 avaliando o potencial de produção energético obteve-se os valores médios iguais a 1,99kwh1m2 para área na zona rural e 1,49kwh1m2 para área urbana Os elevados valores encontrados para área da zona rural, se deve ao fato de que a área com cobertura natural do solo reduz a reflectância monocromática aumentando assim em 25% do potencial de produção Palavras-chave: LANDSAT 5, FOTOCELULA, ENERGIA SOLAR

2 João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de Introdução Como consequência direta da intensificação da exploração energética proveniente da queima de combustíveis fósseis, a dramática deterioração ambiental tem sido observada, contribuindo diretamente para as mudanças climáticas do planeta, neste contexto é importante focarmos na valorização e exploração de fontes alternativas de geração de energia elétrica que não adicionem emissões (PIRES; HOTZ, 2012) Alexandre-Edmond Becquerel em 1839, observou o efeito fotovoltaico, que consiste no aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de um semicondutor, quando esse absorve a luz visível O efeito fotovoltaico consiste da ejeção de elétrons quando o material é exposto à radiação eletromagnética, na criação de uma tensão ou corrente elétrica correspondente O efeito fotovoltaico ocorre em alguns materiais semicondutores, assim como o silício, material semicondutor bastantemente usado na confecção das placas solares Em 1883 foi construída a primeira célula fotovoltaica por Charles Fritts, revestida de selênio (material semicondutor) com uma camada extremamente fina de ouro A eficiência do dispositivo na conversão de energia solar em eletricidade era somente de 1% As células fotovoltaicas modernas foram desenvolvidas por um grupo de pesquisadores do Bell Labs em 1954 Utilizando tecnologia dos transistores de silício os pesquisadores projetaram e apresentaram as primeiras células de silício, obtendo uma eficiência inicial de 5,7% em 1955 Hoje as células fotovoltaicas melhoraram sua eficiência em média de 14% Mais ainda é um campo que deve muito ser estudado, especialmente no que desrespeito eficiência da captação da radiação e a transformação da energia elétrica Segundo Silva (2013), a utilização das técnicas de sensoriamento remoto possibilita o monitoramento da evolução espacial e temporal da superfície, visto que, as imagens de satélite fornecem dados que representam a interação entre a radiação eletromagnética e o alvo presente na superfície terrestre Com o processamento dessas imagens é possível identificar e extrair informações contidas, que representam a situação real da superfície, importante para o monitoramento e classificação da área de estudo A determinação do potencial fotovoltaico é de grande importância para todos os setores da economia da região Há uma forte tendência para as pesquisas com métodos de determinação da potencialidade de energia solar A combinação entre o modelo proposto por Bastiaanssen (1995) e a eficiência da fotocélula apresenta grande potencial de aplicação em conjunto com os dados de satélite Tomando como base as informações do nosso conhecimento, a presente pesquisa tem como objetivo determinar e avaliar o potencial de produção de energia solar na região sul cearense, aplicando técnicas de sensoriamento remoto à imagens TM Landsat 5 Para a concretização deste objetivo, foi determinado o saldo de radiação (R n ) utilizando o modelo SEBAL (Surface Energy Balance algorithm for Land) Bastiaanssen (1995), que tem sua importância e aplicação em estudos baseado no balanço do fluxo de energia da superfície, proporcional ao saldo de radiação Combinado a eficiência de produção de eletricidade da fotocélula, finalizando a determinação do potencial energético fotovoltaico 2 Material e métodos A área estudada está contida numa região bastante heterogênea, localizada na macroregião Sul cearense abrangendo a região metropolitana do Cariri constituído dos centros urbanos das cidades de Barbalha, Crato e Juazeiro do Norte, alem de áreas com vegetação nativa, e áreas 2

3 João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016 de agricultura irrigada, conforme apresentada na Figura 1, que é uma composição RGB das bandas 2, 3 e 4 do sensor TM da cena em estudo Figura 1 - Imagem Landsat 5-TM numa composição RGB da região onde se localiza a área de estudo A determinação do Potencial energético fotovoltaico foi feita a partir de imagens do sensor TM (Thematic Mapper), do satélite Landsat 5, adquiridas no site do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE (wwwinpebr) compostas por 7 bandas espectrais A imagem utilizada foi da órbita 217 ponto 65, datada do dia 29/08/2011, o que corresponde ao Dia de Ordem do Ano (DOA) de 241 O processamento das imagens de satélite foi feito com o auxilio de modelos desenvolvidos através da ferramenta Model Maker do software Erdas Imagine 85 Para determinação do potencial de energia solar foram desenvolvidos modelos baseados no algoritmo SEBAL (Surface Energy Algorithm for Land) combinado com a eficiência de produção da fotocélula Para isto realizou-se a calibração radiométrica ou radiância espectral, onde o numero digital (DN) de cada pixel da imagem foi convertido em radiância espectral monocromática refletida, através da equação de Markham e Baker (1987) Possibilitando assim o cômputo das refletâncias monocromática dos canais de interesse a serem utilizadas na determinação do balanço de radiação e de energia, de acordo com o método desenvolvido por Bastiaanssen et al (2000), dada pela equação a seguir L ESUN cos dr (1) onde L λ é a radiância espectral; ESUN λ é a irradiância solar espectral de cada banda incidente no topo da atmosfera (W m -2 µm -1 ), em que valores válidos para dados radiométricos originados do Landsat 5 após 4 de maio de 2003, propostos por Chander e Markham (2003), apresentados na Tabela 1; θ é o ângulo zenital solar; e d r é o inverso do quadrado da distancia media Terra-Sol, obtida pela Equação 2 Tabela 1 Valores de ESUN λ em W m -2 µm -1 validos para o Landsat5 3

4 João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016 Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4 Banda 5 Banda6 Banda7 Landsat ,0-80,67 2 dr 1 0,033 cos DOA 365 (2) onde DOA é o numero de ordem do ano correspondente ao dia da imagem, conforme Silva (2010), o valor médio anual de d r é igual a 1,00 variando entre 0,97 e 1,03 aproximadamente Na Tabela 2 são apresentados os valores de DOA, d r e do cós θ da imagem utilizada neste estudo para a hora da passagem do satélite (09:45) Tabela 2 Datas das imagens e seus respectivos valores de DOA, d r e cos θ Data da imagem DOA d r cos θ 29/08/ ,0 16 0,768 Com as refletâncias calculadas, determinamos índices de vegetação IVDN, IAF e IVAS que são indicadores sensíveis da quantidade e das condições da vegetação Propostos por (Huete, 1998; Allen et al, 2002; Brandão et al, 2005) Após a determinação dos índices de vegetação, foram obtidos os componentes do balanço de radiação R n, que leva em consideração a radiação de ondas curtas incidente, R s, dada em (Wm -2 ), o albedo da superfície (α), a radiação de onda longa emitida (R L ), a radiação de onda longa incidente (R L ), e a emissividade termal da superfície (ε 0 ) 1 1 R R R R R (3) n s L L 0 L Por fim foi computado o potencial energético fotovoltaico através do produto entre o Balanço de radiação R n e a eficiência da placa solar que no caso utilizou-se a eficiência igual a 13% o qual é um valor médio de eficácia A combinação entre o modelo além das etapas computacionais para a determinação do potencial de energia solar é apresentada no fluxograma da Figura 2 Figura 2: Fluxograma das etapas computacionais e combinação entre o algoritmo SEBAL e a eficiência de produção energética da fotocélula 4

5 João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de Resultados e discussões 51 Saldo de radiação (Rn) Os valores de R n foram calculados para condição de céu claro, as 9:45 h (GMT) momento da passagem do satélite Landsat 5 Na tabela subseqüente (3), é apresentado o resumo estatístico da área selecionada para análise mais detalhada do comportamento do Rn Tabela 3 Resumo estatístico dos resultados do saldo de radiação da área estudada Data Media Mediana Desvio Padrão (Wm -2 ) (Wm -2 ) (Wm -2 ) 29/08/ ,22 600,44 126,76 O R n médio para a área estudada foi de 583,22 tendo variado entre 44,95 e 634,72 W m -2, onde o albedo de superfície ficou na faixa entre 0,092 na área de vegetação nativa densa (Chapada do Araripe) e atingido um valor Maximo de 0,160 no o centro urbano de Crato, Juazeiro do Norte e Barbalha (Triangulo CRAJUBAR) Os resultados encontrados foram inferiores aos de Bezerra (2006), que analisando o balanço de radiação na Chapada do Araripe obteve valores superiores a 700 W m -2 Pezzopane et al (2000) em estudo sobre balanço de radiação no interior de uma floresta estacional semidecidual secundaria no domínio da mata Atlântica observou que um saldo de radiação dentro e fora da floresta variam conforme os dias de céu limpo e nublado A curva do saldo de radiação no exterior da floresta exibe padrão típico de superfície a céu aberto sendo seu valor máximo em torno de 490 W m -2 ao meio dia 5

6 João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016 O valor médio encontrado para emissividade da superfície foi de 0,97 com oscilação de 0,96 a 0,99 o que provoca uma diferença de temperatura em torno de 17,89 K Explicando a alta temperatura no centro urbano em estudo o que reduz potencializarão da produção da energia fotovoltaica nesta área Os valores do potencial de produção da energia fotovoltaica encontrados oscilou entre 1,49 e 1,99 KW h -1 m -2 Tendo seu valor Maximo em áreas fora do centro urbano e seu valor mínimo dentro do cetro urbano Isto é provocado por conta da refletância monocromática que tem seu maior valor em áreas com cobertura de solo modificada pelo efeito da urbanização, mesmo assim fornece boa eficiência de produção, 6

7 João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016 Conclusões Diante dos resultados obtidos das cenas e datas estudadas, conclui-se que: O R n médio para a área vegetada estudada foi de 583,22 W m -2 na área de vegetação nativa densa (Chapada do Araripe) o que pode chegar a uma produção de 1,99 KW h -1 m -2 Os valores do potencial de produção da energia fotovoltaica é inversamente proporcional a reflectancia monocromática pois tem seus menores valor em áreas urbanas Em conseqüência do alto valor do albedo de superfície na área urbana há um aumento da temperatura em relação a zona rural da área em estudo de 17,89 K o que diminui a produção de energia em torno de 25% 7

8 João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016 Referências bibliográficas ALLEN, R G, TASUMI, M, TREZZA, R SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land) advanced training and users manual Idaho implementation, Idaho University, Idaho, USA, 2002 BASTIAANSSEN, W G M Regionalization of surface flux densities and moisture indicators in composite terrain Ph D Thesis Wageningen Agricultural University, Wageningen, Netherlands 1995 BASTIAANSSEN, WG SEBAL - based sensible and latent heat fluxes in the irrigated Gediz Basin, Turkey Journal of Hydrology, v 229, p , 2000 BEZERRA, B G Obtenção da evapotranspiração diária no Cariri Cearense utilizando imagens Landsat 5-TM e o algoritmo SEBAL f Dissertação (Mestrado em Meteorologia) - Departamento de Ciências Atmosféricas, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande - PB 2006 BRANDÃO, Z N; BEZERRA, M V C; SILVA, B B O uso do NDVI para determinação da biomassa na chapada do Araripe Anais do XIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianópolis, INPE, 2007 Disponível em: Acesso em outubro de 2012 CHANDER, G MARKHAM, B Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration Procedures and Post calibration Dynamic Ranges IEEE Transaction son Geoscience and Remote Sensing, v, 41, n 11, 2003 HUETE, AR A soil-adjusted vegetation index (SAVI) Remote sensing of environment 25: , 1988 Download das imagens de satélite Disponível em: wwwinpebr Acesso: 03/04/2013 MARKHAN, BL; BARKER, JL Thematic mapper band pass solar exoatmospherical irradiances International Journal of Remote Sensing, Basingstoke, v8, n3, p , 1987 SILVA, B B Determinação da evapotranspiração com imagens de Landsat e Sebal Mini curso Programa de Pós Graduação de Meteorologia da Universidade Federal de Campina Grande Campina Grande, Junho de p 8