Atlas Solarimétrico de Alagoas elb

setembro 2007agosto 2008

SolarimétricoAtlas

Aag

asl

o

setembro 2007agosto 2008

SolarimétricoAtlas

Programa de DesenvolvimentoTecnológico e Industrial

FAEGRUPO

GRUPO DE PESQUISA EM FONTESALTERNATIVAS DE ENERGIA

Ala

goas

Equipe UFPE:

Prof. Dr. Chigueru Tiba (Coordenador)

Prof. Dr. Naum Fraidenraich

Profa. Dra. Olga de Castro Vilela

Profa. Dra. Ana Lúcia Bezerra Candeias

Profa. Ms. Elielza Moura de Souza Barbosa

MSc. Rinaldo Oliveira de Melo

Graduando Victor de Moura Pimentel

Eletrobrás

Presidente:Jose Antonio Muniz Lopes

Diretoria de Tecnologia:

Ubirajara Rocha Meira

Departamento de ProjetosCorporativos:

Ronaldo Sérgio Monteiro Lourenço

Divisão de Pesquisae Desenvolvimento:

João Leonel de Lima

Equipe Técnica:

Alexandre Antonio Silva de Souza

Ângelo R. de R. e Alexandrino

Jonas Ferreira

Equipe UFAL:

Prof.Dr.José Leonaldo de Souza

Prof.Dr.Gustavo Bastos Lyra

Mestrando José Edmilson Deodado de Brito

Mestrando Ricardo Araujo Ferreira Junior

Graduando Mercel José dos Santos

Graduando Marcos Alex dos Santos

Graduando Anthony Carlos da Silva Porfírio

áSum rio

27

07

09

11

19

1. Apresentação

2. Descrição do Projeto

3. Rede Solarimétrica

4. Descrição dos Sensores

5. Mapas de Irradiação

A rese taç op n ã

informação adequada

sobre o recurso solar é

importante para uma Adiversidade de áreas tecnológicas

tais como agricultura, meteorologia,

engenharia florestal, recursos

hídricos e particularmente para uma

tecnologia inovadora como a energia

solar. O desenvolvimento e a difusão

dessa tecnologia depende

fortemente da economicidade e

confiabilidade dos sistemas solares

instalados, seja em escala restrita ou

ampla, processo cujo fundamento

está constituído pelo conhecimento

preciso do recurso solar.

Neste momento, diversos programas

de âmbito nacional requerem

informações confiáveis sobre esse

recurso que, caso elas não existam,

pode se traduzir em sistemas mal

dimensionados ou importantes

recursos financeiros

inadequadamente utilizados. O

PRODEEM ( Programa de

Desenvolvimento Energéticos nos

Estados e MunicípIos) e seu

sucedâneo o PROGRAMA LUZ PARA

TODOS, coordenado pelo Ministério

das Minas e Energia , que vem

instalando milhares de sistemas

distribuídos de eletrificação rural, em

todo território nacional, é um

exemplo desses programas. Trata-se

de um amplo e ambicioso programa

da universalização do suprimento de

energia elétrica em residências,

escolas e postos de saúde situados

em locais remotos que em parte já

está sendo suprida por energia solar

fotovoltaica, e que em largas regiões

da Amazônia e Bahia não eletrificada,

certamente será a solução com a

melhor relação custo-benefício. No

que concerne a tecnologias solar

térmica – suprimento de água quente

para fins sanitários em residências e

hotéis, por exemplo – já existe uma

indústria próspera e atuante que

cresceu a uma taxa média de 44%

nos últimos 4 anos atingindo em

2007 a instalação de 570.000 m². A

área acumulada em operação passou

de 1.990.000 m² em 2003 para

3.674.000 m² em 2007 o que

corresponde a aproximadamente

730.000 residências.

A geração termoelétrica solar em

grande escala, que utiliza

concentradores cilíndrico-

parabólicos, é uma tecnologia

provada e bastante madura. Nove

usinas conhecidas como SEGS (Solar

Electric Generating System) com

uma capacidade instalada de 354

MW, estão localizadas e funcionando

comercialmente na localidade de

Mojave, Califórnia, há mais de 20

anos. A primeira geração de usinas

SEGS tinha 13 MWe (1985), a

07

SolarimétricoAtlas

segunda 30 MWe e a última 80 MWe

(1991). Após um período de escassa

atividade (em termos de instalação de

centrais e não em P&D), de

aproximadamente uma década, a

tecnologia termoelétrica solar

começa a se recuperar rapidamente

nesse inicio do século XXI. Em 2008

foi inaugurada a usina de NEVADA

ONE, nos Estados Unidos com 64

MWe. Na Espanha se encontram em

processo de construção três usinas

de 50 MW: ANDASOL I e II e

EXTRESOL I, com finalizações

previstas para o verão de 2008,

primeiro quadrimestre de 2009 e

terceiro quadrimestre de 2009,

respectivamente. As centrais de

NEVADA ONE e ANDASOL I e II e

EXTRESOL I são produtos

aperfeiçoados da linhagem SEGS.

Em trabalho recente, Tiba et al.

(ATLAS SOLARIMÉTRICO DO BRASIL

, 2001) mostrou um levantamento das

informações solarimétricas terrestres

existentes no país. A avaliação das

informações existentes sobre o

recurso solar no Brasil possibilitou a

identificação das principais falhas e

deficiências atuais e permitiu a

sugestão de propostas visando

melhorar a qualidade e a quantidade

das informações. Faz parte da

referida publicação, a constatação da

escassez de informações de boa

Apr entes ação

08

SolarimétricoAtlas

qualidade sobre a irradiação solar no

Nordeste do Brasil. Nesse sentido, a

realização deste projeto foi motivada

pela convicção de que é necessário,

até imprescindível, atualizar e

aprimorar a base de dados sobre o

recurso solar no NE do Brasil e

particularmente em Alagoas, para

impulsionar de maneira sólida a

inserção e uso da tecnologia solar no

Brasil. As cartas de isolinhas da

radiação solar global diária

elaboradas neste projeto, descrevem

claramente para cada mês, regiões

bem diferenciadas com irradiações

crescente do litoral para o sertão e de

forma geral do norte para o sul.

Também apresenta uma forte

sazonalidade, por exemplo, com um

máximo de 24-26 MJ/m2 em

novembro e um mínimo de 13-15

MJ/m2 em julho na região do sertão.

A região de maior potencial é no

sertão de AL na região compreendida

por Pão de Açúcar, Santana do

Ipanema e Água Branca. De forma

consistente os mapas de irradiação

PAR e Iluminância seguem o

comportamento descrito

anteriormente. Cabe ressaltar que os

mapas resultantes são produtos de

apenas um ano de medição e

portanto, incapazes de refletir as

variabilidades inter-anuais intrínsecas

ao recurso solar.

Descrição do Projeto

ste Projeto consistiu na

definição e instalação da E Rede de Estações

Solarimétricas no Estado de Alagoas

constituída de 9 estações e

posteriormente desenvolver uma

campanha de medições por um

período de 12 meses. Com os

dados obtidos, foi elaborado Um

Atlas Preliminar do Estado de

Alagoas, Setembro de 2007 –

Agosto de 2008. As informações

contidas no Atlas solarimétrico de

AL são relevantes por que permitem

suprir de informações confiáveis os

projetistas de sistemas solares

térmicos (aquecimento de água) e

sistemas fotovoltaicos e para

concentradores solares para

geração de energia elétrica.

As medições realizadas e os

resultados ora divulgados, devem

ser vistos como a primeira fase ou a

fase preliminar da construção de um

Atlas Solarimétrico. Em caráter

definitivo a consolidação de um

Atlas Solarimétrico para o estado

de Alagoas necessitará de uma

campanha adicional de medição de

4 anos para que se possa capturar

as variabilidades inter-anuais que

são intrínsecas ao recurso solar.

Adicionalmente, a rede solarimétrica

implantada foi capaz de gerar os

seguintes produtos:

Mapa Preliminar de Iluminância,

elaborado a partir de medições

realizadas por sensores de

iluminância. Essas informações são

importantes para redução do

consumo de energia elétrica,

mediante o desenvolvimento de

arquitetura voltada para

aproveitamento da iluminação natural,

estratégia em consonância com as

diretrizes do PROCEL/RELUZ e

Mapa preliminar da irradiação PAR,

elaborado a partir de medições

realizadas por sensores PAR. O

conhecimento da distribuição da

irradiação solar fotossintética, no

exterior denominada PAR

(photosynthetically active radiation), é

de grande importância para o setor

agrícola pois permite o aumento da

produtividade agrícola, a partir da

otimização na localização de culturas

e do aproveitamento da energia solar.

Além dos mapas citados, foi criado

um banco de dados com as

informações específicas de cada tipo

de radiação: global, PAR e

Iluminância.

1.

2.

09

SolarimétricoAtlas

SolarimétricoAtlas

Palmeira dos Índios

Arapiraca

Santana do Ipanema

Pão de Açucar

Água Branca

Matriz de Camaragibe

Maceió

Coruripe

São José da Laje

Coordenadas geográficas das estações

Estação Lat Long Altura(m)

36°39'22,7"W

37°36'23,4"W

37°13'53,6"W

37°26'15,1"W

37°56'15,0"W

35°33'01,4"W

35°49'43,6"W

35°16'29,1"W

36°03'48,0"W

9°24'19,9"S

9°48'54,8"S

9°22’30,7"S

9°44'48,1"S

9°15'15,0"S

9°07'28,7"S

9°28'29,1"S

10°01'29,1"S

8°58'01,2"S

328,0

239,0

279,4

46,0

593,0

30,0

127,0

108,7

344,7

Rede Solarimétrica

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Mapa com localização das estações

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01 - Água Branca

02 - Santana do Ipanema

03 - Pão de Açucar

04 - Arapiraca

05 - Palmeira dos Índios

06 - Coruripe

07 - Maceió

08 - São José da Laje

09 - Matriz de Capibaribe

Rede Solarimétrica

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Município de

Pão de Açúcar

Rede Solarimétrica

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Água Branca

Arapiraca

Rede Solarimétrica

Rede Solarimétrica

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Palmeirados

Índios

Matriz do Camaragibe

Rede Solarimétrica

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Santana doIpanema

Rede Solarimétrica

Coruripe

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Rede Solarimétrica

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Maceio

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SolarimétricoAtlas

São José da Laje

Rede Solarimétrica

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Descrição dosSensores

SolarimétricoAtlas

Descrição dos sensores utilizados na rede solarimétrica

1. Descrição genérica da estação solarimétrica

estação solarimétrica

padrão é formada por um A conjunto de 10 sensores

que medem: a velocidade e direção

do vento, a temperatura e umidade do

ar, a irradiação solar global, a

irradiação solar PAR e a Iluminância

no plano horizontal e nos planos

verticais Norte, Sul, Leste e Oeste.

Todos os sensores estão montados

em uma pequena torre metálica, com

cerca de três metros de altura

apresentada na Fig. 1. Os sensores,

de uma forma geral, estão montados

em um eixo fixo à torre e posicionado

na direção norte-sul, com o objetivo

de evitar o possível sombreamento

de um sensor por outro.

19

Figura 1: Torre metálicapara montagem dos sensores.

2. Descriçâo dos sensores


2.1 Velocidade e direção do vento

A medição dessas variáveis será

realizada por um único instrumento

que integra as duas funções. O

modelo utilizado é o 05305 R.M.

Young Wind Monitors da Campbell

Scientific mostrado na Fig. 2. Este

dispositivo fornece um sinal de

freqüência, senoidal de pequena

amplitude, linear com a velocidade do

vento. Para se monitorar a direção do

vento, este dispositivo foi montado

sobre o eixo rotativo de um resistor

variável (potenciômetro), alimentado

por uma tensão elétrica de valor

constante que será dividida conforme

a posição de rotação do eixo (posição

que é alterada pela direção do vento).

O valor desta tensão, indicará a

direção do vento. As unidades para

essas variáveis são as seguintes:

velocidade do vento em m/s, direção

do vento em grau com referência ao

norte geográfico.

20

SolarimétricoAtlas

Especificações Principais

Velocidade do vento

0- 90mph (0-40m/s)

Acurácia: ±0.4 mph (±0.2 m/s)

Limiar de partida: : 0.9 mph (0.4 m/s)

Sobrevivência à rajada : 100 mph (45 m/s)

Direção do vento

0-360°

Acurácia:: ±3°

Limiar de partida ,

10° de desl.: 1.0 mph (0.5 m/s)

Figura 2: Sensorde velocidade

e direção do vento05305 R.M.

2.2 temperatura e umidade do ar


SolarimétricoAtlas

O dispositivo utilizado, assim como

no caso anterior, integra duas funções

em um único invólucro. O modelo

utilizado é o HMP45C fabricado pela

Vaisala Inc., Fig. 3 . A leitura da

temperatura do ar é realizada por um

dispositivo a base de semicondutor,

enquanto a umidade relativa, é lida

através de um sensor de filme

capacitivo. Os sinais elétricos

gerados são amplificados por um

circuito eletrônico, antes de ser

entregue para o datalogger. As

unidades de medidas são:

temperatura do ar em ºC, umidade

relativa do ar em %.

41003-5

HMP45C

21


Sensor de TemperaturaSensor: 1000 ? PRTFaixa de medida : -40 a +60 ºCAcurácia: ±0.2 ºC (20 ºC ) e ±0.5 ºC (-40 ºC )

Sensor de Umidade RelativaFaixa de medida : 0 a 100%Acurácia: ±2% , umidade 0 - 90% ±3% , umidade 90 -100%

Figura 3: Sensor de temperatura

e umidade relativa do ar.

2.3 Irradiação solar global


SolarimétricoAtlas

22

O sensor é uma termopilha diferencial

onde a junção quente é pintada de

preto e a junção fria é branca

protegida por uma cúpula de vidro

que transmite homogeneamente na

faixa de 285 a 2800 nanômetros, Fig.

4. A base de alumínio possue 3

parafusos niveladores e um local para

introdução de desumidificante (sílica

gel). Este piranômetro é o modelo 8-

48, B&W fabricado pela Eppley ,

Laboratory, Inc.


Figura 4: Piranômetrodo tipo branco e preto

Sensibilidade: 11 microvolts/W/ m²

Dependência da temperatura: ±1,5 % na faixa de -20 a +40 ºC

Linearidade: ±1,0 % , 0-1400 W/m²

Resposta cosseno: ±2,0 %, 0 -70º de ângulo zenital , ±5,0 % para ângulos zenitais em 70-80º


SolarimétricoAtlas

23

2.4 Irradiação solar PAR

/(s m²) O sensor é constituído de um

foto-diodo com boa resposta no

visível, filtro de interferência e filtro

de vidro colorido. O erro típico desse

sensor é de 5%.


Erro de calibração: 5% (NIST)

Sensibilidade: 5 µA por 1000 µmol /(s m²)

Linearidade: máximo 1%

Estabilidade: <±2,0 % ao ano

Tempo de resposta: 10 µs

Dependência da temperatura: ±0,15 %/º C

Figura 5: Sensor para irradiação

solar PAR

O sensor LI-190SA fabricado pela LI-

COR mede a irradiacao solar

fotossintetica ativa (PAR em ingles) na

faixa de comprimento de onda de 400

a 700 nm. A unidade de medida e µmol


SolarimétricoAtlas

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2.5 Iluminância

O sensor LI-210 fabricado pela LI-COR

mede a Iluminância sobre uma

superfície. A unidade de iluminância é

o lux que é a iluminação produzida por

um lúmen uniformemente distribuída

em 1m². A unidade usual é o klux

(quilo lux).


Erro de calibração: 5% (NIST)

Sensibilidade: 30 µA por 100 klux

Linearidade: máximo 1%

Estabilidade: <±2,0 % ao ano

Tempo de resposta: 10 µs

Dependência da temperatura: ±0,15 %/º C

Figura 6: Sensorpara Iluminância


SolarimétricoAtlas

25

2.6 Datalogger

2.7 Unidades de Medida

A irradiação solar total foi medida

com um piranômetro B & W da

Eppley e foi configurado para medir

e armazenar o valor médio da

irradiação solar (W/ m²) no intervalo

de minuto. Esses valores foram

integrados ao longo do dia e os

resultados apresentados em MJ/ m².

A conversão dessa unidade para

kWh, uma unidade mais usual ao

É um sistema de aquisição de dados

automatizado constituído

normalmente por uma ou mais

entradas analógicas. Possui também

um circuito eletrônico de memória

para o devido armazenamento dos

dados. Existem no mercado uma

variedade de modelos com funções

gerais ou específicas para uma

grande variedade de aplicações. O

modelo escolhido para ser utilizado

em nosso projeto foi o CR1000 da

Campbell Scientificcom 2 MB de

capacidade de armazenamento ou 50

dias de armazenamento em escala

de minuto.

setor eletrico, pode ser feita

dividindo-se pelo fator 3,6. Assim por

exemplo, 18 MJ/ m2 resultara em

5kWh/ m2.

A irradiacao PAR normalmente e

medida como uma densidade de

fluxo de fotons: 1 ƒÊmol/(s.m2) ≡

6,02x101 fotons/(s.m2). O sensor LI-

COR LI-190 foi configurado para

medir e armazenar o valor medio da

irradiacao PAR (ƒÊmol/(s.m2)) no

intervalo de minuto. Esses valores

foram integrados ao longo do dia e

os resultados apresentados em mol/

m2.

A Iluminancia foi medida em lux

definida como a iluminacao produzida

por um lumen uniformemente

distribuida em uma superficie de 1

metro quadrado. O sensor LI-COR LI-

210 foi configurado para medir e

armazenar o valor medio da

Iluminancia (klux) no intervalo de

minuto. O valor medio diario (klux) foi

obtido mediante a media dos valores

medios em escala minuto.

7

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Mapas de IrradiaçãoTotal

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Mapas deIluminância

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