UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS Programa de Ps-Graduao em Meteorologia Dissertao MEDIO DA RADIAO SOLAR GLOBAL E DIFUSA UTILIZANDO PIRANMETRO COM SENSORES FOTOELTRICOS IDILIO MANOEL BREA VICTORIA Pelotas, 2008 IDILIO MANOEL BREA VICTORIA MEDIO DA RADIAO SOLAR GLOBAL E DIFUSA UTILIZANDO PIRANMETROS COM SENSORES FOTOELTRICOS Di sser t aoapr esent adaaoPr ogr ama dePs- Gr aduaoemMet eor ol ogi ada Uni versi dadeFederal dePel ot as, comorequi si t opar ci al obt enodot t ul ode Mestre em Cincias (Meteorologia). Orientador: Dr. Joo Carlos Torres Vianna Co-Orientador: Dr. Lcio Almeida Hecktheuer PELOTAS Rio Grande do Sul Brasil 2008 i Banca examinadora: ___________________________________ Dr. Joo Carlos Torres Vianna UFPEL ___________________________________ Dr. Luciano Vitoria Barboza UCPEL ___________________________________ Dr. Gilberto Barbosa Diniz UFPEL ___________________________________ Dr. Julio Renato Quevedo Marques UFPEL ii AGRADECIMENTOS Agradeo... Enquanto ser humano frgil e inacabado... conjugao de energias universais que, por se mostrarem superiores, impelem a raa humana a cumprir funo de equilbrio entre os seres vivos e a natureza. Aos outros seres humanos que me propiciam gratos e edificantes fazeres de aprendiz e aprendente. Enquanto ser humano histrico... Aos meus pais, fontes de luz a iluminar a caminhada. minha esposa Elisabeth pelo amor paciente e comprometido com a causa de edificao da criao. Aos meus filhos Diego e Nathalia por terem me iluminado nas tomadas de decises, nos infinitos momentos das nossas interaes humanas, e por terem se comprometido com as nossas construes de princpios e sentidos de vida. Ao amigo Prof. Dlson Ramalho por ter assumido o papel de sbio construtor, em magistral demonstrao de acumulao terica-prtica. Ao amigo e companheiro Prof. Dr. Lcio Almeida Hecktheuer pela dcil, competente e pacienciosa sabedoria tcnica-humana. Ao amigo Prof. Dr. Joo Carlos Torres Vianna, pela pacincia e orientaes. iii Aos queridos(as) colegas Claudia, Glauber, Mrcia, Mri, Theo, Ctia, Leandro, Ana Carolina, pelos alegres e educativos momentos de convivncia. Aos amigos Prof. Rogrio Guimares e Prof. Daniel Hecktheuer pela presteza e agilidade na soluo de problemas prticos.

Enquanto profissional... Ao Centro Federal de Educao Tecnolgica de Pelotas e Universidade Federal de Pelotas, pela oportunidade de crescimento tcnico-cientfico-humano. iv RESUMO VICTORIA,IdilioManoelBrea.MediodaRadiaoSolarGlobaleDifusa UtilizandoPiranmetroscomSensoresFotoeltricos.2008.95f.Dissertao (Mestrado)ProgramadePs-GraduaoemMeteorologia.Faculdadede Meteorologia. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas. NoBrasil,amaiorpartedasInstituiesquemedemradiaosolardisponibiliza apenas dados de radiao global incidente em uma superfcie horizontal. Na regio dePelotas-RS,aEstaoAgroclimatolgicadePelotas,vinculadaEmbrapa,tem os dados de radiao solar global diria estimados desde 1971 at 1992 e medidos apartirde1993.Considerandoqueossistemassolaresdevemserinstalados objetivandoumamaiorquantidadedeenergiaasercaptada,seuselementos captadoresderadiaodevemserinstaladoscomumadeterminadainclinaoem relao horizontal e voltados para o Equador. Isso significa dizer que os dados de radiao disponibilizados pelas Instituies que medem radiao solar global devem sertrabalhadosdemodoquesetenhaumaestimativadaradiaosolarincidente emumasuperfcieinclinada.Osprocedimentosexistenteseutilizadospelos projetistasdesistemassolaresnoBrasilparaestimararadiaosolarglobal incidenteemumasuperfcieinclinadautilizammtodosestatsticosoriundosde medies da radiao difusa incidente em outros pases. Com o objetivo de melhor estimar a radiao solar incidente em uma superfcie inclinada e difundir a medio de radiao solar difusa atravs da utilizao de piranmetros que utilizam sensores fotoeltricos,debaixocusto,emsubstituioaosqueutilizamsensores termoeltricos,essetrabalhodescreveevalidaosprocedimentosdemedioe correo a serem efetuadas na realizao das medies de radiao solar global e difusa a fim de que as mesmas possam ser consideradas de boa qualidade. Foram utilizadastrsbasesmetlicas,duasmontadassobinspiraodomodelode RobinsoneStoch,fixadasemplataformaradiomtricanoCEFET-RSa19mde altura, que receberam, na medio de radiao difusa, anis de sombreamento, com oeixodoanelnadireoN-Sgeogrfica.Usou-sepiranmetroscomsensores fotoeltricos e termopilha, este ltimo, considerado padro secundrio tido como de referncia, em medies de radiaes solares global e difusa, que ligados a sistema deaquisiodedadosemicro-computador,teveosdadosmedidostrabalhadose interpretadosnoestudodacalibraodospiranmetrosedasmediesdas radiaes citadas anteriormente. Tendo em vista o trabalho com dados de radiao solar, aplicou-se os testes estatsticos recomendados: erro do desvio mdio (MBE), erro mdio quadrtico (RMSE) e o do coeficiente de correlao (CC). Conclui-se que ousodepiranmetroLicorLI200,comsensorfotoeltrico,paramediode radiaoglobaledifusa,deveserprecedidodeumaboacalibrao,realizada periodicamente. Os dados obtidos de radiao solar global foram de boa qualidade, praticamentecoincidindocomosvaloresmedidoscomopiranmetropadroda Eppley PSP, observadas as incertezas dos equipamentos. Com relao s medidas deradiaosolardifusa,apesardeopiranmetroLicorteroperadonascondies v menospropciasdedesempenho,ouseja,emdiasdecumuitonublado,apsas correesdevidoaosombreamento,temperaturaescondiesatmosfricas, obteve-seresultadosdemelhorqualidade,reduzindo-sesignificativamenteos valores dos erros MBE e RMSE. Palavras-chave: Medio de Radiao Solar, Radiao Difusa, Anel de Sombra. vi ABSTRACT VICTORIA,IdilioManoelBrea.MediodaRadiaoSolarGlobaleDifusa UtilizandoPiranmetroscomSensoresFotoeltricos.2008.95f.M.Sc. Graduate Program in Meteorology.Federal University of Pelotas (UFPEL). In Brazil, most of the Institutions that measure solar radiation and the display only the globalradiationincideonahorizontalsurface.IntheregionofPelotas-RS,the Estao Agroclimatolgica de Pelotas, linked to Embrapa, has had the data of global solarradiationdailyestimatedfrom1971to1992andmeasurementsstartingin 1993. Considering that the solar systems should be installed so that a larger amount ofenergyiscollected,theelementcollectorsshouldbeinstalledwithacertain inclinationrelatedtohorizontalsurfaceandorientedtotowardstheEquator.That means that the radiation data made available by the Institutions that measure global solar radiation should be worked in a way that it is possible to obtain an estimation of thesolarradiationincidentonaslopingsurface.Theexistingproceduresusedby solarsystemdesignersinBraziltoestimatetheglobalsolarradiationincidentona slopingsurface,usestatistmethodsoriginatingfromthediffusemeasurement incident in other countries. With the objective of better estimating the solar radiation incident on a sloping surface and spreading the diffuse solar radiation measurement throughtheuseofpyranometerswhichusephotoelectricsensors,oflowcost,in substitutiontothethermoelectricsensors,thisworkdescribesandvalidatesthe procedures of measurement of global and diffuse solar radiation so as for these to be considered of good quality. For this experience three metallic bases were used. Two of them set up under the inspiration of the Robinson and Stoch model, attached to a radiometric platform, at CEFET RS, at a height of 19m. They received shadow bands onthemeasurementofdiffuseradiationwiththebandaxisintheN-Sdirection. Pyranometerswithphotoelectricsensorsandthermobatterywereused.The termobatteryconsideredasecondarypattern,asreferenceinmeasurementswith global anddiffuse solar radiations. These, linked to the data acquisition system and tothemicrocomputerhadthedatameasuredinterpretedinthecalibratingofthe pyranometersstudyandthemeasurementsoftheradiationsmentionedbefore. Considering the work with solar radiation data, the recommended statistic tests were applied:mediumdeviationerror(MBE),mediumquadraticerror(RMSE)andthe correlationalcoefficient(CC).ItispossibletoconcludethattheuseofLicorLI200 pyranometer,withthephotoelectricsensor,formeasurementoftheglobaland diffusesolarradiationmustbeprecededbyagoodcalibration,performed periodically.Theglobalsolarradiationdataobtainedpresentedgoodquality, coincidingwiththevaluesmeasuredwiththestandardEppleyPSPpyranometer, observingtheuncertaintyoftheequipments.Regardingthediffusesolarradiation measurements,althoughtheLicorpyranometeroperatedunderlessproper conditionsof performance, in other words,in very cloudy days,after the corrections vii duetoshadowing,atatmosphericandtemperatureconditions,itwaspossibleto obtainbetterqualityresults,reducingsignificantlytheerrorvaluesofMBEand RMSE. Keywords: Solar Radiation Measurement, Diffuse Radiation, Shadow Band. viii LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Esquema da estrutura do Sol ......................................................................8 Figura 2 - Onda eletromagntica composta pelos campos eltrico e magntico. A longitude de uma onda a distncia de uma crista a outra...................9 Figura 3 - Espectro eletromagntico das radiaes conhecidas, organizadas de acordo com o comprimento de onda....................................................10 Figura 4 - Relao entre as dimenses do Sol e da Terra ..........................................14 Figura 5 - Quatro posies da Terra no giro ao redor do Sol ......................................15 Figura 6 - Elementos da excentricidade da elipse......................................................15 Figura 7 - Movimento da Terra ao redor de seu eixo ..................................................17 Figura 8 - Esfera celeste mostrando o caminho aparente do Sol e o ngulo de declinao solar..........................................................................................18 Figura 9 - Caminhos aparentes do Sol atravs do cu. PHL o Plano do Horizonte Local..........................................................................................................20 ix Figura 10 - Esfera celeste e coordenadas do Sol relativas a um observador naTerra, no ponto 0......................................................................................21 Figura 11 - Definio dos ngulos de znite e azimute..............................................22 Figura 12 - Distribuio espectral da radiao extraterrestre AMO e distribuioespectral de um corpo negro a 5900K......................................................24 Figura 13 - Massa de ar que um feixe de radiao atravessa ao incidir na superfcieterrestre com um ngulo Z.....................................................................27 Figura 14 - Resposta espectral do silcio...................................................................33 Figura 15 - Resposta co-seno do piranmetro da Licor, modelo LI-200SA ...............34 Figuras 16a e b - Bases metlicas.............................................................................37 Figuras 17a e b - Regulagem da latitude e calha de deslizamento do anel(2a) eregulagem fina da orientao N-S geogrfica verdadeira e altura do piranmetro...............................................................................................37 Figuras 18a e b - Determinao do N-S geogrfico verdadeiro.................................38 Figura 19 - Cmara e base metlica..........................................................................39 Figura 20 - Agilent 34970A Sistema de Aquisio de Dados..................................39 Figura 21 - Piranmetro Eppley..................................................................................40 Figura 22 - Piranmetro Licor.....................................................................................41 x Figura 23 - Anel de sombreamento, construdo para as medies............................42 Figura 24 - Fator de correo da medida de radiao difusa devido ao uso de anelde sombra................................................................................................49 Figura 25 - Imagens de instantes dos dias 12 e 13 de agosto de 2007, dando a idia das condies meteorolgicas destes dias. ..............................................58 Figura 26 - Medio da radiao global do dia 12 de agosto de 2007, DJ 224, sem correes . ................................................................................................58 Figura 27 - Medio da radiao global do dia 12 de agosto de 2007, DJ 224, comas correes propostas (temperatura e condies atmosfricas) .............59 Figura 28 - Imagens dos dias 30 de agosto (DJ 242), 24 e 25 de setembro (DJ 267 e 268, respectivamente), dando a idia das condies atmosfricas dos dias selecionados para anlise das medies de radiao difusa....60 Figura 29 - Valores de radiao solar difusa de referncia, obtidos atravs de um piranmetro Eppley, com anel de sombreamento, no dia 24 de setembro de 2007....................................................................................61 Figura 30 - Radiaes difusas de referncia e medida com o piranmetro LICOR, sem correes ...........................................................................................62 Figura 31 - Radiaes difusas de referncia e medida com o piranmetro LICOR, corrigida. ....................................................................................................63 xi LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Principais caractersticas do Sol ................................................................8 Tabela 2 - Valores de massa de ar............................................................................27 Tabela 3 Classes dos piranmetros com as principais caractersticas ....................30 Tabela 4 Aparelhos utilizados nas medies, com alguns dados relevantes ...........44 Tabela 5 Limites dos parmetros utilizados para corrigir (isotrpica e anisotrpica) a medida da radiao difusa quando utiliza-se anel de sombra ................50 Tabela 6 Dados relativos calibrao dos Piranmetros Licor, na Plataforma Radiomtrica do CEFET/RS, no dia 11 de agosto de 2007, das 07h 07min., s 17h 44min., DJ 223...................................................56 Tabela 7 Classificao da Atmosfera (IQBAL, 1983) ...............................................57 Tabela 8 Valores dos erros das medidas do Licor 1, com e sem correes, emcondies de cu bastante nublado.........................................................59 xii LISTA DE SMBOLOS Altitude solarngulo do diaSngulo de azimute solar Parmetro utilizado por Lebarom et al. (1990) para descrever os efeitosisotrpicos e no isotrpicos da radiao solar Kr Incerteza do fator de calibrao do piranmetro Eppley KL Incerteza do fator de calibrao do piranmetro LicorVLIncerteza do somatrio das diferenas de potencial eltrico dospiranmetros Licor VEIncerteza do somatrio das diferenas de potencial eltrico dopiranmetro Eppley Declinao solar Parmetro utilizado por Lebarom et al. (1990) para descrever os efeitosisotrpicos e no isotrpicos da radiao solar Zngulo zenital Comprimento de ondaPi Densidade xiii SomatrioVL Somatrio das diferenas de potencial eltrico do piranmetro Licor VE Somatrio das diferenas de potencial eltrico do piranmetro Eppley Fluxo radiante Latitude geogrfica localngulo slido ngulo horriosngulo de nascimento do sol Grau Minuto Segundo AreaAMMassa de ar AMrMassa de ar relativa AMrKMassa de ar relativa de Kasten aComprimento da metade do eixo maior da elipse bComprimento do anel de sombreamento bDistncia de um dos focos ao centro da elipse cVelocidade de propagao da luz no vcuo CCCoeficiente de correlao entre os valores medidos e os estabelecidoscomo referncia CSConstante solar Difnc Medida da radiao difusa no corrigida DirNnc Medida da radiao direta normal no corrigida Diffotoeltrico Radiao difusa do piranmetro com sensor fotoeltrico Diftermopilha Radiao difusa do piranmetro com sensor termopilha DJ Dia juliano EoFator de correo da excentricidade da rbita da Terra ETResultado da equao do tempo xiv FCFator de correo isotrpico FpFrao de perda da radiao devido ao anel de sombreamentoFFreqncia de oscilao medidoG Valor mdio dos valores medidos da amostra de radiao solar global refernciaG Valormdiodosvaloresderefernciadaamostraderadiaosolar global Greferncia(i) Iensimo valor de radiao solar global tomado como referncia Gmedido(i) Iensimo valor de radiao solar global medido GMedida da radiao global Gfotoeltrico Radiao global medida com piranmetro com sensor fotoeltrico Gtermopilha Radiao global medida com piranmetro com sensor termopilha HIrradiao solar diria 0H Irradiao solar extraterrestre diria IscConstante solarIIrradiao solar global horriaI0Irradiao solar global extraterrestre horriaIGIrradincia globalIDHIrradincia direta na horizontalIDIrradincia difusaKFator de calibrao a ser obtido KLFator de calibrao do piranmetro LicortK ndice de claridadeKr Fator de calibrao do instrumento de referncia K Fator de correo parcial a ser aplicado nos valores dos dados deradiao solar difusa. LSTLongitude padro LlocLongitude local MBEMean Bias Error NNmero de medidas da amostra de dados QQuantidade de energia radiante xv rRaioRResposta do piranmetro em uma temperatura T R30 Resposta do piranmetro em 30oC RMSERoot Mean Square Error S rea superficial Tpir Temperatura do sensor do piranmetro T TemperaturaTOHora oficial TSV Tempo solar verdadeiro tTempo UAUnidade astronmica X Percentual da radiao solar difusa obstruda pelo anelde sombra Zngulo de znite xvi SUMRIO BANCA EXAMINADORA..........................................................................................i AGRADECIMENTOS.................................................................................................ii RESUMO....................................................................................................................iv ABSTRACT .................................................................................................................vi LISTA DE FIGURAS..................................................................................................viii LISTA DE TABELAS.................................................................................................xi LISTA DE SMBOLOS...............................................................................................xii SUMRIO .................................................................................................................xvi 1INTRODUO................................................................................................1 2REVISO DE LITERATURA...........................................................................7 2.1Caractersticas bsicas da radiao solar..................................................7 2.1.1 O recurso solar.....................................................................................7 2.1.2 Conceituaes e definies..................................................................9 2.1.2.1 Fluxo radiante ou poder radiante .............................................11 2.1.2.2 Densidade de fluxo de radiao ou irradincia.......................11 2.1.2.3 ngulo slido ...........................................................................11 2.1.2.4 Radincia................................................................................12 2.1.2.5 Irradiao................................................................................12 2.1.3 Interao entre a radiao solar e a atmosfera terrestre......................12 2.1.3.1 Radiao direta.......................................................................13 2.1.3.2 Radiao difusa......................................................................13 2.1.3.3 Radiao global ou total ..........................................................14 xvii 2.2Geometria Sol-Terra......................................................................................14 2.2.1 Excentricidade da rbita da Terra.........................................................15 2.2.2 Declinao solar...................................................................................17 2.2.3 Tempo solar verdadeiro........................................................................18 2.2.4 Posio do Sol em relao a superfcies horizontais............................19 2.3Constante solar e sua distribuio espectral..............................................23 2.3.1 Constante solar.....................................................................................23 2.3.2 Distribuio espectral da irradincia solar extraterrestre......................23 2.3.3 Irradiao solar extraterrestre...............................................................24 2.3.3.1Radiao horria .......................................................................24 2.3.3.2Radiao diria .........................................................................25 2.3.4 ndice de Claridade ................................................................................25 2.3.4 Massa de ar (AM) ..................................................................................26 2.4Medida da radiao solar..............................................................................27 2.4.1 Introduo.............................................................................................27 2.4.1.1Grandezas meteorolgicas da radiao ...................................28 a)Radiao solar....................................................................28 b)Radiao terrestre..............................................................29 2.4.1.2Normalizao............................................................................29 2.4.2Instrumentos de medida da radiao solar .............................................30 2.4.2.1Introduo.................................................................................30 2.4.2.2Tipos de piranmetros..............................................................31 a)Piranmetro fotovoltaico.....................................................31 b)Limitaes dos sensores fotoeltricos na medio deradiao solar global e difusa.............................................32 c)Piranmetro termoeltrico..................................................34 2.4.2.3Utilizao do piranmetro na medio de radiao difusa.......................................................................................34 xviii 3MATERIAL E MTODOS................................................................................36 3.1Base fsica, coleta e armazenamento de dados.........................................36 3.1.1 Piranmetro Eppley..............................................................................40 3.1.2 Piranmetro Licor..................................................................................40 3.1.3 Anel de sombreamento.........................................................................42 3.2Calibrao dos Piranmetros.......................................................................43 3.3 Medio da radiao global..........................................................................45 3.4 Medio da Radiao Difusa .........................................................................47 3.5 Testes estatsticos para avaliao das medidas de radiao solar ...........51 3.5.1 Erro do Desvio Mdio (MBE)................................................................51 3.5.2 Erro Mdio Quadrtico (RMSE)............................................................52 3.5.3 Coeficiente de correlao (CC).............................................................52 4RESULTADOS E DISCUSSO......................................................................54 4.1Incertezas das medidas e calibrao dos piranmetros Licor ...................54 4.2Condies atmosfricas do dia da calibrao .............................................56 4.3Medies de radiao solar global ...............................................................57 4.4Medies de radiao solar difusa ...............................................................60 5CONCLUSES E SUGESTES ......................................................................64 REFERNCIAS..........................................................................................................67 APNDICE 1- Destaques da construo das Bases Metlicas .............................73 APNDICE 2- Localizao da Plataforma Radiomtrica e as principais vistas das Bases Metlicas instaladas......................................................74 APNDICE 3- Determinao da direo Norte-Sul Geogrfica............................75 APNDICE 4- Condies atmosfricas de alguns dias de medies destacando as radiaes medidas......................................................................76 ANEXO 1- Fator de correo da radiao difusa devido a utilizao de anel de Sombra em funo das condies de cu...........................................77 1 INTRODUO Aconversodaenergiasolaremenergiautilizvelpeloserhumano, dependente das tecnologias disponveis, se processa na medida da maior ou menor disponibilidadederadiaosolarnaregioquepretendaservireestintimamente relacionadacomascondiesclimticasefetivas,guardandograndedependncia com o fator econmico. NoBrasilenohemisfriosul,convive-secomumacrnicafaltadedados medidosderadiaosolaremvirtudedoreduzidonmerodeestaes radiomtricas. substancialmente grandeo nmero de trabalhos cientficos que se dedicam a produzir estimativas de radiao solar, devido a pouca disponibilidade de dados medidos. Em funo desse pequeno nmero de estaes, certos autores, como Pereira (2002), chegam a afirmar que a anlise de modelosencontrados na literatura, para estimararadiaosolarglobal,demonstraqueousodessesmodelosdeveser incentivado em detrimento da disseminao de redes de estaes radiomtricas. Tal mtododeestimativapermiteter,emcurtoperododetempo,estimativado potencialsolaremgrandepartedoterritrionacional.Olevantamentodeste potencial por medio em estaes meteorolgicas demandaria muito tempo. Segundo Lyra, Fraidenraich, e Tiba (1993 apud TIBA, 2000), a partir de 1977, instalou-senoBrasilaRedeSolarimtricacomvinteestaes,deacordocom critriosestabelecidospelaOMM(OrganizaoMeteorolgicaMundial).2 A seguir foi criado, em 1978, o Centro Nacional de Radiao Solar, orientado para o controle de qualidade dos dados solarimtricos. citada a problemtica da obteno dedadosderadiaosolarnoBrasil,eapresentadodiagnsticodasolarimetria, propostasparamelhoramentodaqualidade,quantidade,disponibilidadeeacesso aosdadossolarimtricos,sofeitasdiscussessobreostiposdeinstrumentao utilizadae,porltimo,discutidoousodesatlites.Dentreasconcluses,desse trabalho em pauta, a situao da solarimetria no Brasil classificada... Gambi,Pereira,Abreu,CoutoeColle(1998)afirmamquemedirdiretamente com piranmetros operando em estaes solarimtricas a maneira mais precisa na busca de intensidade de radiao solar na superfcie. Porm os autores reconhecem quearedemundialdessasestaesmuitoesparsa,excetuandoterritriosde pasesmaisdesenvolvidoseconomicamente.Faz-se,nadiscussodosautores, meno ao desmantelamento da rede solarimtrica brasileira, a partir dos anos 90, comaafirmaodeque,desdeento,onmerodeestaesemoperaoficou extremamente reduzido. EmKratzenberg,Colle,Pereira,Neto,BeyereAbreu(2003),osautores,ao balizaremaimportnciadoprojetoBSRN(BaselineSurfaceRadiationNetwork), deixamclaroodesnimoexistenteemrelaodesativaodeestaes solarimtricas, ao afirmarem: Tibaetal.(2000)sustentaqueamotivaodaconstruoepublicaodo Atlas Solarimtrico do Brasil banco de dados terrestres, deveu-se convico de que era necessrio, at imprescindvel, atualizar e aprimorar a base de dados sobre ...comoacentuadamentenegativa,comproblemasdemanutenoeoperao dos instrumentos, falta de processamento dos dados, carncia de pessoal, dados inadequados,sejadevidoescassezdeestaesmeteorolgicasdevidamente equipadas,outempolimitadoderegistrosouimprecisodosinstrumentosde medioderadiaoglobalouhorasdeinsolao(LYRA,FRAIDENRAICHe TIBA, 1993)... o Brasil deixou de figurar nos bancos de dados de radiao solar da WMO e do CentroMundialdeRadiaoSolardeSoPetersburgo,atporqueoquerestou dasestaessolarimtricasinstaladaspelogovernofederalnopasem1978foi desativado. 3 o recurso solar, para impulsionar de maneira slida a cincia e a tecnologia solar no Brasil.Depoisdeexaltaremaexistnciadeconscinciageneralizadasobrea disponibilidadederecursosolardeexcelentequalidadeemboapartedopas, enfatizamomritodobancodedados,cujaimportnciaresidenofatodeter resgatado, organizado e disponibilizadoboa parte dainformao existentesobre o tema em instituies pblicas, centros de pesquisa e universidades. Acrescenta-se queestrecuperadooacervodepublicaesdemaisdequarentaanosde trabalho.Segundooautor,ascartasderadiaosolarforamelaboradaslevando emcontaasmelhoresinformaesdisponveis,tantodopontodevistados instrumentos utilizados como do intervalo de medio. Comacrescentedemandaporenergiasrenovveis,emvirtudeda necessidade vital demelhoria da qualidade ambiental, o Brasil, por estar localizado emgrandepartenaregiointer-tropicalepossuirenormepotencialde aproveitamentodeenergiasolarduranteoanotodo,despertaparacriarsuporte tcnicoecientficoparaestamodalidadedeenergiacomreconhecidopoderde crescimento. TantoLaperuta(1996)comoRicieri(2002)fazemrefernciaquestodo custo elevado dos radimetros solares envolvidos nos mtodos de medida direto ou indiretoderadiao.Segundoeles,osaltoscustosdosmedidorestemlevadoos pesquisadoresadesenvolveremmodelosdeestimativaderadiaosolarque priorizam parmetros de fcil obteno e fornecem razoveis aproximaes. Por outro lado, Escobedo, Frisina, Ricieri e Oliveira (1997), traduzindo projeto experimentaldeconstruoderadimetrossolareseanisdesombreamento,ao fazerem comparao com similares importados, afirmam que se pode constru-los no pas com reduo de custos em torno de 80%. Os autores, ao fazerem referncia comparaodocustodoaneldesombreamentoaquiconstrudoeodaEPPLEY, afirmam:Noentanto,existemdiferenasquesobastantesignificativascomo,por exemplo, a banda` de sombreamento que custou 10 vezes menos que a banda de sombreamento da EPPLEY. 4 Considerando que os sistemas solares devem ser instalados objetivando uma maior quantidade de energia a ser captada, seus elementos captadores de radiao devemserinstaladoscomumadeterminadainclinaoemrelaoahorizontale voltadosparaoEquador.Issosignificadizerqueosdadosderadiao disponibilizadospelasInstituiesquemedemradiaosolarglobalprecisamser trabalhadosdemodoquesetenhaumaestimativadaradiaosolarincidenteem umasuperfcieinclinada.Osprocedimentosexistenteseutilizadospelosprojetistas de sistemas solares no Brasil, para estimar a radiao solar global incidente em uma superfcie inclinada, utilizam mtodos estatsticos oriundos de medies da radiao difusa incidente em outros pases. Entre os diversos mtodos, pode-se citar o de Liu eJordan(1960),Stanhill(1966),RutheChant(1976),Bannister(1966-1969)e Collares-Pereira e Rabl (1979). RosaeZilles(2002)ratificamacapitalimportnciaparaumaqualificada estimativa de energia no plano inclinado e do conhecimento de dados confiveis de radiaosolardiretaedifusanoplanohorizontal,aseremutilizadosparao dimensionamento de sistemas fotovoltaicos. Osdadosderadiaosolarglobaledifusadeveroestardisponveisjunto com outros parmetros meteorolgicos, como temperatura ambiente e velocidade do vento, os quais tambm podem afetar o comportamento de alguns tipos de sistemas de energia solar, segundo Estrada, Cajigal e Salgado (2005). Osinstrumentosutilizadosparaamediodaradiaosolarglobaledifusa que utilizam sensores do tipo termopilha apresentam um custo elevado de aquisio edemanutenoaolongodoseufuncionamento.Essesequipamentosfornecem dadosderadiaodeboaqualidade,combaixasincertezas,vistoquemedema radiao incidente em praticamente todo o seu espectro, possuem boa resposta co-senoe,alguns,possuemcircuitosdecompensaodetemperatura.Esses aparelhosapresentamresultadosestveisecomboarepetibilidadefazendocom queaWorldMeteorologicalOrganizationosconsidereminstrumentosdesegunda 5 classe. Seu custo de aquisio da ordem de U$ 2.350,00. Em funo dos custos deaquisioemanutenodessesinstrumentos,noBrasil,poucasestaes meteorolgicasrealizammediesderadiaoglobal,difusaedireta.Estas, simplesmente estimam a radiao global atravs da medida da quantidade de horas desoldiria.Comoobjetivodediminuiroscustosdemediesderadiaosolar, este trabalho prope a utilizao de instrumentos que utilizam sensores fotoeltricos osquaistemseuscustosdeaquisionaordemdeU$270,00(aproximadamente novevezesmenor)eapresentaasprincipaiscorreesaseremfeitasnosdados com eles adquiridos. Ossensoresfotoeltricossosensoresbastanteestveisenoapresentam degradao significante ao longo do seu perodo de uso. Alm disso, devido ao seu tempoderespostabastantecurto,naordemde10s,soapropriadospara aplicaesquenecessitemobservarvariaesderadiaoquaseque instantaneamente. Ospiranmetrosdotadosdesensoresfotoeltricosquandoutilizadospara medir a radiao solar global devem ter seus dados corrigidos devido a sua resposta espectral,dependnciadatemperaturaerespostaco-seno.Quandoutilizadospara medirradiaosolardifusa,utilizandoaneldesombra,seusdadosdevemser corrigidos,tambm,devidoaobloqueiodepartedaradiaodifusapeloanelde sombra. Um outro artifcio utilizado para realizar a medio de radiao solar difusa o de utilizar disco de sombreamento, o qual necessita de um seguidor do sol a fim de obstruir a radiao solar direta incidente no sensor, durante o dia. Esse seguimento dosolaolongododianecessitadeequipamentodecustodeaquisioe manutenoelevados.Issofazcomque,emmuitoscasos,opte-sepelautilizao do anel de sombra para obstruir a radiao direta. 6 Diante destas consideraes, o presente trabalho objetiva: calibrar radimetros com sensores fotoeltricos em relao a um piranmetro de segunda classe, Eppley - modelo PSP, visando, com a utilizao de sensores fotoeltricos, a obteno de dados de radiao solar; estabelecercorreesnecessriasnasmedidasderadiao global e difusa, quando realizadas com piranmetro com sensor fotoeltrico,afimdequeasmesmassejamdeboaqualidade, objetivandoumamelhorestimativadasradiaesemplanos inclinados; demonstrarviabilidadedeutilizaoderadimetrocom sensoresfotoeltricos,tendoemvistaasuaperformance,com boareduodecustosemrelaoaummedidorqueutilize sensores do tipo termopilha; produzirpesquisacommetodologiaqueobjetiveviabilizaruso deinstrumentaodebaixocusto,visandoampliaras perspectivasdolaboratriodeenergiasrenovveis,ampliando os horizontes de formao tcnica/tecnolgica no CEFET-RS. 2 REVISO DE LITERATURA 2.1 Caractersticas bsicas da Radiao Solar 2.1.1 O recurso solar Inegavelmente, o Sol a maior fonte de energia conhecida pela humanidade e, at onde se sabe, inesgotvel devido s reaes nucleares que ocorrem em seu centro.GrandepartedestaenergiacheganaTerraemformaderadiao eletromagntica, convertida em outras formas de energia como, por exemplo, calor e energia cintica da circulao atmosfrica, converso que se processa de maneira desigual, temporal e espacial. Os elementos causadores de tal desigualdade so os movimentosdaTerraemrelaoaoSoletambmemvariaesnasuperfcieda Terra.

Dal Pai (2005 apud COLSON, 1973), informa que o Sol uma esfera gasosa (Fig.1),comtemperaturade6000Knasuperfciedafotosfera,1.106 Knacoroae 1.107Kemseuinterior.Suaelevadatemperaturainteriorpromoveaconversode hidrognio em hlio, resultando na emisso de grande quantidade de energia. O sol emitecercade62.103kWm-2eapenas0,5.10-7%dessaenergiaatingeotopoda atmosfera terrestre, correspondendo a um total de 1,6.1024 kW. A Tab. 1 apresenta as principais caractersticas do Sol. Afontedeenergia,porexcelncia,naTerraaprovenientedoSol.Com exceodasenergiasgeotrmicaenuclear,orestodasfontesenergticas8 empregadaspeloserhumanotemorigemsolar.Porexemplo,oscombustveis fsseis so resultado da energia de origem solar acumulada em determinados seres vivos que com o passar do tempo reagem quimicamente formando petrleo, gs ou carbono.Naenergiaelica,oventooresultadodadiferenadepressodas massas de ar aquecidas de maneira diferente pela energia solar. Devemos sempre lembrarquetodavidasesustentagraasaoSolequeasplantasrealizama fotossnteseatravsdaenergiasolar,sendoestasosustentodorestodacadeia alimentcia.Valiati(2005)chegaaafirmarque,porinesgotvel,aenergiagerada peloSolsemsombradedvidas,umadasalternativasenergticasmais promissoras para se enfrentar os desafios do novo milnio. Tabela 1 - Principais caractersticas do Sol. Massam = 1,989 x 1030 kg Raior = 696 000 km Densidade mdia mKg31409 = Densidade central mKgC3160000 = Distncia1 UA = 1,496 x 108 kmLuminosidadeL=3,91026 watts=3,91033 ergs/s Temperatura efetivaTef = 5785 K Temperatura centralTc = 10 000 000 KMagnitude absoluta bolomtricaMbol = 4,72 Magnitude absoluta visualMV = 4,79 Tipo espectral e classe de luminosidadeG2 V ndices de corB-V=0,62 U-B=0,10 Composio qumica principal (No)Hidrognio = 91,2%, Hlio = 8,7% Oxignio = 0,078%, Carbono = 0,043%

Figura 1 - Esquema da estrutura do Sol. Fonte: OLIVEIRA, SARAIVA, 2007. Fonte: OLIVEIRA, SARAIVA, 2007. 9 2.1.2 Conceituaes e definies SegundoVarejo-Silva(2005),adenominaoderadiao,ouenergia radiante, se vincula energia que se propaga sem necessidade da presena de um meiomaterial,tambmaplicadaparadesignaroprprioprocessodetransferncia dessetipodeenergia.Aenergiaradianteorarevelaumanaturezacorpuscular (fton), ora se comporta como uma onda eletromagntica (Fig. 2), acontecendo, na escalasubatmica,deaspropriedadesondulatriaecorpuscularcoexistiremese complementarem. Sobopontodevistaondulatrio,aradiaosecaracterizapelo comprimento de onda ou longitude de onda (), ou pela freqncia de oscilao (f). O produto do comprimento de onda (distncia entre duas cristas consecutivas) pela freqncia da radiao (nmero de cristas que passa por um ponto de referncia) igual velocidade de propagao da luz no vcuo (c), segundo a expresso: f c . = (1) sendo c = 2,997925x108 m s-1 (Yavorsky e Detlaf, 1972). As unidades mais usadas para comprimento de onda so o micrometro(m) = 10-6 m e o Angstron( ) = 10-10 m. Figura 2 - Onda eletromagntica composta pelos campos eltrico e magntico. A longitude de uma onda a distncia de uma crista a outra. Fonte:The University Corporation for Atmospheric Research (UCAR), 2007. 10 PraticamentetodaatrocadeenergiaentreaTerraeorestodoUniverso ocorreporradiao.OsistemaTerra-atmosferaestconstantementeabsorvendo radiao solar e emitindo sua prpria para o espao, sendo as taxas de absoro e emissoaproximadamenteiguais(LUTGENS,TARBUCK,1989).Aradiao eletromagntica,consideradacomoumconjuntodeondaseltricasemagnticas (Fig. 2), tambm tem papel importante na transferncia de calor entre a superfcie da Terraeaatmosfera,eentrediferentescamadasdaatmosfera.Asdiversasformas deradiao,caracterizadaspelocomprimentodeonda,compemoespectro eletromagntico (Fig. 3). Aenergiaradiantedosol,concentradanapartevisveldoespectroou prxima,sedistribui,emrelaoaototal,com43%deluzvisvel,49%de infravermelho prximo e 7% de ultravioleta. Quando tal energia absorvida por um corpo,resultanumaumentodoseumovimentomolecularedesuatemperatura (LUTGENS,TARBUCK, 1989). Aseguir,emfunodanecessidadedesubstanciarosraciocnioscom entendimentosclaroseprecisos,apresentam-seoutrasdefiniesealguns conceitos pertinentes ao estudo ora empreendido. Figura 3 - Espectro Eletromagntico das radiaes conhecidas, organizadas de acordo com o comprimento de onda. Fonte: GRIMM, 1999. 11 AI =2.1.2.1 Fluxo Radiante ou Poder Radiante ( ) OFluxoRadianteamedidadataxadevariaodaquantidadedeenergia radiante (Q) emitida, transferida ou recebida por unidade de tempo (t).

dtdQ= (2) NoSistemaInternacionaldeunidadesaunidadeusadaparaofluxoradianteo Watt, para a energia radiante, o Joule e para o tempo, segundo. Quandoofluxoradiantevarivelduranteointervalodetempot1at2,a energia radiante integrada dada por (3) 2.1.2.2 Densidade de Fluxo de Radiao ou Irradincia ( I ) A densidade de fluxo de radiao uma grandeza que representa o fluxo de radiaointegradoparatodooespectro,ouseja,aquantidadedeenergiaradiante quepassaatravsdeumcertoplano,naunidadedetempoederea,compreendendo as radiaes provenientes de todas as direes. Ou, simplesmente, comoataxanaqualaenergiaradianteincideemumasuperfcie,porunidadede rea (4) No Sistema Internacional, a unidade de Irradincia Wm-2. 2.1.2.3 ngulo Slido ( ) nguloslidosimplesmenteumageneralizao,paratrsdimenses,do ngulo plano. Assim o ngulo slido um ngulo cnico, subentendido por uma ( ) =21ttdt t Q12 rea superficial S, com relao a um ponto O, e representa a parte do espao que delimitada pelas retas que conectam todos os pontos do contorno da superfcie de S com o ponto O, constituindo um cone. Ele obtido pela razo entre a parte da rea de uma esfera (com centro em O), representada por A, que interceptada por esse cone, e o quadrado de seu raio. Tem como unidade de medida o esferorradiano (sr) e obtido por

rA2= (5) 2.1.2.4 Radincia ataxadeenergiaporunidadedereaeporunidadedenguloslido normal a esta rea. A unidade de radincia Wm-2sr-1. 2.1.2.5 Irradiao aenergiaincidenteporunidadederea,numasuperfcie,obtidopor integraodairradinciaemumtempoespecificado(geralmenteumahoraouum dia). A unidade de irradiao Whm-2 ou Jm-2. 2.1.3 Interao entre a Radiao Solar e a Atmosfera Terrestre medidaquearadiaoatravessaaatmosferaterrestresofreatenuao pelosprocessosdeabsoro,reflexoerefrao.Taisprocessosseverificam quando os raios de luz colidem com as nuvens ou com o vapor dgua existente na atmosfera.Aradiaoquechegasuperfcieterrestrepodeserclassificadacomo direta e difusa. DeacordocomVarejo-Silva(2005),asradiaesdiretaedifusaso componentesderadiaoresultantedasomadasduas,denominadaderadiao global. 13 2.1.3.1 Radiao Direta Pode-sedizerqueadistribuioespectraldaradiaosolarincidente,na camadasuperiordaatmosfera,comparvelquelaemitidaporumcorponegroa aproximadamente6000K,comomostradonaFig.12napgina24.Adiferena verificadaentreascurvas,naregiodoultravioleta,temcomocausaprincipalas transieseletrnicasocorridasnacamadadegasesdoSol.Natravessiada radiaopelaatmosfera,vriosprocessos,quemudamsuadistribuioespectral, soobservados.Asmaisimportantesabsoressodevidasaovapordgua,no infravermelho,eaooznio,noultravioleta.Oespalhamentodaradiao, notadamentenasondascurtas,responsvelpelodecrscimonasregiesdo visvel e o UV prximo. Porm, grande parte da radiao solar transmitida diretamente e alcana a superfcieterrestreemfeixesaproximadamenteparalelos,comosecomprova olhandodiretamenteparaoSol,sendoesteprocessoregidopelaleideBouguer-Lambert.Portanto,aradiaodiretaaquelaqueserecebenasuperfcieterrestre sem ter sofrido nenhum dos processos antes mencionado ao passar pela atmosfera. Mede-searadiaosolardiretapormeiodeinstrumentosdenominadosde Pirelimetros,cujassuperfciesreceptorassodispostasnormalmenteaosraios solares incidentes. 2.1.3.2 Radiao difusa Aenergiaconstituintedaradiaodifusadocuoresultadodo espalhamento dos raios solares incidentes em algum tipo de partcula, suspensa na atmosfera.Dosdoistiposdeespalhamentosmaisgerais,umdelesaquele produzido por partculas de tamanho muito pequeno, comparado ao comprimento de onda ( Rayleigh ) e o outro, aquele produzido por partculas de tamanho comparvel ou maior que o comprimento de onda ( Mie ).Asmolculasgasosasdoar,principalmenteoxignioenitrognio,soos maiores espalhadores de Rayleigh e dominam a forma de espalhamento nos casos deatmosferasclaraselivresdeturbidncia.Paraasatmosferastrbidas,as 14 partculasdeaerossisespalhamfortementeeoespalhamentodeMiechegaser to importante quanto o de Rayleigh em comprimentos de onda no azul e no UV. No visvellongnquoeinfra-vermelho,oprocessodeespalhamentoematmosferas trbidas est dominado pelo espalhamento de Mie e para as atmosferas fortemente contaminadasounubladas,oespalhamentodeMieodominanteemtodosos comprimentos de ondas.Diz-sequeradiaodifusaaradiaosolarrecebidadoSolapssua direotersidoalteradadevidodispersopelaatmosfera,ou,ainda,quea radiaodifusaaqueserecebedepoisdetermudadosuadireopelos processos de refrao e reflexo que ocorrem na atmosfera. 2.1.3.3 Radiao global ou total Define-seradiaosolarglobalcomosendoaquelarecebidadeumngulo slidode2 esferorradianossobreumasuperfciehorizontal.Elaincluiarecebida diretamentedonguloslidododiscosolarearadiaodifusadispersadaao atravessaraatmosfera,representandoasomadaradiaodiretacomaradiao difusarecebidaporumasuperfcie.Suamedidafornecidapeloinstrumento denominado de Piranmetro. 2.2 Geometria Sol-Terra Na Fig. 4 esto explicitados os dimetros da Terra e do Sol e a distncia entre ambos. Figura 4 - Relao entre as dimenses do Sol e da Terra. Fonte: OLIVEIRA e SARAIVA, 2004 (adaptado). 15 b a NaFig.5dadaidiadogirodaTerraaoredordoSol,descrevendouma rbita elptica. 2.2.1 Excentricidade da rbita da Terra OplanoquecontmestarbitachamadoeclpticaeotempoqueaTerra levaparapercorr-laumano.Aexcentricidadedestarbitatalqueadistncia entreoSoleaTerravaria1,7%.Talexcentricidadearazoentreadistnciade umdosfocosaocentrodaelipse(b)eocomprimentodametadedoeixo maior ( a ) (Fig. 6). Figura 6 - Elementos da excentricidade da elipse. Figura 5 - Quatro posies da Terra no giro ao redor do Sol. Fonte: MAGNOLI e SCALZARETTO, 1998. Fonte: OLIVEIRA e SARAIVA, 2004 (adaptado). 16 Com um erro mximo de 0,0001, Spencer desenvolveu uma expresso para o fator de correo da excentricidade da rbita da Terra (E0). Esta excentricidade pode ser calculada da seguinte maneira: + + + + = n2 0,000077se s2 0,000719co 0,00128sen s 0,034221co 1,00011 Eo(6) ondeEochamadofatordecorreodaexcentricidadedarbitaterrestre.Nesta equao, , em radianos, chamado ngulo do dia e representado por: 1)/365d( 2j = (7) ondedj onmerododiadoanonocalendrioJuliano,variandode1(1de janeiro)at365(31dedezembro).Outraequaomaissimples,desenvolvidapor Duffie e Beckman, dada da seguinte maneira: ( ) | | /365 dj 2 0,033cos 1Eo + =(8) e que pode ser utilizada na maioria das aplicaes de engenharia. AdistnciamdiaentreoSoleaTerradeaproximadamentedeuma unidade astronmica (UA). Uma UA igual a 1,496x108 Km e o Sol subentende um ngulo de 32 (Fig. 4, pg. 14). ATerra,porsuavez,giraaoredordeumeixocentral,chamadoeixopolar, completando uma volta por dia (sucesso dia-noite). Este eixo de rotao forma com oplanodaeclpticaumnguloconstanteeiguala23,45,conformepodeser observado na Fig. 7. 17 2.2.2 Declinao Solar Considerando a seo 2.2.1 e de acordo com a Fig. 8, o ngulo formado entre oplanoequatorialealinhaqueuneoscentrosdaTerraedoSolmuda continuamente(sucessodasestaesdoano).Estenguloconhecidocomo declinaosolar, ,epodeserestimadopelaequaodeSpencer,comumerro inferior a 3': + + + = 3 0,00148sen s3 0,002697co n2 0,000907ses2 0,006758co n 0.070257se s 0,399912co 0,006918 (9) sendo dadoemradianos.Paraobter emgraus(),osegundomembroda equao (9) deve sermultiplicado por 180 . Este ngulo vale zeronos equincios vernal e outonal e tem valor de aproximadamente +23 27(+23,45) no solstcio de vero e -23 27(-23,45) no solstcio de inverno. Duranteumdia(24h)avariaomximadadeclinao(queacontecenos equincios)menorque0,5podendo-seconsiderar,portanto,comoconstanteao longo do dia. Figura 7 - Movimento da Terra ao redor de seu eixo. Fonte: Guia Didctico de Energia Solar Conceitos Gerais de Heliotecnia, cap. 2, 2005 (adaptado). 18 Esta expresso, da mesma forma que a equao (6), pg. 16, leva em conta que a velocidade angular da Terra no seu passo sobre a eclptica , de acordo com aleideKepler,varivel.Isto,osplanetaspercorremreasiguaisemtempos iguais. Para a maioria das aplicaes de engenharia, a aproximao de que a Terra giraaoredordoSolnumarbitacircularecomvelocidadeconstantesuficiente. Desta forma, a declinao solar pode ser determinada pela equao (10), raciocnio semelhante produziu a equao (8): ( ) graus em 284 dj36536023,45sen ,((

+ = (10) 2.2.3 Tempo Solar Verdadeiro O tempo solar verdadeiro (TSV) baseadona rotao da Terra em torno de seueixopolaredesuarevoluoemtornodoSol.Odiasolarointervalode tempo(nonecessariamente24h)quandooSolcompletaumciclocompletoao redordeumobservadorestacionadonaTerra.OTSV,tambmchamadodehora solar,otempobaseadonomovimentoangularaparentedoSol,atravsdocu, sendo meio dia a hora em que o Sol passa pelo meridiano do observador. Figura 8 - Esfera celeste mostrando o caminho aparente do Sol e o ngulo de declinao solar. Fonte: Iqbal, M. An introduction to solar radiation, Academic Press, 1983. 19 OtemposolarestrelacionadoatodasasrelaesangularesdoSol,no coincidindocomotempolocalmedidopelorelgio,sendo,portanto,necessrio converter o tempo local padro ao tempo solar, aplicando duas correes: (1a)humacorreoconstanteparaadiferenadalongitudeentreo meridianodoobservadoreomeridianonoqualotempolocalpadrobaseado, considerando que o Sol gasta quatro minutos para atravessar 1 de longitude. (2a)asegundacorreochamadaequaodotempo,quelevaem conta as perturbaes na taxa de rotao da Terra, que afeta o tempo que o Sol leva para atravessar o meridiano do observador. A hora solar se relaciona com a hora oficial, atravs da seguinte relao: ( )t loc stE L L 4 TO TSV + + = (11) na qual TO a horaoficial, Lst a longitude padro, Lloc a longitude locale Et a equaodotempo.Deveserconsideradoqueacorreopositivasea longitude local est leste da longitude padro e negativa se est oeste. Para calcular a equao do tempo (Et) usa-se a expresso: 229,18 ) 2 0,04089sens2 0,014615co n 0,032077se s 0,001868co (0,000075 Et + =(12) Na expresso (12), o termo entre parntese representa a equao do tempo e o termo multiplicador da direita, a converso para minutos. 2.2.4 Posio do Sol em relao a superfcies horizontais

OsSistemasdeCoordenadasCelestessodiscutidosporpropiciarema identificao da posio do Sol em relao Terra, em qualquer momento, a fim de 20 quesepossaanalisarasconseqnciasdomovimentodetranslaodaTerraem torno do Sol. O conceito de esfera celeste: uma esfera de dimetro to grande quanto se queira imaginar, na superfcie daqualtodososastros(Sol,Lua,estrelas...)estariamlocalizados,ecujo centrocoincidecomocentrodaTerra.Ospontoseplanosusadospara definirascoordenadascelestessoobtidosprolongando-seoseixoseos planos(paralelosemeridianos)terrestresatinterceptaremaesfera celeste. Obtm-se, desta maneira, os plos celestes Norte e Sul, bem como os meridianos e os paralelos celestes (VIANELLO, ALVES, 2000). AFig.8apresentaosprincipaiselementosdarepresentaoclssicada esfera celeste. A interseco desta esfera com o plano do equador terrestre define o equador celeste. Neste entendimento, o movimento da Terra ao redor do Sol pode ser descrito como o movimento aparente do Sol ao redor da Terra seguindo o maior crculo que formaumngulode23,45ocomoequadorceleste(aeclptica).Logo,oSol descrevediariamenteaoredordaTerraumcrculocujodimetrovariadiaadia, sendo mximo nos equincios e mnimos nos solstcios, de acordo com a Fig. 9. Algumas relaes geomtricas entre a posio solar no cu e as coordenadas terrestressonecessrias,objetivandocalculararadiaosolarqueatingeuma superfcie horizontal na Terra. A Fig. 10 ser usada como referncia. Figura 9 - Caminhos aparentes do Sol atravs do cu. PHL o Planodo Horizonte Local. Fonte: Guia Didctico de Energia Solar Conceitos Gerais de Heliotecnia,cap. 2, 2005 (adaptado). 21 So chamados de znite e nadir os dois pontos em que a vertical (normal) de um lugar (observador) na Terra, intersecta a esfera celeste.Entende-seporlatitudegeogrfica( )onguloentreavertical,referida anteriormente,eoplanodoequadorceleste,sendonegativaaosulepositivaao norte deste plano. Aocrculomximonaesferacelestecujoplanopassaatravsdocentroda Terra,normalaumalinhaunindoocentrodaTerraeoznite,d-seonomede horizonte do observador. O ngulo de znite, referido como Z a partir de agora, o ngulo entre o znite local e a linha que une o observador e o Sol. A altitude solar, , (tambm chamada elevao solar) a altura angular do Sol acima do horizonte celestedoobservador.Estengulonadamaisqueocomplementodongulode znite. Ongulodeazimutesolar,S,ongulo(noznitelocal)entreoplanodo meridiano do observador e o plano do crculo mximo que passa atravs do znite e oSol.Estengulopositivoaoesteenegativoaleste(suligualazero),variando assim entre 0o e 180o. Figura 10 - Esfera celeste e coordenadas do Sol relativas a um observador na Terra, no ponto 0. Fonte: Iqbal, M., An introduction to solar radiation, Academic Press, 1983. 22 O ngulo horrio,, o ngulo (medido no plo celeste) entre o meridiano do observadoreomeridianodoSol,valendo0aomeio-dia(TSV)edesdea,muda 15 por hora. Para uma dada posio geogrfica e na ausncia de uma atmosfera refrativa, as relaes geomtricas entre o Sol e uma superfcie horizontal so as seguintes: sen cos cos cos sen sen cosz= + =(13) ( ) cos cos sen sen sen cos / =s(14) onde Zongulodeznite,emgraus;aaltitudesolar( =90-Z);o ngulo horrio, meio-dia igual a zero e manhs negativo;S o ngulo de azimute solar, sul zero e leste negativo e a declinao solar, positiva ao norte, em graus. Estes ngulos podem ser visualizados de uma forma mais simples na Fig. 11. Para encontrar s, o ngulo de nascimento do Sol, basta resolver a equao (13) para z =0. Desta maneira: = cos cos /sen sen coss (15a) ( ) = tan tan cos as(15b) ZSFigura 11 - Definio dos ngulos de znite e azimute. Fonte: Guia Didctico de Energia Solar Conceitos Gerais deHeliotecnia, cap. 2, 2005 (adaptado). 23 2.3 Constante Solar e sua distribuio espectral 2.3.1 Constante Solar DeacordocomVianelloeAlves(2000),aconstantesolardefinidacomoa irradinciasobreumasuperfcienormalaosraiossolares,distnciamdiaTerra-Sol.Ouseja,podeserentendidacomoataxadaenergiasolartotal,emtodosos comprimentosdeonda,incidenteemumareaunitriaemexposionormalaos raiosdoSol,aumadistnciade1UA(distnciamdiaTerra-Sol).AOrganizao MeteorolgicaMundialrecomendaovalorobtidodamdiadeoitomedidasda constante solar, realizada entre 1969 e 1980. Este valor : Isc = 1367 Wm-2ou Isc = 4921 kJm-2h-1 com um desvio padro de 1,7 Wm-2 e um desvio mximo de 7 Wm-2. 2.3.2 Distribuio espectral da Irradincia Solar Extraterrestre Umintervalodecomprimentodeondadesde0,2at25mcobertopelo espectrodaRadiaoSolarExtraterrestre.Sabe-sequeaintensidadedaradiao variacomocomprimentodeonda,devidoprincipalmentesdiferenasde temperaturadecadaregiodoSol.Aestarelaofuncionalentreintensidadee comprimentodeondad-seonomededistribuioespectral.AFig.12mostrao espectro solar extraterrestre no intervalo de comprimento de onda de 0,2 a 2,3 m. Percebe-se que a distribuio espectral muito prxima a do espectro de um corpo negroa5900K,quetambmestrepresentadonafiguracitadanestepargrafo. Peloobservado,aproximadamente95%daenergiadoSolestdentrodointervalo 0,3 a 2,4 m, 1,2% no intervalo2,4 m.

24 Figura 12 - Distribuio espectral da radiao extraterrestre AMO e distribuio espectral de um corpo negro a 5900K. Fonte: OLIVEIRA, 1997.

2.3.3 Irradiao solar extraterrestre em superfcies horizontais 2.3.3.1 Radiao horria Segundo Vianello e Alves (2000), a latitude e o tempo so os dois fatores com os quais varia a radiao solar incidente no topo da atmosfera.Airradiaosolarextraterrestrehorria, 0I ,sobreumasuperfciehorizontal, no topo da atmosfera dada por: Z 0 sc 0cos E I I = (16) Onde scI a constante solar,0E o fator de correo da excentricidade da rbita terrestreeafuno + = cos cos cos sen sen cosZintroduzidapelo raciocnio da Lei de Lambert , sendoZ o ngulo zenital. Para um curto perodo de tempodt,airradiao 0dI serdadapor: )dt cos cos cos sen (sen E I dI0 sc 0 + = ,quecomasdevidasconversese substituies,seconverteem + = )d cos cos cos sen (sen E I12dI0 sc 0, obtendo-searadiaoparaoperododeumahora.Integrando-se,obtm-sea equao (17): 25 ] + = sen )sen ( ) sen (sen cos [cos E I12I1 2 1 2 0 sc 0 (17) ondeosnguloshorrios 1e 2definemahora,sodadosemradianos,sendo 2 1< . Muitas vezes faz-se necessrio o clculo da radiao extraterrestre em uma superfciehorizontal,paraumperododetempoqualquer,quenosejaumdiaou uma hora. Nesse caso 1 e 2 devem ser definidos para esse perodo de tempo. 2.3.3.2 Radiao diria SegundoIqbal(1983)airradiaosolarextraterrestrediria,Ho,emuma superfciehorizontal,desdeonascer-do-Sol(ns)atopr-do-Sol(ps),calculada pela expresso: =pndt I Hss0 0(18) Considerando E0 econstantes ao longo do dia e convertendo dtem ngulo horrio, obtm-se: ] cos ) 180 ( [sen cos cos E I24Hs s s 0 sc 0 =(19) 2.3.4 ndice de claridade ( Kt) OndicedeclaridadeKt umindicadordascondiesdetransmissoatmosfrica.Por exemplo,emumdiacompletamentenubladoosvaloresde Kt tendem a zero, e em um dia completamente claro os valores de Kt tendem a um. O ndice de claridade definido por Colliber (1991): IIKot= (20a) 26 onde I a irradiao solar global horria e I0 a irradiao solar global extraterrestre horria,ambasemumplanohorizontal.PodemosobterKtparadiferentesescalas detempo:horria,diriaoumensal.Paravaloresdirios,oKtpodeserdefinido como: HHKot= (20b) ondeHairradiaosolarglobaldiriaeH0airradiaosolarglobal extraterrestre diria, no plano horizontal. 2.3.5 Massa de ar ( AM ) Oliveira(1997)definemassadear,AM,comosendoocaminhopercorrido pelaradiaosolardesdesuaincidncianaatmosferaatatingirasuperfcie terrestre.Ignorando-seacurvaturadaterraeassumindo-seumaatmosferano-refrativaecompletamentehomognea,amassadearrelativa,aplicadaparatodos os constituintes da atmosfera, dada por:

=Z rsecAM (21) O erro nesta equao, devido curvatura da terra e a refrao da atmosfera real, 0,25% para 60oZ= e aumenta para10% para 85oZ=. Baseadoemumaatmosferapadro,KasteneYoung(1989)apresentaram uma tabela de massas de ar e a seguinte equao: ( ) | |11,6364z z rK96,07995 0,50572 cos AM + =(22) com Zdadoemgraus.Estafrmulatemumaexatidosuperiora0,1%para ngulosdeznitemenoresque86oeumerromximode1,25%paraz=89,5o.A equaoacimaaplicvelparaumapressode1013,25mbaresnonveldomar. Os valores de massa de ar para alguns ngulos de znite so dados na Tab. 2 e na Fig. 13. 27 Tabela 2 - Valores de massa de ar. Massa de ar tica Z,graus=Z rsecAM AMrK(Kasten) 01,001,00 301,151,15 602,001,99 652,372,35 702,922,90 753,863,81 805,765,58 8511,4710,32 8614,3412,34 8719,1115,22 8828,6519,54 8957,3026,31 9036,51

2.4 Medida da Radiao Solar 2.4.1 Introduo Avalia-sequeosfluxosderadiaoqueasuperfciedaTerrarecebeou emite, atuam decisivamente no balano trmico do Globo Terrestre. Quando, a partir Figura 13 - Massa de ar que um feixe de radiao atravessa ao incidir na superfcie terrestre com um ngulo Z. Fonte: KASTEN e YOUNG, 1989. Fonte: OLIVEIRA, 1997. 28 demtodocientficoobtm-sesriesregularesebemdistribudasderegistrosdas componentesderadiaosolareterrestre,substanciam-seascondies necessriasparaautilizaodetaismedidasemprojetosquesatisfazemmuitas necessidadeshumanas.Taisprojetospodemcontemplar,dentreoutras,atividades em: biologia, medicina, arquitetura, meteorologia, indstria.

Obter-se medidas confiveis de radiao, significa habilitar-se a analisar, por exemplo, as propriedades e distribuio dos elementos que constituem a atmosfera, comoosaerossis,ovapordgua,ooznio,topresentesnadiscussodo aquecimento global. OenfoqueaserdadoemrelaoaoitemMedidadeRadiaoSolar,no tocanteadefinies,instalaodeinstrumentos(comasobservaesrelativasa calibraeseprecisesdosdadosmedidos),tabelas,sebaseianoGuiade InstrumentosyMtodosdeObservacionMeteorolgicos(GIMOM),daWorldMeteorological Organization (WMO), WMO 1990. Tambm sero realizadas muitas citaesaoAtlasSolarimtricodoBrasilbancodedadosterrestre,publicadoem 2000, o qual nesta dissertao denomina-se, genericamente por Atlas, 2000. 2.4.1.1 Grandezas Meteorolgicas da Radiao Usa-se classificar tais grandezas, segundo suas origens, em: a)Radiaosolar :aradiaoeletromagnticaprocedentedoSol,chamadade Extraterrestrequandoincidententenolimitedaatmosfera,tambmdenominadade radiao de onda curta, tendo 97% de seus comprimentos de onda entre 0,29 m e 3m.PartedaradiaosolarExtraterrestrepenetranaatmosferaechega superfcie,enquantoquepartedelasedispersae/ouabsorvidapelasmolculas gasosas, as partculas de aerossis e as gotas e cristais de nuvens. A luz tem 99% deseucomprimentodeondaentre0,40me0,73m;oultravioletapossui comprimentodeondamenordoque0,40m,enquantoqueoinfravermelhotem comprimento de onda superior a 0,73 m. 29 b) Radiao terrestre : a radiao de onda longa emitida pela superfcie da Terra e pelosgases,osaerossiseasnuvensdaatmosfera.Em300K,99,9%dessa radiao tem comprimento de onda superior a 3,00 m, sendo 99% superior a 5 m. Usa-seaterminologiaadotadapelaComissodeRadiaodaAIMFAem 1977easunidadesdoSistemaInternacional(SI),havendoaadoo,paraas variveis meteorolgicas da radiao, das seguintes unidades: -Paragrandezastotais(integradassobreointervalocompletode comprimento de onda):(a) Watts por metro quadrado ( W.m-2) para Irradincia; (b) Joules por metro quadrado (J.m-2), para exposio radiante. -Para grandezas espectrais: (a) Watts por metro quadrado por nanmetro (W.m-2.nm-1), paraIrradincia espectral; (b) Joules por metro quadrado por nanmetro (J.m-2.nm-1), paraExposio radiante. Emprega-se, por recomendao do SI, os mltiplos e submltiplos (potncias de 103) de cada uma das unidades(...G, M, k, m, , n...). 2.4.1.2 Normalizao OAnexo9CdoWMOn.8(1990),trazasindicaesdoscritriosde calibraodosinstrumentosradiomtricos,cujaresponsabilidaderecainosCentros Radiomtricos Nacionais, Regionais e Mundiais. Na Amrica do Sul existe um centro regional, localizado na Argentina. Os radimetros, a serem utilizados na obteno dos dados de radiao solar globaledifusa(recentementeadquiridoseaindasemuso),esto,segundoos fabricantes,calibradosdeacordocomarefernciabsica,oGrupoMundialde NormalizaodeInstrumentos(WSG),queseutilizaparaverificaraReferncia Radiomtrica Mundial (WRR). 30 2.4.2 Instrumentos de medida da Radiao Solar 2.4.2.1 Introduo Usa-seclassificarosinstrumentosmeteorolgicosdemedidaderadiao solardeacordocomoscritriosempregados:otipodevarivelquesepretende medir, o campo de viso, a resposta espectral, o emprego principal a que se destina.A Tab. 3 apresenta uma classificao dos piranmetros baseada nas caractersticas dos mesmos. Tendoemvistaascaractersticasdestetrabalho,quesepropeaobter dadosderadiaosolarglobaledifusa,objetivar-se-pequenadiscussodos instrumentosquemedemestasradiaes,contemplando-se,tambm,algumas menes aos sensores, por eles utilizados, a fim de que se possa avaliar a relao Custo/qualidade de dados. Taisinstrumentos so classificadoscomo Piranmetros. Despreza-se,noestudo,aradiaorefletidanosoloadjacente,denominadade albedo, visto que se trabalhou com planos na horizontal. Tabela 3 - Classes dos piranmetros com as principais caractersticas. Caracterstica Pado secundrio Primeira classe Segunda classe Resoluo (variao mnima detectvel em Wm-2)1510 Estabilidade (tanto por cento de totalidade de escala, variao/ano)125 Resposta co-senoidal (tantos por cento de desvio em relao ao ideal para uma altura solar de 10 em um dia desanuviado) < 3< 7< 15 Respostaazimutal(tantoporcentodedesviodamedidaparauma altura solar de 10 em um dia desanuviado) < 3< 5< 10 Respostadetemperatura(tantoporcentodeerromximodevidoa variao da temperatura ambiente dentro do intervalo de operao) 125 No linearidade (tanto por cento de totalidade de escala)0,525 Sensibilidadeespectral(tantoporcentodedesviodaabsortncia mdia 0,3 a 3 m 2510 Tempo de resposta (resposta de 99%)< 25s< 1min.< 4 min. Fonte: Guia da OMM, n0 8, 1990. 31 Apesardoexposto,torna-senecessriolembrarquearadiaodireta somada com a radiao difusa do como resultado o valor da radiao global. Logo, sepodeobtervaloresderadiaodiretaapartirdevaloresmedidosderadiao global e de radiao difusa, ou atravs de instrumento que fornea valores medidos deradiaodiretanormal.TaisinstrumentossodenominadosPirelimetros, existindo os que so considerados padro (primrio e secundrio) e os de primeira e segunda classes. So instrumentos de alta preciso ( de 0,1% a , 2,0%). Usa-se, habitualmente, piranmetros cujo elemento de captao da radiao, osensor,umatermopilha,quemedeadiferenadetemperaturaentreduas superfcies,normalmentepintadasdepretoebranco,eigualmenteiluminadas.A vantagemprincipaldetalsensorasuarespostauniformeemrelaoao comprimento de onda (Atlas Solarimtrico do Brasil,2000). So tambm muito usados, para medies piranomtricas, instrumentos com sensores de fotoclulas de silcio monocromtico. Seus custos so de 10 a 20% dos custosdosinstrumentosqueusamtermopilhas.Amaiorlimitaoano uniformidadedarespostaespectralearegiorelativamentelimitadade comprimento de onda (0,40 m a 1,1 m com mximo em torno dos 0,90 m), a qual a fotoclula sensvel (Atlas Solarimtrico do Brasil, 2000). 2.4.2.2 Tipos de Piranmetros Discute-seaseguir,asprincipaiscaractersticasdosdoismodelosde piranmetros que interessam ao presente trabalho. a) Piranmetro Fotovoltaico Trabalhos,comgrandeconsistnciacientfica,deMichalsky,Harrison, Lebaron(1987)apostamqueestetipodeinstrumento(deprimeiraesegunda classe)apresentaboascondiesdeutilizao,tantopelodesempenho apresentado,comopelobaixocusto.Oseuelementosensorumaclula fotoeltrica,normalmentedesilciomonocristalino,quetemapropriedadede produzir uma corrente eltrica quando iluminada, sendo que quando atinge o curto- 32 circuito, esta corrente proporcional intensidade da radiao incidente. Seu uso recomendadoparaintegraisdiriasderadiaosolarglobalsobreumplano horizontalouparaverificarpequenasflutuaesdaradiao,emfunodesua grandesensibilidadeerespostaquaseinstantnea,cercade10s.Avalia-seque, paravaloresdirios,podeapresentarumerrodemaisoumenos3%,pormcom algunsprocedimentosdecorreo,pode-seconseguirerrosmenoresdoque1% (Atlas Solarimtrico do Brasil, 2000). b) Limitaes dos sensores fotoeltricos na medio de radiao solar global e difusa Ossensoresfotoeltricostmsuaeficinciaafetada,basicamente,como expostoporArajo(1985),pordoisfatores:seletividadedeabsorodaclulae procedimentosdefabricao.Aseletividadedessessensoresfazcomquenem todososftonsqueincidemnomaterialsemicondutorsejamaproveitadospara gerarempareseltrons-lacunas.Algunsftonsqueincidemnomaterial semicondutorpossuemenergiamenorqueadogap(lacunas)domaterial,no gerandopareseltrons-lacunas.Outrospossuemenergiamuitomaiorepodem passarpelomaterialsemseremabsorvidos.Casosejamabsorvidos,suaenergia, mesmo maior que a do gap do material, s pode gerar um par eltron-lacuna, isto , tem o mesmo efeito se sua energia fosse igual a do gap. Alm disso, nem todos os paresdeeltrons-lacunassoaproveitadospoisosmesmospodemser recombinados rapidamente, sem contribuir com o efeito fotovoltaico. Devido a estes fatos,ossensoresfotoeltricosconstitudosporsilciosomentesosensveisa radiaescomcomprimentosdeondacorrespondentesaluzvisveleao infravermelho perto do visvel. A no coincidncia dos mximos de energia para cada comprimento de onda do espectro solar e o da resposta espectral do sensor fotoeltrico faz com que nem toda a energia solar seja captada pelo sensor. Umoutrofatorquecontribuiparaoaumentodaincertezadamedidade radiaosolarasensibilidadedosensor.Suaabsoroderadiaovariacomo 33 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Comprimento de Onda (m)020040060080010001200Irradincia Espectral Solar Global (W . m -2 . m)0.00.20.40.60.81.01.2Resposta RelativaCurva 1 - Resposta espectral da clulaCurva 2 - Espectro solar (AM1,5 G)ngulodeincidnciaeparasensoresfotoeltricosdotadosdesilcio,essa sensibilidadecaibruscamenteparangulosdeincidnciaaltos,noobedecendo leidosco-senos.Essadependnciaangulardeabsorodossensoreschamada derespostaco-senoetemseuefeitominimizadonospiranmetrosatravsda utilizao de um elemento plstico difusor colocado sobre o sensor. Dessa forma, a absoro permanece praticamente constante at ngulos de incidncia na ordem de 70.Parangulosmaioresque70 a absortncia tem um aumento considervel e aps,diminuirapidamenteparangulosdeincidnciaprximosde90. Favoravelmente a utilizao de piranmetros que utilizam sensores fotoeltricos com difusores, suas respostas co-senos no obedecem perfeitamente lei dos co-senos quandosetemumabaixaelevaosolar,momentosessesdebaixosvaloresde radiaosolardiretademodoque,paraperodosdeintegraodirioderadiao, esse desvio da resposta co-seno ideal pode ser desprezado. Arespostaespectraldeumsensorfotoeltricodesilciomostradana Fig.14,variandomuitopoucoparadiferentesfabricantes.Acorreodaresposta co-seno do piranmetro da Licor, modelo LI-200SA, apresentada na Fig. 15. Figura 14 - Resposta espectral do silcio. Fonte: Li-Cor Terrestrial Radiation Sensor, Instruction Manual, 2005. 34 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90ngulo de incidncia60708090100110Correo da resposta co-seno (%) c) Piranmetro Termoeltrico Nesteinstrumento,oquedformaaoquesedenominapilhatermoeltrica soparestermoeltricos(termopares)ligadosemsrie.Estesgeramumatenso eltricaproporcionaldiferenadetemperaturaentresuasjuntas,asquaisse encontramemcontatotrmicocomplacasmetlicasqueseaquecemdeforma distinta,quandoiluminadas.Acitadadiferenadepotencialmedidanasadado instrumento,podeserrelacionadacomonvelderadiaoincidente.So radimetrosqueapresentamboapreciso,nafaixade2%a5%,podendoser usadosparamedirradiaoemescaladiria,horriaoumenor,comdependncia doequipamentodeaquisiodedadosassociado(AtlasSolarimtricodoBrasil, 2000). 2.4.2.3 Utilizao do Piranmetro na medio de radiao difusa

Pode-semediraradiaosolardifusadeduasmaneiras:(1)mede-sea radiaodifusacomainterceptaodaradiaosolardireta;(2)mede-se simultaneamenteasradiaesglobalediretaeobtm-searadiaodifusapor diferena.Aprimeiraalternativapodeserdesdobradaemduas:interceptando-sea radiaodiretasobreosensorcomumpequenodiscoouinterceptando-sea radiaodiretacomumanelmetlicodesombreamento.Asegundautilizao Figura 15 - Resposta co-seno do piranmetro da Licor, modelo LI-200SA. Fonte: Li-Cor Terrestrial Radiation Sensor, Instruction Manual, 2005. 35 piranmetroparamediraradiaoglobaleumpirelimetrocomrastreadorsolar para medir a radiao direta. Os mtodos que utilizam sistema de acompanhamento doSolsoconsideradosmaisprecisos,pormporrazeseconmicasnosoos maisutilizados.Porseraalternativamaiseconmica,ousodoanelde sombreamentovemsendoamaisusada(ESCOBEDO,FRISINA,RICIERI, OLIVEIRA, 1997). 3 MATERIAL E MTODOS 3.1 Base fsica, coleta e armazenamento de dados Os instrumentos de medio de radiao solar global, difusa e o de medio detemperatura,foraminstaladossobrebasesmetlicasmostradasnasfotos1 1 As fotos das Figuras 16a, 16b, 17a, 17b, 18a, 18b, 19, 20, 21, 22 e 23 fazem parte dos arquivos do autor da dissertao. das Figuras 16a e 16b, estando uma delas sem anel de sombreamento e as outras duas, quandonecessrio,equipadascomoreferidoanel.Asbasesmetlicasesto distribudasespacialmenteemPlataformaRadiomtrica,instaladasobreatorrede caixa dgua do CEFET-RS, localizado no centro da cidade de Pelotas (31o5232S, 52o2111W, 19m).O Apndice 1 mostra a localizao da Plataforma Radiomtrica e as principais vistas das Bases Metlicas instaladas.Duasdasbasesmetlicas(Fig.16a),cujasconstruesforaminspiradasno modelo Drummond (1956), so dotadas de: regulagem da latitude na juno entre o aneleabase,calhasdedeslizamentodoanelquefacilitamoencobrimentodo sensor,regulagemdaalturadopiranmetroeregulagemfinaparaaorientao norte-sul geogrfica (Fig. 17a e 17b). O Apndice 2 mostra a idia original e alguns destaquesdohistricodaconstruodasbasesmetlicas.Naexecuodas medies,comestamontagem,opiranmetromantm-sefixoeoanelde sombreamento translada paralelamente ao eixo polar para compensar as variaes da declinao solar (DAL PAI, 2005). A Fig. 16b mostra a base construda sob inspirao do modelo de Robinson e Stoch, na qual o piranmetro mantm-se fixo no centro do anel, o qual rotacionado 37 Figuras 16a e b - Bases metlicas utilizadas para medies.17a17b Figuras 17a e b - Regulagem de latitudee calhadedeslizamento do anel(2a) e regulagem fina da orientao N-S geogrfica verdadeira e altura do piranmetro. em torno de seu centro para compensar as variaes da declinao solar. Escolheu-se a montagem de Drummond para utilizao na medio de radiao difusa, sendo atualmenteamaisutilizadacientificamenteetambmamaiscomercializada(DAL PAI,A.2005).Utilizou-seacitadabase,semoaneldesombreamento,para assentarumpiranmetrocomsensorfotoeltrico,objetivandoobtenodevalores deradiaoglobal,nosmomentosemqueseobtinhammedidasderadiaosolar difusa nos outros dois medidores, estes sim equipados com anis de sombra. 16a 16 b Aplataformaradiomtrica,colococadaemespaolivredeobstculosao redor,acolheospiranmetrosemumplanohorizontal,perfeitamentenivelados. Orientam-se os piranmetros, nas suas fixaes s bases, de tal modo que os cabos 38 18b18a Figuras 18a e b - Determinao do N-S geogrfico verdadeiro. blindadosqueemergem,eosconectores,fiquemsituadosaosuldomesmo, minimizandooaquecimentodasconexesdevidoradiaosolar. Alm disso, tanto cabos blindados, como o registrador e ainda os piranmetros ficam aterrados. Naexecuodasmediesderadiaodifusaimpe-sequeoeixodoanel desombreamentoestejanadireoN-Sgeogrficaverdadeira.Determinou-sea direo N-S geogrfica, usada no referenciamento do anel de sombra nas medies deradiaodifusa,fazendoosseguintesprocedimentos:(a)porvoltadas10h, usando um fio de prumo, marca-se um ponto coincidente com o ponto indicado pelo peso do prumo no cho, fixando referncia inicial; (b) verifica-se a sombra da haste nochoefaz-seumamarcacomgizoucarvonaextremidadedasombra; (c) usando um barbante, segura-se uma ponta junto referncia inicial e traa-se um arcodecrculopartindodopontomarcadoanteriormenteemdireoaoleste;(d) aguarda-se,queaTerragireequeasombradahasteseprojetesobreocrculo traado.Ondeasombratocarnovamenteoarcodecrculofaz-senovamarca; (e) traa-se a mediatriz do ngulo formado, que nadamais doque a direo N-S verdadeira. Resta saber qual o norte e qual o sul. Sabe-se que o leste o ponto deondeosolnasce,emnossadireita,logoonorteestarfrente,ooeste esquerdaeosulatrs.AsFiguras18a,18beoApndice3mostramasprincipais aes na determinao da direo Norte-Sul Geogrfica. 39 Figura 19 - Cmara e base metlica. Naplataformafuncionamtrspiranmetros:umEppley,aserutilizadocomo referncianasmediesderadiaoglobaledifusa,edoisoutrosqueutilizam sensores do tipo fotoeltrico. Na medio de radiao difusa, ambos so dotados de anel de sombreamento.Asmedidasdetemperaturasofornecidasporumsensordepreciso denominado LM35, que apresenta uma sada de tenso linear relativa temperatura a que ele estiver submetido no momento em que for alimentado por uma tenso de 4-20Vdc e GND, tendo em sua sada um sinal de 10mV para cada grau Celsius de temperatura.Nonecessitadecalibraoexternaparafornecer,comexatido, valoresdetemperaturanafaixade-55C150C.OLM35abrigadodentrode cmaraassentadasobreumabasemetlica(Fig.19),semelhanteaqueabrigao sensordopiranmetrolicor.Namedioderadiaodifusa,oconjuntocmarae basemetlica,assimcomoopiranmetroLicor,ficamsobaproteodoanelde sombreamento, e livre da radiao direta. Asmediessorealizadassempreemumasuperfciehorizontal,tendo ocorridoonivelamentodasbasesmetlicasquandodesuasinstalaes,e nivelamento de cada medidor individualmente. Os medidores so conectados, por cabos blindados devidamente aterrados, sistema de aquisio de dados (SAC) da Agilent Technologies (Fig. 20), que por sua vezconectadoaummicrocomputador,usadoparaarmazenamentoe processamento dos dados medidos pelos sensores. Figura 20 - Agilent 34970A Sistema de Aquisio de Dados. 40 Figura 21 - Piranmetro Eppley. OSACconstitudode3slotscommultmetrode6,5dgitosembutido,8 mdulosdiferentesqueoferecemgrandeflexibilidadedefuneseconfiguraes. Inclui software para controle e transferncia de dados para PC, memria interna no-voltil para armazenar at 50000 medidas. Os dados obtidos, discriminados por dia juliano, so exportados para um microcomputador e organizados em dados brutos e dados tratados. 3. 1. 1 Piranmetro Eppley Piranmetrocomsensordotipofototrmico,comcircuitointernode compensaodetemperatura,utilizadocomoreferncianotrabalhodesenvolvido. Seu nmero de srie 34158F3. Suas principais caractersticas so: Sensibilidade aproximada: 7,63 V/Wm-2. Tempo de resposta: 1 segundo (sinal 1/e). A Fig. 21 mostra o equipamento utilizado. 3. 1. 2 Piranmetro Licor O piranmetro fotovoltaico Licor, modelo LI-200SA (Fig. 22), projetado para medidasacampoderadiaosolarglobal,emagricultura,meteorologiaeestudos deenergiasolar.SegundoTiba(2000),piranmetrosfotovoltaicos,comutilizao 41 Figura 22 - Piranmetro Licor. recomendadaparaintegraisdiriasderadiaosolarglobalsobreplanohorizontal ouparaobservarpequenasflutuaesdaradiao,porterbaixocustoefacilidade de uso, considerado til como instrumento secundrio. As principais caractersticas desse piranmetro so: Sensibilidade tpica: 95,1 A/ 1000 W m-2. Tempo de resposta: 10 s. Dependncia da temperatura: mx. de 0,15% por C. Resposta co-seno: corrigida at ngulos de incidncia de 80. Detector: Silcio. ModeladoapsotrabalhodeKerr,ThurtelleTanner(1967),oLI-200SA caracteriza um detector fotovoltaico de silcio, montado em um difusor diminuto para minimizarerrosderespostaco-seno.Comcorrentedesada,quediretamente proporcional radiao solar, calibrado em comparao com um Eppley PSP, sob condies naturais de luz do dia, em unidades de watts por metro quadrado ( Wm-2 ). Sob a maioria das condies de luz natural do dia, o erro de suas medidas menor do que 5%. A resposta espectral do LI-200SA no inclui o espectro solar inteiro, logo deveserutilizadonasmesmascondiesdeiluminaodoqueaquelescomos quais foi calibrado.42 Figura 23 - Anel de sombreamento, construdo para as medies. 3.1.3 Anel de sombreamento Oaneldesombreamento(Fig.23)constitudodeumafaixametlica circular,comdimetrode635.10-3melargurade76,2.10-3m,comeixoparalelo direo Norte-Sul. A face interna do anel revestida com cor preta, para minimizar a reflexo sobre o sensor do piranmetro, e a externa revestida de branco. SegundoEscobedo,J.F.etal.(1997)existemduaspossibilidadesde se medir a radiao difusa: (1)medidadaradiaodifusacomaintercepodaradiaodireta; (2)medidasimultneadasradiaesglobalediretaeaobtenodaradiao difusapordiferena.Aprimeiraalternativapodeserdesdobradaem duas:interceptando-searadiaodiretasobreosensorcomumpequeno disco ou interceptando-se a radiao direta com um anel metlico. A segunda utilizaopiranmetroparamediraradiaoglobaleumpirelimetrocom rastreadorsolarparamediraradiaodireta.Osmtodosqueutilizam sistemadeacompanhamentodomovimentorelativodosol so considerados mais precisos, porm por razes econmicas no so os mais utilizados. Por ser a alternativa mais econmica, o uso do anel vem sendo a mais usada. 43 3.2 Calibrao dos Piranmetros ParacalibrarospiranmetrosLicorPy48511ePy53132,determinam-se seusfatoresdecalibraolevando-seemconsiderao:atemperatura,onvelde irradincia, a distribuio espectral da irradincia, a variao temporal, a distribuio angular da irradincia e as inclinaes dos instrumentos. Objetivandotrabalhar,naaquisiodedadosatravsdossensoresecabos blindados, com sinais em milivolts, liga-se um resistor de filme metlico em paralelo comcadaumdospiranmetrosLicor,tendoemcontaquetaisresistoresso praticamenteimunesavariaesdetemperatura,quandopercorridosporcorrente eltrica.FoiassociadoemparalelocomoPY48511umresistorderesistncia eltrica de valor 148,93e com o PY 53 132, resistor de resistncia de 150,26 . Nopresenteestudo,ossensoresdosinstrumentos,almdeficaremna posionormaldefuncionamento,enviamseussinaisparaosistemadeaquisio dedadosAgilent34970Aque,almdessesregistros,tambmarmazenadadosde temperatura ambiente da plataforma radiomtrica, pelo envio de sinal de um LM35, com sensor colocado em cmara assentada sobre base metlica.Empregou-se,nacalibrao,omtododacomparaocomumpiranmetro EppleyPSP(padro),utilizando-seosolcomofonteousoboutrascondiesnaturaisdeexposio,porexemploumcunubladouniforme.Acalibraofoi efetuadanodia11deagostode2007,dia223docalendrioJuliano,utilizando-se dados registrados entre 7h 07min. e 17h 44min., hora local. Tal dia foi escolhido por por ter sido um dia de cu claro. OspiranmetrosLicor,especificadosanteriormente,colocados horizontalmentesobrebasesmetlicasfixasplataformaradiomtricadoCEFET-RS ( 19m de altura ), so solicitados simultaneamente com um piranmetro padro EppleyPSP,tambminstaladonareferidaplataforma,aoarlivre,eacimade qualquer obstculo. 44 Calculou-se o fator de calibrao do instrumento pela expresso: K R K r . =(23) ondeKr o fator de calibrao do instrumento de referncia, no caso 7,63V/Wm-2, eKo fator de calibrao a ser obtido. Calculou-se o valor de R dividindo-se a soma das respostas do instrumento a sercalibradopelasomadasrespostasdoinstrumentodereferncia.Talrelao pode ser expressa assim: VVREL=(24) onde VLrepresenta o somatrio das diferenas de potencial do piranmetro Licor e VE , a soma das diferenas de potencial obtidas com o piranmetro Eppley. Portanto, a expresso para o clculo do fator de calibrao fica: K=KVVrEL (25) ATab.4informaasconstantesdecalibraodosradimetrosoriundasdos respectivoscertificadosdegarantiaeosvaloresdasresistnciaseltricasdos resistores ligadas em paralelo com os piranmetros Licor. Tabela 4 - Aparelhos utilizados nas medies, com alguns dados relevantes. Aparelho (Grandeza medida) Constantecalibrao(fbrica) Resistor emparalelo EPPLEY PSP (radincia solar ) 7,63V/Wm-2 LICOR 1(Py 48 511) (radincia solar ) 96,6A/1000Wm-2 -10,35Wm-2/A 148,93 LICOR 2(Py 53 132) (radincia solar ) 95,1A/1000Wm-2 -10,56Wm-2/A 150,26 LM 35 (temperatura ) 10mV/1C Fonte: Arquivos do autor da dissertao. 45 Os sensores dos aparelhos discriminados na Tab. 4 so sensibilizados pelas radiaes,eenviamsinaisdetensoemmilivoltsaoSAC,atravsdoscabos blindados,queexecutaacoletaeregistrodosdadosnumafreqnciadeuma medida a cada 20 segundos para cada uma das grandezas envolvidas. NoApndice4,almdosdiasselecionadosparaasmedies,so apresentadasascondiesmeteorolgicasdoscitadosdiaseasrespectivas temperaturasmdias.Osdadosforamtratadosusando-seplanilhaeletrnica,onde osprocedimentosdeclculo,frmulaseosseguinteselementosforam considerados: oRelacionam-seosdadosdeentrada:latitudelocal(),emgraus;longitude local, em graus; altitude em metros; dia do ano, no calendrio Juliano. oClulas com os somatrios das radiaes dos Licor e do Eppley, e outras com asequaesviabilizadorasdosclculosdasconstantesdecalibraesdos piranmetros Licor. oSo introduzidos frmulas e clculos nas clulas da planilha que viabilizam os resultadosde:ngulododiaemradianos;declinaosolaremradianos; equao do tempo em minutos; tempo solar verdadeiro; ngulo horrio; fator de correo da excentricidade; co-seno de Z; o valor de Z; (graus); sen;I20 (KJ/m2);Io20; Kt; frmulas das correes. 3. 3 Medio da radiao global Aseguirapresenta-seosprocedimentosadotadosnamedioderadiao globalutilizandopiranmetroscomsensoresdotipofotoeltrico,comparadoscom umPSPdaEppley.OspiranmetrosaseremutilizadossodaLicor,modeloLI-200SA. As medidas de radiao global com os piranmetros Licor foram realizadas e comparadascomasmedidas,simultneas,efetuadascomumpiranmetrodaEppley,modeloPSP,oqualadotadocomoreferncia.Simultneae paralelamente,armazenam-semedidasdetemperaturaobtidasapartirdeum 46 pir30T 0,0006 0,9815RR + =sensor LM35, colocado no interior de uma cmara, sobre base metlica, simulando as condies sob as quais funcionam os sensores dos piranmetros Licor. AmediodaradiaoglobalefetuadacomopiranmetroLicordevesofrer correo em funo da temperatura ambiente, correo espectral e de resposta co-seno.Paratanto,deacordocomMichalskyetal.(1987),adependnciada temperatura desse tipo de piranmetros pode ser corrigida, normalizada para 30C, pela equao (26) (26) ondeRarespostadopiranmetroemumatemperaturaT,R30arespostado piranmetro em 30C e Tpir a temperatura (em C) medida dentro do piranmetro. Devidoadificuldadesemseobteramedidadetemperaturanointeriordo piranmetro, medidas de temperatura ambiente, feitas no mesmo plano do sensor, a aproximadamente1,5mdedistnciadopiranmetro,fornecembonsresultadosna correo da dependncia de temperatura do sensor. A equao (26) pode ter seus coeficientes alterados de um piranmetro para outro. Esses coeficientes podem ser obtidos atravs do monitoramento da resposta dopiranmetroquandoemdiferentestemperaturas.Asensibilidadedessetipode sensor praticamente linear com a temperatura e correes da ordem de 0,7% so tpicas.SegundoMichalskyetal.(1991),asmedidasderadiaosolarglobal efetuadascomopiranmetroLicorjapresentamumaboaqualidadequando corrigidas apenas em funo da temperatura. Michalskyetal.(1987)tambmpropsummtodoempricoparacorrigir, simultaneamente,arespostaco-senoerespostaespectraldopiranmetrocom sensor fotoeltrico quando utilizado para medir a radiao global. Foi verificado que, apenas com a correo da temperatura, os valores de radiao global j so de boa qualidade.Noentanto,apresentamvaloresligeiramentesubestimadosparavalores dealtasebaixasradiaesevaloresligeiramentesuperestimadospararadiaes 47 ) G ( ln c ) G ln( b aGGco fotoeletri2co fotoeletritermopilhaco fotoeletri + + =mdias. Para corrigir esses pequenos desvios de linearidade, foi proposto um ajuste por mnimos quadrados dado pela equao (27): (27) ondeGfotoeletricoovalordaradiaoglobalobtidacomopiranmetroqueutiliza sensor fotoeltrico, Gtermopilha o valor da radiao globalobtida com o piranmetro que utiliza sensor termopilha e os coeficientes a, b e c so, respectivamente: 1,0002; 0,0003; 0,0000. Esseprocedimentodecorreofoiobtidodedadosderadiaoglobal medida, simultaneamente por um piranmetro da Licor e outro da Eppley durante um perododedezoitodias,contemplandodiasclarosenublados.Osresultados obtidos,apsascorrees,utilizandopiranmetrocomsensorfotoeltrico discordam,nomximo,em2%dosobtidoscomopiranmetroEppley.Quando esses valores so integrados ao longo do dia, a diferena entre as integrais menor que 1%. 3.4 Medio da radiao difusa Aborda-se,aseguir,osprocedimentosadotadosnamedioderadiao difusa utilizando piranmetros com sensores do tipo fotoeltrico, dotados de anel de sombreamento,ecomparadoscomumEppeyPSP,tambmcomanelde sombreamento.Osmesmosaparelhosforamutilizadosnoexperimentocoma radiao global. Para a medio de radiao difusa, adota-se a tcnica da utilizao doaneldesombravistoqueseuscustosdeaquisioemanutenosobastante inferioresquandocomparadoscomoscustosdeprocedimentosqueutilizam seguimento do sol ao longo do dia. Amediodaradiaodifusaadotadacomorefernciaaquelaobtida atravs da utilizao de um piranmetro Eppley PSP dotado de anel de sombra. Na medio de radiao solar difusa foi necessrio no permitir a incidncia de radiao diretanosensordemediodaradiaodifusa.Paraisso,ummtodo 48 ) sen . cos . cos . sen . sen ( cosr .b .Xs s + =32X' k=11bastanteutilizadoconsisteemcolocarumaneldesombracolocado perpendicularmente ao eixo polar e num ngulo igual ao da latitude do local. Umerroinerentedautilizaodesseaneldesombraqueeleobstruiparte da radiao difusa. Vrios mtodos so utilizados para calcular o fator de correo a ser acrescentado na medio realizada da radiao difusa, entre eles o proposto por Drummond (1956). Considerandoqueaatmosferatenhaumcomportamentoisotrpico, Drummond(1956)desenvolveuaequao(28)paradeterminaropercentualda radiao solar difusa obstruda pelo anel de sombra:

(28) ondebocomprimentodoaneldesombra,roraiodoaneldesombra,a declinao do sol, a latitude do local da medio e s o ngulo de nascimento do sol em radianos. Paracondiesdeisotropia,ofatordecorreoaseraplicadonosvalores dos dados de radiao solar difusa obtidos, k, dado pela equao (29) (29) O fator de correo k depende das dimenses do anel de sombra, da latitude do local e do ngulo de nascimento do sol no dia da medio. Oefeitodaobstruodepartedaradiaosolardifusaatravsdoanelde sombraemcondiesreaisdemedio(condiesnoisotrpicas)podeser determinadoatravsdamediosimultneadaradiaodifusa,umausandoum piranmetrocomaneldesombraeoutrocomumpequenodiscodesombra.Aps anlise de um grande nmero de medies, observou-se que o fator de correo k deveterumacrscimode7%paradiasdecuclaro,3%paracustotalmente nublados e 4% para cus parcialmente cobertos por nuvens. 49 Poroutrolado,pode-seclassificaraatmosferacomonublada,parcialmente nubladaeclara.Essaclassificao,segundoIqbal(1983),funodondicede claridade kt. Valores de kt inferiores a 0,3 sinalizam uma atmosfera nublada, valores superioresa0,7sinalizamatmosferasbastanteclarasevaloresde0,3a0,7 sinalizam atmosferas parcialmente nubladas. Aplicando-se as correes sugeridas por Drummond (1956) e j corrigidas em funodaatmosfera,paraumalocalidadesituadanohemisfriosul,latitudede 31,87, tem-se correes que variam desde 6% no dia 22 de junho at 26% nos dias 01demaroe14deoutubro,comerroRMSE(rootmeansquareerror)de9,2 W.m-2. Tais correes podem ser observadas na Fig. 24. Umoutroprocedimentoparaacorreodamedidadaradiaodifusa fornecidoporLebaronetal.(1990)e,quandocomparadocomprocedimento adotado por Drummond (1956), fornece resultados ligeiramente melhores. Esse modelo de correo utiliza quatro parmetros para descrever os efeitos isotrpicos e no isotrpicos da radiao solar. O parmetro para descrever o efeito isotrpicodaradiaoomesmoobtidoporDrummond(1956).Oefeitono isotrpico obtido atravs dos parmetros , e ngulo de znite. Osparmetrosesoobtidos,respectivamente,pelasequaes(30)e (31). ( )ncNnc ncDifDir Dif = (30) 1,041,061,081,11,121,141,161,181,21,221,240 50 100 150 200 250 300 350 400Dias do anoFator de correCu claroCu parcialmente nubladoCu nubladoFigura 24 - Fator de correo da medida de radiao difusa devido ao uso de anel de sombra. Fonte: DRUMMOND (1956) 50 ondeDifncamedidadaradiaodifusanocorrigida,DirNncaradiaodireta normal no corrigida e 0IAM Difnc= (31) onde DirNnc dada pela equao (32): ) cos() Dif G (DirzncNnc=(32) onde G a medida da radiao global e z o ngulo de znite. A Tab. 5 fornece os limites dos parmetros , , ngulo de znite z e o fator decorreogeomtricoparaaobtenodaradiaodifusa.Emfunodos parmetros citados, pode-se obter os valores de correo final da radiao difusa no apndice de Lebaron et al. (1990). Tabela 5 - Limites dos parmetros utilizados para corrigir (isotrpica e anisotrpica) a medida da radiao difusa quando utiliza-se anel de sombra. 1234 Znite0 z < 3535 z < 5050 z < 6060 z 90 Geomtrico1,000 G < 1,0681,068 G < 1,1001,100 G < 1,132- Epsilon0,000 < 1,2531,253 < 2,1342,134 < 5,980- Delta0,000 < 0,120