ENERGIA SOLAR Energias Renováveis 2011/2012 - ER- solar1.pdfRadiação solar por unidade de área...

ENERGIA SOLAREnergias Renováveis

Miguel Centeno Brito

Irradiância – fluxo de radiação solar por unidade de área (W/m2)

Constante solar – irradiância num plano perpendicular aos raios solares no topo da atmosfera da Terra à distância médiada Terra-Sol

S = 1366 W/m2

2

Radiação solar interceptada pela Terra: Q = SpR2

Superfície da Terra (esfera): A = 4pR2

Radiação solar por unidade de área na superfície:

Q/A = S/4 = 340 W/m2

Área dos desertos: 12x106 km2 = 12x1012 m2

Radiação solar nos desertos:

340x12x1012 W = 4x1015 W = 266x1.53x1013 W

A energia solar que chega aos desertos representa 250x as nossas necessidades de energia primária

3

Distância Terra-Sol varia ao longo do ano

( )0

2

180cos1

1d

P

d

−+

−=

p

4

Distância Terra-Sol varia ao longo do ano

Excentricidade da órbita:

= 0.01672

Longitude do periélio:

P = 282.04º

Ângulo orbital (medido a partir do equinócio de verão):

= depende do dia do ano.

5

( )0

2

180cos1

1d

P

d

−+

−=

p

Declinação solar d – ângulo entre a direcção Terra-Sol e o equador terrestre

δ=0

Hem. Norte:Solstício de

VerãoDia > Noite

Hem. Norte:Solstício de

InvernoDia < Noite

Hem. Norte:Equinócio de Outono

Duração dia = Duração noite

-δ

+δ

6


Equador

Eixo Polar

Equinócios de Março e

Setembro

+23º

27’

-23º 27’

0º

Trópico de Câncer

Trópico de Capricórnio

7


+=

365

2842sin'27º23

diapd

-30

-20

-10

0

10

20

30

1 51 101 151 201 251 301 351

Declinação s

ola

r

Dia do ano

dia = 1 para 1 de Janeiro

Graus!!

8

Coordenadas do sol

Altura solar

Azimute solar

E

O

S

N

0º

-90º

90º

9

Coordenadas do sol

Altura solar

d é a declinação solar

f é a latitude do local

as é o ângulo solar local

ssA adfdf coscoscossinsinsin +=

( )12º15 −= localsolarhorasa

10

Qual a altura solar às 12h00 em Lisboa nos solstícios ou nos equinócios? Qual é a hora do nascimento/ocaso solar nos equinócios (em qualquer lugar)?Qual é a hora do nascimento/ocaso solar no Equador, em qualquer dia do ano?Qual é a latitude do círculo polar árctico?

Coordenadas do sol

Altura solar às 12h00 (hora solar)

Hemisfério norte!

11

EquadorLisboaCírculo árcticoPólo norte


0

15

30

45

60

75

90

1 51 101 151 201 251 301 351

Altura

sola

r

Dia do ano

Coordenadas do sol

Altura solar às 12h00 (hora solar)

12

Hemisfério sul

EquadorBuenos AiresCírculo antárcticoPólo sul


0

15

30

45

60

75

90

1 51 101 151 201 251 301 351

Altura

sola

r

Dia do ano

Coordenadas do sol

Altura solar dia 80 (Equinócio primavera)

13

EquadorLisboaCírculo árcticoPólo norte0

15

30

45

60

75

90

0 4 8 12 16 20 24

Altura

sola

r

Hora solar


Coordenadas do sol

Altura solar dia 172 (Solstício verão)

14

EquadorLisboaCírculo árcticoPólo norte0

15

30

45

60

75

90

0 4 8 12 16 20 24

Altura

sola

r

Hora solar


Coordenadas do sol

Altura solar Lisboa

15

Equinócio primaveraSolstício verãoEquinócio outonoSolstício inverno0

15

30

45

60

75

90

0 4 8 12 16 20 24

Altura

sola

r

Hora solar


Coordenadas do sol

Altura solar Equador

16


15

30

45

60

75

90

0 4 8 12 16 20 24

Altura

sola

r

Hora solar


Coordenadas do sol

Altura solar círculo polar árctico

17


15

30

45

60

75

90

0 4 8 12 16 20 24

Altura

sola

r

Hora solar


Coordenadas do sol

Altura solar pólo norte

18


15

30

45

60

75

90

0 4 8 12 16 20 24

Altura

sola

r

Hora solar

Coordenadas do sol

Altura solar

Azimute solar

E

O

S

N

0º

-90º

90º

19

Coordenadas do sol

Altura solar

Azimute solar

d é a declinação solar

f é a latitude do local

as é o ângulo solar local

f

df

coscos

sinsinsincos

s

szs

A

AA

−=

s

szs

AA

cos

sincossin

ad=

Coordenadas do sol

Altura solar

Azimute solar no Equador

s

szs

AA

cos

sincossin

ad=

-90

-60

-30

0

30

60

90

1 51 101 151 201 251 301 351

Azim

ute

sola

r

Dia do ano

18h12h6h

22

0

15

30

45

60

75

90

-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120

Altura

sola

r

Azimute

21-Dez (SI)

21-Jan

21-Fev

21-Mar (EP)

21-Abr

21-Mai

21-Jun (SV)

21-Jul

21-Ago

21-Set (EO)

21-Out

21-Nov

Trajectória do sol

Se radiação directa I0 = 1 kW/m2

(e não houvesse radiação difusa nem reflectida e a absorção fosse igual em todas as latitudes)

E

O

S

N

0º

-90º

90º

23

Podemos calcular a potência que receberíamos numa superfície horizontal em qualquer sítio em qualquer instante do ano

( ) sosoh AIAII sin90cos =−=

Energia recebida do sol ao longo de um dia

24

365

dtI

E anoh

dia

=

[kWh/m2/dia]

[kW/m2]( ) sosoh AIAII sin90cos =−=

dtIEdia

hdia = [kWh/m2]

dtIEano

hano = [kWh/m2]A isto chamamos

HORAS PICO

A isto chamamos INSOLAÇÃO

A isto chamamos IRRADIÂNCIA



25

EquadorLisboaCírculo árctico

0

2

4

6

8

10

1 51 101 151 201 251 301 351

Insola

ção

diá

ria

kW

h/m

2

Dia do ano

dtIEdia

hdia =


Energia recebida do sol ao longo de um ano

26

dtIEdia

hdia = dtIEano

hano =

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-90 -60 -30 0 30 60 90

Insola

ção

anualkW

h/m

2

Latitude



27

dtIEdia

hdia =

0

2

4

6

8

10

-90 -60 -30 0 30 60 90

Insola

ção

média

diá

ria

kW

h/m

2/d

ia

Latitude

dtIEano

hano =365

dtI

E anoh

dia

=



28

dtIEdia

hdia = dtIEano

hano =365

dtI

E anoh

dia

=

0

2

4

6

8

10

-90 -60 -30 0 30 60 90

hora

s pic

o /

dia

Latitude


29

1 kW/m2

1 kW/m2cosSIs =

Irradiância depende do ângulo de incidência


30

( )( )zzssisiS AAAII −+= coscoscossinsin0

i

zS

i – inclinação da superfície

z – azimute (orientação) da superfície

As – altura do sol

Azs – azimute do sol

Caso particular superfície horizontal (i = 90)

sS AII sin0=


31


i

zS





Caso particular superfície vertical (i = 0)

( )zzssS AAII −= coscos0


32


i

zS





Caso particular superfície alinhada com o sol(i = As; z = Azs;)

( ) 0220 cossin IAAII ssS =+=

33

Para maximizar exposição solarinclinação deve variar com a latitude


Inclinação óptima depende da aplicação

Solstício de Verão

Equinócios

Solstício de Inverno


E O

S

Orientação ao Sul geográfico: máxima captaçãoDesvios para Leste: avanço à captação (1 hora por cada 15º)Desvios para Oeste: atraso à captação (1 hora por cada 15º)


Inclinação óptima depende da aplicação


Optimização da inclinação e orientação para o local e a aplicação.

Ou podemos seguir a trajectória ao longo do dia, ou ao longo do ano, usando seguimento solar.

S N

N

S

E W

37

Espectro radiação solar

Absorção proporcional à espessura da atmosfera que radiação atravessa

38

cos

1=AM

39

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 500 1000 1500 2000

Wm

-2nm

-1

Wavelength (nm)

AM0 - Extraterrestrial

AM1.5 - Global


( ) 2W/m10005.1 = dAM

40

Radiação solar = directa + difusa + reflectida

41

Radiação solar = directa + difusa + reflectida

42

Modelos de radiação difusa

Modelo isotrópico – radiação difusa é igual de todas as direcções.

Basta integrar ângulo sólido do céu visível (seria 180x180º se superfície horizontal sem obstáculos) e.g. Sky View Factor(SVF)

d

d

I

I ,

← radiação difusa numa superfície inclinação

← radiação difusa na horizontal

43


Modelo isotrópico – radiação difusa é igual de todas as direcções.

( )2cos2, =d

d

I

I

Efeito horizonte – radiação difusa mais brilhante junto do horizonte

Efeito circunsolar – radiação difusa mais brilhante em torno do disco solar

Estes efeitos dependem da intensidade da radiação difusa!

44


Modelo Perez et al

F1 parâmetro que mede efeito circunsolar

F2 parâmetro que mede efeito horizonte

( ) ( ) ( ) sin2cos1, 212

1 FrFFII bbd ++−=

a

sin,º85max

cos,0max=br

← ângulo incidência

← altura solar

45

LocalInsolação diária

médiaWh/m2 /dia

Difusa/Global

Lisboa 5020 28%

Alentejo (interior) 5010 29%

Braga 4360 34%

Londres 2950 55%

Hamburgo 2860 53%

Níger 6460 34%

Dados de radiação medidos

Fonte: PVGIS | http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

46



Dados EUROPA

(resolução 1-km, 1981-1990)

Dados estações meteorológicas (cf Šúri et al., 2005) e

Temperatura ambiente (1995-2003, cf Huld et al.,2006)

Dados Africa, Sudeste Asiático, Mediterreaneo

(resolução 2-km, 1985-2004)

Dados satélite HelioClim1 processado com dados Meteosat

47



48



49



51

0

2

4

6

8

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Hora

s p

ico

Mês

Rad. directa calculada

Dados PVGIS

Porque razão são diferentes?

52

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 500 1000 1500 2000

Wm

-2nm

-1

Wavelength (nm)

AM0 - Extraterrestrial

AM1.5 - Global

AM1.5D - Direct


O

E

N

S

as = -40º

as = -15º

h = 35º

Sombreamentos

54

0

15

30

45

60

75

90

-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120

Altura

sola

r

Azimute

21-Dez (SI)

21-Jan

21-Fev

21-Mar (EP)

21-Abr

21-Mai

21-Jun (SV)

21-Jul

21-Ago

21-Set (EO)

21-Out

21-Nov

Sombreamentos

55

Sombreamentos

0

15

30

45

60

75

90

-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120

Altura

sola

r

Azimute

21-Dez (SI)

21-Jan

21-Fev

21-Mar (EP)

21-Abr

21-Mai

21-Jun (SV)

21-Jul

21-Ago

21-Set (EO)

21-Out

21-Nov

h < 35º

-40º < as < -15º

O

S

56

Sombreamentos

0

15

30

45

60

75

90

-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120

Altura

sola

r

Azimute

21-Dez (SI)

21-Jan

21-Fev

21-Mar (EP)

21-Abr

21-Mai

21-Jun (SV)

21-Jul

21-Ago

21-Set (EO)

21-Out

21-Nov

h < 35º

-40º < as < -15º

O

S

35º

0º

-40º -15º

57

Sombreamentos – palas para o verão

0

15

30

45

60

75

90

-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120

Altura

sola

r

Azimute

21-Dez (SI)

21-Jan

21-Fev

21-Mar (EP)

21-Abr

21-Mai

21-Jun (SV)

21-Jul

21-Ago

21-Set (EO)

21-Out

21-Nov

58

Sombreamentos – palas para o verão

0

15

30

45

60

75

90

-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120

Altura

sola

r

Azimute

21-Dez (SI)

21-Jan

21-Fev

21-Mar (EP)

21-Abr

21-Mai

21-Jun (SV)

21-Jul

21-Ago

21-Set (EO)

21-Out

21-Nov

Sombreamentos

Carnaxide (38.43° N, 9.8 W)

Sombreamentos

62

Resumo

• Irradiância

• Constante solar

• Potencial (incl. desertos)

• Variação anual

• Declinação

• Coordenadas do sol

• Insolação média, diária e anual

• Efeito inclinação/orientação

• Seguimento solar

• Radiação difusa

• Sombreamento

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