CD ROM ATLAS SOLARIMÉTRICO DO BRASIL: INSTRUMENTO
PARA PROJETO DE SISTEMAS SOLARES
*C. TIBA, *N. FRAIDENRAICH , *E.M. DE S. BARBOSA E F.J.M. LYRA**
*DEPARTAMENTO DE ENERGIA NUCLEAR
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO -UFPE
AV. PROF. LUIZ FREIRE, 1000 – CIDADE UNIVERSITÁRIA
50.740-540 – RECIFE – PE - E-MAIL: TIBA@NPD.UFPE.BR
**COMPANHIA HIDRO-ELÉTRICA DO SÃO FRANCISCO – RECIFE -
PE
1. RESUMO
O CD ROM ATLAS SOLARIMÉTRICO DO BRASIL é um instrumento dedicado ao conhecimento e exploração do recurso solar no Brasil. Pretende-se, que o mesmo seja uma ferramenta que outorgue confiabilidade aos projetos de sistemas solares, seja pela disponibilização das informações mediante um extenso banco de dados interativo, como também pela inclusão de um moderno instrumento de cálculo da radiação solar incidente em planos com diferentes inclinações ou com acompanhamento do sol em 1 ou 2 eixos. A distribuição espacial da radiação solar
diária, médias mensais e anual incidente sobre o Brasil é apresentada em 13 mapas coloridos, juntamente com os procedimentos metodológicos utilizados para a harmonização das informações e elaboração dos mapas. É mostrado também, um mapa da localização das estações terrestres piranométricas e actinográficas cujas informações foram utilizadas para a elaboração desses mapas. As informações compreendem o período de 1978 a 1990. Da mesma forma são apresentados 14 mapas coloridos com a insolação diária, média mensais e anual e o mapa da localização das estações heliográficas. O CD ROM contém uma base de dados com mais de 500 estações localizadas no Brasil e nas regiões limítrofes dos países vizinhos. São informações sobre radiação solar global diária, média mensal, ou insolação diária, média mensais. Nessa base de dados está incluído um mecanismo de busca que permite a pesquisa por navegação em mapas ou pela digitação do local procurado. As informações localizadas podem ser impressas na forma de Relatórios. Está incluído no CD, um programa de computador que permite usar as informações da base de dados, para a realização dos seguintes cálculos: estimativas da radiação solar em um plano fixo, com orientação Norte-Sul e com inclinação qualquer; estimativas da radiação solar em um plano com acompanhamento do Sol em um e dois eixos; geração de séries sintéticas com a metodologia das matrizes de Markov (Matrix Transition Markov). Finalmente é mostrado neste trabalho como as informações e/ou ferramentas de calculo incluídas no Atlas podem ser utilizadas para o estudo ou o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos. Três casos exemplos são descritos: a) a obtenção da radiação solar diária média mensal de localidades onde somente existem dados de horas de brilho de sol; b) o dimensionamento simplificado de um sistema energético fotovoltaico autônomo e c) a simulação detalhada de um sistema energético fotovoltaico autônomo.
2. ABSTRACT
The BRAZILIAN SOLAR RESOURCE ATLAS CD-ROM is intended to be a tool for solar system design, delivering information that relies on a large interactive database, including, also, a modern device for calculating the solar radiation collected by planes inclined at different tilt angles or tracking the sun around 1 or 2 axes. The spatial distribution of the daily solar radiation, monthly and yearly averaged, that hits Brazil is presented in 13 colored maps, together with the methodological procedures used for harmonizing the information and designing the maps. A map containing the location of pyranometric and actinographic terrestrial stations, the information which was used for designing the maps, is also presented. The period of collected data runs from 1978 to 1990. Similarly, the Atlas contains 13 colored maps, including daily insolation, monthly and yearly averaged, in addition to the map containing the location of the heliographic stations. The CD-ROM stores a database that includes over 500 stations located in Brazil and on the borders of its neighboring countries. The information is given either as daily, monthly average global solar radiation, or daily, monthly average insolation. A search device is included in the database, allowing to navigate over the maps or to select a desired location. The information may be printed as a report. The CD-ROM also includes a software to perform the following calculations: solar radiation estimates on a fixed plane at any inclination on North-South orientation; estimates of solar radiation collected by a plane tracking the sun about one or two axes; generation of synthetic series based on Markov’s Transition Matrixes. Finally this work shows how information and/or calculus tools included in the Atlas can be used for study or dimensioning photovoltaic systems. Three example cases are described: a) the estimation of average monthly solar radiation in localities where there are only data on sunshine hours; b) the simplified dimensioning of an stand alone photovoltaic system and c) the detailed simulation of an stand alone photovoltaic system.
3. INTRODUÇÃO
A informação sobre a irradiação solar na superfície da Terra é muito importante para uma variedade de áreas tecnológicas tais como: agricultura, meteorologia, recursos hídricos e particularmente para uma nova e crescente área tecnológica associada ao aproveitamento energético da energia solar. O crescimento sustentado e a reprodução ampliada essa tecnologia no mercado depende fortemente dos aspectos econômicos e da confiabilidade dos sistemas solares instalados. Essas duas características são o resultado de um projeto bem elaborado que é entre outras, a conseqüência de um conhecimento preciso do potencial do recurso solar local. Pelo que antecede, a difusão e o melhor conhecimento do potencial do recurso solar não só é uma necessidade como também é um imperativo para a aceleração da utilização da energia solar no Brasil.
As fontes de informações sobre o potencial do recurso solar no Brasil são diversas envolvendo uma grande variedade institucional e de tipo de publicações. Em nível institucional, podemos citar: Instituto Nacional e Estaduais de Meteorologia, Secretarias Estaduais de Agricultura, Universidades, geradoras e distribuidoras de energia elétrica, entre outros. As publicações existentes são: relatórios de instituições governamentais, ou e grupos de pesquisas e publicações científicas nacionais ou internacionais. As qualidades das informações variam
consideravelmente, apresentam grandes descontinuidades espaciais e temporais e ausência de padronização no que concerne aos instrumentos e metodologias de medição.
Para mitigar essa situação foi finalizado em 2002 o CD ROM - Atlas Solarimétrico do Brasil, TIBA ET AL (2002)> Os objetivos gerais do mesmo foi recuperar, qualificar, padronizar e disponibilizar as informações sobre irradiação solar existente no Brasil e que foram medidas em estações terrestres. A publicação apresenta as informações em formas de mapas de isolinhas de radiação solar e insolação, tabelas numéricas e sumários analíticos das publicações sobre o tema feito nos últimos quarenta anos.
4. CD ROM ATLAS SOLARIMÉTRICO DO BRASIL
O CD ROM ATLAS SOLARIMÉTRICO DO BRASIL é constituído de quatro módulos: mapas de isolinhas de radiação solar e insolação, banco de dados de radiação solar e insolação, ferramenta computacional de calculo da radiação solar em planos com diversas orientações e uma relação das publicações sobre o tema. A Fig. 1 mostra o menu principal do Atlas.
4.1 MAPAS DE ISOLINHAS DA RADIAÇÃO SOLAR
O Atlas contém 13 mapas de radiação solar diária, médias mensais e anual, 13 mapas de número horas de brilho de sol (insolação) diário, médias mensais e anual e dois mapas com a localização de todas as estações meteorológicas cujas informações foram utilizadas na elaboração dos maps de isolinhas de radiação e insolação. A Fig. 2 mostra o mapa da radiação solar diária, média anual. Cabe ressaltar que as cartas de isolinhas da radiação solar são úteis para a avaliação do potencial energético solar em macro ou meso regiões.É
importante ter em mente que a escolha de um local para a instalação de um ou mais sistemas solares baseado nessas isolinhas é preliminar indicando apenas o potencial dessa região. A escolha final exigirá uma detalhada informação local, se possível com medições, tanto no que concerne aos seus valores como também a sua variação temporal.
4.2 BANCO DE DADOS DE RADIAÇÃO SOLAR E INSOLAÇÃO
O Banco de dados de radiação solar e insolação apresentam informações sobre 567 localidades brasileiras. A Fig. 3 mostra os locais no Brasil onde existem informações sobre radiação solar diária, médias mensais medidas com piranômetros e actinógrafos. Na Fig. 4 são vistos os locais onde existem registros de horas de brilho de sol ou insolação feitos com heliógrafos Campbell-Stokes.
A consulta ao banco de dados do Atlas Solarimétrico do Brasil pode ser feita por dois modos de navegação: por estação e por mapa conforme pode ser visto na Fig. 5. No primeiro modo de navegação, uma dada estação pode ser escolhida através de uma barra de rolamento que apresenta os locais em ordem alfabética e no segundo modo através de um “click de mouse” no mapa. A Fig. 6 mostra uma visão expandida da região sudeste particularmente o estado
Figura 1 – Menu principal do CD ROM Atlas Solarimétrico do Brasil
Figura 2 – Radiação solar diária, média anual para o Brasil
Figura 4 – Distribuição espacial das estações heliográficas
Figura 5 – Modos de navegação no banco de dados solarimétrico
de Minas Gerais no modo mapa de navegação. Similarmente, fazendo-se o mesmo para a região Nordeste, com “clicks” sucessivos, Nordeste, Pernambuco, Recife obtém-se a informação local para Recife mostrado na Fig.7.
Figura 7 – Informação para um local particular: Recife, PE, NE do Brasil
a. PROGRAMA DE CALCULO DA RADIAÇÃO SOLAR
As principais características do algoritmo de calculo da radiação solar incorporado no CD ROM Atlas são:
• Um banco de dados personalizado que permite incorporar facilmente as localidades objetos de cálculos, Fig. 8;
• Capacidade de calcular a radiação solar horária ou diária incidente sobre um plano com azimute zero e inclinado em relação a horizontal local ou com rastreamento do sol em um ou dois eixos;
• Apresentação dos dados gerados anteriormente na forma de tabelas, gráficos ou arquivo eletrônico, Figs. 9 a 11;
• Geração de séries temporais em escala horária ou diária.
Para todos os cálculos, os dados de entrada necessários são os 12 valores médios mensais da radiação solar no local, além da latitude.
Figura 8 – Banco de dados personalizado
Figura 9 – Menu para escolha da configuração geométrica do sistema solar: coletor fixo, rastreamento sol em um ou dois eixos.
Figura 10 - Apresentação em forma de tabela da radiação solar horária sobre um plano coletor fixo
Figura 11 – Apresentação gráfica da radiação solar diária (figura superior) e mensal (figura inferior) incidente sobre um plano coletor com azimute zero e
inclinado em relação a horizontal local 5. APLICAÇÕES
5.1 ESTIMAÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR
É bastante comum a existência de locais com informações somente sobre insolação (horas de brilho de sol). A obtenção das estimativas da radiação solar nesses casos normalmente são feitas mediante a correlação de Angstrom que requer o conhecimento de coeficientes locais os quais muitas vezes não são conhecidos. Recentemente uma nova correlação entre a radiação solar diária, média mensal e insolação foi estabelecida por SUERHCK(2000) e foi verificada com sucesso para localidades do Brasil por TIBA (2000). A estimativa da radiação solar diária, média mensal pode ser feita mediante a expressâo:
H=HCC (S/S0)1/2
onde, H é a estimativa da radiação solar diária, média mensal, HCC é a radiação
solar de céu claro diária, média mensal e S/S0 é a fração de insolação diária,
média mensal. A radiação de céu claro pode ser modelada com grau de complexidade variável, mas uma primeira e boa aproximação é valor igual a 0,70 H0 onde, H0 é a radiação solar extraterrestre diária, média mensal. A radiação
solar extraterrestre pode ser calculada mediante expressão encontrada em livros texto, como por exemplo, RABL (1985). A fração de insolação pode ser conseguida pela consulta ao Banco de dados do CD ROM Atlas Solarimétrico do Brasil. TIBA (2000) obteve estimativas para 23 localidades do Brasil que resultaram em desvios quadráticos médios da ordem de 7,5% quando comparado com medidas experimentais realizados com piranômetros Eppley modelo B&W.
5.2 DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA FV AUTÔNOMO
Considere o problema do dimensionamento simplificado de um sistema fotovoltaico autônomo para fins de iluminação e fonte de energia elétrica para pequenas cargas domésticas com as seguintes características:
Localidade: Recife, Latitude 80 05’ S
Consumo nominal diário de energia elétrica Cn = 354 Wh=29,5 Ah (12V nas
baterias)
Banco de baterias: autonomia de 3 dias, profundidade de descarga DB = 0, 8,
eficiência da bateria εb =0,85 e Capacidade nominal da bateria Cn = 54 Ah
Módulo fotovoltaico: Potência nominal Pn= 53 W, Potência operacional Po igual a
90% da potência nominal e fator de correção para efeito de temperatura fT=0,90.
5.2.1CONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA ELÉTRICA
O consumo diário efetivo de eletricidade considerando a eficiência de armazenamento da bateria é dado por:
Cefetivo = Cn/εb = 354/0,85 = 416,5 Wh
5.2.2CALCULO DA RADIAÇÃO SOLAR INCIDENTE NO ARRANJO FOTOVOLTAICO
Consultando o banco de dados do Atlas para a cidade de Recife, como na Fig. 7, obtemos a radiação solar diária, médias mensais no plano horizontal que deverão ser introduzidos no banco de dados personalizado conforme a Fig. 8. Para que a radiação solar incidente no plano coletor seja o mais homogêneo possível em base anual, recomenda-se uma inclinação do módulo fotovoltaico em relação a horizontal igual à latitude local mais quinze graus. Então na Fig. 9 deve-se escolher a configuração coletor fixo e escrever no campo inclinação -230 5` (negativo por convenção quando o sistema está olhando para o norte). O próximo menu permite escolher a saída de dados na forma mensal ou horário. A Tabela 1 reproduz a saída mensal que é o nosso caso.
Tabela 1 – Radiação solar diária, média mensal incidente sobre um plano com azimute zero e inclinação em relação a horizontal (β) igual a –230
5’ Radiação solar (kWh/m2)
β
Jan Fev Mai Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 00 6,1 5,9 5,5 4,8 4,3 4,0 4,0 5,0 5,6 6,1 6,3 6,0 –230 5’ 5,0 5,2 5,3 5,2 4,9 4,7 4,7 5,6 5,7 5,6 5,3 4,8 5.2.3DIMENSIONAMENTO DO ARRANJO FOTOVOLTAICO
A potência efetiva produzida por um módulo fotovoltaico considerando-se o efeito da temperatura é dada por:
Pefetiva= 0,90Pn fT = 42,9 W
Considerando o mês de pior incidência solar, ou seja, junho e julho, a radiação solar diária, média mensal no módulo fotovoltaico C será de 4,7 kWh/m2 (Tabela 1) e, portanto, a energia elétrica diária produzida por cada módulo é dada por:
Ee = Pefetiva Hc = 42,9x4,7 =201,8 Wh
O número de módulos fotovoltaicos N é obtido pelo arredondamento do quociente entre o consumo diário efetivo de eletricidade Cefetivo e a energia elétrica
diária produzida por um módulo Ee :
N= Cefetivo /Ee = 416,5/201,8 ≅ 2
5.2.4DIMENSIONAMENTO DA BATERIA
A capacidade de armazenamento total necessária para o sistema ter um autônomia de três dias é dada por:
CBtotal = 3 Cn/ DB = 3x29,5/0,8 = 110,6 Ah
O número de baterias é obtido pelo quociente deste valor e a capacidade nominal da bateria. Pelo que antecede, são necessárias duas baterias de 54 Ah.
5.3 SIMULAÇÃO DETALHADA DE UM SISTEMA FV AUTÔNOMO
Um sistema fotovoltaico autônomo atende uma demanda constante ao longo de 24 horas. Em um dado instante, uma parte da energia elétrica gerada pelo sistema fotovoltaico deverá atender a carga, a outra parte o excesso será armazenado no banco de baterias ou dissipado. Também existem períodos em que o arranjo fotovoltaico não gera suficientemente para atender a demanda e nesses períodos a energia armazenada nas baterias deverá ser disponibilizada como complemento. Quando a energia armazenada não é suficiente ocorrerá o déficit de energia. A simulação detalhada foi feita fazendo-se um balanço de energia em base horária com as variáveis descritas acima, e definidas em FRAIDENRAICH (1998) e VILELA (1998). Utilizando essas definições e com o auxílio de uma planilha EXCEL foi simulado o comportamento de um sistema constituído de um módulo fotovoltaico de 53 W, uma bateria de 105 Ah de capacidade nominal , 85% de eficiência para carga e descarga e uma profundidade de descarga de 70%, uma demanda diária constante de 16,8 Ah e situados em Petrolina e Curitiba. Os dados de radiação solar diária, médias mensais foram obtidos do Banco de dados do Atlas e inseridos no programa de calculo de geração de séries sintéticas diárias que por sua vez foram desagregados em 8760 valores horários com a metodologia de Collares-Pereira e finalmente convertidos ao plano de coleção do arranjo. Assim, para cada hora foram calculados: a energia fotovoltaica gerada, a energia armazenada ou dissipada e o déficit de energia. A Fig. 12 mostram a energia solar fotovoltaica diária gerada (Eg) e o nível de carga do banco de baterias (Eb) para Petrolina e
Curitiba. Na Fig. 13 pode ser visto o déficit de energia ao longo do ano para Curitiba.
200 300 400 500 600 1 14 27 40 53 66 79 92 105 118 131 144 157 170 183 196 209 222 235 248 261 274 287 300 313 326 339 352 365 Dias (n) Energia Gerad a 400 410 420 430 440 450Nível da Bateri a Eg (Wh) Eb (Wh) Petrolina 0 100 200 300 400 500 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361 Dias (n) Energia Gerad a 0 100 200 300 400 500 Nível da Bateri a Eg (Wh) Eb (Wh) Curitiba
Figura 12 – Energia FV gerada pelo sistema e o nível de carga do banco de baterias para Petrolina e Curitiba
-160 -120 -80 -40 0 1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 Dias (n) Dé fic it (Wh )
Figura 13 – Déficit de energia ao longo do ano para Curitiba 6 BIBLIOGRAFIA
Suehrcke, H.. On the relationship betweeen duration of sunshine and solar radiation on the earth’’s surface: Angstrom”s equation revisited. Solar Energy, 68, 5, pp. 417-425,.2000.
Tiba, Chigueru. O Recurso Solar no Brasil–Dados Terrestres. Tese de doutorado, Universidade Federal de Pernambuco, PROTEN-DEN-UFPE, Pernambuco, Brasil, 2000.
Tiba, C., Fraidenraich, N., Moskowicz, M., Cavalcanti, E. S. C., Lyra, F. J. M., Barros, Â. M. e Grossi Gallegos, H. CD ROM Atlas Solarimétrico do Brasil, ISBN 85-7315-142-0, 2002 (no prelo).
Rabl, A. . Active Solar Collectors and Their Applications, New York, USA, Oxford University Press, 1985.
Fraidenrtaich, N. e Lyra, F. J. M. Tecnologia Solar Fotovoltaica, Relatório Técnico -TELEBRAS, 187 pp., 1998.
Vilela, O. C., Motta Sobrinho, M. A. e Fraidenraich, N. Estudo de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos, V Congresso de Engenharia Mecânica Norte Nordeste, 1998.
