INVENTÁRIO DE ENERGIA SOLAR NO PARANÁ José E. Prates (1) e-mail: jeprates@simepar.br Marcelo B. Zaicovski(1) e-mail: brauer@simepar.br Alexandre K. Guetter(1) e-mail: guetter@simepar.br (1)
Instituto Tecnológico SIMEPAR – Cx. P.: 19100 – CEP: 81531-990 Curitiba-PR - tel.: (41) 366 1133
Abstract
Solar irradiance hourly data were analyzed for SIMEPAR’s mesonet covering the three year period from Jan/01/1998 to Dec/31/2000. A quality control procedure was applied to hourly solar irradiance data to exclude spurious records and to fill the gaps. The quality control procedure applied three tests: (1) Limit Test, (2) Spike Test and (3) Flatline Test. The spatial distribution of global solar irradiance was depicted for local 15h00. The western and northern regions of the State of Paraná are characterized by the high values of the state reaching above 700 W/m2 on january and reaching a minimum value in june (300-400 W/m2). The Capital, Coast and South regions have the smallest values.
1 INTRODUÇÃO
O modelo de desenvolvimento adotado no Brasil nas últimas décadas priorizou a industrialização o que resultou no processo de intensa urbanização, e orientou a matriz energética nacional para a produção hidrelétrica. Assim, apesar das conquistas alcançadas, atualmente grande parcela da população brasileira, especialmente na periferia de centros urbanos e área rural não têm acesso à energia elétrica. Como parte do plano de reestruturação do Setor Energético, a ANEEL, no que concerne à matriz de produção, vêm estimulando as concessionárias a investir em fontes energéticas renováveis, descentralizadas, economicamente viáveis e de baixo impacto ambiental, como estratégia para a ampliação do acesso à energia elétrica por essa grande parcela da população. Dentro do espectro de opções tecnicamente factíveis as fontes de geração eólica e fotovoltaica utilizando a radiação solar se destacam tanto do ponto de vista econômico quanto ambiental (SANTOS, 1997).
A irradiância solar global inclui dois componentes:(1)Radiação direta, que depende da latitude do local, hora do dia e dia do mês, (2) Radiação difusa, que depende da concentração de gases e partículas da atmosfera, nebulosidade, elevação do terreno adjacente à estação, edificações e árvores.
O sensor de radiação global da estação meteorológica mede a radiação global que é a soma da radiação difusa com radiação direta. Contudo, a radiação global sempre será inferior à radiação no topo da atmosfera (ou radiação de céu claro) que pode ser computada analiticamente. A radiação solar sofre atenuações entre o topo da troposfera (10 km a 15 km de altura em relação ao nível do mar) e a superfície da Terra. A atenuação da radiação solar ocorre como resultado de três processos: (a) reflexão, (b) absorção e, (c) espalhamento da radiação solar. A eficiência destes processos depende da presença de aerosois, poeiras e nebulosidade, mas, climatologicamente , da radiação solar que atinge o “topo” da atmosfera (irradiância solar no topo), 16% é absorvida pelo vapor d’água, aerosóis e O3; 3% é absorvida pelas nuvens; 51% é absorvida pela terra e oceanos; 4% é refletida pela superfície terrestre; 20% refletida pelas núvens e 6% espalhadas pela atmosfera (OMETO, 1968).
O ciclo diurno da irradiância solar é resultante de fatores meteorológicos combinados a aspectos astronômicos tais como ângulo de incidência do sol que é função da latitude, hora do dia e dia do mês. A análise de variabilidade horária de elementos meteorológicos ainda não existia no Paraná, uma vez que, as estações meteorológicas convencionais coletam os dados, com três amostras por dia, nos horários sinóticos.
φ α
φ
A análise dos dados meteorológicos horários tornou-se possível com implantação da rede telemétrica e do Banco de Dados Hidrometeorológicos do SIMEPAR. A rede de estações meteorológicas telemétricas foi implantada a partir de 1996, sendo que a partir de janeiro/1998 já se dispõem de coletas simultâneas de dados meteorológicos em mais de 30 pontos do Paraná (PRATES, 2001).
Neste trabalho apresenta-se o resultado da análise, em escala horária, da variação temporal e espacial da irradiância solar global na superfície para o estado do Paraná
1.1 Irradiância de Céu Claro
A irradiância solar global é a quantidade de energia por unidade de área e unidade de tempo que incide sobre a superfície da Terra. A unidade de irradiância é a unidade de potência por metro quadrado da superfície da Terra (Watt/m2) para fins de uso em geração fotovoltaica também é utilizado Wh.m-2, outras unidades de uso comum na quantificação da energia solar são: langleys/dia (ly/dia) = cal/cm2.dia, sendo que 1 ly/dia = 11,63 Wh/m2 = 0,4846 W/m2.
Figura1 Variação do ângulo de incidência do Sol com a latitude do ponto sobre a superfície da Terra A irradiância de céu claro é função de três variáveis:
(1) A posição do ponto sobre a superfície da Terra (latitude e longitude do local).
(2) O ciclo diurno, a irradiância varia com as horas do dia, no intervalo em que o Sol nasce e se põe.
(3) O ciclo anual, a irradiância varia com os meses de ano, sendo para uma mesma hora do dia, maior no verão do que no inverno.
A Figura 1 ilustra a variação do ângulo de incidência do Sol (α) com a latitude (φ) do local. O círculo representa a Terra, e o raio horizontal corresponde à linha do Equador. É extremamente importante que se estime a irradiância de céu claro no topo da atmosfera para que se defina qual é o limite superior da irradiância medida na estação conforme o local, hora do dia e dia do ano. É fisicamente impossível que a irradiância medida na estação meteorológica seja superior à irradiância de céu claro no topo da atmosfera. A irradiância de céu claro pode ser computada algebricamente. A Equação (1) expressa a radiação solar no topo da atmosfera para um período de tempo finito (I∆t):
(
)
[
( )
( )
]
⋅ δ⋅ φ⋅ τ − τ π + φ ⋅ δ ⋅ − = ∆ 2 2 1 2 1 0t cos cos sen sen
12 sen sen t t r W I (1)
A Equação (1) é resultante da integração da Equação (2) para um período de tempo (∆t=t2 −t1), mantendo δ (declinação do sol) e φ (latitude local) constantes para o período:
α = sen r W I 20 0 (2) Onde:
I0 = Intensidade instantânea da radiação local em W/m2
I∆t = Intensidade média da radiação local em W/m2 durante o intervalo ∆t W0 = constante solar, 1380 W/m2
r = razão entre a distância atual Sol-Terra e a distância média Sol-Terra α
sen = elevação solar
φ = latitude do ponto sobre a superfície δ = declinação do sol;
τ = ângulo horário do sol, os índices 1 e 2 referem-se aos horários do intervalo de tempo t1 e t2,
respectivamente
As Equações (1) e (2) calculam a irradiância solar que depende do local, hora do dia e dia do ano. A relação entre a distância atual Sol-Terra e a distância média Sol-Terra (r) é dada pela Equação (3)
(
)
π ⋅ − ⋅ + = 186 D 365 2 cos 017 . 0 0 . 1 r (3)onde D = dia juliano, que é a contagem sequencial dos dias do ano de 1 a 365; por exemplo, D = 32 para o dia 01/fevereiro. A Equação (3) depende somente do dia do ano.
A elevação solar é dada pela Equação (4):
τ ⋅ φ ⋅ δ + φ ⋅ δ =
α sen sen cos cos cos
sen (4)
A Equação (4) depende do local (latitude), dia do ano (δ) e hora do dia (τ). A declinação do sol (δ), que varia com o dia do ano é dada por:
(
)
⋅π⋅ − ⋅ π ⋅ = δ 172 D 365 2 cos 180 45 . 23 (5) com δ em radianos.O ângulo horário local, 0≤τ≤360, é dado por:
(
Ts +12−∆T1 +∆T2)
×15 =τ ; quando o sol está a leste da longitude observada (6)
(
Ts −12−∆T1+∆T2)
×15 =τ ; quando o sol está a oeste da longitude observada (7)
Onde:
Ts = hora local; 1
T
2 T
∆ = diferença entre tempo solar real e tempo solar médio em horas (~0). A diferença de tempo entre a longitude padrão e a local, em horas, é dada por:
(
S L)
1 15 i T = θ −θ ∆ (8) Onde:i = -1 para longitude oeste; i = +1 para longitude leste;
S
θ = meridiano padrão (meridiano onde o período de tempo observado é centrado); L
θ = longitude do meridiano observado.
O algoritmo para estimar a radiação de céu claro no topo da atmosfera resolve o sistema de equações (6) a (8) para cada hora do dia e para cada um dos 365 (366, em ano bissexto) dias do ano.
2 MATERIAL E MÉTODOS
O desenvolvimento deste estudo foi realizado em quatro etapas:
(1) Recuperação dos dados horários do banco de dados do SIMEPAR de 01/jan/1998 a 31/dez/2000. (2) Aplicação de testes de controle de qualidade nos dados horários, com parâmetros derivados da
amostra de 3 anos.
(3) Cálculos das estatísticas (média, máximo, mínimo) para cada uma das 24 horas do dia e para cada mês de janeiro a dezembro do período 1998-2000.
(4) Traçado dos mapas da irradiância solar, máxima e mínima para as 9h00, 15h00 e 21h00 local, para cada um dos meses de janeiro a dezembro.
O algoritmo da irradiância de céu claro, foi implantado no módulo de controle de qualidade desenvolvido para a análise dos dados meteorológicos de irradiância solar. Em vista da limitação de espaço, serão apresentado neste trabalho os resultados obtidos apenas para o horário de 15h00.
2.1 Dados
Os dados meteorológicos utilizados são coletados automaticamente pelas estações da rede telemétrica do SIMEPAR constituída por 36 estações automáticas indicadas com pontos vermelhos na Figura 2. Os dados horários estão identificados da hora 0h00 à hora 23h00. A irradiância da hora 8h00 corresponde à média da irradiância amostrada para o período das 7h01 até às 8h00.
O equipamento para medição de radiação solar global instalado nas estações da rede meteorológica do SIMEPAR é o “LI-COR Radiation Sensors – LI200AS Pyranometer”, que usa como sensor um fotodiodo de silício. O erro de um sensor calibrado é da ordem de +/-3%, ou seja, 30 W/m2, para uma radiação real de 1000 W/m2.
Este estudo se limitou ao período de 01/jan/1998 a 31/dez/2000. A rede telemétrica do SIMEPAR passou a operar a partir de junho/1997, como a análise final foi desenvolvida em termos de médias mensais, para que o número de componentes da série para cada mês fosse homogêneo adotou-se apenas os anos completos, ou seja, a partir de 1998.
Figura 2 Rede de estações telemétricas meteorológicas do SIMEPAR
O equipamento pode ser usado por longos períodos sem recalibração. O tempo de amostragem da temperatura no Data Logger é de 10s. Portanto os valores horários de irradiância representam a média de aproximadamente 360 valores amostrados durante a hora. A média horária é transmitida por satélite para a antena na sede do SIMEPAR em Curitiba e assimilada no Banco de Dados Oracle.
O ciclo de transmissão dos dados das estações meteorológicas é de 3 horas. Sendo que em cada ciclo de transmissão o banco de dados assimila um grupo de 3 valores horários, sendo um para cada hora.
A Tabela 1 resume as especificações do equipamento para medição de radiação e do sensor.
Tabela 1 Especificações do equipamento para medição da radiação solar global
Parâmetro Especificação
Modelo LI-200AS Pyranometer Sensor
Sensor de radiação Fotodiodo de silício
Banda de medição 0 W/m2 a 3000 W/m2
Erro Típico 3% e máximo de 5%
Estabilidade do sensor +/- 2% durante um ano
Tempo de resposta 10 µs
2.2 Controle de Qualidade dos Dados Horários
O procedimento para controle de qualidade consiste em, inicialmente, realizar análise de disponibilidade dos dados com objetivo de determinar o percentual de falhas em cada horário. Com base no resultado desta análise preliminar, são aproveitados para análise apenas os horários com disponibilidade igual/superior a 20%. As estatísticas dos horários com disponibilidade inferior a 20% são identificadas por um código de falhas (adotado como “-999.9”).
O testes de controle de qualidade aplicados para a irradiância foram: (1) Teste de Extremos
(3) Teste de Persistência
2.2.1 Teste de Extremos
O extremo inferior é igual a 0 W/m2. O limite extremo superior foi definidos em função da hora do dia, do dia do mês e do mês do ano, conforme as equações de radiação de céu claro no topo da atmosfera apresentadas na Seção 1.1. O procedimento de cálculo da radiação de céu claro estima a radiação média para um intervalo de 1 hora, isto é a radiação de céu claro indexada em 8h00, corresponde à média do intervalo entre 7h00 e 8h00. No final da tarde, quando o Sol se põe, a radiação de céu claro é nula, mas o sensor ainda mede um pequeno fluxo de energia que se deve à radiação difusa. Adotou-se como limite superior do teste de extremos para o período entre 18h00 e 20h00 o maior valor entre:
(1) radiação de céu claro calculada para as 18h00, 19h00 e 20h00 (2) 50 W/m2
2.2.2 Teste de Persistência
Os dados de irradiância foram considerados suspeitos quando a irradiância permanecer com o mesmo valor durante, pelo menos, cinco horas consecutivas.
2.2.3 Teste de Salto
Um salto é definido como um valor central sendo superior ou inferior aos valores anterior e seguinte. Para saltos superiores ao limite, apenas o valor central foi considerado suspeito. Confirmado que o dado não é bom, considerou-se que o dado é impróprio e se atribuiu o código de falha a esse valor. Parametrizou-se o valor do salto para a irradiância em 500 W/m2.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A descrição das características horárias da irradiância solar global foi efetuada para os 36 postos de observação, em termos de médias anuais e para cada mês do ano, por exemplo, a média das 12h00 foi calculada ao longo do ano e para cada mês. Foi analisado também a distribuição espacial, com o resultado apresentado na forma de mapas mensais, dos valores médios e máximos horários da irradiância solar para as 9h00 e 15h00 local. Neste trabalho serão apresentados os mapas apenas para os valores médios das 15h00 local. As linhas que aparecem nos mapas tratam-se das linhas de transmissão da COPEL. A superposição da rede de transmissão da COPEL ao campo de irradiância solar global permite uma avaliação do regime horário de temperatura dos cabos em resposta à absorção da energia solar.
As Figura 3 e 4 apresentam os mapas de irradiância solar global média horária para cada mês do ano no estado do Paraná. A análise dos mapas revela uma forte variabilidade espacial, e uma variabilidade temporal que reflete o ciclo sazonal. A variabilidade espacial responde ao regime de nebulosidade de cada região, uma vez que, para uma mesma latitude e data, a irradiância solar no topo da atmosfera na faixa de longitude que abrange o Paraná (um único fuso horário) depende muito pouco da longitude. Durante os meses de jan-fev-mar-abr apresentados na Figura 3, verifica-se, na região do litoral os valores mais baixos de radiação global em relação às outras regiões do Estado variando entre 350 W/m2 a 450 W/m2, enquanto na região Oeste varia entre 500 W/m2 no mês de abril a acima de 700 W/m2 no mês de janeiro. Durante o mês de junho, a irradiância solar global média, nas regiões Capital, Litoral e Sul do Paraná se mantêm abaixo de 300 W/m2 Ao longo do ano, estas regiões mostram-se com menor disponibilidade de energia solar em relação à região Oeste e Norte do Paraná.
4 CONCLUSÃO
Os valores de irradiância solar global média mensal para o Paraná apresentados nos mapas referem-se aos registros feitos às 15h00 local entre janeiro de 1998-a dezembro de 2001. Indicam portanto, a variabilidade espacial do potencial de geração de energia fotovoltaica para o estado em uma amostra composta por 3 anos de dados e apenas um horário. A análise dos mapas revela regiões que são potencialmete mais favoráveis ao uso da tecnologia fotovoltaica para geração de energia elétrica. Dentre estas se destaca a região Oeste e Norte do estado. A região do Litoral mostra-se pouco atraente em vista da baixa densidade de fluxo de radiação solar na superfície que se verifica durante todo o ano. Entretanto, a utilização desta tecnologia nesta região pode se apresentar viável em vista da finalidade a que se destina.
Para uma avaliação mais detalhada do potencial de energia fotovoltaica no Paraná sugere-se a análise da série histórica de dados de irradiância solar global máxima e mínima horária.
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
OMETTO, J.C. Estudo da Relação Entre Radiação Solar Global, Radiação Líquida e Insolação. Piracicaba: USP/ESALQ, 1968, 82 p. Tese (Doutorado em Meteorologia) – Curso de Pós-Graduação em
Agrometeorologia, Universidade de São Paulo.1968.
PRATES, J. E.; GUETTER, A.,K.; ZAICOVSKI,M.B.; MENDES,M.A. Mapeamento da Irradiância Solar
Horária para Projetos de Linhas de Transmissão. Curitiba: SIMEPAR, Relatório Técnico 07/2001,2001,80p. SANTOS, C.B. Análise de Sistema Fotovoltaícos para Geração de Energia Elétrica. Florianópolis, UFSC, 136 p.1997, Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Catarina, 1997.
