INSTALAÇÃO E MONITORAMENTO DE UMA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA DE SUPERFÍCIE AUTOMÁTICA EM UMA PLANTA PILOTO BIOCLIMÁTICA

INSTALAÇÃO E MONITORAMENTO DE UMA ESTAÇÃO

METEOROLÓGICA DE SUPERFÍCIE AUTOMÁTICA

EM UMA PLANTA PILOTO BIOCLIMÁTICA

Milena Paim da Silva - milena_paim@hotmail.com Roderval Marcelino - roderval.marcelino@ufsc.br

Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Araranguá

1. Energía solar y aplicaciones fototérmicas y fotovoltaicas

Resumo. Os sistemas fotovoltaicos apresentam maturidade tecnológica, confiabilidade e desempenho, viabilidade e competitividade. A característica modular do gerador fotovoltaico permite versatilidade na instalação de usinas fotovoltaicas de geração centralizada e na integração arquitetônica harmoniosa às edificações de sistemas fotovoltaicos de geração distribuída. Para realizar o dimensionamento de um sistema fotovoltaico é fundamental conhecer o recurso solar disponível para garantir a previsibilidade de geração de energia elétrica

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1 INTRODUÇÃO

A avaliação de qualidade do potencial do recurso solar e eólico é um fator que interfere diretamente na tomada de decisão para a implementação de sistemas fotovoltaicos ou eólicos, como a definição do local para o melhor aproveitamento, da melhor tecnologia, da estratégica de logística e transporte e também da adequação as condições ambientais (IMPERIAL; PEREIRA, 2014).

A utilização de sistemas fotovoltaicos para geração de energia elétrica vem crescendo rapidamente, influenciada pela redução de preços dos diferentes componentes, maturidade e confiabilidade tecnológica e principalmente a partir da regulamentação, normatização e incentivos governamentais à energia solar. Esta condição permite uma inserção sólida e gradual da energia solar fotovoltaica na matriz energética brasileira contribuindo para a diversificação da mesma, uma vez que esta é fortemente dependente da geração de energia hídrica.

Para tal, o domínio da tecnologia e dados confiáveis do recurso solar são imprescindíveis. A estimativa do recurso solar é fundamental para garantir a confiabilidade da previsão de energia elétrica convertida por um sistema fotovoltaico e consequentemente, fornecer, uma análise de viabilidade financeiro-econômico correta. Este ciclo garante confiabilidade para investidores de empreendimentos de possíveis instalações de UFV (Usina Fotovoltaica) e até mesmo sistemas de geração fotovoltaica de pequeno porte.

Contudo, a importância de analisar dados solarimétricos de diferentes fontes, a fim de obter resultados confiáveis, é de fundamental importância para que a geração de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos se consolide. A medição in loco do recurso solar a partir de estações solarimétricas ou meteorológicas se justifica plenamente para usinas fotovoltaicas, entretanto para geração distribuída com sistemas fotovoltaicos pode-se utilizar fontes diversas disponíveis. A economicidade e confiabilidade dos sistemas solares são influenciados pela qualidade dos dados de irradiação solar, isso é válido para qualquer tamanho de sistema. Para o dimensionamento correto dos sistemas, ou seja, para o dimensionamento que atenda o cliente de forma mais econômica e confiável e que dê credibilidade ao sistema são necessárias informações confiáveis sobre o recurso solar no local da instalação. (FILHO; CARVALHO; METIDIERI, 2014). A precisão dos dados permite agregar confiabilidade e qualidade aos sistemas solares, influenciando no preço da energia gerada por estes sistemas. (TIBA et al., 2014). Muitos trabalhos abordam o tema da radiação solar, suas características (FORNARI et. al., 2014; INÁCIO et. al., 2016; SANTOS et. al., 2012 e TIBA et. al., 2016).

Neste contexto, o objetivo deste trabalho é apresentar a importância do monitoramento de variáveis meteorológicas, as tecnologias envolvidas no processo de medição e o projeto de implantação e monitoramento de uma estação meteorológica automática de superfície (Projeto DATAMET) no Campus Araranguá da Universidade Federal de Santa Catarina. A estação meteorológica está instalada em uma planta piloto bioclimática e os dados estão disponível em

2 FUNDAMENTAÇÃO

Existe a tendência de crescimento do uso de energias renováveis devido, o caráter emissor e finito das fontes fósseis de energia, e à diminuição progressiva do custo das tecnologias de energias renováveis, tornando-as competitivas na geração de energia elétrica, como é o caso da energia eólica e energia solar fotovoltaica. A avaliação do potencial dos recursos é o princípio para o desenvolvimento e a viabilização dos investimentos na área da energia eólica e solar (IMPERIAL; PEREIRA, 2014).

Ao chegar na atmosfera terrestre, a radiação solar interage com constituintes presentes na atmosfera. (SOUZA et al., 2012). As nuvens são o principal constituinte da atmosfera que interage com a radiação solar, atenuando-a. Em virtude desta interação o recurso solar apresenta característica estocástica (ANDRADE; TIBA; FRAIDENRAICH, 2012). Além das nuvens, os aerossóis e os gases presentes na atmosfera também influenciam na radiação solar. Esta interação entre atmosfera e radiação apresenta consequências como a formação de ventos, variação da temperatura e da umidade relativa, ou seja, a interação reflete no tempo e no clima de uma certa localidade (SOUZA et al., 2012).

As condições meteorológicas, como a nebulosidade, alteram o espectro solar incidente. O espectro solar varia em função da presença de aerossóis, espessura da camada de ar e outras variações ambientais (FORNARI et al., 2014). Portanto, o estudo e medições da radiação solar na superfície se apresenta relevante pela alta variedade de valores que pode existir dependendo da influência dos vários fatores atmosféricos. (SOUZA et al., 2012).

A aquisição de dados sobre a radiação solar incidente apresenta importância para os setores como a economia, política e meio ambiente. Países utilizam as informações coletadas sobre o recurso solar para o desenvolvimento de políticas para o melhor aproveitamento desta forma de energia renovável (PAI; ESCOBEDO, 2012).

O conhecimento das características climatológica e meteorológica de uma dada região é importante para a confiabilidade e desenvolvimento de projetos que utilizam a energia solar nesta região (LUIZ et al., 2012). Devido a variação climática significativa de um ano para o outro, a geração de um Ano Meteorológico Típico para a região representado por um longo período de dados é crucial para o setor energético. Com os dados do Ano Meteorológico Típico, aplica-se os conhecimentos climatológicos da região para procedimentos como avaliação, projeto, desenvolvimento e operação de plantas de geração a partir de fontes renováveis. Ou seja, os dados são aplicados em modelos para a avaliação do comportamento esperado de um sistema ou uma planta no local estudado. (LUIZ et al., 2012).

A coleta de dados é necessária para a realização de projetos de sistemas solares devido aos aspectos como o reconhecimento dos melhores locais para a utilização da energia solar, a predição da produção energética anual, mensal ou diária e a previsão do desempenho temporal e estratégicas operacionais (TIBA et al., 2014).

Os estudos do potencial do recurso solar são fundamentais para a utilização em grande escala e a alta difusão da conversão da energia solar em energia elétrica ou térmica. (TIBA et al., 2014).

O recurso solar é o principal aspecto para a construção de uma usina solar, depois seguem os aspectos como a disponibilidade de terreno, proximidade da linha de transmissão, e o acesso para o transporte dos equipamentos do sistema. (TIBA et al., 2014).

A predição da produção de energia considerando as variabilidades estocásticas inter-anuais da radiação solar é crucial para o cálculo da energia gerada, influenciando diretamente na viabilidade econômica do empreendimento. A predição da produção sazonal é importante para traçar estratégicas operacionais e de integração do sistema elétrico interligado, como por exemplo a complementaridade da energia solar com a energia hidráulica na região da Bacia do Rio São Francisco. (TIBA et al., 2014)

A avaliação do recurso solar e eólico é passo fundamental e decisivo na etapa inicial de desenvolvimento de projetos de sistemas fotovoltaicos e eólicos, respectivamente. A caracterização do recurso solar e eólico permite estimavas precisas de índices energéticos e econômicos, essenciais no plano de negócios de viabilidade de projetos de energia solar e eólica.

Os Serviços Meteorológicos Nacionais observam o tempo e o clima de forma contínua, fornecendo um fluxo regular de dados que são transmitidos ao redor do mundo com o propósito de previsões e planejamento. As observações e dados ajudam a criar produtos e previsões. Desta maneira, pode-se fornecer serviços confiáveis e efetivos para apoiar a segurança de propriedades e vidas, bem como o bem-estar geral da população. Exemplos são operações seguras, regulares e eficientes de aviação, agricultura, pesca e segurança alimentar, segurança marítima, monitoramento de recursos hídricos e avisos antecipados de desastres naturais e preparação da comunidade. Em média, uma previsão de cinco dias hoje é tão confiável como uma previsão de dois dias vinte anos atrás. Apesar desse progresso científico, desafios permanecem e a precisão de previsões individuais ainda varia significantemente. Os desafios incluem caracterizar e comunicar as incertezas mutáveis em previsões individuais e avançar na habilidade de previsão em áreas onde o progresso tem sido difícil (INMET, 2016).

3 MATERIAIS E MÉTODOS

O Laboratório de Pesquisa Aplicada (LPA) e o Núcleo Tecnológico de Energia Elétrica (NTEEL) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Campus Araranguá, desenvolvem pesquisas em diversas áreas do conhecimento. Em uma das linhas de atuação dos pesquisadores pode-se destacar a caracterização e avaliação do recurso e potencial solar e eólico. As pesquisas são desenvolvidas a partir de dados fornecidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) que é um órgão do Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento e dentre suas principais funções está em prover

informações meteorológicas à sociedade brasileira. O INMET tem uma rede de estações meteorológicas distribuídas em todas as regiões brasileiras abrangendo grande parte do território do país (Fig. 1). A cidade de Araranguá, localizada no sul de Santa Catarina tem uma estação meteorológica da rede INMET (Fig. 2). A rede INMET também disponibiliza imagens de satélite que fornecem informações fundamentais para estudo dos fenômenos meteorológicos. A Fig. 3 apresenta uma imagem de satélite da região sul do Brasil em uma data e horário específicos.

Figura 1 – Estações meteorológicas de observação de superfície automática da rede INMET.

Figura 2 – Estação meteorológica Araranguá da rede INMET.

A partir destas informações é possível fazer estimativas e previsões de curto prazo do tempo. A previsão do tempo é fundamental em diversas áreas do conhecimento e para a sociedade em geral. A Fig.4 apresenta a previsão do tempo para o estado de Santa Catarina, no sul do Brasil, a partir da rede INMET em um período específico.

Figura 4 – Previsão do tempo da rede INMET.

Entretanto, para a avaliação e caracterização local de recursos naturais também é utilizada instrumentação própria composta por uma estação meteorológica, piranômetros térmicos e células de referência para medição da radiação solar. Os sistemas de instrumentação têm acompanhamento automático a partir de sistema de aquisição e estão instalados em uma planta piloto bioclimática.

A estação meteorológica (Fig. 5) tem sensores para medição das seguintes variáveis: radiação solar global horizontal, velocidade e direção de vento, pressão atmosférica, umidade relativa, temperatura ambiente, precipitação, entre outras. Todas as medições provenientes dos sensores são armazenadas automaticamente em um datalogger. Posteriormente estas informações são enviadas a um servidor e armazenadas em um banco de dados.

A planta piloto bioclimática também tem instalados outros medidores de radiação solar (Fig. 6), um piranômetro e duas células de referência que medem a radiação solar global no plano horizontal, no plano inclinado (30 graus) e no plano vertical.

Figura 6 – Medidores de radiação solar.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

O projeto arquitetônico da planta piloto apresenta diversas características de bioclimatologia. A bioclimatologia estuda as relações entre o clima e o ser humano. As principais variáveis climáticas são a radiação solar, a temperatura, a umidade e a velocidade de vento (LABEEE, 2007). As estratégias bioclimáticas se, corretamente utilizadas durante a concepção do projeto da edificação, podem proporcionar condições de conforto térmico adequadas e redução no consumo de energia. Os temas a respeito do ambiente, das alterações climáticas, dos limites ao uso de recursos não renováveis e das necessidades energéticas, tornaram-se centrais tanto ao nível internacional como na vida cotidiana das pessoas que cada vez mais preferem lugares para viver e trabalhar que sejam um modelo de sustentabilidade, bem-estar e eficiência energética.

Existem diversas estratégias bioclimáticas que comumente utilizam a carta psicométrica como referência. A condição resultante da combinação das variáveis climáticas define a estratégia bioclimática adequada para proporcionar conforto térmico. A ventilação é uma estratégia de resfriamento natural da edificação, sendo que as soluções arquitetônicas comumente utilizadas são ventilação cruzada e ventilação da cobertura. A utilização desta estratégia reduz a necessidade da utilização do resfriamento artificial, ou seja, a utilização do sistema de condicionamento do ar e por consequência, a redução do consumo de energia elétrica. O resfriamento artificial deve ser utilizado quando as estratégias de ventilação, resfriamento evaporativo e massa térmica não são suficientes para proporcionar as condições desejadas de conforto térmico (LABEEE, 2007).

Para a condição de baixa temperatura do ar, pode-se a adotar a estratégia de aquecimento solar passivo que pode ser conseguido a partir da orientação adequada da edificação. A cidade de Araranguá apresenta as quatro estações ao longo do ano e, portanto, o controle da entrada de radiação solar ao longo do ano pode ser obtido com a utilização de fachadas e brises adequados. O aquecimento artificial por meio do sistema de condicionamento de ar só deve ser utilizado quando a estratégia de aquecimento solar passivo não é suficiente para garantir as condições de conforto térmico desejadas. A Fig. 7 apresenta as fachadas norte e sul da planta piloto bioclimática. Guerra (2016) e Espíndola (2016) apresentam informações detalhadas do projeto e desenvolvimento da planta piloto bioclimática.

Diversas aplicações técnicas e atividades econômicas desenvolvidas pela sociedade prescindem de conhecimentos básicos do clima e tempo, de seus elementos e fatores. É possível afirmar que a dinâmica social está atrelada ao conhecimento cotidiano das variações do tempo atmosférico, marcadamente nas aplicações que estejam diretamente relacionados a esta dinamicidade, a exemplo da produção de energias alternativas e da agricultura. O recurso solar pode ser classificado como elevado praticamente em todo o território nacional e os valores de irradiação solar médios mensais ou anuais são bem conhecidos e estão suficientemente caracterizados. A estimativa do recurso solar é imprescindível para garantir a operação adequada da planta FV. Entretanto para estimativas específicas da geração de energia elétrica de sistemas ou plantas em operação é necessário considerar fatores de microescalas relacionados a variabilidade temporal de condições meteorológicas que podem ser encontradas ao longo de toda extensão territorial brasileira.

O Brasil tem procurado superar as barreiras do desenvolvimento e inserção da energia solar fotovoltaica a partir de conjunto de ações de diversos agentes institucionais no âmbito regulatório, normativo, tributário, de pesquisa e desenvolvimento e de fomento econômico. A regulação do setor elétrico desempenha o importante papel de orientar os investimentos em diferentes fontes de energias em função das necessidades energéticas do país, incentivando o desenvolvimento de mercado para diferentes áreas, como é o caso da energia solar fotovoltaica. Para que esta fonte de energia limpa e considerada infinita se desenvolva no Brasil é fundamental implantar iniciativas e políticas governamentais. Levar em conta as vantagens que a energia solar tem em relação a outras fontes de energia, como a questão da geração distribuída, é um passo importante e necessário para auxiliar na disseminação da energia solar fotovoltaica no Brasil.

É amplamente aceito que a diversificação da matriz elétrica brasileira, assim como em qualquer outro país, é fundamental para suprir a demanda de energia sem grande aumento nos preços e diminuir ao máximo a chance de falhas no suprimento de energia. Existem várias opções possíveis com relação a fontes de energia sendo que dentro das possibilidades, a energia solar fotovoltaica pode surgir como uma alternativa importante.

Diversas ações governamentais, tais com as resoluções normativas da ANEEL e os Leilões de Energia para fonte solar foram realizadas nos últimos anos com a finalidade de impulsionar o mercado fotovoltaico no Brasil. A utilização de fontes renováveis de geração de energia surge como alternativa para a redução dos impactos ambientais dos combustíveis fósseis e para o suprimento de parte da demanda crescente de energia elétrica. Um dos problemas para o crescimento da participação destas fontes na matriz de energia são os altos custos tecnológicos agregados a estas fontes de energia, tornando algumas destas inviáveis economicamente. Para que estas barreiras sejam superadas tornando-as competitivas são necessários incentivos governamentais e investimento em pesquisa e desenvolvimento.

A previsibilidade da radiação solar em curto prazo é fundamental para a estimativa de geração de energia elétrica de uma planta fotovoltaica em operação. A estimativa em curto prazo da geração de energia elétrica é necessária para garantir e facilitar o gerenciamento do operador do sistema. A inserção de fontes energéticas provenientes de recurso que apresenta natureza estocástica, na matriz elétrica exige um novo conceito de gerenciamento do sistema interligado nacional. O operador nacional do sistema necessita ter uma previsão de curto prazo da energia elétrica que será produzida pelas usinas fotovoltaicas para que ações possam ser antecipadas garantindo o fornecimento de energia. Para desenvolver modelos de previsibilidade é essencial garantir a qualidade de dados e informações que alimentam estes modelos.

Na planta piloto bioclimática foi instalada uma estação meteorológica de observação de superfície automática. Os registros das variáveis meteorológicas monitoradas pela estação podem ser encontrados na seguinte plataforma web:

http://webtemp.plantapiloto.ufsc.br/. O layout inicial da plataforma web é apresentado na Fig. 8. O tempo de integralização dos registros é de 15 minutos, entretanto este tempo é ajustável.

O usuário também pode visualizar registros armazenados no banco de dados selecionando a variável e período de medição. A Fig. 9 e a Fig. 10 apresentam o menu de seleção de variáveis disponíveis ao usuário e a seleção do período a ser visualizado. Os dados das variáveis meteorológicas podem ser visualizados por meio de tabelas e/ou gráficos.

Figura 9 – Menu de seleção de registros de variáveis meteorológicas.

Figura 10 – Layout de visualização de leitura do sensor selecionado.

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A inserção da energia solar fotovoltaica na matriz elétrica brasileira se apresenta como uma realidade tanto na geração distribuída quanto na geração centralizada. Sistemas fotovoltaicos integrados na geração distribuída exigirão extremo conhecimento da tecnologia por porta das concessionárias de energia que necessitarão reformular suas práticas de gerenciamento de energia. Por outro lado, a geração centralizada com sistemas fotovoltaicos exigirá novos conceitos de avaliação e despacho de energia por parte dos operadores do sistema interligado nacional, inclusive considerando também as características peculiares de outras fontes, como a energia eólica. O gerenciamento da energia elétrica demandada pelo sistema interligado exigirá ferramentas de alta tecnologia, essencialmente na previsibilidade de curto de prazo de plantas de geração de energia que apresentam natureza intermitente do seu recurso energético.

O artigo apresentou uma discussão sobre a importância da caracterização e medição do recurso solar para previsibilidade da geração de energia elétrica em plantas fotovoltaicas em operação. O presente trabalho descreve a instalação e monitoramento de uma estação meteorológica de superfície automática em uma planta piloto bioclimática na cidade de Araranguá-SC, no campus da Universidade Federal de Santa Catarina. Uma plataforma web para divulgação

de registros de variáveis meteorológicas provenientes da estação foi desenvolvida e está disponível gratuitamente ao usuário interessado.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo auxílio financeiro.

REFERÊNCIAS

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Abstract. Photovoltaic systems present technological maturity, reliability and performance, viability and competitiveness. The modular characteristic of the PV generator allows versatility in the installation of photovoltaic plants and building integrated photovoltaic systems. For the design of a PV system is crucial to know the solar resource to predict the electricity generation. The solar radiation data from different sources can present significant dispersion. This paper presents technical information on the installation of a weather station and the development of an online assessment tool. The weather station is installed in a pilot plant bioclimatic and data are used to evaluate the thermal and energy performance of the building and are also available on a website. From the solar radiation data, it is possible to characterize and to predict the local solar resource.