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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
Declinação solar d – ângulo entre a direcção Terra-Sol e o equador terrestre
Equador
Eixo Polar
Equinócios de Março e
Setembro
+23º
27’
-23º 27’
0º
Trópico de Câncer
Trópico de Capricórnio
7
Declinação solar d – ângulo entre a direcção Terra-Sol e o equador terrestre
+=
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
ssA adfdf coscoscossinsinsin +=
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
ssA adfdf coscoscossinsinsin +=
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
ssA adfdf coscoscossinsinsin +=
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
ssA adfdf coscoscossinsinsin +=
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
ssA adfdf coscoscossinsinsin +=
Coordenadas do sol
Altura solar Equador
16
Equinócio primaveraSolstício verãoEquinócio outonoSolstício inverno0
15
30
45
60
75
90
0 4 8 12 16 20 24
Altura
sola
r
Hora solar
ssA adfdf coscoscossinsinsin +=
Coordenadas do sol
Altura solar círculo polar árctico
17
Equinócio primaveraSolstício verãoEquinócio outonoSolstício inverno0
15
30
45
60
75
90
0 4 8 12 16 20 24
Altura
sola
r
Hora solar
ssA adfdf coscoscossinsinsin +=
Coordenadas do sol
Altura solar pólo norte
18
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
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
(e não houvesse radiação difusa nem reflectida e a absorção fosse igual em todas as latitudes)
Energia recebida do sol ao longo de um dia
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 =
(e não houvesse radiação difusa nem reflectida e a absorção fosse igual em todas as latitudes)
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
(e não houvesse radiação difusa nem reflectida e a absorção fosse igual em todas as latitudes)
Energia recebida do sol ao longo de um dia
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
=
(e não houvesse radiação difusa nem reflectida e a absorção fosse igual em todas as latitudes)
Energia recebida do sol ao longo de um 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
(e não houvesse radiação difusa nem reflectida e a absorção fosse igual em todas as latitudes)
29
1 kW/m2
1 kW/m2cosSIs =
Irradiância depende do ângulo de incidência
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=
Irradiância depende do ângulo de incidência
31
( )( )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 vertical (i = 0)
( )zzssS AAII −= coscos0
Irradiância depende do ângulo de incidência
32
( )( )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 alinhada com o sol(i = As; z = Azs;)
( ) 0220 cossin IAAII ssS =+=
33
Para maximizar exposição solarinclinação deve variar com a latitude
Irradiância depende do ângulo de incidência
Inclinação óptima depende da aplicação
Solstício de Verão
Equinócios
Solstício de Inverno
Irradiância depende do ângulo de incidência
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)
Irradiância depende do ângulo de incidência
Inclinação óptima depende da aplicação
Irradiância depende do ângulo de incidência
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
Espectro radiação solar
( ) 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
Modelos de radiação difusa
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
Modelos de radiação difusa
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 de radiação medidos
Fonte: PVGIS | http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
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
Dados de radiação medidos
Fonte: PVGIS | http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
48
Dados de radiação medidos
Fonte: PVGIS | http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
49
Dados de radiação medidos
Fonte: PVGIS | http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
50
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
Espectro radiação solar
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
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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