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Atlas Brasileiro de Energia Solar 2ª. Edição Revisada e Ampliada Enio Bueno Pereira Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE Centro de Ciências do Sistema Terrestre – CCST [email protected]

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LABREN - Laboratório de Modelagem e Estudos de Recursos Renováveis de Energia

http://labren.ccst.inpe.br

LinhasdePesquisa:• Climaevariabilidadedorecursosolareeólico.

• Previsãodecurtoprazodegeraçãosolareeólica.• EnergiaeMudançasambientaisglobais.

• Observação,caracterizaçãoemodelagemdosrecursossolareeólico.

30/06/16 LABREN2

O LABREN integra o CCST, e realiza atividades de pesquisa e ensino de meteorologia aplicada ao setor de energia e sobre os impactos das energias no sistema climático através do emprego de dados de satélite, modelagem computacional e observações de campo.

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Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar, 2006 Fonte: PVGIS http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/, 2012

Níveis de irradiação solar no Brasil comparado com a Europa (Alemanha é o país que mais utiliza geração de energia elétrica com tecnologia solar)

>32% da capacidade PV mundial

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Avaliação da disponibilidade de energia solar em áreas de grande extensão

ü  Utilização de uma rede de radiômetros distribuídos estrategicamente sobre a região de interesse em conjunto com a aplicação de técnicas de interpolação das medidas de radiação

ü  Uso de modelos computacionais para determinação de estimativas da radiação solar incidente por meio de relações empíricas ou da solução da equação de transferência radiativa na atmosfera

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Documentaçãodisponível

30/06/16 Revisão:inicia@vasanteriores5

• As fontes de informação

disponíveis são na maior parte iniciativas dos governos de estado (contratos com prestadores de serviço)

• A maioria baseada em interpolações de dados medidos em estações meteorológicas automáticas em superfície

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DadosmedidosXdadosmodelados

30/06/16 Textodorodapéaqui6

Modelos de meteorológicos, modelos de transferência radiativa, redes neurais, etc...

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Análise Comparativa Rede de Radiômetros X Modelo numérico satelital

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5,9 kWh/m²

Grandesdiferençasnopotencialsolar

10/11/2015 Revisão:inicia@vasanteriores8

5,00 kWh/m²

Interpolaçãotemrepresenta;vidaderestrita

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ClassificaçãodosModelosNuméricos

•  Modelos Estatísticos –  utilizam formulações empíricas entre medidas de radiação incidente e

condições locais –  validade restrita à região estudada

•  Modelos Físicos –  solucionam a equação de transferência radiativa por meio de

parametrização dos processos radiativos que ocorrem na atmosfera –  necessidade de conhecimento de condições meteorológicas para

parametrização dos processos radiativos na atmosfera: propriedade ótica das nuvens e o perfil dos constituintes atmosféricos como aerossóis, vapor d�água, ozônio e outros gases atmosféricos

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•  Modelos Estatísticos –  utilizam formulações empíricas entre medidas de radiação incidente e

condições locais –  validade restrita à região estudada

•  Modelos Físicos –  solucionam a equação de transferência radiativa por meio de

parametrização dos processos radiativos que ocorrem na atmosfera –  necessidade de conhecimento de condições meteorológicas para

parametrização dos processos radiativos na atmosfera: propriedade ótica das nuvens e o perfil dos constituintes atmosféricos como aerossóis, vapor d�água, ozônio e outros gases atmosféricos

ClassificaçãodosModelosNuméricos

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Satélites GeoestacionáriosMapa de cobertura da superfície da Terra

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Princípiogeraldosmodelossatelitais

E sup↓

Etoa ↓

Esolo€

As × E sup↓€

Eatm

Etoa ↑

E sup↓= Etoa ↓−Etoa ↑−Eatm( ) 1− As( )

Etoa ↓= Etoa ↑+Eatm + Esolo

Esolo = E sup↓× 1− As( )

mas

isolando

E sup↓

Duas incógintas e

Eatm

As

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ModeloBRASIL-SR

ü As nuvens são o principal fator de modulação da transmitância atmosférica;

ü Emprega dados climatológicos mensais da atmosfera como entrada para definir as propriedades da atmosfera;

ü Assume que a transmitância atmosférica se distribui linearmente entre o estado de totalmente encoberto e o céu claro:

τcloud < τ < tclear

ü Essa condição equivale a:

E$sur = k {E#toa}

modelo físico espectral de transferência radiativa na atmosfera

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ü O fluxo radiativo incidente, E$sur , é calculado pela equação:

E$sur = E#toa{( τclear – τcloud )(1 – Ceff ) + τcloud }

ü Ceff é a cobertura efetiva de nuvens que é obtida pela análise estatísitica dos pixeis das imagens de satélite, L:

Ceff = L - Lclear / Lcloud – Lclear

ü  O cálculo de τclear e τcloud constitui a principal parte do modelo e é realizado pelo método "Two-Stream” com as seguintes premissas:

²  Divide a atmosfera em 30 níveis verticais ²  Para cada camada se atribui os valores climatológicos em fnção dos dados de

superfície; ²  O intervalo de integração pelo método vai de 0 a 4 µm, dividido em 135

subintervalos.

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DiagramadeblocosdomodeloBrasil-SR

15

Atla

s Br

asile

iro d

e En

ergi

a So

lar

atmosféricos como aerossóis, vapord’água, ozônio e outros gasesatmosféricos.

Várias técnicas foram desenvolvidaspara obtenção da solução exata daequação de transferência radiativa.Dentre elas pode-se citar os métodosque utilizam harmônicos esféricos,ordenadas discretas, técnica de MonteCarlo e diferenças finitas [12]. Estastécnicas necessitam um tempocomputacional elevado, inviabilizandoseu uso operacional. Como alternativa,foram desenvolvidos métodosaproximados que demandam umtempo computacional muito menor epossibilitam a obtenção de estimativasconfiáveis de irradiação solar parautilização operacional e rotineira.

O modelo BRASIL-SR é um modelofísico para obtenção de estimativas daradiação solar incidente na superfícieque combina a utilização daaproximação de “Dois-Fluxos” nasolução da equação de transferênciaradiativa com o uso de informaçõesclimatológicas e parâmetrosdeterminados a partir de imagens desatélite [13]. O modelo BRASIL-SR foidesenvolvido com base no modeloIGMK de autoria de pesquisadores doGKSS Forschungszentrum e descritopor Stuhlman et al. [14]. A Figura 4mostra o fluxograma dos procedi-mentos executados para obtenção dasestimativas de irradiação solarutilizando o modelo BRASIL-SR. Aobtenção da estimativa do fluxo deradiação solar incidente na superfície é dividida em três etapas:

! tratamento dos dados climatológicos e das imagens de satélite;

! solução da equação de transferência radiativa utilizando aaproximação de “Dois-Fluxos” [15];

Several techniques were developedto obtain the exact solution of theradiative transfer equation. Amongthem, the methods which use sphericalharmonics, discrete ordinates, theMonte Carlo technique and finitedifferences [12] can be pointed out.These techniques require a longcomputational time and impose aheavy demand of computing memory,which precludes their operational use.As an alternative, approximate methodswere developed that demand lesscomputing requirements and allowobtaining reliable solar radiationestimates for operational and routinepurposes.

The BRASIL-SR model is a physicalmodel to obtain solar radiationincidence estimates on the surface thatcombines the "Two-Stream" approachto solve the radiative transfer equationalong with climate data and satelliteimages [13]. The BRASIL-SR model isbased on the IGMK model originallydeveloped at the GKSSForschungszentrum and described byStuhlman et al. [14]. Figure 4 shows theflowchart of procedures carried out toobtain solar radiation estimates usingthe BRASIL-SR model. This procedureis divided into three phases:

! assimilation of climate and satellite data;

! solution of the radiative transfer equation using the "Two-Stream" approach [15];

! calculation of each solar radiation components (global, directand diffused).

. Fluxograma domodelo de transferênciaradiativa BRASIL-SR.

. Flowchart of theBRASIL-SR radiative transfermodel.

15

Atla

s Br

asile

iro d

e En

ergi

a So

lar

atmosféricos como aerossóis, vapord’água, ozônio e outros gasesatmosféricos.

Várias técnicas foram desenvolvidaspara obtenção da solução exata daequação de transferência radiativa.Dentre elas pode-se citar os métodosque utilizam harmônicos esféricos,ordenadas discretas, técnica de MonteCarlo e diferenças finitas [12]. Estastécnicas necessitam um tempocomputacional elevado, inviabilizandoseu uso operacional. Como alternativa,foram desenvolvidos métodosaproximados que demandam umtempo computacional muito menor epossibilitam a obtenção de estimativasconfiáveis de irradiação solar parautilização operacional e rotineira.

O modelo BRASIL-SR é um modelofísico para obtenção de estimativas daradiação solar incidente na superfícieque combina a utilização daaproximação de “Dois-Fluxos” nasolução da equação de transferênciaradiativa com o uso de informaçõesclimatológicas e parâmetrosdeterminados a partir de imagens desatélite [13]. O modelo BRASIL-SR foidesenvolvido com base no modeloIGMK de autoria de pesquisadores doGKSS Forschungszentrum e descritopor Stuhlman et al. [14]. A Figura 4mostra o fluxograma dos procedi-mentos executados para obtenção dasestimativas de irradiação solarutilizando o modelo BRASIL-SR. Aobtenção da estimativa do fluxo deradiação solar incidente na superfície é dividida em três etapas:

! tratamento dos dados climatológicos e das imagens de satélite;

! solução da equação de transferência radiativa utilizando aaproximação de “Dois-Fluxos” [15];

Several techniques were developedto obtain the exact solution of theradiative transfer equation. Amongthem, the methods which use sphericalharmonics, discrete ordinates, theMonte Carlo technique and finitedifferences [12] can be pointed out.These techniques require a longcomputational time and impose aheavy demand of computing memory,which precludes their operational use.As an alternative, approximate methodswere developed that demand lesscomputing requirements and allowobtaining reliable solar radiationestimates for operational and routinepurposes.

The BRASIL-SR model is a physicalmodel to obtain solar radiationincidence estimates on the surface thatcombines the "Two-Stream" approachto solve the radiative transfer equationalong with climate data and satelliteimages [13]. The BRASIL-SR model isbased on the IGMK model originallydeveloped at the GKSSForschungszentrum and described byStuhlman et al. [14]. Figure 4 shows theflowchart of procedures carried out toobtain solar radiation estimates usingthe BRASIL-SR model. This procedureis divided into three phases:

! assimilation of climate and satellite data;

! solution of the radiative transfer equation using the "Two-Stream" approach [15];

! calculation of each solar radiation components (global, directand diffused).

. Fluxograma domodelo de transferênciaradiativa BRASIL-SR.

. Flowchart of theBRASIL-SR radiative transfermodel.

Modelo Brasil-SR

Dados de entrada

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Exemplo de dados de entrada

Topografia na resolução do píxel de 30 metros (Shuttle Radar

Topography Mission - SRTM)

Temperatura oC

Umidade relativa

%

Topografia m

Dados de meteorológicos mensais foram obtidos de estações automáticas nacionais interpolados pelo método Krigging e com valores médios entre 1999 e 2015

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AtlasBrasileirodeEnergiaSolar–1ªEdição

10/11/2015 AtlasBrasileirodeEnergiaSolar–Edição201517

INPE/UFSC,2006

Publicado em 2006 pelo INPE foi o pioneiro com emprego de técnicas modernas empregando dados satelitais e modelos de transferência radiativa.

http://sonda.ccst.inpe.br/publicacoes/atlas_solar.html

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PrimeiraediçãodoAtlasBrasileirodeEnergiaSolar

30/06/16 AtlasBrasileirodeEnergiaSolar–Edição201518

Características: •  Baseado em 10 anos de dados satelitais da

sér ie GOES en t re 1995 a 2005 e empregando dados climatológicos de entrada

•  Resolve equações de t ransmitância atmosférica através do modelo BRASIL-SR (INPE-UFSC)

Deficiências •  Não trata adequadamente a questão dos

aerossóis (muito importante na época das queimadas e para DNI)

•  Fraca resolução temporal da maioria das imagens de satélite;

•  Viés relativo médio de 6% e RMS médio de 15%

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a) Dia de céu clarob) Dia encobertoc) Dia com queimadas

Petrolina SONDA site

Questãodosaerossóis

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SegundaediçãoampliadaerevisadadoAtlasBrasileirodeEnergiaSolar–Previsão2016

30/06/16 AtlasBrasileirodeEnergiaSolar–Edição201520

Melhorias: •  Série de imagens satelitais mais longa (16

anos)

•  Melhoria no modelo de transferência radiativa BRASIL-SR

•  Melhoria na parametrização e assimilação de dados de aerossóis

•  Melhoria na base de dados climatológicos de entrada

•  Aumento nos dados de validação em superfície

•  Menor incerteza nos dados de saída

•  Melhor representação da variabilidade decadal INPE UFSC UNIFESP IFSC

2ª E

diçã

o

Enio Bueno PereiraFernando Ramos Mar ns

Ricardo RütherSamuel Luna de Abreu

(Brazilian Atlas of Solar Energy)

ATLAS BRASILEIRO

DE

ENERGIA SOLAR

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IrradiânciaGlobal

Plano inclinado igual a latitude local

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Variabilidadesazonal(GHI)

Razão entre o desvio quadrático médio e a média da GHI na estação do ano

Vsaz! =

!! ,! − !saz ²!!!!!!

!!!saz

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Irradiânciadifusa

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Irradiânciadiretanormal Dez-Fev Mar-Mai

Jul-Ago Set-Nov

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Validaçãodemodelos–levantamentodeincertezasSONDAredenacionaldecoletadedadosradiométricoseanemométricos

30/06/16 AtlasBrasileirodeEnergiaSolar–Edição201525

http://sonda.ccst.inpe.br

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Validaçãodosdados(479estaçõesválidas)• Viézmédio+2%(6%)• RMSmédio11%(15%)• R2médio89%

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DistribuiçãodoRMS(%)(desvioquadrá@comédiorela@vo)

!"#$ = !"#$ !! − ! !

!

!

!!!

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Distribuiçãodoviésrela@vo(%)

!"É! = !! − !!

!

!!!

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DistribuiçãodoCoeficientedecorrelação

! = !! − ! !! − !!!!!

√ ! − !!!!! . !! − !!

!!!

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Previsãoderadiaçãosolarü  Ajuste de saída de modelo meteorológico (WRF) com emprego de rede neural artificial (RNA)

ü  Treinamento da RNA realizado com dados de irradiância ou de produção local

ü  Previsões são empregam metodologias distintas para escalas de tempo distintas

modelo radiativo

modelo mesoescala

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Algunsresultadosparaprevisãode24horas

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Previsãoderadiaçãosolar

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Porqueinves@remenergiasolar?

30/06/16 Textodorodapéaqui33

Fonte: Perez et al. 2000

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10/11/201534

http://labren.ccst.inpe.br/

Contribuição da Rede Brasileira de Pesquisas sobre Mudanças Climáticas Globais, convênio FINEP/ Rede CLIMA 01.13.0353-00 e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) para Mudanças Climáticas, financiado pelo projeto CNPq Processo 573797/2008-0 e FAPESP Processo 2008/57719-9.

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30/06/16 AEquipe35

•  Enio B. Pereira, D.Sc. Pesquisador Coordenação F í s i c o , D o u t o r e m Geociências (Rice University, EUA, 1980)

•  André R. Gonçalves, M.Sc. Tecnologista Eng. Aeronáutico, Mestre em Meteorologia (INPE, Brasil, 2011)

•  Rodrigo S. Costa, D.Sc. Tecnologista Meteorologista, Doutor em Meteorologia (INPE, Brasil, 2012)

•  Jefferson Gonçalves, Bel. Programador Bacharel em Computação Científica (UNITAU, Brasil, 2008)

•  Silvia V. Pereira, Bel. Especialista GIS e Design Bacharel em Desenho Industrial (Escola de Belas Artes de São Paulo, Brasil, 1997)

•  Marcelo P. Pes, D.Sc. Pesquisador DTI Físico, Doutor em Ciência do Sistema Terrestre (INPE, Brasil, 2015)

•  Francisco Lima, D.Sc. Pesquisador DTI Físico, Doutor em Meteorologia (INPE, Brasil, 2015)

•  Venize A. Teixeira, M.Sc. Desenvolvimento Meteorologista, Mestre em Ciências Ambientais (UFPA, Brasil, 2010)

•  Fernando Ramos Martins, D.Sc. Pesquisador, UNIFESP Físico, Doutor em Geofísica Espacial (INPE, Brasil, 2001)

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OsEstudantes

30/06/16 OsEstudantes36

•  Eduardo W. Luiz, M.Sc. Doutorando, CCST Meteorologista, Mestre em Meteorologia (INPE, Brasil, 2011)

•  Maria Francisca Velloso, M.Sc. Doutoranda, CCST Meteorologista, Mestre em Eng. Mecânica (COPPE, Brasil, 2009)

•  Lucía C. Pinto, M.Sc. Doutoranda, CCST Meteorologista, Mestre em Meteorologia Agrícola (UFV, Brasil, 2007)

•  Fabiana Lourenço e Silva Ferreira Diutoranda, CCST Arquiteta, Mestre em Engenharia de Sistemas Prediais (USP, 2003)

•  Guilherme M. Neves Mestrando, LAC Baicharel Engenharia Metalúrgica (UFF, 2007)

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OsColaboradores

30/06/16 OsColaboradores37

•  José C. Thomaz, Bel. Pesquisador, LIM /CPTEC/ INPE Físico

•  Samuel L. de Abreu, D.Sc. Professor, IFF-SC Eng. Mecânico, Doutor em Eng. Mecânica (UFSC, Brasil, 2003)

•  Sylvio L. Mantelli, D.Sc. Pesquisador colaborador, INPE / UFSC Eng. Elet. Eletrônico, Doutor em Eng. do Conhecimento (UFSC, Brasil, 2003)