Services
How to cite this paperAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Estimativa da irradiação difusa em estufas de polietileno nas orientações leste-oeste e norte-sul
Emerson Galvani; João Francisco Escobedo; Marcelo A. de Aguiar e Silva
Departamento de Recursos Naturais, FCA-UNESP, C.E.P. 18603-970, Caixa Postal 237, Botucatu, SP
RESUMO
No trabalho são descritos os níveis da irradiação difusa diária externa e interna em duas estufas de polietileno (100 mm), tipo túnel, nas orientações Leste-Oeste (L-O) e Norte-Sul (N-S). Durante o ano de 1996, a irradiância difusa (W.m-2) foi monitorada, nos três meios, pelo método do anel de sombreamento (Piranômetro Eppley; diâmetro 80 cm, largura 10 cm e latitude 㪮o 54'). Na aquisição dos dados, utilizou-se um Datalogger programado na frequência de 1 Hz e armazenando médias de 300 leituras. Os valores integrados diários das irradiações (MJ.m-2) nos dois meios mostraram que a relação média é dependente da declinação solar: quando o sol declinou no hemisfério sul (elevado nível de nebulosidade), a irradiação difusa externa foi superior a interna, nas duas estufas; quando o sol declinou no hemisfério norte (baixo nível de nebulosidade), a irradiação difusa interna as estufas foi superior a do meio externo. Entre as duas estufas não se constatou diferença estatística nos níveis médios mensais de irradiação.
Palavras-chave: irradiância difusa, estufas, modelos.
ABSTRACT
In this work is shown simple linear equations to estimate daily diffuse radiation inside and outside of two polyethylene (100 mm of thickness) tunnel greenhouses, oriented at East-West and North-South direction. During the year of 1996 diffuse irradiance (W.m-2) were measured using an Eppley-PSP piranometer, shaded by a ring. Irradiance values were integrated to find the daily values of diffuse radiation. It was found that, for relatively high values of diffuse outside the greenhouse, the corresponding inside values were always lower while the converse occurred when the outside values were relatively low. Is was concluded that, under the climatic conditions of Botucatu/SP-Brazil and for greenhouse with characteristics similar to those used in this experiment, monthly average daily diffuse radiation inside the greenhouse were not dependent on the greenhouse orientation but a function of the sky condition. It was also concluded that a simple linear equation can be used, with good accuracy, in the estimation of daily diffuse radiation inside de greenhouse from measurements taken outside.
INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas o cultivo em ambientes protegidos com o objetivo de obter produtos agrícolas de melhor qualidade e sem apresentar variação sazonal na produção, tem aumentado consideravelmente, não só em nível de países desenvolvidos, como também em países ditos em vias de desenvolvimento, a citar o exemplo do Brasil. Considerando a localização geográfica do território nacional, o uso de ambientes protegidos cobertos com filmes plásticos ou sombrite, apresenta uma dupla função. A primeira delas vale para as regiões Sul e Sudeste, atuando como regulador da temperatura, diminuindo o efeito danoso causado por baixas temperaturas em algumas culturas, propiciando a produção no período denominado de entressafra. Para as demais regiões do Brasil esses ambientes propiciam um maior controle da quantidade de água sobre a cultura, assim como, protegem de chuvas de intensidade elevada, granizo e estresse provocado pela ação direta dos ventos.
Quando se objetiva o conhecimento de parâmetros físicos e agrometeorológicos, entre eles a irradiação difusa, em ambientes protegidos surge uma nova dificuldade: a orientação da estufa. É sabido que a quantidade de energia por unidade de área e tempo, é função, entre outros fatores, do ângulo de incidência da radiação solar sobre essa superfície. Assim, as estufas orientadas diferentemente apresentaram ao longo do ano quantidades de energia também diferentes, em função do movimento aparente do sol no sentido leste oeste, da variação da declinação solar ao longo do ano e do aspecto construtivo dessa casa de vegetação. Essa variação da quantidade de energia propiciará alterações no balanço de radiação e energia, influenciando outros parâmetros como temperatura e umidade do ar e do solo.
A densidade de fluxo da radiação solar global é menor em condições de estufas quando comparada àquela obtida externamente, devido a reflexão e a absorção do material da cobertura (Seemann, 1979; Kurata, 1990, Aragon et al., 1998), contudo a componente difusa pode ter seus valores acrescidos no interior de estufas plásticas (Faria et al. 1993) devido ao efeito dispersante do plástico. Este efeito é bastante desejável uma vez que a radiação difusa é mais efetiva para a fotossíntese, pois é multidirecional e penetra melhor através do dossel da cultura, o que pode compensar, em parte, a opacidade do filme plástico à radiação solar (Martinez Garcia, 1978; Prados, 1986). Ricieri et al., (1994), trabalhando com radiação global e difusa externa e em estufas orientadas 39o45'NE, concluíram que a transmissividade média da radiação solar é de 56,21% para a fração global e 55,04% para a fração difusa. Ainda esses autores concluem que as componentes global e difusa podem ser estimadas com boa precisão em função das componentes externas, através dos seguintes modelos de regressão linear: Gint = 0,64 * Gext - 31,99 e Hdint = 0,52 * Gext + 9,01, com coeficientes de determinação iguais a 93,56% e 80,80%, respectivamente.
O objetivo do presente trabalho é apresentar modelos diários anuais e sazonais de estimativa da irradiação difusa nas condições climáticas de Botucatu, São Paulo, Brasil, considerando estufas orientadas no sentido leste-oeste e norte-sul.
MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi conduzido junto a Estação de Radiometria Solar da UNESP de Botucatu (latitude: 22o 54' Sul, logitude: 48o 27' Oeste e, altitude de 786m). Uma das estufas foi orientada no sentido norte-sul geográfico e a outra unidade orientada em ângulo de 90o em relação a esta, ou seja, montado no sentido leste-oeste. Ambas as estufas apresentaram as seguintes características: tipo túnel, cobertura de polietileno de 100 mm, largura de 5,0 m e comprimento de 7,0 m e, altura no centro de 3,4 m. A área externa apresentou dimensões semelhantes àquelas estabelecidas para o meio interno (figura 1).
Dispostos centralizados em cada uma das parcelas experimentais foram instalados três piranômetros que apresentaram durante o período de medidas as seguintes constante: Kdext = 8,17, KdL-O = 9,68 e KdN-S = 8,94 m V.W-1.m-2 , onde os prefixos ext, L-O e N-S representam a constante do piranômetro instalado no meio externo, na estufa leste-oeste e norte-sul, respectivamente. A irradiância difusa foi medida através de anel de sombreamento com relação geométrica de 0,25 (Burek et al, 1988). O diâmetro do anel de sombreamento foi de 0,80 m e 0,10 m de largura, inclinado no sentido norte com ângulo igual a latitude do local (f = -22o 54'), conforme mostra figura 2a. A irradiância difusa foi corrigida em função do fator de correção (figura 2b) citado por Melo & Escobedo (1993):
Onde: b é a largura do anel (cm), R é o raio do anel (cm), d e a declinação solar (rad), f é a latitude do local (rad), z é o angulo zenital (rad) e w o ângulo horário no pôr do sol (rad).
Foi utilizado na aquisição de dados um micrologger da Campbell, Inc., modelo 21X, operando na frequência de 1Hz, com médias armazenadas em intervalos de 5 minutos.
Os modelos anuais e sazonais diários e horários foram gerados através de regressão linear sendo a variável dependente (x) a irradiação difusa quantificada em condição externa e a variável independente (y) a irradiação difusa nas condições de estufas orientadas no sentido leste-oeste e norte-sul. Os modelos foram validados em uma série de dados independentes, monitorados no ano de 1998 em condições semelhantes àquelas que geraram os modelos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
1. VARIAÇÃO MENSAL DA IRRADIAÇÃO DIFUSA
A figura 3 mostra as médias mensal das irradiações difusa externa (Hd)ext e internas as estufas nas orientações leste-oeste (Hd)L-O e norte-sul (Hd)N-S durante o ano de 1996.
O comportamento das irradiações difusa fora e dentro das estufas seguem em média a irradiação que incide no topo da atmosfera. Os máximos valores ocorreram durante o mês de dezembro com médias da ordem de 10,25 MJ.m-2 para o meio exterior e 9,5 MJ.m-2 para a condição interior em ambas as estufas. O valores mínimos ocorreram nos meses de junho e julho com média de 3,25 MJ.m-2 para o meio exterior e 4,50 MJ.m-2 para o interior.
A figura 3 mostra uma alternância da irradiação difusa entre os ambientes interno e externo em função da limpidez atmosférica. Quando o sol declinou no hemisfério sul (primavera/verão) a irradiação difusa externa é igual ou maior as irradiações difusa interna em ambas orientações (L-O e N-S), e quando o sol declinou para o hemisfério norte (outono/inverno) a irradiação difusa externa foi menor do que as irradiações difusas no meio interno. Tal fato ocorre porque durante o período de primavera e verão os valores da razão de insolação local é baixo, o que caracteriza elevado nível de irradiação difusa e baixo nível de irradiação direta. No período de outono e inverno a razão de insolação é alta e, portanto, baixo nível de irradiação difusa e elevado de irradiação direta.
No período de baixa nebulosidade ou elevados valores de razão de insolação (outono e inverno), a componente direta apresenta-se proporcionalmente maior do que a difusa e na interação com a cobertura de polietileno observa-se um fracionamento maior da irradiação direta, transformando-a em componente difusa, o que pode ser observado nos meses de abril a agosto com valores energéticos superiores ao meio externo. Por outro lado, elevados valores de nebulosidade (primavera e verão) condicionam valores de irradiação direta proporcionalmente menores que a difusa. Na interação o polietileno tem seus efeitos diminuídos participando somente na absorção da irradiação e muito pouco na difusão, mantendo-se, assim os níveis de irradiação difusa interna menores ou iguais do que os externos, como podemos observar nos meses de setembro a março.
Entre as estufas com orientações leste-oeste e norte-sul não observou-se diferença estatísticas significativas nas irradiações difusas médias, estando as diferenças dentro da margem de erro dos equipamentos utilizados nas medidas.
2. MODELOS ANUAIS DIÁRIOS DE ESTIMATIVA DE IRRADIAÇÃO DIFUSA
Os valores de irradiação difusa integrada em escala diária medidos em meio externo foi relacionado através de regressão linear com aqueles obtidos em condição de estufa orientados no sentido leste-oeste e norte-sul, obtendo-se os seguintes modelos.
Os modelos apresentados apresentam coeficientes a e b muito próximos, evidenciando a não existência de diferença estatística significativa nos níveis de irradiação difusa entre as estufas orientadas no sentido leste-oeste e norte-sul. Os coeficientes de correlação (R) e desvio padrão (SD) apresentaram-se na ordem de 0,921 e 0,909, 0,934 e 0,992, respectivamente, para as estufas leste-oeste e norte-sul.
3. MODELOS SAZONAIS DIÁRIOS DE ESTIMATIVA DE IRRADIAÇÃO DIFUSA
Em função da variação do comportamento anual da irradiação difusa dentro e fora de estufas de polietileno, ou seja, em determinado período do ano os valores se alternam ora com difusas internas mais elevadas que as externas (outono-inverno) e vice-versa (primavera-verão) conforme mostrado na figura 5, relacionou-se as irradiações em períodos distintos, sendo o período de primavera-verão compreendido entre os dias 23/09 a 21/03 e outono-inverno entre 22/03 a 22/09, lembrando sempre que os modelos foram gerados para a condição de situação geográfica no hemisfério sul.
Período entre 23/09 a 21/03 (primavera-verão):
Período entre 22/03 a 22/09 (outono-inverno):
Os coeficientes b dos modelos acima apresentam-se com média de 0,46 e 0,51, para os períodos de primavera-verão e outono-inverno, respectivamente. Este coeficiente representa a média da trasmissividade do polietileno a componente de irradiação difusa. Observa-se, portanto, valor maior do coeficiente b no período de outono-inverno o que pode estar associado ao fato deste período do ano apresentar razão de insolação elevada, ou seja, grande número de dias com ausência de cobertura de nuvens, aumentando a importância do polietileno na difusão da fração direta da radiação solar.
Os coeficientes de correlação dos modelos sazonais (outono-inverno e primavera-verão) não apresentaram valores superiores àqueles obtidos com a geração dos modelos anuais, assim como, também não houve diferença significativa entre as diferentes orientações (leste-oeste e norte-sul), dessa maneira pode-se fazer uso, apenas, do modelo anual de estimativa de irradiação difusa independente da orientação.
4. VALIDAÇÃO DO MODELO ANUAL
O modelo de estimativa da irradiação difusa anual foi validado em relação a uma série de dados obtidos em estufa semelhante àquela obtida na geração dos modelos. Os dados foram obtidos em estufa com orientação norte-sul geográfico no ano de 1998, totalizando 244 dias de coletas de dados. Pode-se observar razoável boa relação entre valores medidos e estimados através do coeficiente de correlação (R=0,855) e desvio padrão (SD=1,018), conforme mostrado na figura 7a. A figura 7b mostra a relação entre irradiação solar global medida e estimada dentro de estufas de polietileno a partir da irradiação externa. Observa-se boa relação entre valores medidos e estimados, o que não é observado para a irradiação difusa, assim propõe-se como continuidade do trabalho a estimativa da irradiação difusa a partir dos valores de kd (irradiação difusa pela global) quantificados dentro e fora de estufa.
CONCLUSÕES
Para as condições construtivas da estufa e climáticas locais, pode-se conhecer com razoável precisão o valor da irradiação difusa a partir de medidas obtidas em condição externa, independente da orientação e da sazonalidade a partir de um único modelo de estimativa anual, considerando que os níveis de irradiação difusa não diferem quanto a orientação das estufas.
AGRADECIMENTOS
O primeiro agradece a FAPESP (Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo, Brasil) por intermédio dos processos de números 96/08974-7.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ARAGON, L.C., ESCOBEDO, J.F., FRISINA, V.A., CUNHA, A.R. Balanço de radiação total e de ondas curtas em estufas de polietileno, nas orientações leste-oeste e norte-sul. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE BIOMETEOROLOGIA, 2, Goiânia, 1998. Anais... Goiânia, Sociedade Brasileira de Biometeorologia, 1988, p.184-190.
[2] BUREK, S.A.M., NORTON, B., PROBERT, S.D. Analitical and experimental methods for shadow-band correction factors for solarimeters on inclined planes uder isotropically diffuse and overcast skies. Solar Energy, v.40, n.2, p.151-160, 1988.
[3] FARIA, J.R.B., BERGAMASCHI, H., MARTINS, S.R., BERLATO, M.A. Efeito de cobertura plástica de estufa sobre a radiação solar. Revista Brasileira de Agrometeorologia, v.1, n.1, p.31-36, 1993.
[4] KURATA, K. Role of reflection in light trasmissivity of greenhouse. Agricultural and Forest Meteorology, v.52, p.319-331, 1990.
[5] MARTINEZ GARCIA, P.F. Características climáticas de los invernadores plásticos. Madrid: Instituto Nacional de Investigaciones Agrárias – INIA, 1978, 43p. Hoja Técnica, 19.
[6] MELO, J.M.D. de, ESCOBEDO, J.F. Radiações global, direta e difusa em dias de céu aberto. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA , 22, Ilhéus, 1993. Anais... Ilhéus, Sociedade Brasileira de Engenharia Agrícola, 1993, p. 751-765.
[7] PRADOS, N.C. Contribuición al estudio de los cultivos enarenados en Almeria: necessidades hídricas y extración del nutrientes del cultivo de tomate de crescimento indetemrinado en abrigo de polietileno. Almeria, 1986, 195p. Tesis (Doutorado em Fitotecnia), Caja Rural Provincial, Almeria, 1986.
[8] RICIERI, R.P.; ESCOBEDO, J.F.; MELO, J.L. de. Trasmissividade das radiações solar global e difusa em estufas de polietileno. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 8, Belo Horizonte, 1994. Anais... Sociedade Brasileira de Meteorologia, Belo Horizonte, 1994, p. 381-5.
[9] SEEMANN, J. Greenhouse Climate. In: Seemann, J. et al., Agrometeorology. Berlin Heidelberg, Germany: Springer-Verlag. 1979, p. 165-178.
Endereço para correspondência
Emerson Galvani
e-mail: galvani@fca.unesp.br
