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How to cite this paperAn. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006
Iluminância e irradiação solar global na região Nordeste do Brasil
Sergio da S Leal; Chigueru Tiba
Departamento de Energia Nuclear da Universidade Federal de Pernambuco, Av. Prof. Luiz Freire, 1000 - CDU - CEP 50.740-540, Recife, PE, Brasil, Tel.:+5581 3453 6019, Fax: +55 81 32718250. Email: tiba@ufpe.br ou chigueru.tiba@pesquisador.cnpq.br
RESUMO
No Brasil e particularmente no Nordeste do Brasil, as medidas da iluminância não fazem parte da rotina de medidas das estações meteorológicas e assim, são ainda mais raras do que medidas sobre irradiação solar. Neste contexto duas estações foram instaladas em Pernambuco, uma em Recife (clima tropical marítimo) em abril de 2003 e outra em Pesqueira (semi-árido) em setembro de 2004 para realizar medidas simultâneas da irradiação solar diária e iluminância que permitissem a modelagem e a validação estatística da relação entre esses dois parâmetros e com isso possibilitar a estimativa da iluminância onde houvesse somente informações sobre irradiação solar. Foram analisados os modelos de Alados et al. com coeficientes de regressão múltipla calculados localmente e Perez et al. com coeficientes de regressão múltiplas originais e locais. Embora modelo de Alados et al. tenha sido proposto para determinação da eficiência luminosa para radiação PAR, o mesmo mostrou um desempenho estatístico semelhante ao de Perez, produzindo um viés da ordem de 3% e 1% e desvios médios quadráticos de 10% e 3% respectivamente para Recife e Pesqueira.
Palavras Chaves: Iluminância, Regressão múltipla, Modelagem, eficiência luminosa e Relação entre irradiação solar global e Iluminância global.
ABSTRACT
In Brazil and particularly in the Northeast of Brazil, illuminance measures are not part of routine meteorological station measures, and therefore they are still rare than solar irradiation measures. In this context, two stations were installed in Pernambuco: one in Recife (maritime tropical climate) in April 2003 and the other in Pesqueira (tropical and semi-arid) in September 2004 for carrying out simultaneous measurements of hourly solar irradiation and illuminance which permit the modeling and the statistic validation of the relationship between these two parameters and with this, makes possible the estimation of illuminance where there existed only information on solar irradiation. The Alados et al. model with local coefficients showed a superior statistical performance, producing a mean bias deviation in the order of 3% and 1% and root mean quadratic deviation of 10% and 3% respectively for Recife and Pesqueira.
1. Introdução
A iluminação natural é considerada uma importante alternativa para se obter uma redução significativa no consumo de energia elétrica em prédios comerciais. Estudos mostram que a maior parte do consumo elétrico em prédios comerciais está relacionado diretamente aos condicionadores de ar e iluminação artificial. Por ser considerada eficiente, a iluminação natural pode ser aproveitada para iluminação interna de prédios comerciais, reduzindo a carga elétrica e térmica relacionada à iluminação artificial, e por sua vez, a carga elétrica dos condicionadores de ar.
Contudo, para elaboração de projetos que utilizem a iluminação natural, é necessária a obtenção de dados referentes a iluminância e irradiação solar da região em foco para que desta forma, seja possível se determinar o nível de contribuição de iluminação natural ótimo, no interior do recinto, possibilitando uma verdadeira redução no consumo de energia elétrica. Pesquisas realizadas no Brasil (Tiba et al.,2004) mostram porém, que os dados de irradiação para esta região são escassos e os dados de iluminância são mais raros ainda. A alternativa para essa situação é a estimação mediante o uso de outras variáveis meteorológicas mais comuns e disponíveis na localidade de interesse.
Por ser um dado menos escasso que a iluminância solar, a irradiação solar pode ser útil como uma fonte geradora de informações sobre a iluminação natural por meio do conhecimento do fator eficiência luminosa, que é definido como sendo a relação entre a iluminância solar (lm/m2) pela irradiação solar (W/m2).
ηL, Vλ e Iλ, são respectivamente: o fator eficiência luminosa solar global, a sensibilidade espectral do olho humano no intervalo de comprimento de onda compreendido entre 380 a 780 nm e a irradiação solar global. E e I são a iluminância e irradiação solar global medidos em escala horária. Conhecendo-se então, o fator eficiência luminosa de uma determinada região, é possível calcular a iluminância solar de uma outra, com características climáticas semelhantes, uma vez que se tenha dados referentes a irradiação solar desta outra região.
A eficiência luminosa, por sua vez, depende das condições climáticas locais como: pressão atmosférica, ângulo de elevação solar, turbidez e água precipitável. Os modelos empíricos propostos por Perez et al. e Alados et al, foram testados e validados para regiões de características climáticas diferentes da região Nordeste do Brasil.
2. Materiais e Métodos
2.1 Estações de medidas e parâmetros
Na Tabela 1 são mostradas as estações de medidas da iluminância e irradiação solar global, suas coordenadas geográficas, caracterização climática e período de medidas.
As medidas foram realizadas no plano horizontal, em escala de minuto. Os sensores utilizados para as medidas da iluminância e irradiação solar total foram os modelos LI-210SA e LI-200SA ambos fabricados pelo LICOR. Conforme informações da LI-COR (2005) esses sensores tem um erro de calibração de ±5% e uma deriva máxima anual de ±2% assim podemos esperar um erro experimental da relação entre a iluminância horária e irradiação solar horária da ordem de 10%, após um ano da instalação dos sensores. Os sensores foram acoplados a um sistema de aquisição de dados da CAMPBELL, modelo CR-10X.
A caracterização do céu foi feita conforme Perez et al. (1990) onde se define ε (índice de transparência atmosférica de Perez) e Δ (índice de brilho do céu) como:
Id , Ib e I0 são respectivamente irradiação solar difusa, direta e extraterrestre, Z o ângulo zenital em radianos, k constante igual a 1,041 e m a massa de ar.
A quantidade de água precipitável W(cm) foi estimada mediante:
onde, Td é a temperatura de orvalho e foi estimada conforme ParoScientific (2004) mediante o conhecimento da temperatura ambiente e umidade. As temperaturas ambientes e umidades obtidas de estações meteorológicas próximas com intervalos de 3 horas foram completadas mediante interpolação horária com splines cúbicos.
A relação entre a irradiação solar difusa e total foram obtidas para Recife com medidas feitas com dois piranômetros Eppley PSP sendo um deles munido de uma banda de sombra. Para o caso da estação de Pesqueira essa relação foi calculada mediante a correlação de Erbs et al. (1982).
2.2 Metodologia e comparação estatística
As séries de medidas horárias para Recife e Pesqueira foram divididas em dois períodos distintos conforme a Tabela 2. O primeiro período foi utilizado para a obtenção dos parâmetros locais da regressão múltipla e o segundo para a aferição dos modelos.
A acurácia dos modelos foi determinada usando indicadores estatísticos clássicos como viés ou desvio médio (DM) e desvio médio quadrático (DMQ).
3. Modelos para a relação entre a iluminância e irradiação global
3.1 Modelo de Perez et al. original
Trata-se de um modelo desenvolvido por Perez et al. (1990) construído e testado com valores locais dos Estatos Unidos para determinar a iluminância solar.
onde E é a iluminância solar global horária, I é a irradiação solar global horária e a, b , c e d são constantes a serem determinadas por uma regressão múltipla.
A equação (5) foi parametrizada para oito valores de índices de transparência de céu ε resultando em oito equações para o cálculo da eficiência luminosa, conforme Tabela 3.
3.2 Modelo de Perez local
Com o objetivo de aperfeiçoar o modelo de Perez original e torná-lo local para todas as condições de céu, foi realizada uma nova regressão múltipla com dados locais, resultando em uma única equação para determinar o fator eficiência luminosa.
3.3 Modelo de Alados
O modelo empírico proposto por Alados et al. (1996) foi testado e validado para Almeria-Espanha, um local situado no Hemisfério Norte em clima temperado (36,830 N, 2,410 L).
onde E é a iluminância solar global horária, I é a irradiação solar global horária, Td é a temperatura de orvalho e α é o ângulo de elevação solar.
4. Resultados e Discussões
4.1 Medidas experimentais
A relação entre o fluxo luminoso, que é a potência luminosa total irradiada por uma fonte de luz no espectro compreendido entre 380 a 780 m, e a superfície sobre a qual este fluxo incide denomina-se de iluminância ou iluminamento.
Vλ e Iλ são respectivamente: a sensibilidade espectral do olho humano no intervalo de comprimento de onda compreendido entre 380 a 780 nm e a irradiação solar global. O fator 683 é um fator de normalização cujo valor é resultante de um fluxo radiante de 1W para o comprimento de onda 555 nm.
As medidas experimentais da iluminância, E e irradiação solar horária, I , em função da altitude solar, para todas as condições do céu e no período de abril de 2003 a março de 2005 para Recife e de setembro de 2004 a dezembro de 2004 para Pesqueira (LEAL, 2006) podem ser vistas nas Figuras 1 e 2 .
Resultado da modelagem da relação entre a iluminância e irradiação solar para todas as condições do céu
Por razões de simplicidade os modelos serão denominados da seguinte forma: o modelo de Perez et al. com coeficientes originais como Perez 1, o mesmo modelo com coeficiente locais Perez 2 e Alados et al. simplesmente de Alados. As expressões resultantes são (LEAL, 2006):
Perez 1 (Coeficientes originais)
Para Recife e Pesqueira foram aplicadas as oito equações propostas por Perez, conforme Tabela 3
Perez 2 (Coeficientes Locais)
Alados (Coeficientes Locais)
As Figuras 3, 4 e 5 mostram respectivamente o desempenho dos modelos de Perez et al. com coeficientes originais e locais e Alados para Recife e Pesqueira respectivamente. Cabe ressaltar novamente que os modelos foram testados com séries temporais independentes (que não foram utilizados na obtenção dos coeficientes locais) conforme discriminados na Tabela 2.
Para uma melhor apreciação do desempenho estatístico dos modelos citados, foram calculados os desvios médios (viés) e desvios médios quadráticos que podem se vistos na Tabela 4.
5. Conclusões
O modelo de Alados et al. (originariamente elaborado para radiação PAR e adaptado para iluminância neste trabalho) mostrou um acurácia de predição da iluminância horária em nível bastante aceitável na medida que estão dentro do intervalo de erros das medidas experimentais. Os sensores de Pesqueira completaram um ano de operação e portanto considerando uma deriva anual de ±2% os erros experimentais na relação E/I seria de 10% e no caso de Recife considerando uma deriva de ±4% em 2,0 anos de operação os erros experimentais resultaria em 13%. Para duas regiões climaticamente bastante distintas um tropical úmido (Recife) e outro tropical semi-árido (Pesqueira) tanto o modelo de Perez como o Alados, previram a iluminância para Pesqueira aproximadamente com DM de 1% e DMQ de 3% e para Recife com um DM de 3% e DMQ de 10%. A utilização desses modelos com a irradiação solar horária seja medida ou estimada, permitirá conhecer o valor correspondente da iluminância em uma região vizinha (com similaridades climáticas e fitogeográficas) a Recife e Pesqueira (num raio aproximado de 200 Km) ampliando desta foram de modo significativo e o conhecimento da illuminânciana região.
Agradecimentos
Agradecemos o apoio recebido pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico, CNPq.
Referências
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Perez R., Ineichen P., Seals R., Michalsky J. and Stewart R. (1990). Modeling daylight availability and irradiance components from direct, and global irradiance, Solar Energy 44, 5, 271-289.
Tiba C., Fraidenraich N., Grossi Gallegos H. and Lyra F. J. M. (2004). CD ROM Atlas Solarimétrico do Brazil, Renewable Energy 29, 6, 991-1001.