An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Caracterização da energia solar disponível na região do lagamar, município de Cananéia

 

 

Daniel Jordão de Magalhães Rosa; Roberto Zilles

Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia - PIPGE/USP. Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos Instituto de Eletrotécnica e Energia. Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-900 São Paulo-SP tel: (11) 3091 2657. e-mail: djmr@iee.usp.br

 

 

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RESUMO

A necessidade de possuir dados de irradiação solar confiáveis para dimensionar sistemas fotovoltaicos para fins de eletrificação rural é óbvia. No entanto, para o estado de São Paulo a existência de dados adequados é bastante escassa. O presente trabalho visa preencher esta lacuna oferecendo dados de irradiação global diária média mensal em superfície horizontal. Para obtenção de valores da irradiação global em plano inclinado a partir de valores de irradiação em superfície horizontal propõe-se uma correlação, adaptada à climatologia e a localização geográfica, que permite a estimação da proporção da irradiação difusa em superfície horizontal. O trabalho experimental centra sua atenção na cidade de São Paulo e no Vale de Ribeira, na costa sul do Estado de São Paulo. Esta última área, localizada no município de Cananéia, possui baixos índices eletrificação rural e grande potencial de utilização de sistemas fotovoltaicos para suprir demandas de residências isoladas. Adicionalmente, o trabalho apresenta a instrumentação e o procedimento usado para obtenção de dados.

Palavras chave: Energização Rural; Sistemas Fotovoltaicos;Recurso Solar; Radiação Solar em Superfície Inclinada

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ABSTRACT

Despite the fact that the need for an adequate solar irradiation database is obvious to design photovoltaic rural electrification, the current availability in São Paulo is rather scarce. To transpose from horizontal to tilted surface values the work proposes a correlation specifically adapted to the geographical site and local climatology allowing the estimation of the diffuse fraction of the global irradiation. The work focus attention in São Paulo city and Ribeira Valley, on the southern coast of the State of São Paulo. This last area, located on the municipal district of Cananéia, has low rural electrification index and great potential of PV systems use to solve households electricity demands. This paper, in addition includes a short description of the experimental set-up and the instrumentation.

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INTRODUÇÃO

O conhecimento do recurso solar disponível é fundamental quando se pensa na instalação de um sistema fotovoltaico. Cada vez mais, esses sistemas vem mostrando a sua adequação para a aplicação em eletrificação rural, constituindo uma excelente opção para disponibilizar pequenas quantidades de energia elétrica. Seu caráter modular mostra-se bastante adequado para enfrentar a problemática da grande dispersão da população rural e das diferenças de demanda para cada caso.

Apesar de existirem estimativas indicando números maiores, segundo os dados oficiais existem hoje no Brasil cerca de 14 milhões [1] de pessoas que não dispõe de energia elétrica. A maior parte desse enorme contingente de pessoas sem acesso à energia elétrica está no campo. Das 5,8 milhões de propriedades rurais do país somente 1,6 milhão (27,5%) estão ligadas à rede elétrica, segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). Em geral, no meio rural se necessita de energia para suprimento de água (consumo e irrigação), conservação de alimentos e produtos, aquecimento e tratamento de água, etc, além do próprio uso residencial. O suprimento energético convencional não tem sido capaz de atender estas demandas de maneira universalizada. A alternativa é a geração descentralizada com fontes de energia disponíveis localmente, o que possibilita soluções mais adequadas e de menor custo global. Nesse sentido, a geração fotovoltaica apresenta-se como uma excelente opção técnica.

Por outro lado, de acordo com os métodos de análise econômica tradicionais, os sistemas fotovoltaicos representariam uma alternativa muito cara não sendo, portanto, uma boa opção do ponto de vista econômico. Geralmente, essas análises são realizadas em termos do custo da energia, comparando-se o preço do kWh com o do kWh em um sistema convencional de distribuição de energia já funcionando. Mas se todos os custos forem internalizados, incluídos aí os sociais e ambientais e os da não sustentabilidade de certas opções, a energia fotovoltaica passa a ser também uma boa opção do ponto de vista econômico.

Assim, passa a ser muito importante desenvolver uma metodologia para seleção das melhores opções de eletrificação rural com energia fotovoltaica abrangendo estudos relativos ao recurso solar disponível, à localização das comunidades e suas características sócio-econômicas, às alternativas de configuração dos sistemas, à avaliação da demanda atual e sua previsão de crescimento. O conhecimento da energia solar que pode ser aproveitada em cada época do ano é de fundamental importância para um correto dimensionamento de um sistema de geração fotovoltaica. Do contrário, é grande o risco de se instalar um sistema deficiente e que não consiga fornecer a energia demandada ou um sistema sobredimensionado e, logicamente, mais caro.

A energia solar é a que chega até nós proveniente do sol. O sol pode ser considerado um corpo a aproximadamente 6000 ºC. Podemos considerar que existem três formas de troca de calor: a condução, a convecção e a radiação. Como há vácuo entre o sol e a Terra e as duas primeiras formas de troca de calor citadas necessitam de um meio físico para ocorrer, só chega energia do sol até nós como radiação solar. Essa radiação, ao alcançar a atmosfera terrestre, sofre uma série de interações. Assim, uma parte dela é refletida de volta para o espaço. Da que não é refletida, uma parte é absorvida ou espalhada na atmosfera. A radiação que, por fim, consegue atingir o solo, pode ser absorvida ou refletida. Assim, a energia solar que chega em um determinado ponto da superfície terrestre (irradiação global) pode ser dividida em: irradiação direta, que é a que vem diretamente da circunferência solar; irradiação difusa, que é a espalhada pela matéria da atmosfera; albedo, que é a irradiação refletida pelo solo (figura 1). São dados relativos a essas três formas de irradiação, principalmente as duas primeiras, que se necessita quando se quer aproveitar a energia solar.

 

 

Dados de insolação, ou seja, o número de horas de sol, estão disponíveis para muitas localidades. Este dado permite, através da correlação de Page, calcular a irradiação solar sobre superfície horizontal. No entanto, o uso dessa correlação exige o conhecimento de dois coeficientes que dependem das condições climáticas da localidade. Em geral, esses coeficientes não são conhecidos e acaba-se tendo de utilizar dados imprecisos ou recorrer a dados de outras regiões, o que invariavelmente gera valores de irradiação solar não confiáveis para fins de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos.

Dessa maneira, é muito importante a obtenção de séries históricas de dados de irradiação solar (energia incidente em uma certa área em um determinado período de tempo) para o maior número possível de localidades. Esses dados, hoje em dia, são obtidos em poucos lugares. No Brasil, país que dispõe de grande área com alta incidência de energia solar, a carência de uma rede de obtenção de séries de dados confiáveis é evidente.

Já quando se dispõe de dados de irradiação, eles são para plano horizontal. Como os geradores fotovoltaicos são instalados com uma determinada inclinação, para se dimensionar corretamente um sistema fotovoltaico é necessário transformar os dados de irradiação de plano horizontal para plano inclinado. Alguns modelos, como o de Liu & Jordan [2], o de Hay [3] ou o de Klucher [4], foram desenvolvidos para se fazer esse cálculo mas, para tanto, é necessário se saber a proporção da energia solar que chega à superfície terrestre na forma de irradiação difusa isto é, a que é espalhada pelas partículas em suspensão na atmosfera e que chega num determinado ponto da superfície terrestre proveniente de todo o céu.

Modelos empíricos como o de Erbs [5] e o de Collares-Pereira-Rabl [6], por exemplo, estabelecem correlações que permitem calcular a irradiação difusa a partir da irradiação global. Muitas vezes, essas correlações mostram-se inadequadas para outras regiões que não a que serviu de base para seus desenvolvimentos.

O presente trabalho centra suas atenções nos municípios de São Paulo e Cananéia e visa oferecer dados confiáveis de irradiação solar em plano horizontal bem como estabelecer uma correlação que permita estimar a proporção de irradiação difusa, dado necessário para calcular a energia solar disponível em superfícies inclinadas.

 

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Instrumentação

Medir e monitorar a energia solar em diversos locais de maneira a estabelecer uma base de dados que cubra a maior área possível é de fundamental importância. Essa base de dados é necessária por diversos motivos, entre eles:

1) para dimensionar corretamente um sistema para o aproveitamento energético da radiação solar,

2) para testar os modelos teóricos de tratamento matemático da radiação solar ou para a elaboração de novos modelos,

3) para estimar a eficiência de conversão e a performance de equipamentos solares.

Para se assegurar que os dados obtidos são acurados e confiáveis é preciso que se realizem manutenções e calibrações periódicas nos equipamentos de obtenção de dados. Sem esses cuidados, corre-se o risco de se utilizar dados pouco confiáveis.

No presente trabalho, foram utilizados dados que vem sendo obtidos em duas estações com configurações similares, uma localizada em Marujá, município de Cananéia e outra, localizada no Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo - LSF/IEE/USP. Nessas estações, obtém-se os seguintes dados, medidos a cada 10 segundos e registrados em dados horários e diários: temperatura ambiente, umidade relativa do ar, velocidade e direção do vento, irradiação global em plano horizontal, irradiação global em plano inclinado a 30º com a face voltada para o norte e irradiação difusa (na estação localizada no IEE/USP).

Na figura 2 pode ser visto um diagrama esquemático das estações. O módulo fotovoltaico fornece a energia necessária para o funcionamento do sistema automático de coleta de dados. O anemômetro possibilita medidas de velocidade e direção do vento. Os piranômetros fornecem medidas de irradiância (kW/m²) que, integradas no tempo, se transformam em dados de irradiação (kWh/m²). Os dados obtidos no piranômetro com anel de sombreamento são de irradiância difusa enquanto que os dados obtidos nos piranômetros sem anel de sombreamento são de irradiância global.

Um piranômetro, de acordo com a designação recomendada pela Organização Meteorológica Mundial - OMM, é um instrumento concebido para medir a irradiância numa superfície plana qualquer, estando o sensor em condições de receber a radiação no espectro solar proveniente de todo um hemisfério. Para se obter medidas de irradiância difusa, pode-se instalar um anel sombreador que, durante todo o dia, impede que a irradiância direta, ou seja, aquela proveniente da circunferência solar, atinja o piranômetro. Como todo um arco do céu é recoberto e não só o sol, os dados integrados da irradiância difusa, ou seja, a irradiação difusa, precisa ser corrigida por um fator de correção.

Nas estações do Marujá e do LSF são utilizados piranômetros termelétricos que, ao contrário dos piranômetros fotovoltaicos, não apresentam o problema da seletividade espectral de sua resposta, apesar de serem mais caros. Os piranômetros termelétricos usados apresentam um erro de 5% nos dados diários.

Tratamento Matemático

Alguns modelos matemáticos são utilizados no tratamento dos dados de energia solar para se determinar a energia disponível para um correto dimensionamento de um sistema fotovoltaico. Esses modelos podem ser divididos em três tipos: os que convertem dados meteorológicos para valores de irradiação global ou direta; os que convertem dados de irradiação global em plano horizontal para dados de irradiação direta ou difusa em plano horizontal, os que convertem dados de irradiação de plano horizontal para planos inclinados.

Muitos modelos já foram propostos para se estimar a irradiação solar em superfícies inclinadas. Em geral, esses modelos divergem no cálculo da irradiação difusa. A maneira mais simples de se tratar a irradiação difusa é considerá-la isotrópica, isto é, com a mesma intensidade de qualquer direção do céu. Por outro lado, os modelos mais elaborados dividem o céu em diferentes zonas, com níveis de irradiância diferenciados. No presente trabalho, foi utilizado o modelo de Liu-Jordan, expressão (1), que considera a irradiação difusa e o albedo como isotrópicos. Os três termos da expressão (1) são relativos às contribuições da irradiação direta, irradiação difusa e do albedo, respectivamente, para o cálculo da irradiação global no plano inclinado.

Definindo-se que:

• Φ é a latitude do local, podendo variar de -90º (polo sul) a +90º (polo norte)
• β é a inclinação do gerador fotovoltaico
• δ é a declinação, isto é, a posição angular do Sol, ao meio dia, em relação ao plano do equador. Pode variar de -23,45º a +23,45º sendo que valores positivos indicam que o Sol está ao norte do equador
• (β) é a média diária mensal da irradiação global incidente num plano inclinado a β graus, kWh/m².
• é a média diária mensal da irradiação global em plano horizontal, kWh/m².
• _d é a média diária mensal da irradiação difusa em plano horizontal, kWh/m².

Temos:

sendo R_b a razão(β). Para calcular seu valor, pode ser usada a seguinte expressão algébrica (2).

onde:

w_s é o ângulo horário do nascer ou pôr do Sol e é calculado pela expressão (3)

w_s' é dado pela expressão (4)

Os valores da declinação, irradiação extraterrestre, w_s e R_b relativos aos dias médios, necessários para o cálculo das médias diárias mensais de irradiação estão apresentados na tabela 1, bem como o valor dos fatores de correção para a irradiação difusa.

Quando não se dispõe de dados de irradiação difusa em plano horizontal - _d, utilizam-se correlações empíricas para calculá-las. Estas, são expressões que correlacionam o índice de claridade com a proporção de difusa. O índice de claridade - K_t é a relação entre a irradiação incidente na superfície terrestre - e a irradiação no topo da atmosfera - ₀, enquanto que a proporção de difusa é a relação entre a irradiação difusa - _d e a irradiação global - incidentes sobre a superfície terrestre. Assim, modelos como o de Collares-Pereira & Rabl, expressão (5), e o de Erbs et all, expressão (6), entre outros, possibilitam estimar a irradiação difusa a partir de dados de irradiação global.

Com os dados obtidos na estação localizada no LSF, foi possível fazer a comparação, para cada mês, da média diária mensal da irradiação difusa em plano horizontal obtida experimentalmente com a média diária mensal da irradiação difusa calculada a partir dos dados de irradiação global utilizando-se as correlações apresentadas nas expressões (5) e (6).

 

APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS

Os dados coletados na estação do LSF desde agosto de 2000 permitiram o início e o estabelecimento de uma série histórica de dados de irradiação global e irradiação difusa em plano horizontal. A irradiação global está representada no gráfico da figura 3.

 

 

Já na estação do Marujá, os dados vêm sendo coletados desde outubro de 2000. O gráfico da figura 4 apresenta a série histórica dos dados de irradiação global em plano horizontal para essa localidade.

 

 

Nos gráficos das figuras 3 e 4 pode ser observada claramente a dependência sazonal dos dados diários médios mensais de irradiação global, com os meses de inverno apresentando valores diários médios mais baixos.

Com os dados de irradiação diária média mensal obtidos, foi possível se determinar o índice de claridade - K_t e a proporção de difusa - K_d mensais experimentais para cada mês. A tabela 2 e o gráfico da figura 5 apresentam esses resultados e os valores mensais de proporção de difusa calculados pelas correlações de Erbs e de Rabl. As irradiações diárias médias mensais apresentadas são as médias dos dois valores coletados para cada mês desde agosto de 2000 menos para os meses de junho e julho que só foram medidos em 2001.

 

 

 

 

Pode-se observar uma variação entre os três valores de K_d encontrados para cada mês, o observado experimentalmente, o calculado segundo Erbs et all e o calculado segundo Collares, Pereira & Rabl. As correlações de Erbs e de Rabl tendem a gerar valores mensais de K_d maiores dos que os experimentais, principalmente para dias com K_t mais altos, ou seja, para dias mais claros.

Assim, uma nova correlação, expressão (7), foi ajustada aos pontos experimentais obtidos. Um polinômio de grau três, como o proposto por Erbs et all, apresentou um bom ajuste.

Essa correlação empírica aparece ajustada aos pontos experimentais no gráfico da figura 6.

 

 

Observando-se as figuras 5 e 6, pode-se observar um melhor ajuste da correlação proposta, expressão (7), em relação às outras duas.

Assim, de posse dos valores de proporção de difusa medidos e dos valores de proporção de difusa calculados pela correlação de Erbs et all, expressão (6), pela correlação de Collares, Pereira & Rabl, expressão (5) e pela correlação proposta na expressão (7), pode-se calcular as radiações médias diárias mensais em plano inclinado, utilizando-se o modelo de Liu & Jordan. O resultado está apresentado na tabela 3.

 

 

A tabela 4 apresenta os dados de irradiação diária média mensal global obtidos experimentalmente na estação do Marujá (figura 7) e os dados históricos calculados a partir de dados de horas de insolação, visibilidade e transmitância apresentados por Macêdo & Maciel [7]. Esses valores são relativos ao município de Iguape, localidade mais próxima ao Marujá, das presentes no trabalho supracitado.

 

 

 

 

Já as irradiações diárias médias mensais experimentais apresentadas para os meses de outubro, novembro, dezembro, janeiro, fevereiro e março são as médias dos dois valores coletados para cada mês desde outubro de 2000. Para os outros meses, os valores apresentados são relativos ao ano de 2001.

Analisando-se a tabela 4, pode-se observar a enorme discrepância entre os valores diários médios mensais de irradiação difusa em plano horizontal medidos e os valores calculados a partir de dados de horas de sol, estes últimos chegam a ser até 43 % menores do que os obtidos experimentalmente.

A princípio, a estação localizada no Marujá contava também com um piranômetro dotado de anel de sombreamento, para a obtenção de dados de irradiação difusa em plano horizontal. Por dificuldades em manter um ajuste regular do anel para que este esteja sempre posicionado de maneira a encobrir a irradiância direta, o piranômetro foi substituído por um em plano inclinado a 30º para a obtenção de dados de irradiação global em plano inclinado. No caso da estação do LSF se mantém o anel de sombreamento para obtenção de dados de irradiação difusa e incluiu-se também a medida da irradiação em plano inclinado de 30º. O gráfico da figura 8 mostra os dados diários do mês de fevereiro de 2002 obtidos na estação do LSF.

 

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A ética e a luta pela eqüidade social e melhoria de qualidade de vida das populações impulsiona a busca pela universalização do atendimento do serviço energético. Nesse sentido, a energia solar fotovoltaica apresenta-se como uma excelente alternativa por seu caráter modular adaptável as diferentes demandas existentes. No entanto, a implementação do atendimento envolve várias questões.

Em primeiro lugar, é preciso uma análise sobre qual é opção mais adequada para o fornecimento da energia elétrica demandada. Se for o caso da instalação de geradores fotovoltaicos, passa a ser necessário um conhecimento prévio da população a ser atendida, de maneira a gerar um envolvimento e capacitação da comunidade desde a instalação até a operação e manutenção dos equipamentos. Nesse sentido a abordagem proposta por Serpa [8], apresenta-se como uma importante contribuição.

Em segundo lugar, está a dificuldade que sempre aparece quando se quer dimensionar um sistema fotovoltaico para uma residência ou comunidade rural que nunca teve acesso à eletricidade. Essa dificuldade reside no desconhecimento de quanta

energia será necessária para satisfazer a demanda em cada caso. Morante [9], apresenta dados que ajudam a compreender a demanda de domicílios eletrificados com sistemas fotovoltaicos.

Por último, quando se quer dimensionar um sistema fotovoltaico, conhecendo sua eficiência global de conversão, fator de capacidade, necessita-se de informações confiáveis sobre o recurso solar disponível. O presente trabalho se insere nesse contexto buscando caracterizar a radiação solar no Estado de São Paulo.

Analisando os dados obtidos chega-se a conclusão de que os dados históricos de irradiação global em plano horizontal calculados a partir de valores de insolação mostram-se bastante inferiores aos dados obtidos experimentalmente e, ao dimensionar um sistema fotovoltaico a partir daqueles dados, fatalmente teríamos um sistema sobredimensionado e desnecessariamente caro. Isso mostra a importância de ter estações resgistrando medidas de irradiação em plano horizontal ao longo dos anos, com a utilização de piranômetros.

Normalmente para se otimizar a geração durante todo ano, os geradores fotovoltaicos são instalados em plano inclinado (por exemplo, para otimizar a energia coletada nos piores meses do ano, inverno, utiliza-se uma inclinação igual a latitude + 10º). Assim, para se dimensionar um sistema deve-se utilizar dados de irradiação solar para um plano com essa inclinação específica. A obtenção desses dados seria muito onerosa necessitando-se instalar vários piranômetros em cada estação.

Por isso, utilizam-se modelos matemáticos para calcular a irradiação em plano inclinado a partir de dados em plano horizontal. As etapas futuras desse trabalho prevêem, com a coleta de dados diários médios mensais de irradiação global em plano inclinado, a comparação dos diversos modelos existentes.

Por outro lado, em todos esses modelos são necessários dados de irradiação difusa que são obtidos em poucas estações não estando, portanto, disponíveis para qualquer localidade. Modelos empíricos foram desenvolvidos para se determinar a proporção de difusa (razão entre a irradiação difusa e a irradiação global) a partir do índice de claridade (razão entre a irradiação global na superfície terrestre e a irradiação extraterrestre). Uma análise dos dados preliminares obtidos indica a não adequação dos modelos comumente utilizados. Esses, em geral, foram elaborados a partir de dados coletados no hemisfério norte, em outras latitudes e condições climáticas, que conduzem a valores de proporção de difusa maiores do que os observados experimentalmente, principalmente para os meses de inverno.

Dando continuidade a esse trabalho , a coleta de mais dados permitirá uma análise mais detalhada a este respeito com a conseqüente elaboração de um modelo que correlaciona a média mensal da proporção de difusa com o índice de claridade médio mensal para o Estado de São Paulo.

 

AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi possível graças ao apoio da FAPESP e da CAPES, esta última através da concessão de Bolsa de Mestrado.

 

REFERÊNCIAS

[1] Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, IBGE(2000). Censo Demográfico 2002. Informação da página web<http://www.ibge.gov.br/home/estatística / populacao/censo2000/default_tabulacao.shtm>

[2] Liu B. H. Y. and Jordan, R. C., "The Interrelationship and Characteristic Distribution of Direct, Diffuse and Total Solar Radiation". Solar Energy 4, 3, pp 1 - 18, 1960.

[3] Hay J. E. and MacKay D. C., "Estimating Solar Irradiance on Inclined Surfaces: A Review and Assessment of Methodologies". International Journal of Solar Energy, 3, pp 204, 1985, apud Reindl D. T., Beckman W. A. and Duffie J. A. , "Evaluation of Hourly Tilted Surface Variation Models, Solar Energy, 45,1, pp 9 -17, 1990.

[4] Klucher T. M.., "Evaluation of Models to Predict Insolation on Tilted Surfaces". Solar Energy 23, pp 111 - 114, 1979.

[5] Erbs, D. G., Klein, S. A. e Duffie, J. A., "Estimation of Diffuse Radiation Fraction for Hourly, Daily and Monthly - Average Global Radiation". Solar Energy 28, 4, pp 293 - 302, 1982.

[6] Collares-Pereira, M. and Rabl, A., "The Average Distribution of Solar Radiation Correlations Between Diffuse and Hemispherical and Between Daily and Hourly Insolation Values", Solar Energy 22, pp 155 - 164, 1979.

[7] Macêdo I. C. e Maciel T. T. "Radiação Solar no Estado de São Paulo, CESP-FUNCAMP 1030/09-08-78, 1981 (mimeo).

[8] Serpa P., "Eletrificação fotovoltaica em comunidades caiçaras e seus impactos socioculturais". Tese de Doutorado, PIPGE-USP. São Paulo, 2001.

[9] Morante F., "Determinação da demanda energética em Solar Home Systems". Dissertação de Mestrado, PIPGE-USP. São Paulo, 2000.