energia solar energias renováveis 2011/2012 - er- solar1.pdfradiação solar por unidade de área...
TRANSCRIPT
-
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