ANÁLISE DE DADOS DE RADIAÇÃO SOLAR NA REGIÃO DE CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERGÉTICO, Provas de Engenharia Elétrica

Baixe ANÁLISE DE DADOS DE RADIAÇÃO SOLAR NA REGIÃO DE CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERGÉTICO e outras Provas em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA FRANCISCO FADEL PENICHE GABRIEL TEM PASS LUCAS BOZZA DE OLIVEIRA MELLO ANÁLISE DE DADOS DE RADIAÇÃO SOLAR NA REGIÃO DE CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERGÉTICO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2016 FRANCISCO FADEL PENICHE GABRIEL TEM PASS LUCAS BOZZA DE OLIVEIRA MELLO ANÁLISE DE DADOS DE RADIAÇÃO SOLAR NA REGIÃO DE CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERGÉTICO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento Acadêmico de Eletrotécnica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do tı́tulo de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Me. Celso Fabrı́cio de Melo Júnior CURITIBA 2016 AGRADECIMENTOS Agradecemos primeiramente ao nosso Orientador, Professor Me. Celso Fabrı́cio de Melo Júnior por nos auxiliar e guiar durante esta jornada, com palavras de incentivo, atenção e conselhos. À equipa do Instituto de tecnologia do Paraná (TECPAR), por acreditarem em nossa capacidade de realizar um bom estudo e terem fornecido todos os dados necessários para que esse trabalho fosse realizado. À todos os professores da Universidade Tecnológica Federal do Paraná por terem nos mostrado o caminho do conhecimento durante os anos de graduação, nos auxiliando para que nos tornemos bons profissionais. À todos os amigos e familiares que nos incentivaram durante todos os longos anos de graduação. E por fim um agradecimento especial as pessoas que formam nossa fonte de inspiração, nossos pais, que possibilitaram que este sonho se torna-se realidade. RESUMO PENICHE, Francisco F., TEM PASS, Gabriel, MELLO, Lucas B.. ANÁLISE DE DADOS DE RADIAÇÃO SOLAR NA REGIÃO DE CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERGÉTICO. 90 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016. A energia elétrica está presente na vida de todas as pessoas, tornando-a mais confortável, segura, prática e sendo um sinônimo de desenvolvimento. Com o crescimento econômico de diversos paı́ses, houve o aumento da demanda de energia e com isso, o aumento pela busca de alternativas sustentáveis de geração, entretanto, muitos paı́ses não possuem dados ambientais precisos de seu território para poder realizar estudos confiáveis de quais as melhores alternativas como solar, eólica, maremotriz, entre outras. No Brasil, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), possui programas de coleta de dados ambientais afim de realizar o estudo da capacidade de geração de energia sustentável. Um de seus programas é o Sistema Nacional de Organização de Dados Ambientais (SONDA). Este projeto conta com estações solarimétricas por todo território nacional e tem como objetivo levantar dados para realização de estudos dos recursos de energia solar e eólica no Brasil, e consequentemente realizar o planejamento de seu uso. Este trabalho visa realizar o tratamento e estudo dos dados coletados na base solarimétrica conveniada ao projeto SONDA, localizada no Instituto de Tecnologia do Paraná (TECPAR), o qual cedeu os dados de irradiação solar no perı́odo de vinte meses na cidade de Curitiba. O estudo é importante para comparar esses dados com os obtidos através de métodos computacionais pelo INPE para a mesma região. Ao final do trabalho será avaliado se os dados do INPE são corroborados pelos reais do TECPAR. Além disso, é possı́vel mostrar o potencial de geração de energia solar na região da cidade de Curitiba, afim de tornar a cidade mais sustentável e menos dependente da energia gerada em locais distantes como ocorre hoje. É também mostrado um comparativo com outras cidades e paı́ses nos quais a aplicação de geração através de painéis fotovoltaicos já esteja mais disseminado. Palavras-chave: Geração de Energia, Energia Sustentável, Energia Solar, Projeto SONDA, Sistemas Fotovoltaicos. ABSTRACT PENICHE, Francisco F., TEM PASS, Gabriel, MELLO, Lucas B.. SOLAR IRRADIATION DATA ANALYSIS IN CURITIBA REGION FOR ENERGY USES. 90 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016. Electrical power is widely present in modern life, making it more confortable, secure, practical, being a marker of technological development. Together with the economic growth of many countries, energy demand rises constantly and, with said increase, the search for sustainable power generation alternatives follows. However, lots of nations don’t have accurate environmental data of its territories, prohibiting them from precise studies on their renewable power generation potential. In Brazil, the National Institute on Space Research (INPE), has environmental data collection programs with the goal of studying the country’s renewable energy capacity. One of the Institute’s programs is the recently created National System of Environmental Data Organization (SONDA). The project has solarimetric stations throghout the nation and has the objective of gathering data for solar and wind resource studies within Brazil. In doing so, the country’s engineers can plan on how to better use them. This thesis, as it’s objective, seeks to process and study data collected on project SONDA’s partner solarimetric base, located at the Technological Institute of Paraná (TECPAR), which has delivered to the authors it’s data on Curitiba’s solar radiation in a timeframe of 20 months. The study of these ground based measurements is important, allowing comparisons with computer methods data from INPE for the same region. At the end, it is possible to check if INPE’s data can be backed by TECPAR’s. And besides that, with the data, the solar generation potential of Curitiba can be found, with the purpose of making the city more sustainable and less dependent on faraway generated power, as it happens today. Also a comparison between Curitiba and other cities and countries, where fotovoltaic generation is in widespread use, is presented. Keywords: Energy Generation, Sustainable Energy, Solar Energy, SONDA’s Project, Photovoltaics Energy. –FIGURA 68 Irradiância média no plano inclinado em janeiro de 2016. . . . . . . . 82 –FIGURA 69 Irradiância média no plano inclinado em fevereiro de 2015. . . . . . 82 –FIGURA 70 Irradiância média no plano inclinado em fevereiro de 2016. . . . . . 83 –FIGURA 71 Irradiância média no plano inclinado em março de 2015. . . . . . . . 83 –FIGURA 72 Irradiância média no plano inclinado em março de 2016. . . . . . . . 83 –FIGURA 73 Irradiância média no plano inclinado em abril de 2015. . . . . . . . . . 84 –FIGURA 74 Irradiância média no plano inclinado em abril de 2016. . . . . . . . . . 84 –FIGURA 75 Irradiância média no plano inclinado em maio de 2015. . . . . . . . . 84 –FIGURA 76 Irradiância média no plano inclinado em maio de 2016. . . . . . . . . 85 –FIGURA 77 Irradiância média no plano inclinado em junho de 2015. . . . . . . . . 85 –FIGURA 78 Irradiância média no plano inclinado em junho de 2016. . . . . . . . . 85 –FIGURA 79 Irradiância média no plano inclinado em julho de 2015. . . . . . . . . 86 –FIGURA 80 Irradiância média no plano inclinado em julho de 2016. . . . . . . . . 86 –FIGURA 81 Irradiância média no plano inclinado em agosto de 2015. . . . . . . . 86 –FIGURA 82 Irradiância média no plano inclinado em agosto de 2016. . . . . . . . 87 –FIGURA 83 Irradiância média no plano inclinado em setembro de 2015. . . . . 87 –FIGURA 84 Irradiância média no plano inclinado em setembro de 2016. . . . . 87 –FIGURA 85 Irradiância média no plano inclinado em outubro de 2015. . . . . . . 88 –FIGURA 86 Irradiância média no plano inclinado em outubro de 2016. . . . . . . 88 –FIGURA 87 Irradiância média no plano inclinado em novembro de 2015. . . . . 88 –FIGURA 88 Irradiância média no plano inclinado em dezembro de 2015. . . . . 89 –FIGURA 89 Planilha recebida com os dados brutos para análise. . . . . . . . . . . . . 90 LISTA DE TABELAS –TABELA 1 Descontinuidades observadas na medição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 –TABELA 2 Dados plano horizontal (2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 –TABELA 3 Dados plano horizontal (2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 –TABELA 4 Dados plano inclinado (2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 –TABELA 5 Dados plano inclinado (2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 –TABELA 6 Comparações de medição no plano horizontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 –TABELA 7 Comparações de medição no plano inclinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 –TABELA 8 Comparação do Atlas Solar com a simulação da média anual de 2015 e 2016 completos para o plano horizontal e inclinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 –TABELA 9 Comparação dos dados de Tiepolo com o total anual de 2015 e 2016 completos para os planos horizontal e inclinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 –TABELA 10 Comparação dos dados de Tiepolo com a simulação do total anual de 2015 e 2016 completos para os planos horizontal e inclinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 LISTA DE SIGLAS AM Air Mass AR Antirreflexo AU Unidade Astronômica BSRN Baseline Surface Radioation Network CdTe Telureto de Cádmio CH4 Metano c-Si Silı́cio cristalino GPS Global Positioning System INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Isc Tensão de curto circuito ISO International Organization for Standardization NASA National Aeronautics and Space Administration NOCT Nominal Operating Cell Temperature NREL National Renewable Energy Laboratory PNE Plano Nacional de Educação SONDA Sistema de Organização Nacional Dados Ambientais SORCE Solar Radiation and Climate Experiment STC Standard Test Conditions TECPAR Instituto de Tecnologia do Paraná TIM Total Irradiance Monitor UN United Nations WMO World Metereological Organization WRR World Radiometric Reference 12 1 INTRODUÇÃO A energia é essencial para o desenvolvimento da vida em nosso planeta. Dela somos dependentes para alimentação, lazer, produção, aquecimento, iluminação, etc. Sendo assim, ela é essencial para o desenvolvimento. Com o crescimento econômico em diversos paı́ses, a demanda por energia cresce em conjunto, sendo necessário falar sobre formas de aumentar o acesso e geração desse recurso (BORGES, 2007). A questão energética tornou-se estratégica em um mundo onde para a geração de energia são usados em sua maioria combustı́veis fósseis, e tais compostos não são inesgotáveis e sua queima causa impactos ambientais. A reflexão sobre a energia e seus aspectos tem se tornado um tema transversal, multidisciplinar, envolvendo polı́ticos, técnicos, sociólogos, ambientalistas, advogados e administradores, pois a energia tem influência particular sobre a evolução e desenvolvimento social (BORGES, 2007). Atualmente, a energia hidráulica é a principal fonte de energia para geração de eletricidade no Brasil. Apesar de ser considerada uma fonte renovável e limpa, as usinas hidroelétricas produzem um impacto ambiental ainda não adequadamente avaliado, devido ao alagamento de grandes áreas cultiváveis. Estudos mostram que gases do efeito estufa, principalmente o metano (CH4), são emitidos para atmosfera em consequência de processos de degradação anaeróbica da matéria orgânica que ocorrem em áreas alagadas. Além disso, as principais bacias hidrográficas brasileiras com capacidade de geração hidroelétrica de alta densidade energética já estão praticamente esgotadas (PEREIRA et al., 2006). Visando descongestionar os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, alguns paı́ses da Europa, como a Alemanha, têm incentivado a chamada geração distribuı́da, onde o próprio consumidor gera toda ou parte da energia que ele mesmo consome. Isto está sendo conseguido também através do uso de módulos fotovoltaicos, que convertem a energia do sol diretamente em energia elétrica. Desta forma, aumenta-se a disponibilidade de energia para o consumidor, sem a necessidade de que esta seja gerada a muitos quilômetros de 13 onde será consumida, como ocorre normalmente (URBANETZ JR., 2010). O Brasil, por ser um paı́s localizado na sua maior parte na região inter-tropical, possui grande potencial para aproveitamento de energia solar durante todo ano (PEREIRA et al., 2006). Assim, um levantamento de dados para fins de aproveitamento dessa energia solar, de forma local, é crucial para o entendimento das capacidades de aproveitamento energético de uma região. O TECPAR, no final de 2014, instalou em seu sı́tio na cidade industrial de Curitiba uma estação solarimétrica. Esse trabalho tem como objetivo tratar e apresentar os dados de radiação solar coletados pela estação. 1.1 TEMA Tratamento de dados de radiação solar na região de Curitiba para fins de aproveitamento energético na forma de geração de energia fotovoltaica. 1.1.1 Delimitação do Tema O trabalho tem como foco o tratamento de informações disponı́veis em bancos de dados gerados na estação solarimétrica instalada na sede do TECPAR, sobre radiação solar na cidade de Curitiba. E, com base nesses, a viabilidade de sistema de geração através de painéis fotovoltaicos em Curitiba, comparando com outras regiões onde tal método de geração é adotado com sucesso. 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS É uma tendência mundial o aumento da participação das fontes renováveis como elemento primário na geração de energia elétrica. Contudo, o custo elevado da implantação de sistemas baseados em fontes renováveis em comparação aos sistemas tradicionais ainda é um fator que dificulta a participação efetiva dessas fontes na matriz energética (SUZUKI; REZENDE, 2013). Sendo assim, informações precisas sobre quantificação e capacidade de geração dessas fontes são muito importantes para análises de viabilidade. Os dados utilizados atualmente para região de Curitiba, disponı́veis no Atlas Solar Brasileiro, são obtidos através de um método de solução da equação radiativa. Porém, quanto 14 maior o número de estações de coleta espalhados numa área, maior a confiança dos dados para comparação (TIEPOLO, 2015). 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo Geral Analisar dados coletados de radiação solar pela estação solarimétrica instalada nas dependências do TECPAR e, baseado nesses fazer um estudo do potencial energético solar em Curitiba. 1.3.2 Objetivos Especı́ficos a) Fazer um estudo sobre radiação solar, bem como a instrumentação utilizada para medição, métodos de aquisição de dados e técnicas de tratamentos desses dados. b) Fazer um estudo elementar sobre geração fotovoltaica, funcionamento básico de módulos e painéis solares e sua eficiência. c) Por meio do tratamento dos dados fornecidos pelo TECPAR, fazer um estudo do potencial energético solar em Curitiba. 1.4 JUSTIFICATIVA No mundo atual, de acordo Borges (2007), alcançamos um grau de avanço tecnológico onde dependemos cada vez mais de energia. Porém, grande parte das matrizes energéticas causam enorme impacto ambiental nos ecossistemas, segundo Pereira et al. (2006). Como por exemplo as hidroelétricas que inundam grandes territórios com fauna e flora e as termoelétricas à carvão que jogam grandes quantidades de poluentes na atmosfera, colaborando para o agravamento do efeito estufa. Por conta de problemas como estes e com uma demanda energética crescente, o mundo procura cada vez mais fontes alternativas de geração de energia. Este estudo, visa o tratamento de dados coletados de radiação para efeito de aproveitamento energético fotovoltaico. Com essas informações, engenheiros podem planejar instalações com o objetivo de gerar energia elétrica através de radiação solar com um maior nı́vel de certeza quanto ao 17 2 FUNDAMENTOS E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 RADIAÇÃO SOLAR 2.1.1 O Sol A radiação que recebemos na Terra provem do Sol, a estrela central do nosso sistema solar. A energia gerada pelo Sol é irradiada para o universo na forma de radiações eletromagnéticas (RIFKIN, 2003). O Sol é a estrela mais próxima da Terra, a uma distância média de 149,6 milhões de quilômetros, distância denominada unidade astronômica (AU) (PINHO; GALDINO, 2014). O Sol possui uma massa de 1,989x1030 kg, aproximadamente 333.000 vezes maior que a do nosso planeta. Através de processos de fusão de hidrogênio no núcleo, material que compõe 92,1% da estrela, a temperatura de sua superfı́cie atinge aproximadamente 5.500 ◦C. É estimado que nosso Sol possua 4,6 bilhões de anos, tendo combustı́vel suficiente para pelo menos mais 10 bilhões de anos de fusão (NASA, 2016b). Desde a pré história, a humanidade vem percebendo o incrı́vel poder do sol, sendo interpretado como divindade e fonte de adoração em diversas culturas. 2.1.2 Radiação Solar na Terra Radiação solar é um termo genérico, que pode ser definido mais a fundo com duas outras denominações, irradiância solar e irradiação solar. Irradiação solar é definida por meio de quantidade de energia em um periodo e é dada em Wh/m2. Já irradiância solar é definida por meio de um fluxo de potência dada em W/m2. A Terra não possui uma órbita circular em torno do Sol, mas sim uma órbita elı́ptica, com uma excentricidade atual aproximada de 0,0167. Por a Terra se encontrar a uma certa distância do sol, a potência incidente sobre o planeta é apenas uma pequena parcela da emitida pela superfı́cie solar (PINHO; GALDINO, 2014). 18 Essa potência incidente que chega no topo da nossa atmosfera é dado o nome ”constante solar”, com um valor médio histórico de aproximadamente 1,36 kW/m2 (KOPP; LEAN, 2011). Esta incidência varia de acordo com diversos fatores, como manchas solares e outros fenômenos, como pode ser visto na Figura 1, do Laboratório de Fı́sica Atmosférica e Espacial da Universidade de Colorado Boulder. Figura 1: Atividade da radiação solar medida pelo TIM abordo da espaçonave SORCE. Fonte: Adaptado de University of Colorado Boulder (2016). De acordo com Pinho e Galdino (2014), a constante solar efetiva ou seja, irradiância que chega ao topo da atmosfera terrestre, pode ser aproximada através da equação 1, onde n é o dia Juliano e I0 é o valor médio histórico da constante solar, 1,36 kW/m2: I0e f = I0(1+0,33× cos[( 360 365×25 )×n]) (1) Porém, devido as propriedades fı́sicas da luz e da nossa atmosfera, apenas parte desse fluxo atinge o solo efetivamente. A Figura 2 representa o fluxo de energia térmica na atmosfera terrestre. Ela tem o intuito de demonstrar a absorção de energia através dos gases atmosféricos. Da energia incidente sobre a camada gasosa do planeta, 23% é absorvida pela mesma. Da radiação térmica que sai da superfı́cie, parte é reabsorvida também pela atmosfera, o que pode ser visualizado na Figura 2 (NASA, 2016a). 19 Figura 2: Fluxo de energia na Terra Fonte: Disponı́vel em: ¡http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page6.php¿. Acesso em: abr 2016. Segundo Pinho e Galdino (2014), a luz é afetada ao atravessar a atmosfera, devido as propriedades fı́sicas, como espalhamento, reflexão e absorção. A intensidade na qual a luz é afetada depende da espessura de atmosfera pela qual ela percorre. Esse parâmetro pode ser identificado por um coeficiente Massa de Ar, ou AM (do ingles Air Mass). No nı́vel do mar, esse coeficiente depende do ângulo entre o zênite, ou a normal da superfı́cie, e o sol. No nı́vel do mar é dado pela equação 2, onde θz é o ângulo entre a normal da superfı́cie e o sol. AM = 1 cos(θz) (2) Existem nı́veis de referência dentro do coeficiente: • AM0 é usado para indicar quando a massa atmosférica é inexistente; • AM1 refere-se ao nı́vel do mar quando o sol se encontra no zênite; • AM2 é empregado ao nı́vel do mar quando o sol se encontra a 60 graus do zenite(PINHO; GALDINO, 2014)(NREL, 2016); A Figura 3 mostra medições do NREL (do ingles National Renewable Energy Laboratory) para AM0 e para AM1.5 em uma superfı́cie inclinada e em uma paralela ao solo, 22 Figura 5: Órbita da Terra em torno do Sol, mostrando a diferença na inclinação de acordo com a data. Fonte: Adaptado de (PINHO; GALDINO, 2014). Figura 6: incidência por área de acordo com a latitude Fonte: Adaptado de (PINHO; GALDINO, 2014). Ainda de acordo com Pinho e Galdino (2014), tal declinação é dada através da equação 3, onde n é o dia de acordo com o calendário Juliano (de 1 a 365). sin(δ ) =−sin(23,45)cos[( 360 365,25 )(n+10)] (3) Ao levar-se em consideração também o movimento aparente do Sol em relação à superfı́cie terrestre por conta da rotação do planeta, existem outras relações de ângulo entre 23 o Sol e uma superfı́cie, tais ângulos, mostrados na Figura 7 e descritos por Pinho e Galdino (2014), são: Figura 7: Ângulos entre o Sol e uma superfı́cie. Fonte: (LISBOA, 2010) . • ângulo Zenital (θz): ângulo entre a normal da superfı́cie e o vetor de incidência solar; • altura Solar (α): Complemento do ângulo Zenital, relação entre o plano da superfı́cie e a incidência; • ângulo Azimutal do Sol (γs): Conhecido como azimute solar, é o ângulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal em relação a direção norte-sul da superfı́cie. O deslocamento angular é tomado a partir do norte geográfico, sendo, por convenção, positivo quando a projeção se encontrar à direita do sul (leste) e negativo quando se encontrar à esquerda (oeste). Tais valores vão de -180 a 180 graus; • ângulo Azimutal da Superfı́cie (γ): ângulo entre a projeção da normal à superfı́cie no plano horizontal e a direção norte-sul; • inclinação da superfı́cie de captação (β ): ângulo entre o plano da superfı́cie em questão e o plano horizontal. Valores entre 0 e 90 graus; • ângulo de incidência (θ ): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfı́cie de captação; 24 • ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (ω): deslocamento angular leste-oeste do meridiano do Sol, a partir do meridiano local, e devido ao movimento de rotação da Terra. 2.1.4 Formas de Medição da Radiação Solar Até meados do século XVII, acreditava-se que a luz se propagava pela emissão de corpúsculos das fontes luminosas. Em 1679, Huygens demonstrou que as leis da reflexão seriam facilmente explicadas se fosse admitida a propagação da luz através de ondas de qualquer natureza. Porém foi apenas em 1888 que Hertz, com um circuito oscilante, conseguiu produzir ondas eletromagnéticas extremamente curtas que continha as mesmas propriedades das ondas luminosas, atribuindo à luz as caracterı́sticas de onda eletromagnéticas (OMETTO, 1968). Para avaliar o poder energético da radiação solar, surgiram os radiômetros. Na década de 60 os radiômetros mais utilizados eram respectivamente o heliógrafo de Campbell-Stokes, o actinógrafo de Robitch e o pireliômetro de Eppley, este último foi considerado o padrão secundário de medida da intensidade da radiação solar (OMETTO, 1968). Com a ajuda desses equipamentos, a energia solar começou a ser estudada para entender as relações entre a radiação solar (energia) e a insolação (brilho solar). Todas as relações encontradas tiveram um objetivo comum de determinar coeficientes da radiação solar na ausência da atmosfera, na superfı́cie do solo e a insolação para um determinado local (KREITH, 1977). Os estudos sobre a energia solar foram, posteriormente, orientados no sentido de determinar a energia lı́quida, disponı́vel na superfı́cie da Terra para os processos de evapotranspiração, aquecimento do ar, solo e/ou água, ou seja, fração de energia radiante incidente que é estimada para uma superfı́cie exposta. Os instrumentos disponı́veis para medir a energia lı́quida são: o piranômetro, destinado a medir a radiação global, o pireliômetro, responsável pela medição da radiação direta normal e o heliógrafo, destinado a medir o número de horas de insolação mas por possuir uma precisão mais baixa entrou em desuso (LUNDE, 1980). A radiação solar é considerada uma radiação eletromagnética que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s. Em termos de comprimento de onda, a radiação solar ocupa a faixa espectral de 0,1 µm a 5 µm, ao ponto que 99% da energia radiante estar compreendida entre 0,28 µm a 4,96 µm, portanto a maior parte da energia radiante está compreendida entre a radiação ultravioleta e o infravermelho. 27 momento em que o material semicondutor é atingido pela radiação proveniente dos raios solares, este liberta um elétron que passa a ser conduzido do campo elétrico gerado no material para os contatos, contribuindo assim para a corrente produzida pela célula fotovoltaica (BRITO; SILVA, 2006), como é visto na Figura 9. Figura 9: Estrutura simplificada de uma célula fotovoltaica de silı́cio. Fonte: Adaptado de (PINHO; GALDINO, 2014). As células fotovoltaicas podem ser dispostas de diversas formas, sendo a mais utilizada a montagem de painéis ou módulos solares. Além dos painéis fotovoltaicos, também se utilizam filmes flexı́veis, com as mesmas caracterı́sticas, ou até mesmo a incorporação das células em outros materiais, como o vidro. As diferentes formas com que são montadas as células se prestam à adequação do uso, por um lado maximizando a eficiência e por outro se adequando às possibilidades ou necessidades arquitetônicas 2.2.3 Tipos de Módulos Fotovoltaicos Silı́cio Monocristalino: O silı́cio monocristalino é o mesmo material utilizado para a fabricação de circuitos empregados em microeletrônica. Historicamente, as células utilizadas com este material são utilizadas e comercializadas como conversor direto de energia solar em eletricidade (FADIGAS, 2000), um exemplo de painel é visto na Figura 10. 28 A sua produção é feita através do processo de Czochralski, que consiste em fundir o silı́cio à uma temperatura de 1420 ◦C. Com o material em seu estado lı́quido, é então inserido um pedaço sólido do mesmo material, denominado de semente, preso na ponta de uma haste condutora, onde é aplicado uma rotação constante. O material fundido agrupa-se juntamente com a semente, solidificando-se e formando assim um cilindro de silı́cio monocristalino puro, o qual é cortado em lâminas de 0,3 mm e utilizado para formação de painéis fotovoltaicos (GREENPRO, 2004). Este material produzido pelo método de Czochralski possui uma eficiência entre 15% e 18% (CORREIA, 2015). Figura 10: Painel de silı́cio Monocristalino instalado no TECPAR. Fonte: Os Autores. Silı́cio Policristalino: A obtenção do silı́cio policristalino consistem em aquecer o silı́cio em seu estado bruto até uma temperatura de 1500 ◦C. Após o material se encontrar totalmente em seu estado lı́quido, é então resfriado até a temperatura de 800 ◦C, onde então é armazenado em um recipiente especial para então ser formado blocos de silı́cio de 40 x 40 cm2. Estes blocos são cortados em barras e posteriormente cortados em pastilhas de 0,3 mm, onde então são introduzidos impurezas de outros metais com o fósforo (GREENPRO, 2004). Sua aparência é como na Figura 11. 29 Os painéis equipados com silı́cio policristalino são mais baratos que os monocristalino e também possuem uma vida útil de mais de 30 anos (TU-BERLIN, 2016). Este material possui uma eficiência entre 13% e 15% (CORREIA, 2015). Figura 11: Painel de silı́cio Policristalino instalado no TECPAR. Fonte: Os Autores. Silı́cio Amorfo: Desde a década de 90, o desenvolvimento dos processos de pelı́cula fina para fabricar células solares, tornaram-se cada vez mais importantes. Neste caso, os semi-condutores fotoativos são aplicados em finas camadas num substrato (na maioria dos casos vidro). Os métodos utilizados incluem disposição por vaporização, processos de disposição catódica e banhos eletrolı́ticos. O Silı́cio amorfo, o diselenieto de cobre e ı́ndio (CIS), e o telureto de cádmio (CdTe), são utilizados como materiais semicondutores. Devido à elevada absorção luminosa destes materiais, uma camada com uma espessura menor que 1 µm é, teoricamente, suficiente para converter a luz solar. Estes materiais são mais tolerantes à contaminação de átomos estranhos (GREENPRO, 2004). O silı́cio amorfo absorve a radiação solar de uma maneira muito mais eficiente do que o silı́cio cristalino, pelo que é possı́vel depositar uma fina pelı́cula de silı́cio amorfo sobre um substrato (metal, vidro, plástico). Este processo de fabricação é ainda mais barato do que o do silı́cio policristalino (TU-BERLIN, 2016). 32 Um módulo é geralmente identificado pela sua potência elétrica de pico (Wp). A definição da potência de pico de um módulo fotovoltaico é feita nas condições padrão de ensaio, ou STC (do inglês Standard Test Conditions), considerando irradiância solar de 1.000 W/m2 sob uma distribuição espectral padrão para AM1,5 e temperatura de célula de 25 oC (PINHO; GALDINO, 2014). Quando um módulo está posicionado na direção do Sol, uma tensão pode ser medida entre seus terminais. A tensão observada em um módulo desconectado é a tensão de circuito aberto (Voc). Por outro lado, ao conectar os terminais desse módulo a um amperı́metro mede- se sua corrente de curto-circuito (Isc). Porém, tais dados isolados não são informativos da capacidade de potência do dispositivo. Para encontrar as caracterı́sticas de potência de um módulo fotovoltaico, é feito o ensaio da curva caracterı́stica I-V. Para executar o ensaio, o dispositivo é submetido a uma varredura de tensão, indo de pequenos valores negativos até ultrapassar a tensão de circuito aberto do mesmo, nas condições padrões de teste. Durante esta varredura são registrados pares de dados de tensão e corrente, permitindo o traçado de uma curva caracterı́stica (figura 14). Figura 14: Curva caraterı́stica I-V e curva de potência P-V para um módulo com potência nominal de 100Wp Fonte: (PINHO; GALDINO, 2014). 33 Ainda segundo Pinho e Galdino (2014), os principais fatores ambientais que influenciam essa curva são a intensidade da irradiância incidente e a temperatura do módulo. A intensidade de irradiância solar afeta diretamente e linearmente a corrente elétrica gerada pelo módulo, como o exemplo da figura 15. Figura 15: Variação da corrente na curva I-V de acordo com a irradiância, para um módulo fotovoltaico de 36 células de silı́cio cristalino (c-Si) a 25oC Fonte: (PINHO; GALDINO, 2014). A incidência solar, em conjunto com a temperatura ambiente, afeta a temperatura do módulo. Um aumento da temperatura faz com que a tensão do módulo seja menor e a corrente seja mais elevada. Porém, o aumento de corrente não compensa a queda de tensão gerada, fazendo que a capacidade de potência diminua. Tal comportamento pode ser observado através da figura 16. De acordo com Pinho e Galdino (2014), as variações dos parâmetros elétricos devido a temperatura são dados através de 3 coeficientes: β , α e γ . O coeficiente β é a variação da tensão de circuito aberto (VOC) de acordo com a temperatura, mostrado pela equação 4, onde ∆VOC é a variação da tensão de circuito aberto e ∆T a variação de temperatura. β = ∆VOC ∆T (4) O coeficiente β é negativo e tem valores tı́picos de -2,3 mV/(célula.oC), uma mudança 34 Figura 16: Efeito da variação de temperatura em uma curva I-V para um módulo fotovoltaico de 36 células de silı́cio cristalino (c-Si) sob irradiância de 1000W/m2 Fonte: (PINHO; GALDINO, 2014). de -0,37%/oC em módulos de silı́cio cristalino e de -2,8 mV/(célula.oC), uma mudança de - 0,32%/oC em módulos de silı́cio amorfo. Alguns fabricantes informam βV MP, que seria a variação da tensão no ponto de máxima potência, tendo esse, normalmente, valores maiores que β . O coeficiente α demonstra a variação da corrente de curto circuito (ISC) de acordo com a temperatura, tal qual a equação 5, onde ∆ISC é a variação da corrente de curto circuito e ∆T a variação de temperatura. α = ∆ISC ∆T (5) O coeficiente α é positivo e tem valores tı́picos de 0,004 mA/(cm2.oC) (uma mudança de 0,01%/oC) em módulos de silı́cio cristalino e de 0,013 mA/(cm2.oC) (uma mudança de 0,1%/oC) em módulos de silı́cio amorfo. Já o coeficiente γ é a variação da potência máxima de acordo com a temperatura (equação 6), sendo ∆PMP a variação da potência máxima e ∆T a variação de temperatura. 37 comparado ao termoelétrico, isso gera uma precisão menor. Tal qual Pinho e Galdino (2014) citam, o piranômetro termoelétrico apresenta uma composição distinta, seu sensor de radiação é uma termopilha inserida no interior de duas esferas de vidro concêntricas, que são basicamente diversos termopares em série, com a junção negra apontada para cima, na direção do sol, e a junção fria para baixo. Assim, com a incidência de radiação, a diferença de temperatura criada dentro do sensor relaciona-se linearmente com a diferença de potencial, que por sua vez é transformada em W/m2 a fim de colher empiricamente a potência instantânea recebida no local. Suas medições são mais precisas que o piranômetro fotovoltaico por responder à radiação que vai de 285 até 2.800 nm e portanto é o instrumento mais recomendado para este estudo (KIPP & ZONEN, 2016b). Em suas formas originais, os dois instrumentos fornecem leituras de radiação solar global, entretanto, com a instalação de uma esfera ou anel de sombreamento, é possı́vel medir a radiação difusa também. A esfera de sombreamento é um anteparo de metal que é posicionado exatamente entre o sol e o sensor do piranômetro com a finalidade de bloquear somente a radiação solar direta, observado na Figura 17. Sua orientação é feita através de um rastreador solar para que o sistema seja capaz de acompanhar o sol nas mudanças de posição diárias e sazonais automaticamente. Figura 17: Rastreador com esfera de sombreamento e piranômetro difuso. Fonte: Adaptado de Kipp & Zonen (2016b). 38 O anel de sombreamento, visto na Figura 18, por outro lado, geralmente não é usado com um rastreador solar. Isso implica em acompanhar somente as mudanças de posição diárias do sol, com a necessidade de ajustes manuais conforme o astro mudar de posição no decorrer do ano. Os dois acessórios exigem correções das medições, que envolvem a compensação do sombreamento do céu causado pela esfera ou anel, bem como da anisotropia do céu. Por fim, a obtenção dos dados de radiação solar global (direta mais difusa) e sua componente difusa separadamente, permite conseguir a parcela direta ao se efetuar uma simples subtração da global menos a difusa. Figura 18: Anel de sombreamento e piranômetro difuso. Fonte: Adaptado de Kipp & Zonen (2016b). 2.3.2 Pireliômetro O pireliômetro é um instrumento empregado para medir a irradiância direta com incidência normal à superfı́cie do mesmo. Pinho e Galdino (2014) também fornecem uma exposição das caracterı́sticas construtivas do pireliômetro e citam que o sensor termoelétrico, semelhante ao do piranômetro, é posicionado no interior de um tubo de colimação com paredes enegrecidas para se bloquear a irradiância difusa. O tubo é então apontado diretamente para o sol com auxı́lio de um dispositivo de rastreamento solar, que seguirá seu movimento. O instrumento apresenta uma pequena abertura de forma a permitir apenas a radiação do disco solar e a região vizinha denominada circunsolar atingir o sensor no final do tubo. A percepção espectral costuma ser melhor que a do piranômetro termoelétrico e apresentar janela entre 200 e 4000 nm (KIPP & ZONEN, 2016a). Isso se deve ao pireliômetro sempre precisar estar 39 acompanhado de um rastreador solar, o que torna o sistema mais caro e o custo da adição de um sensor termoelétrico de melhor qualidade torna-se praticamente irrelevante. Um exemplo de pireliômetro está representado na figura 19. Figura 19: Pireliômetro instalado na estrutura de um rastreador solar no TECPAR. Fonte: Os Autores. 2.3.3 Rastreador Solar Como alguns instrumentos de medição necessitam de reposicionamento constante em relação ao sol (pireliômetro e piranômetro com anteparo), faz-se o uso de uma estrutura motorizada capaz de cumprir tal função, chamada rastreador solar. O rastreador geralmente comporta vários instrumentos ao mesmo tempo, pois além de mover-se guiado pelas mudanças de localização do sol, ele provê uma base sólida e estável que pode suportar as mais diversas condições climáticas, como pode ser visto na Figura 20. 42 t1−0 = t2− t1 = t3− t2 = ...= ∆t n ∑ 0 irradiancia(W/m2)∗∆t = Irradiacao(Ws/m2) (13) Após a transformação, é possı́vel transformar o valor em Ws/m2 para kWh/m2 através de uma análise dimensional. Sendo que 1h = 3600s e 1kW = 1000W, através de uma regra de três temos a relação mostrada na equação 14. Ws m2 ∗ 1 3600∗1000 = kWh m2 (14) A partir desse valor de irradiação, podemos obter os valores diários e a partir desses as médias mensais, sazonais e anuais. 43 3 ESTAÇÃO DE COLETA E TRATAMENTO DOS DADOS 3.1 CARACTERIZAÇÃO DA ESTAÇÃO SOLARIMÉTRICA 3.1.1 Projeto SONDA A estação solarimétrica utilizada neste trabalho está localizada na cidade de Curitiba na latitude 25o29’43,6”S e longitude 49o19’52,35”O na altitude de 891 metros em relação ao nı́vel do mar (INPE, 2016). Esta estação é a primeira do tipo implementada no estado do Paraná. Esta estação é parceira integrada ao sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais (SONDA) e é composta pelos seguintes instrumentos de medição: • piranômetros termoelétricos para irradiância global e difusa; • pireliômetro para irradiância direta; • piranômetro termoelétrico inclinado. O projeto SONDA conta com estações de medição distribuı́das em todo o território nacional conforme mostrado na Figura 21. Estas estações podem ser solarimétricas (ou radiométricas), anemométricas ou ambas. 44 Figura 21: Localização das estações do projeto SONDA Fonte: (INPE, 2016). O objetivo do projeto SONDA é implementar uma infraestrutura fı́sica e de recursos humanos destinada a montagem e melhoramento da base de dados de superfı́cie necessária ao levantamento dos recursos de energia solar e eólica no Brasil e consequente planejamento de seu uso (INPE, 2016). Devido ao fato que o investimento em larga escala nas energias eólica e solar no paı́s serem inibidos pela falta de informações confiáveis e inadequadas quanto a disponibilidade desses recursos, e também por muitas das pesquisas realizadas não serem destinadas à geração de energia, mas sim para outros fins, o projeto SONDA foi criado para quebrar esta barreira, gerando assim um cruzamento de informações climáticas adequadas com outras informações, como a distribuição da rede elétrica, topografia, custo e disponibilidade de outras formas de energia(INPE, 2016). O projeto SONDA realiza um processo de validação dos dados medidos para que as informações tenham mais confiabilidade possı́vel. Este processo de validação é baseado na estratégia de controle de qualidade de dados adotada pela BSRN (do inglês,Baseline Surface 47 A partir dos dados brutos, foram feitas análises e gráficos para a média da irradiância, onde foi feita a média de todas as entradas de dados coletados para um mesmo horário, no perı́odo de tempo desejado (mês, estação, ano), assim, todo gráfico de média de irradiância contempla um ”dia médio”. Outra análise foi a dos valores encontrados de irradiação. 3.2.1 Descontinuidades Após os dados recebidos do TECPAR terem sido analisados, perceberam-se algumas descontinuidades nos dados coletados. As medições começaram a ser registradas no dia 18 de setembro de 2014 e duraram apenas duas horas, então seguiu-se um hiato sem informações até o dia 19 de fevereiro de 2015. A partir desse momento os dados possuem lacunas esporádicas, que variam desde algumas horas ou dias de interrupção, até quase um mês inteiro, como pode ser visto na Tabela 1. O trabalho contempla informações até dia 6 de outubro de 2016. Todos os dias que contém um corte na aquisição de dados foram excluı́dos dos cálculos de dia médio de irradiação por mês. Assim, a média foi feita em relação aos dias com informações disponı́veis e não com todos os dias do perı́odo, com o objetivo de evitar distorções estatı́sticas. 48 Tabela 1: Descontinuidades observadas na medição 2015 2016 Mês Dias Totais Dias Disponı́veis Ocorrências Dias Disponı́veis Ocorrências Janeiro 31 0 Sem dados. 31 Fevereiro 28 9 Iniciou dia 19 às 11:10. 5* Interrompeu dia 2 às 13:45, iniciou dia 25 às 19:10. Março 31 31 31 Abril 30 30 25 Interrompeu dia 4 às 14:25, iniciou dia 19 às 00:10. Maio 31 31 31 Junho 30 30 30 Julho 31 31 31 Agosto 31 29 Interrompeu dia 4 às 13:55,iniciou dia 5 às 18:50. 31 Setembro 30 30 30 Outubro 31 31 6 Medições terminaram dia 7 às 11:45. Novembro 30 30 0 Sem dados. Dezembro 31 31 0 Sem dados. *O mês possui 29 dias (ano bissexto). 3.2.2 Dados de Irradiância As informações de irradiância foram consolidadas em gráficos, de forma a apresentar as médias de irradiância mensais, anuais e sazonais referentes ao plano horizontal e inclinado para o norte no ângulo da latitude (25,5◦). 49 Os gráficos de irradiância no plano horizontal anual são mostrados nas Figuras 23 e 24 e sazonal da Figura 25 à Figura 32. Para o plano inclinado os gráficos de irradiância anual são mostrados nas Figuras 33 e 34 e sazonal da Figura 35 à Figura 42. Os gráficos de irradiância para os meses de janeiro à dezembro de 2015 e 2016 para os planos horizontal e inclinado, encontram-se nos Apêndice A e Apêndice B respectivamente, deste trabalho. Para informações sazonais, considerou-se: • em 2015; – Verão: 21/12/2014 a 20/03/2015; – Outono: 20/03/2015 a 21/06/2015; – Inverno: 21/06/2015 a 23/09/2015; – Primavera: 23/09/2015 a 22/12/2015; • em 2016; – Verão: 22/12/2015 a 20/03/2016; – Outono: 20/03/2016 a 20/06/2016; – Inverno: 20/06/2016 a 22/09/2016; – Primavera: 22/09/2015 a 21/12/2016. Figura 23: Média da irradiância global no plano horizontal em 2015. 52 Figura 30: Média da irradiância global no plano horizontal no inverno de 2016. Figura 31: Média da irradiância global no plano horizontal na primavera de 2015. Figura 32: Média da irradiância global no plano horizontal na primavera de 2016. 53 Figura 33: Média da irradiância global no plano inclinado em 2015. Figura 34: Média da irradiância global no plano inclinado em 2016. Figura 35: Média da irradiância global no plano inclinado no verão de 2015. 54 Figura 36: Média da irradiância global no plano inclinado no verão de 2016. Figura 37: Média da irradiância global no plano inclinado no outono de 2015. Figura 38: Média da irradiância global no plano inclinado no outono de 2016. 57 Tabela 2: Dados plano horizontal (2015) 2015 Irradiação média diária [kWh/m2] Janeiro - Fevereiro 5,2372 Março 4,1659 Abril 3,9579 Maio 2,9445 Junho 3,0252 Julho 2,7782 Agosto 4,3304 Setembro 4,2639 Outubro 3,7419 Novembro 3,6009 Dezembro 4,5853 Anual 3,7791 Verão 4,6824 Outono 3,3870 Inverno 3,6687 Primavera 3,9012 Tabela 3: Dados plano horizontal (2016) 2016 Irradiação média global [kWh/m2] Janeiro 5,4044 Fevereiro 4,5900 Março 4,5355 Abril 4,5975 Maio 2,6468 Junho 2,8114 Julho 3,3956 Agosto 3,7108 Setembro 5,1274 Outubro 3,0243 Novembro - Dezembro - Anual 4,0027 Verão 5,0689 Outono 3,5123 Inverno 3,7086 Primavera 4,6095 58 Tabela 4: Dados plano inclinado (2015) 2015 Irradiação média diária [kWh/m2] Janeiro - Fevereiro 5,1984 Março 4,2625 Abril 4,4372 Maio 3,5068 Junho 3,9114 Julho 3,4415 Agosto 5,3359 Setembro 4,5199 Outubro 3,6743 Novembro 3,3648 Dezembro 4,1015 Anual 4,0802 Verão 4,6573 Outono 3,9344 Inverno 4,4106 Primavera 3,7176 Tabela 5: Dados plano inclinado (2016) 2016 Irradiação média diária [kWh/m2] Janeiro 4,8429 Fevereiro 4,5350 Março 4,8047 Abril 5,4652 Maio 3,2277 Junho 3,7408 Julho 4,4496 Agosto 4,3873 Setembro 5,5887 Outubro 3,0126 Novembro - Dezembro - Anual 4,5034 Verão 4,7767 Outono 4,2638 Inverno 4,4595 Primavera 4,8509 Ao se multiplicar os valores anuais de irradiação média dia/mês pela quantidade de dias no mesmo ano, chega-se a irradiação total para aquele ano. Então: 59 • para o ano de 2015, no plano horizontal, a irradiação anual total encontrada foi de 3,7791 kWh/(m2.dia) x 365 dias = 1379,37 kWh/(m2.ano); • para o ano de 2016, no plano horizontal, a irradiação anual total encontrada foi de 4,0027 kWh/(m2.dia) x 366 dias = 1464,99 kWh/(m2.ano); • para o ano de 2015, no plano inclinado, a irradiação anual total encontrada foi de 4,0802 kWh/(m2.dia) x 365 dias = 1489,27 kWh/(m2.ano); • para o ano de 2016, no plano inclinado, a irradiação anual total encontrada foi de 4,5034 kWh/(m2.dia) x 366 dias = 1648,24 kWh/(m2.ano). É importante notar que os valores totais de 2016 são maiores do que os de 2015 por levarem em conta o mês de janeiro, mesmo qual se observa um nı́vel elevado de radiação solar o qual sobe a média anual consideravelmente, enquanto que 2015 não possui esses dados devido a descontinuidade na coleta. Além disso, fatores climáticos variam de ano para ano. A partir das tabelas citadas e das ponderações realizadas, chegam-se à diversas conclusões no estudo, como o fato de ser observável que uma superfı́cie inclinada nas condições explicadas, ao longo do ano, recebe mais radiação que uma superfı́cie paralela ao solo. Esses resultados comprovam agora matematicamente o que era visı́vel preliminarmente apenas com interpretação gráfica. O inverno, que é uma estação mais fria e com menos horas diárias de sol na região, mostra-se com irradiações melhores do que o outono ou a primavera em alguns meses. Tal qual os dados do plano inclinado de 2015 (Tabela 4) em que agosto aumenta o valor da média do inverno. Isto é contra intuitivo, mas se explica pelo motivo de ser uma estação com perı́odos de seca prolongados, onde a radiação não é bloqueada pelas nuvens. 62 Da análise dessas tabelas, observa-se: • as comparações dos valores mensais do Atlas com o TECPAR 2015 e 2016 apresentam diferenças percentuais bem elevadas, pois de um ano para outro os meses sofrem variações climáticas expressivas. O mais interessante então é analisar as diferenças entre os valores esperados do Atlas e o medido no local para a média anual; • as disparidades encontradas na média anual do horizontal foram de -17,7% em 2015 e - 12,8% em 2016. Para o inclinado foram de -18,1% em 2015 e -9,6% em 2016. De acordo Tiepolo (2015), o limite esperado de erros do método de obtenção de dados empregado pelo INPE é de aproximadamente 10%, o que revela que os resultados em geral estão bem acima da margem. Como os meses de janeiro de 2015 e novembro e dezembro de 2016 não possuem dados (meses normalmente com maior radiação), isso gera perturbações nas médias anuais que formam parte do erro excessivo. Variações anuais também podem explicar essas diferenças. Além das diferenças devido aos divergentes métodos aplicados. Para verificar a influência da descontinuidade de coleta nos resultados realizaram- se simulações, onde os meses “vazios” foram completados com os dados do mesmo mês, porém do ano oposto. Então, para o caso do plano horizontal, janeiro de 2015 passou a ter 5,4044 kWh/(m2.dia), referente à janeiro de 2016, enquanto que novembro e dezembro de 2016 assumiram os valores de 3,6009 kWh/(m2.dia) e 4,5853 kWh/(m2.dia) respectivamente, referentes à novembro e dezembro de 2015. A simulação do plano inclinado foi feita de forma análoga. A partir desses dados calculou-se uma nova irradiação média por dias do ano, como consta a Tabela 8. Tabela 8: Comparação do Atlas Solar com a simulação da média anual de 2015 e 2016 completos para o plano horizontal e inclinado. Plano Atlas Solar [kWh/(m2.ano)] TECPAR 2015 [kWh/(m2.ano)] Diferença [%] TECPAR 2016 [kWh/(m2.ano)] Diferença [%] Horizontal 4,5900 4,3281 -5,70 4,0219 -12,38 Inclinado 4,9800 4,5598 -8,44 4,3153 -13,35 Nessa situação simulada as divergências de 2015 diminuem drasticamente e encontram-se abaixo do erro de 10% esperado pelo INPE. Para o ano de 2016, a comparação da 63 irradiação global horizontal se manteve praticamente constante, ao passo que a inclinada teve um erro ligeiramente maior. No geral, percebe-se uma melhora nos resultados, e se for levado em conta que os dados de outubro, novembro e dezembro retirados de 2015 podem ter sofrido com baixa radiação por conta de efeitos meteorológicos (meses chuvosos), os resultados são aceitáveis. 4.2 COMPARAÇÃO COM OUTRO ESTUDO QUE ENVOLVE A REGIÃO DE CURITIBA Um estudo focado no estado do Paraná, o qual foi usado somente os resultados publicados para a região de Curitiba, é a tese de doutorado de Tiepolo (2015). Em sua tese são utilizados os dados de radiação de 48 municı́pios dos 399 que o estado possui. Estes dados foram fornecidos pelo projeto Solar and Wind Energy Resources Assessment (SWERA) do atlas brasileiro de energia solar (2006), e disponibilizado pelo INPE através do site da rede SONDA (TIEPOLO, 2015). Em seu trabalho, os dados de radiação adquiridos sofreram interpolação, e com a ajuda do software livre Quantum GIS, versão 1.8.0-Lisboa, criou-se o mapa do estado do Paraná com os resultados da interpolação nas cores e escalas de valores utilizados pela European Commision (EC). Este desenvolvimento ocorreu em conjunto com o INPE (TIEPOLO, 2015). As Figuras 43 e 44 , retirada da pesquisa de Tiepolo (2015), mostra os resultados da interpolação dos dados para a irradiação total anual no estado do Paraná em kWh/(m2.ano) no plano horizontal e no plano inclinado. 64 Figura 43: Irradiação global anual no plano horizontal no estado do Paraná. Fonte: (TIEPOLO, 2015). Figura 44: Irradiação Total Anual no plano inclinado no estado do Paraná. Fonte: (TIEPOLO, 2015). 67 Figura 45: Mapa solar da Alemanha, média de irradiação anual no plano inclinado. Fonte: traduzido pelos autores de European Comission (2016). O Reino Unido, apesar de ser um paı́s com pouca incidência de radiação, gerou no mesmo ano 7,561 TWh de energia fotovoltaica, de acordo com Department for Business, Energy and Industrial Strategy (2016). A Alemanha apresenta no plano inclinado um potencial de 1251 kWh/(m2.ano) Tiepolo (2015), enquanto de acordo com os dados obtidos neste trabalho para a rekWh/(m2.ano) European Comission (2016) região de Curitiba, em 2015 marcou o potencial de 1664,34 kWh/(m2.ano) e 2016 de 1579,40 kWh/(m2.ano) também no plano inclinado, ou seja, em média a região curitibana possui um potencial de geração 29,64% maior que o território alemão e 40,66% maior que o Reino Unido, que possui um potencial de 1153 kWh/(m2.ano) European Comission (2016). Os valores encontrados no plano inclinado para a capital do estado do Paraná se mostraram mais vantajosos do que nos melhores lugares da Alemanha e Reino Unido, paı́ses que são exemplos de aplicação da tecnologia fotovoltaica aplicada para geração de energia elétrica. 68 Figura 46: Mapa solar do Reino Unido, média de irradiação anual no plano inclinado. Fonte: traduzido pelos autores de European Comission (2016). 69 5 CONCLUSÃO A coleta de dados ambientais se mostra um esforço contı́nuo. Variações sazonais se mostraram muito significativas para que, num perı́odo de dois anos, fosse possı́vel chegar a um resultado conclusivo. Tal fato é perceptı́vel através da análise dos dados comparados, onde de um lado tem-se uma aproximação baseada nas médias históricas por métodos computacionais e por outro temos dados de um perı́odo disperso. Por outro lado, as diferenças observadas, ainda que o perı́odo de observação seja relativamente curto, sugerem a necessidade de revisão de modelos adotados pelo Atlas Brasileiro de Energia Solar. O ideal seriam leituras, em solo, de um espaço de tempo maior, para assim integrar essas leituras ao modelo atual, tornando-o mais completo. Assim, tais estudos pontuais tem sua importância para compreender a variabilidade e complexidade do problema. As variáveis devido a efeitos meteorológicos e ciclos solares são tantas que torna muito difı́cil a tarefa de dizer com exatidão o comportamento da intensidade de radiação solar num curto perı́odo. Porém, a tendência ao longo do tempo é sempre um retorno à média, como é visto através da diferença de 2015 e 2016, o qual apresenta uma leitura maior e mais próxima da média esperada. Ainda, é possı́vel vislumbrar que os desafios para o aproveitamento da radiação solar para geração de energia elétrica através do efeito fotovoltaico não tem relação com a intensidade de radiação na cidade de Curitiba, sendo essa maior que 1400kWh/m2.ano. A quantidade de energia irradiada, mesmo com a fama de cidade chuvosa, é significativa e maior que muitas regiões onde a tecnologia fotovoltaica para geração distribuı́da é amplamente utilizada. Se o problema não é a intensidade de irradiação, nem a eficiência de sistemas fotovoltaicos, presume-se que o problema seja econômico ou polı́tico. Econômico no sentido de que o Brasil não produz módulos fotovoltaicos nacionais e a burocracia torna importação um processo caro. O que acaba prolongando o tempo necessário para que um investimento nessa forma de geração tenha um retorno, tornando-o menos atrativo que outras aplicações financeiras, principalmente quando se leva em conta o segundo problema 72 KIPP & ZONEN. Instruction Manual, PQS 1 PAR Quantum Sensor. 2016. Acesso em: 12 mai. 2016. Disponı́vel em: <http://www.kippzonen.com/ProductGroup/1/Solar-Instruments>. KIPP & ZONEN. Instruction Manual, Solys 2, 2-Axis Sun Tracker. 2016. Acesso em: 12 mai. 2016. Disponı́vel em: <http://www.kippzonen.com/ProductGroup/1/Solar-Instruments>. KOPP, G.; LEAN, J. L. A new, lower value of total solar irradiance: Evidence and climate significance. Geophysical Research Letters, 1 2011. KREITH, F. Princı́pios de Transmissão de Calor. 3. ed. São Paulo: Edgar Blucher, 1977. LISBOA, D. da S. Dimensionamento de um CFVCR: estudo de caso do prédio central do campus universitário de Tucuruı́ - PA. Monografia (Bacharel) — Universidade Federal do Pará, 2010. LUNDE, P. J. Solar Thermal Engineering: Space Heating and Hot Water Systems. New York: Wiley, 1980. NASA. NASA, Earth’s energy balance. 2016. Acesso em: 2 abr. 2016. Disponı́vel em: <http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/>. NASA. NASA, The Sun. 2016. Acesso em: 2 abr. 2016. Disponı́vel em: <http://www.nasa.gov/sun>. NASCIMENTO, C. A. do. Princı́pio de Funcionamento da Célula Fotovoltaica. Dissertação (Especialização) — Lavras, 2004. nEDA, C. E. F. C. Desenvolvimento de um Rastreador Solar Passivo por Transferência de Massa. Dissertação (Mestrado) — PRODETEC, 2011. NREL. Reference solar spectral irradiance: Air mass 1.5. 2016. Acesso em: 23 fev. 2016. Disponı́vel em: <http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/>. OMETTO, J. Estudo das relações entre radiação solar global, radiação lı́quida, insolação. Tese (Doutorado) — Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiróz, Universidade de São Paulo, 1968. PEREIRA, E. B. et al. Atlas brasileiro de energia solar. 1. ed. São José dos Campos: INPE, 2006. PERLIN, J. The Silicon Solar Cell Turns 50. Golden, COLORADO: NREL, 2004. PINHO, J. T.; GALDINO, M. A. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro: GTES, 2014. ŠúRI, M. et al. Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries. 2007. RIFKIN, J. A economia do hidrogênio. São Paulo: M.Books, 2003. SHELL SOLAR. Shell SM100-12 Photovoltaic Solar Module. 2016. Acesso em: 18 abr. 2016. Disponı́vel em: <http://www.shell.com/solar>. 73 SUZUKI, E. V.; REZENDE, F. D. Estudo da Utilização da geração fotovoltaica para auxiliar a suprir a demanda crescente de energia elétrica no Brasil. Monografia (Especialização) — Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2013. TIEPOLO, G. M. Estudo do potencial de geração de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos conectados à rede no estado do Paraná. Tese (Doutorado) — Pontifı́cia Universidade Católica do Paraná, 2015. TU-BERLIN. Photovoltaic Energy Systems – Experiment PE1: Solar-Modules. 2016. Acesso em: 18 abr. 2016. Disponı́vel em: <http://emsolar.ee.tu-berlin.de/lehre/english/pv1/>. UNIVERSITY OF COLORADO BOULDER. University of Colorado Boulder, Solar Radiation and Climate Experiment. 2016. Acesso em: 07 nov. 2016. Disponı́vel em: <http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/sorce-total-solar-irradiance-plots/>. URBANETZ JR., J. Sistemas fotovoltaicos conectados a redes de distribuição urbanas: sua influência na qualidade da energia elétrica e análise dos parâmetros que possam afetar a conectividade. Tese (Doutorado) — Universidade Federal de Santa Catarina, 2010. VALLêRA, A. M.; BRITO, M. C. Meio Século de História Fotovoltaica. Lisboa, 2006. WMO. Guide to Meteorological Instruments. Geneva, 2008. 74 APÊNDICE A -- GRÁFICOS IRRADIÂNCIA MÉDIA GLOBAL POR MÊS EM 2015 E 2016 Figura 47: Irradiância média no plano horizontal em janeiro de 2016. Figura 48: Irradiância média no plano horizontal em fevereiro de 2015. 77 Figura 55: Irradiância média no plano horizontal em maio de 2016. Figura 56: Irradiância média no plano horizontal em junho de 2015. Figura 57: Irradiância média no plano horizontal em junho de 2016. 78 Figura 58: Irradiância média no plano horizontal em julho de 2015. Figura 59: Irradiância média no plano horizontal em julho de 2016. Figura 60: Irradiância média no plano horizontal em agosto de 2015. 79 Figura 61: Irradiância média no plano horizontal em agosto de 2016. Figura 62: Irradiância média no plano horizontal em setembro de 2015. Figura 63: Irradiância média no plano horizontal em setembro de 2016. 82 APÊNDICE B -- GRÁFICOS IRRADIÂNCIA MÉDIA INCLINADA POR MÊS EM 2015 E 2016 Figura 68: Irradiância média no plano inclinado em janeiro de 2016. Figura 69: Irradiância média no plano inclinado em fevereiro de 2015. 83 Figura 70: Irradiância média no plano inclinado em fevereiro de 2016. Figura 71: Irradiância média no plano inclinado em março de 2015. Figura 72: Irradiância média no plano inclinado em março de 2016. 84 Figura 73: Irradiância média no plano inclinado em abril de 2015. Figura 74: Irradiância média no plano inclinado em abril de 2016. Figura 75: Irradiância média no plano inclinado em maio de 2015. 87 Figura 82: Irradiância média no plano inclinado em agosto de 2016. Figura 83: Irradiância média no plano inclinado em setembro de 2015. Figura 84: Irradiância média no plano inclinado em setembro de 2016. 88 Figura 85: Irradiância média no plano inclinado em outubro de 2015. Figura 86: Irradiância média no plano inclinado em outubro de 2016. Figura 87: Irradiância média no plano inclinado em novembro de 2015. 89 Figura 88: Irradiância média no plano inclinado em dezembro de 2015.