ESTIMATIVA DA IRRADIÂNCIA DIRETA, DIFUSA E GLOBAL UTILIZANDO CÉLULAS FOTOVOLTAICAS DE REFERÊNCIA EM DIFERENTES ÂNGULOS DE INCLINAÇÃO

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7570344


Reinan Viana de Almeida Santos
Orientador: Dr. Douglas Bressan Riffel


RESUMO  

Atualmente, a energia solar está se mostrando uma fonte energética com grande  potencial de crescimento, em particular, a energia solar fotovoltaica. Neste contexto,  o presente trabalho tem como objetivo apresentar um novo método para estimar  dados de irradiância solar utilizando células solares de referência em diferentes  ângulos de inclinação. Para o desenvolvimento deste estudo foi realizado um  experimento físico para captação de dados utilizando duas placas fotovoltaicas em  inclinações diferentes e célula solar calibrada para dar suporte ao experimento. Após  a realização do experimento físico, foram realizadas simulações com os mesmos  parâmetros do experimento físico com intuito de verificar os resultados do método  proposto. Por fim, os resultados encontrados através do método proposto ficaram  próximos aos encontrados em simulação, confirmando a eficácia do método. 

Palavras-chave: Irradiância Solar; Obtenção de dados; Medições solarimétricas.

ABSTRACT  

Currently, solar energy is proving to be an energy source with great potential for growth, in particular, photovoltaic solar energy. In this context, the present work aims to present a new method to estimate solar irradiance data using reference solar cells at different angles of inclination. For the development of this study, a physical experiment was carried out to capture data using two photovoltaic plates at different inclinations and a calibrated solar cell to support the experiment. After performing the physical experiment, simulations were performed with the same parameters of the physical experiment in order to verify the results of the proposed method. Finally, the results found through the proposed method were close to those found in the simulation,  confirming the effectiveness of the method. 

Keywords: Solar Irradiance; Data acquisition; Solarimetric measurements.

1 INTRODUÇÃO 

A energia é um recurso essencial para a vida humana, auxiliando diversos  serviços indispensáveis para sociedade, como: saúde, segurança, telecomunicações,  mobilidade urbana e operação industrial. Com o desenvolvimento social, econômico,  tecnológico e demográfico da humanidade a demanda mundial de energia tem  aumentado gradativamente ao longo dos anos. De acordo com a ONU (Organização  das nações unidas), a população mundial deve chegar à 9,7 bilhões de habitantes até  2050 e atingir seu ápice ao final do século com cerca de 11 bilhões de habitantes. O  crescimento populacional da Terra tem impacto direto em diversos setores, inclusive  na disponibilidade e acesso à energia.  

Atualmente, a energia necessária para suprir a demanda energética requerida  pela sociedade é fornecida através de diversas fontes energéticas disponíveis,  renováveis e não renováveis, que em conjunto, compõem a matriz energética. As  fontes não renováveis são aquelas que utilizam reservas naturais finitas, que podem  ser esgotadas, visto que possuem um processo de formação lento comparado à  demanda de uso, sendo também consideradas fontes de energia “sujas” por causarem  danos ao meio ambiente (EPE, 2022). 

Em contrapartida, as fontes renováveis são aquelas virtualmente inesgotáveis  por se regenerarem de forma espontânea ou através de intervenção humana, também  consideradas fontes de energia “limpas” por causarem baixo ou nulo impacto  ambiental, em comparação com as fontes não renováveis. As fontes renováveis são  opções menos poluentes para geração de energia elétrica, tornando alternativa ao  uso de combustíveis fósseis. Diante disso, a busca por tecnologias que auxiliem o  avanço no uso de fontes renováveis são medidas importantes para a diminuição dos  impactos ambientais e crescimento do setor (EPE, 2022). 

Dentre as diversas fontes de energia renovável, a estudada neste trabalho é a  energia solar. O sol é a maior fonte de energia disponível no planeta, e o  aproveitamento dos seus raios solares para geração de energia elétrica vem  crescendo em usinas fotovoltaicas como em residências e indústrias. O Brasil possui  um grande potencial para geração de energia solar fotovoltaica, como a maior parte  de seu território está localizada em uma região intertropical, suas terras possuem alta incidência de radiação ao longo de todo o ano, o que se torna vantajoso para esse tipo de geração (GÓIS, 2012).

Nos últimos anos, a energia solar no Brasil vem apresentando um crescimento representativo em sua participação na oferta de energia elétrica brasileira. Em 2020, a energia solar foi responsável por produzir 10,8 TWh, aproximadamente 1,7% da matriz elétrica brasileira (BEN, 2020).
A figura 1, apresenta a matriz elétrica brasileira por fonte nos anos de 2017 e 2020, analisando a fonte solar dentro da matriz elétrica é possível notar que houve um crescimento de 1,6% em sua participação nos últimos anos (BEN, 2020).

Figura 1 – Fontes da Matriz Elétrica Brasileira. 

Fonte: Próprio Autor Adaptado (2022).

As usinas solares fotovoltaicas são grandes centrais geradoras de energia  elétrica através da utilização de diversas placas fotovoltaicas. No Brasil a energia  produzida pelas usinas solares é injetada e distribuída pela rede através do Sistema  Interligado Nacional (PORTAL SOLAR, 2020).  

De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2022),  atualmente o Brasil possui 4.357 usinas fotovoltaicas em operação, 81 em fase de  construção e 643 projetos não iniciados.  

A maior usina solar fotovoltaica do Brasil em operação é a Usina fotovoltaica  de São Gonçalo no Piauí (Figura 2), que possui potência instalada atual de 608 MW,  com previsão de elevação para 846 MW ao fim de suas obras. No Brasil, o número de usinas solares ainda é considerado baixo, porém a perspectiva de crescimento do  setor é bastante promissora (PORTAL SOLAR, 2020).  

Figura 2 – Vista aérea da Usina Solar Fotovoltaica de São Gonçalo, Piauí.

Fonte: Enel Green Power (2022).

A micro e minigeração distribuída de energia também teve um crescimento  significativo nos últimos, com destaque para fonte solar fotovoltaica, gerando 4.764 GWh com potência instalada de 4.635 MW. O incentivo através de ações regulatórias,  proporcionaram um crescimento nesse tipo de geração (BEN, 2020). 

A introdução das fontes renováveis de energia no segmento de geração  distribuída foi bastante importante para o desenvolvimento da energia solar no Brasil.  De acordo com a Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica (ABSOLAR,  2022), até janeiro de 2020, a energia solar fotovoltaica foi responsável por 99,8% das  instalações de geração distribuída do país. Desde dezembro de 2012, através da  Resolução Normativa 482/2012 é possível que os sistemas de geração que utilizam  fontes renováveis possam injetar energia em paralelismo com a rede elétrica das  concessionárias de distribuição elétrica do país. 

1.1 JUSTIFICATIVA 

O uso de fontes de energias renováveis está ganhando visibilidade devido a  sua disponibilidade, abundância e baixo impacto ambiental. Dentre elas, a energia  solar fotovoltaica é considerada uma opção vantajosa, pelo seu sistema distribuído de  energia. Para competir com as fontes convencionais de energia, os sistemas  fotovoltaicos devem apresentar ganhos no ponto de vista econômico e confiabilidade  no fornecimento especificados durante a instalação, para tal fim, um dos requisitos  são dados de qualidade sobre o desempenho fotovoltaico da região (LIMA e  GONÇALVES, 2018). No Brasil, existem poucas estações meteorológicas que  registram valores da irradiação solar em intervalos horários, gerando uma escassez  enorme de dados precisos para aplicação no ramo solar. De acordo com o Sistema  Nacional de Organização de Dados Ambientais (SONDA), sua rede de coleta de  dados atual dispõe de 11 estações solarimétricas próprias e 6 estações de parceiros  distribuídas por todo território brasileiro. O alto custo de estações solarimétricas torna  impraticável a construção de uma rede de obtenção de dados com esse equipamento (BERTRAND et al, 2017). Para que o número de medições em diversas regiões do  país aumente é necessário a criação de métodos alternativos para este fim. Dentro  deste contexto, este trabalho visa contribuir na obtenção de dados de irradiância  utilizando um novo modelo com células fotovoltaicas de referência em diferentes  ângulos de inclinação. 

1.2 OBJETIVOS 

1.2.1 Objetivo Geral 

Realizar medições para estimativa da irradiância direta, difusa e global  utilizando células fotovoltaicas de referência em diferentes ângulos de inclinação para  desenvolver um novo método de obtenção de dados. 

1.2.2 Objetivos Específicos 

● Construir um modelo experimental para medições simultâneas de  corrente em dois painéis fotovoltaicos com auxílio de multímetros;

● Medir a irradiância solar difusa e global com auxílio de uma célula solar  calibrada e um disco de sombreamento adaptado; 

● Verificar os resultados encontrados a partir do método proposto através  de simulações desenvolvidas utilizando a plataforma Google Colab e a linguagem de  programação Python.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 

2.1 ESTIMATIVA DA IRRADIAÇÃO SOLAR 

A necessidade de estimativas precisas de irradiância solar para  dimensionamento e monitoramento de sistemas solares fotovoltaicos estimulou a  produção científica de novos métodos para esta finalidade. Para mapear as produções  sobre o tema foi realizado um levantamento acerca de métodos alternativos de estimar  irradiação solar. Dentre as produções encontradas, três foram selecionadas levando  em consideração sua relevância sobre tema. Para uma melhor visualização, a tabela  1 foi organizada com os trabalhos selecionados e suas informações principais. 

O primeiro trabalho selecionado foi o “An improved method for direct incidente  solar radiation calculation from hourly solar insolation data in building energy  simulation”. Nele, os autores analisam os métodos existentes para estimar a radiação  direta utilizados em arquivos meteorológicos que são aplicados em programas de  modelagem energética de edifícios. Os autores afirmam que o uso de dados de  insolação horária como entrada pode resultar em erros de estimativa da radiação solar  direta incidente em uma superfície, visto que, a posição do feixe solar varia ao longo  do tempo. O método proposto por eles, busca estimar a irradiância solar através de  um novo algoritmo assumindo que a irradiância solar varia linearmente no período de  uma hora e pode ser estimada com base na irradiância solar no meio-relógio e  inclinação. Para validar o método e avaliar seu desempenho comparado aos três  métodos convencionais usados em modelagens energéticas de edifícios, foram  coletados dados de irradiância solar normal de oito estações de radiação solar na  China e verificado a precisão dos métodos. Por fim, os autores afirmam que os  resultados do método proposto para estimativa de radiação solar direta apresentam a  melhor precisão comparado aos métodos convencionais e sugere que o método seja  aplicado em futuras modelagens para aumentar a precisão do cálculo da radiação  solar, melhorando o desempenho energético dos edifícios e a produção dos sistemas  fotovoltaicos integrados. 

Tabela 1 – Principais informações das produções selecionadas. 

Autoria Título Ano da  publicação Tipo de  publicação Palavras chave 
AN, Jingjing; YAN, Da; GUO, Siyue;  GAO, Yan; PENG, Jinqing; HONG,  TianzhenUm método aprimorado para o cálculo de  radiação solar direta  incidente através de  dados de insolação   solar por hora em  simulação energética  de edifícios. 2020 ArtigoDirect incident  solar radiation on  surfaces;  Calculation  method; BIPV  systems
LELOUX,  Jonathan;  FERNANDEZ,  Luís Narvarte;  VILLAGRÁ,  Rodrigo Moretón;  PIGUEIRAS,  Eduardo LorenzoMétodo de geração de  dados de irradiação  solar a partir de dados  de produção energética de instalações  fotovoltaicas.2015Patente de  Invenção  com exame  previo_
PORFIRIO,  Anthony Carlos  Silva; CEBALLOS, Juan CarlosUm método de  estimativa de irradiação solar direta normal a  partir de imagens de  satélite  geoestacionários:  resultados preliminares2013 ArtigoIrradiância direta  normal; Satélites  meteorológicos;  Radiação solar

Fonte: Próprio Autor (2022).

Em seu trabalho, LEROUX et al. (2015) apresenta um método para geração  de dados de irradiação solar de uma região a partir da produção energética registrada  pelos contadores dos sistemas fotovoltaicos vizinhos a essa região. O conhecimento  da irradiação solar recebida pelos sistemas fotovoltaicos é necessário para seu projeto  e avaliação de sua produtividade. Para obtenção dos dados de irradiação através do  método apresentado é necessário que a instalação fotovoltaica tenha equipamentos capazes de medir sua energia produzida, normalmente medidores de energia ou  inversores. Os dados obtidos são transferidos para um servidor na internet e armazenados em um banco de dados para finalmente serem analisados e  processados por um servidor de cálculo. Segundo os autores, o método de geração  foi aplicado para estimar os valores de irradiação incidente numa instalação localizada em algum lugar da Bélgica, denominada instalação Focus. Foram utilizados os dados  de quatro instalações vizinhas cujo os dados de produção energética eram medidos a  cada hora por medidores inteligentes. Os dados dessas instalações foram  transmitidos por GPRS dos medidores para um servidor na internet, e foram  armazenados em um banco de dados MySQL. Os dados foram processados e os  resultados foram fornecidos aos clientes por um servidor Web em XML. Por fim, os  dados foram utilizados para demonstrar a Energia estimada [Wh] X Energia produzida  [Kwh] da instalação. 

Figura 3 – Energia estimada [Wh] X Energia produzida [Wh]. 

Fonte: LELOUX, et al (2015).

O último trabalho selecionado propõe um método de estimativa de irradiação  solar direta normal a partir de imagens de satélite geoestacionário. O método consistiu  no uso combinado de um modelo físico de estimativa de irradiação direta normal sob  condições de céu claro (DNIc), informações meteorológicas auxiliares e imagens de  reflectância disponíveis por satélite. O modelo utilizado para estimar irradiância normal  foi o REST, desenvolvido por Gueymard, que adota funções parametrizadas para a  transmissão da radiação normal. 

Para os autores, o principal fator modulador da incidência de DNI à superfície  é a nebulosidade. A estimativa de nebulosidade adota uma relação linear entre a cobertura local de nuvens (C) e as imagens de reflectância no canal visível do satélite  GOES (Rvis). A partir do conjunto de informações expressadas na metodologia, foi  criada uma expressão para estimar a irradiância direta normal por satélite (DNIsat ). Os  dados utilizados no trabalho foram obtidos através das estações da rede SONDA em  Petrolina – PE, Natal – RN e São Luís – MA. Foi avaliado o desempenho do método  na estimativa de irradiância direta normal fazendo uma análise minuciosa no intuito  de remover dias com ausência de 1,5h de imagens no período diurno e  apresentassem inconsistências nas curvas medidas. Por fim, os autores declaram que  o método representa satisfatoriamente o ciclo diário de DNI medida, sob todas as  condições de nebulosidade, com erros diários médios inferiores a ±12 W m-2.

3 FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA

3.1 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS E O EFEITO FOTOVOLTAICO 

A célula fotovoltaica é a menor unidade de conversão de energia luminosa  proveniente do sol em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico. O conjunto de  células fotovoltaicas formam os painéis fotovoltaicos, que são largamente utilizados  para obtenção de energia solar (MATAVELLI, 2012).  

O efeito fotovoltaico consiste na conversão direta da luz em eletricidade e foi  descoberto pelo físico francês Edmond Becquerel em 1839, que observou a aparição  de uma diferença de potencial nos extremos de um material semicondutor após  absorção da luz (CEPEL-CRESESB, 2014).  

A ocorrência desse efeito é esclarecida através da composição dos elementos  químicos e sua estrutura atômica. O silício é o semicondutor mais utilizado na  construção de células fotovoltaicas atualmente, no estado puro o átomo de silício  possui número atômico N=14, distribuídos em 3 órbitas ao redor do núcleo, com 4  elétrons em sua camada de valência. Para se estabilizar, um átomo precisa possuir 8  elétrons em sua camada de valência, por isso, os 4 elétrons da camada mais externa  do silício, fazem ligações covalentes com 4 átomos vizinhos, completando o número  de elétrons necessários para estabilidade e formando uma estrutura cristalina (TIRAPELLE et al, 2013), como pode ser visto na figura 4.

Figura 4 – Compartimento de elétrons entre átomos de silício e a distribuição  espacial do cristal de silício.

Fonte: Enel Green Power (2022).

Segundo LIMA e GONÇALVES (2017), para o efeito fotovoltaico ocorrer é  necessário ao menos um elétron livre, que surge com a quebra da ligação covalente  através do recebimento de energia suficiente para afastar o elétron ainda mais do  núcleo, ficando livre de sua atração. Ao ficar livre da atração do núcleo, a camada de  valência passa a possuir uma lacuna, criando assim um par elétron-lacuna.  

O elétron livre energizado pode ser direcionado para um circuito gerando uma  corrente elétrica. Entretanto, se for utilizado apenas o silício, o elétron livre converte a  energia obtida em energia térmica e retorna para camada de valência preenchendo a  lacuna, impedindo a geração de corrente. Para que a corrente seja gerada é  necessário um processo de aceleração do elétron livre para fora do material, realizado  através de um campo elétrico (SHAYANI, 2006). 

SHAYANI (2006) nos explana que, as células fotovoltaicas são fabricadas com  um campo elétrico permanente, criado pela dopagem do material semicondutor. A  dopagem é a introdução de impurezas num cristal, podendo aumentar tanto o número  de elétrons livres quanto o número de lacunas. Por possuir 4 elétrons em sua camada  de valência, a dopagem do silício ocorre utilizando átomos trivalentes e pentavalentes.  Quando átomos com 3 elétrons na camada de valência são adicionados ao  silício, forma-se apenas 3 ligações, criando uma lacuna. Assim, ao adicionar um pouco  de energia térmica, um elétron vizinho pode passar a ocupar essa posição, fazendo a  lacuna deslocar-se. Elementos usados na dopagem que gera lacunas, como por  exemplo o boro, são denominados dopante p ou impureza p (LIMA e GONÇALVES,  2017).

Se átomos pentavalentes forem adicionados ao silício, 4 ligações são formadas  e um quinto elétron não realiza nenhuma ligação, ficando fracamente ligado ao núcleo.  Por possuir uma ligação fraca, mesmo energizado de forma leve, já é o suficiente para  o elétron se tornar um elétron livre. Quando o dopante é doador de elétrons denomina se dopante n ou impureza n. O fósforo é um dopante doador de elétrons muito utilizado  na dopagem do silício (LIMA e GONÇALVES, 2017). 

Ainda segundo (TIRAPELLE et al, 2013), a dopagem do silício, ou de qualquer  outro semicondutor, não o torna carregado eletricamente, ele continua eletricamente neutro por possuir o mesmo número de prótons e elétrons, apenas proporcionam a  existência de elétrons com maior liberdade para se movimentar. 

Por possuírem portadores de carga livre, os cristais p e os cristais n se  comportam como condutores, no caso do tipo n os portadores são os elétrons,  enquanto no tipo p as lacunas. Quando o silício tipo n entra em contato com o silício  tipo p, os elétrons livres do lado n preenchem as lacunas do lado p, deixando positivamente carregada e a camada p negativamente carregada. Conforme os  elétrons livres vão preenchendo as lacunas na região de contato entre os cristais, o  número de portadores de carga vai diminuindo, aumentando a resistividade e criando  um campo elétrico permanente, dificultando a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p. A intensidade do campo continua aumentando com cada elétron que  atravessa, até alcançar o equilíbrio quando o campo elétrico, através da diferença de  potencial, forma uma barreira que impede a passagem dos elétrons livres  remanescentes do lado n (LIMA e GONÇALVES, 2017). 

Figura 5 – Esquema do efeito fotovoltaico numa célula fotovoltaica de silício.

Fonte: OAK Energia (2021).

Logo (TIRAPELLE et al, 2013), declara que, quando os fótons da luz solar  atingem a célula fotovoltaica, um elétron do tipo p recebe energia necessária e se  move para banda de condução, criando um par elétron-lacuna, o campo elétrico envia o elétron para o lado n, mas não permite seu retorno. Porém, ao ligar um contato nas  duas extremidades do material semicondutor dopado, o elétron que foi enviado para  o lado n, encontra um caminho para retornar e preencher a lacuna no lado p, ao  atravessar esse contato, a energia do fóton que foi absorvida pelo elétron é convertida  em energia elétrica e o elétron volta a possuir energia para ficar na camada de  valência. A figura 5 apresenta um esquema do efeito fotovoltaico numa célula  fotovoltaica de silício.

3.2 IRRADIÂNCIA SOLAR 

O termo irradiância solar é utilizado para definir a radiação solar incidente sobre  uma superfície por unidade de área de forma instantânea, sendo normalmente  representada pela unidade de medida (W/m2) (GÓIS, 2012). 

Segundo Magarreiro et al (2017) para a realização da estimativa de medição é  necessário compreender como é composta a irradiância global e seus componentes,  estando elas listadas a seguir: 

● Irradiância Direta Normal (DNI): Irradiância recebida diretamente do sol  sem sofrer dispersão, sendo medida em uma superfície perpendicular aos raios  solares. 

● Irradiância Difusa Horizontal (DHI): Irradiância recebida do sol que  sofreu dispersões durante sua trajetória e incidiu sobre a superfície horizontal da  placa. 

● Irradiância Refletida (RI): Irradiância refletida pela superfície e que incide  na placa, a reflexão depende bastante das propriedades ópticas da superfície atingida  pelos raios solares. A parcela da Irradiância Refletida para compor a Irradiância Global  Horizontal é praticamente insignificante, por isso não é utilizada nas medições. 

● Irradiância Global Horizontal (GHI): É a radiação total incidente em uma  superfície horizontal por unidade de área. Sendo a soma da Irradiância Direta Normal  (DNI), Irradiância Difusa Horizontal (DHI) e Irradiância Refletida (RI).

As irradiâncias global, direta e difusa guardam entre si a seguinte relação:

GHI = DNI ∗ cos(θz) + DHI

Figura 6 – Componentes da irradiância solar na superfície terrestre.

Fonte: GÓIS (2012).

A irradiância solar que atinge as placas solares é diferente da encontrada no  topo da camada atmosférica, denominada irradiância extraterrestre. A irradiância  emitida pelo sol e sua relação espacial com a Terra resulta em uma intensidade fixa  aproximada de irradiância solar fora da atmosfera terrestre, chamada de constante  solar (I0). A constante solar representa a energia do sol incidente sobre uma superfície  unitária plana perpendicular à direção de propagação dos raios solares, fora da  atmosfera. O centro de radiação mundial (WRC – World Radiatin Center) adotou o  valor de 1367 W/m2 para constante solar, com uma incerteza da ordem de 1%  (CEPEL-CRESESB, 2014).  

A Figura 7, mostra o comportamento irradiância extraterrestre ao longo do ano  e uma equação para o cálculo da irradiância extraterrestre (I0,ef) em função da  constante solar (I0), e do dia juliano (n). 

Figura 7 – Variação da irradiância solar extraterrestre ao longo do ano.

Fonte: CEPEL – CRESESB (2014).

A irradiância que atinge as placas e o solo é naturalmente menor devido a  reflexão e absorção atmosférica e depende diretamente da localização de incidência  dos raios solares. Dessa forma, segundo (GÓIS, 2012) como condição padrão para  cálculos e projetos é adotado o valor médio de 1000 W/m2, assumindo condições de  céu limpo e ao meio dia. Esse valor é utilizado como condição padrão para testes de  módulos fotovoltaicos. 

3.3 ÂNGULOS DA GEOMETRIA SOLAR 

As relações entre os raios solares e seu local de incidência na superfície variam  ao decorrer do dia devido aos movimentos de rotação e translação da Terra, dando  origem aos ângulos da geometria solar. A orientação da incidência dos raios solares  em uma superfície plana ou inclinada é de imensa importância no dimensionamento  de qualquer sistema fotovoltaico, sendo determinada através da relação entre os  ângulos da geometria solar (ARRUDA, 2004 e LIMA, 2003). Alguns desses ângulos  estão presentes na NBR 10899:2013 da ABNT com intuito de auxiliar o  desenvolvimento de projetos e serão apresentados a seguir:

Figura 8 – Ângulos da geometria solar.

Fonte: ABNT NBR 10899:2013.

Latitude (∅): localização angular em relação ao Equador, com faixa de  variação de -90°≤ ∅ ≤+90° e, por convenção, definido como Norte positivo e Sul  negativo. 

Declinação solar (δ): É a posição angular do sol ao meio dia em relação  ao plano do Equador, com faixa de variação -23,45° ≤ δ ≤ +23,45° e, por convenção,  definido como positivo no hemisfério Norte. A declinação solar pode ser encontrada  através da equação 2. 

Onde n representa o dia juliano. 

Ângulo de incidência (��): ângulo entre a radiação direta incidente no  plano e a normal à superfície. 

Ângulo zenital (θz): ângulo formado entre os raios solares e a vertical  local (Zênite). 

Inclinação da superfície (β): ângulo entre o plano da superfície e uma  superfície horizontal, com faixa de variação de 0° ≤ β ≤ 90°.

Ângulo azimutal da superfície (γ): ângulo entre a projeção da normal  à superfície e o plano meridiano local. Possui faixa de variação de -180°≤ γ ≤+180 e,  por convenção, definido positivo para o leste e negativo para o oeste. 

Ângulo azimutal do sol (γs): ângulo azimutal do sol ou azimute solar é  o ângulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal e o horizonte do  observador. O deslocamento angular se inicia a partir do Norte geográfico (0°), com  faixa de variação -180°≤ γs ≤+180°, e, por convenção, definido positivo para o Leste e  negativo para o oeste. 

Ângulo horário solar (ω): ângulo correspondente à posição do Sol em  torno de sua órbita diária (aparente). Medido para o Oeste, a partir do meio-dia local.  De acordo com a equação do ângulo horário solar, cada hora solar (Hs) corresponde  a um deslocamento de 15°, que por convenção, é definido como negativo no período  da manhã e positivo no período da tarde.

Altura solar (α): Ângulo entre os raios solares e sua projeção em um  plano horizontal.  

3.4 TRAJETÓRIA APARENTE DO SOL  

A trajetória aparente do sol no céu em relação a um observador na superfície  terrestre ocorre devido aos movimentos de translação e rotação da Terra. A rotação  da Terra em torno do seu próprio eixo gera o movimento aparente do nascer e pôr do  sol no sentido leste – oeste, o outro movimento aparente é o de deslocamento do sol  do sul para o norte e do norte para o sul, a depender do dia do ano, que dá origem às  estações do ano. Esse deslocamento aparente ocorre devido a translação da terra em  torno do sol e ao fato do plano do equador terrestre formar um ângulo de 23,45° com  o plano da eclíptica, que é o plano que determina a trajetória da Terra em torno do sol.  À medida que a Terra realiza o movimento de translação, é possível observar que o  ângulo entre os raios solares e o plano do Equador se modifica, esse ângulo é  denominado declinação solar (δ) e pode variar de -23,45°≤ δ ≤+23,45°, sendo positivo quando no hemisfério norte e negativo no hemisfério sul. A diferença entre a  declinação solar e a latitude do local determina a trajetória aparente do Sol em  determinado dia em uma dada localidade na Terra (GÓIS, 2012). 

A inclinação da Terra em relação ao plano da eclíptica faz com que a radiação  sobre a Terra varie bastante ao longo do ano. Para um observador no hemisfério sul,  o sol estará precisamente alinhado com ele no dia 21 de dezembro de cada ano,  dando início ao verão no hemisfério Sul, isso ocorre porque nessa data a declinação  solar chega ao seu limite mínimo de -23,45°. Em contrapartida, no dia 21 junho de  cada ano, se inicia o inverno no hemisfério sul, visto que a declinação solar chegou  ao seu limite máximo de +23,45°. Esses eventos são conhecidos como solstícios de  verão e inverno. No momento que o sol aparenta está exatamente sobre o Equador a  declinação solar é igual a zero (δ=0) e ocorrem os equinócios de outono e primavera  nos dias 21 de março e 23 de setembro, respectivamente. Assim se definem as  estações do ano (CEPEL-CRESESB, 2014).

Figura 9 – Estações do ano no hemisfério sul.

Fonte: WebFisica (2022)

3.5 SOLARIMETRIA 

A solarimetria é a ciência que se dedica ao estudo e medições de parâmetros  relacionados à radiação solar. Esses parâmetros são utilizados em aplicações de  diversas áreas tecnológicas, tais como: agricultura, meteorologia, engenharia florestal  e em particular para energia solar. A informação adequada e confiável do recurso solar incidente sobre a superfície terrestre é requisito fundamental para o dimensionamento  de sistemas solares energéticos e, portanto, a confiabilidade dos dados coletados é  essencial para projetos mais precisos e viáveis economicamente (TIBA, 2000).

A medição da radiação solar determina o potencial de geração local, e assim  apresenta a viabilidade da instalação de sistemas de geração em uma determinada  região. Além de determinar o potencial, a instrumentação aplicada à medição de  radiação solar é importante no controle de eficiência e monitoramento do sistema de  geração. No Brasil, as medições são obrigatórias para habilitação em leilões de  energia elétrica e outorga de usinas geradoras de energia. A EPE (Empresa Nacional  de Energia Elétrica) e ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) possuem  diretrizes e resoluções próprias que devem ser seguidas para realização das  medições e equipamentos que devem ser utilizados. Na geração distribuída não existe  normatização nacional, porém a avaliação do potencial de geração proporciona uma  maior confiabilidade e segurança para o projeto (ARAÚJO, 2022) 

A utilização de instrumentos de medição é sempre pertinente,  independentemente do nível de geração adotado, devendo ser aplicado de projetos  domésticos até para projetos de grandes usinas centralizadas. Alguns desses  instrumentos para medição de dados solares são: Piranômetro, pireliômetro,  espectroradiômetros, albedômetro, disco de sombreamento e radiômetro fotodiodo.

4 METODOLOGIA  

Neste capítulo serão apresentados os materiais utilizados para a montagem e  realização do experimento para coleta de dados, bem como a metodologia aplicada  do método proposto e análise dos dados coletados. 

4.1 MATERIAIS 

A estrutura para realização do experimento foi desenvolvida a partir de um  suporte adaptado que possibilitasse uma fácil movimentação dos painéis fotovoltaicos  e sua mudança de angulação. Com os painéis posicionados foram conectados cabos  de teste para medição das correntes com o multímetro. A célula solar calibrada foi  montada lateralmente, junto ao disco de sombreamento para realizar as medições da  irradiância global e difusa no momento do experimento. A captação dos dados do  multímetro ocorreu de forma manual observando o valor apresentado em seu display em intervalos de 10 segundos para cada ângulo dos painéis fotovoltaicos. A captação  de dados de irradiância ocorreu de forma digital com o auxílio de um notebook  conectado à saída da célula solar calibrada. 

Os materiais utilizados no experimento foram: 

● Dois painéis fotovoltaicos; 

● Dois multímetros digitais LWJ 303; 

● Uma célula solar de referência calibrada; 

● Disco de sombreamento adaptado; 

● Clinômetro. 

4.1.1 Painéis Fotovoltaicos  

São dispositivos compostos por células fotovoltaicas fabricadas a partir de  materiais semicondutores responsáveis pela conversão da energia proveniente do sol  em energia elétrica.

Figura 10 – Painéis Fotovoltaicos

Fonte: Portal Solar (2022).

4.1.2 Multímetros Digitais LWJ 303 

São equipamentos utilizados para medições de grandezas elétricas, em  especial, tensão (volts), resistência (ohms) e corrente (amperes), sendo amplamente  utilizados devido a sua precisão e confiabilidade nas medições. Os multímetros são  acompanhados por cabos de teste, flexíveis e com isolamento que servem como  condutor do artigo em teste até o multímetro. Os dois multímetros digitais LWJ 303  foram utilizados no trabalho para realizar as medições de corrente de curto circuito  dos dois painéis solares e são apresentados na figura 11. 

Figura 11 – Multímetros Digitais LWJ 303

Fonte: Próprio Autor (2022).

4.1.3 Célula Solar de Referência Calibrada 

São sensores de silício utilizados para medir os níveis de irradiância solar de  forma robusta e confiável. A célula solar calibrada (Figura 12) é uma solução barata  para realizar medições em relação às outras formas disponíveis no mercado. O sensor de silício possui um design semelhante a um módulo fotovoltaico, o que o torna ideal  para monitorar o desempenho de sistemas fotovoltaicos. 

Figura 12 – Célula Solar Calibrada

Fonte: Kintech Engineering (2022).

4.1.4 Disco de Sombreamento Adaptado 

É um equipamento utilizado para bloquear a passagem da irradiância direta em  direção em direção a célula solar de referência calibrada para auxílio na obtenção da  irradiância difusa. O disco de sombreamento utilizado nesse experimento foi uma  adaptação feita com equipamentos encontrados no laboratório, como podemos ver na  Figura 13.

Figura 13 – Disco de Sombreamento Adaptado

Fonte: Próprio Autor (2022).

4.1.5 Clinômetro 

É um equipamento utilizado para realizar medições de ângulos entre um plano  horizontal e um plano inclinado. O clinômetro foi utilizado para posicionar com  confiabilidade os painéis fotovoltaicos em diversos ângulos durante o experimento. 

4.2 EXPERIMENTO 

A coleta dos dados foi realizada no dia 22 de novembro de 2021, ao ar livre,  próximo ao galpão de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Sergipe – UFS. As medições ocorreram em intervalos entre 10 e 20 minutos, com início às 14h  e término às 15h, utilizando a célula solar calibrada e o disco de sombreamento para  medir a irradiância global e difusa no momento da realização do experimento e os  painéis fotovoltaicos em conjunto com os multímetros para medir os valores de  corrente de curto circuito gerados através da energia solar. A disposição dos painéis  fotovoltaicos durante o experimento busca representar a instalação de painéis solares  sobre telhados residenciais com duas inclinações, popularmente conhecidas como  duas águas. A estrutura para coleta de dados pode ser observada na figura 14. 

Figura 14 – Placas em diferentes inclinações

Fonte: Próprio Autor (2022).

4.3 MÉTODO PROPOSTO 

A proposta consiste em um método capaz de estimar dados de irradiância solar  para determinada região utilizando os valores de corrente produzidos por duas placas  solares em inclinações diferentes.  

Antes de montar a estrutura, foi necessário determinar a constante de  proporcionalidade da placa, uma razão entre a irradiância global e a corrente de curto  circuito. Para esse fim, foram realizadas medições de corrente de curto circuito dos  painéis na horizontal, ou seja, com angulação de 0° e medição de irradiância global  com a célula solar calibrada. Tendo em mãos, os valores da irradiância global  encontrada pela célula solar calibrada e da corrente de curto circuito, medida pelo  multímetro, foi possível, através da equação 4, determinar a constante de  proporcionalidade das placas solares.

(4)

Em seguida, as placas foram posicionadas manualmente com auxílio do  clinômetro, para medir com exatidão o ângulo que as placas se encontravam. As  placas foram dispostas em quatro configurações em diferentes horários, direcionados  para leste e oeste respectivamente, com os seguintes ângulos: 14° e 24°, 16° e 27°, 16° e 36° e por fim 30° e 21°. 

Tabela 2 – Dados de corrente de curto circuito 

Fonte: Próprio autor

Para cada configuração das placas foram realizadas medições da corrente e  armazenadas em um software editor de planilhas. Os dados obtidos nos experimentos  podem ser visualizados na tabela 2. 

Com os dados de corrente armazenados para todas as configurações e da  constante de proporcionalidade das placas, foi aplicada novamente a equação 4 para  obter os valores de irradiância solar no plano inclinado (Plan of Array – POA) para cada  configuração. Os valores podem ser observados na tabela 3.  

Tabela 3 – Dados de irradiância em plano inclinado

Fonte: Próprio autor

Logo após, utilizando a equação 5 e um sistema de duas equações com duas  variáveis, foi possível estimar os valores de irradiância direta e difusa.

Para esse estudo, os valores de ângulo de incidência utilizados foram obtidos  através do código fonte pvlib.irradiance aplicado no Google Colab. Os valores da estimativa de irradiância direta e difusa são apresentados na tabela 4. 

Tabela 4 – Valores de irradiância global, direta e difusa encontrados através do  método proposto. 

Fonte: Próprio autor

4.4 SIMULAÇÃO 

A simulação computacional pode ser caracterizada como um “experimento  virtual” que através de um modelo pré-definido, busca estimativas ou projeções de  eventos. O uso dessa metodologia está associado ao contexto de descoberta e  validação de dados e experimentos físicos, sendo uma ferramenta bastante útil,  quando conhecidas as condições para realização das simulações, suas vantagens e  limitações. Os dados obtidos através da simulação são de medições por satélite. 

Durante este trabalho, foram realizadas simulações com intuito de estimar os  valores das irradiâncias direta e difusa nas mesmas configurações do experimento  físico, servindo assim de base para verificação dos resultados. As simulações foram  realizadas utilizando a linguagem de programação Python através da plataforma de  pesquisas científicas do Google, o Colaboratory ou “Colab”. 

Os códigos utilizados para realização das simulações podem ser encontrados  no Apêndice A.

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES  

Neste capítulo, serão apresentados os resultados obtidos através das método  proposto e simulação computacional. Os dados obtidos através da simulação serão  usados como parâmetro para validação do método proposto neste trabalho. Os  valores estimados para irradiância global, direta e difusa para as duas formas de  obtenção de dados podem ser visualizados no Apêndice B.  

O gráfico 1, apresenta a média dos valores de irradiância global “GHI”, direta  “DNI” e difusa “DHI”, para as condições do experimento 1. Analisando o gráfico é  possível perceber que para primeira configuração, o método proposto retornou valores  menores para todos os tipos de irradiância quando comparado aos dados obtidos por  simulação.  

Gráfico 1 – Comparação entre os experimentos na primeira configuração

Fonte: Próprio autor

O gráfico 2, apresenta a média dos valores de irradiância global “GHI”, direta  “DNI” e difusa “DHI”, para as condições do experimento 2. Na segunda configuração  de placas, o experimento físico apresentou altos índices de irradiância global e direta  e baixo para irradiância difusa quando comparada a simulação.

Gráfico 2 – Comparação entre os experimentos na segunda configuração

Fonte: Próprio autor

Gráfico 3 – Comparação entre os experimentos na terceira configuração

No gráfico 3, é possível notar que os índices de irradiância global apresentam  valores bastante próximos. Sendo que o experimento físico apresentou um maior valor  de irradiância direta e a simulação um maior valor de irradiância difusa.

Gráfico 4 – Comparação entre os experimentos na quarta configuração

Fonte: Próprio autor

Os resultados do último experimento são apresentados através do gráfico 4,  com índices de irradiância dentro do esperado. O próximo passo foi analisar  separadamente cada tipo de irradiância ao decorrer do experimento. 

Gráfico 5 – DNI Método Proposto X DNI Simulação

O gráfico 5, apresenta o comportamento dos dados de irradiância direta normal  coletados ao decorrer do experimento. Analisando o gráfico, é possível notar uma  condição no experimento 1 do método proposto fora do esperado pela simulação.  Essa condição pode ser explicada pelo fato da simulação utilizar um modelo de céu  claro que pode não ter ocorrido durante a captação de dados e devido as incertezas  dos instrumentos utilizados durante o experimento. Os valores de irradiância direta  normal diminuam ao decorrer do tempo durante a tarde, o que não acontece do  primeiro para o segundo experimento, mas acontece durante o resto do experimento  físico e durante a simulação.  

O gráfico 6 nos apresenta os valores de irradiância difusa ao longo do  experimento. Podemos destacar neste gráfico a queda abrupta da irradiância difusa  encontrada do primeiro para o segundo experimento e como os valores tendem a  convergir com os da simulação em seguida. 

Gráfico 6 – DHI Método Proposto X DHI Simulação 

Por fim, o gráfico 7 apresenta os dados de irradiância global ao longo do  experimento. Podemos notar novamente a condição inesperada do experimento 1  volta a ser repetir para irradiância global.

Gráfico 7 – GHI Método Proposto X GHI Simulação 

Fonte: Próprio autor

Analisando os gráficos 5, 6 e 7, foi possível fazer algumas análises sobre os  resultados alcançados. O comportamento esperado para os índices de irradiância é  que haja um decaimento gradual durante a tarde em suas medições, como acontece  nos valores retornados por simulação. Por sua vez, nos resultados obtidos através do  método proposto, existe um acréscimo nos valores de irradiância direta e difusa do  primeiro para o segundo experimento, que não é o comportamento esperado, porém  pode ocorrer em experimentos a céu aberto e em simulações sem condições de céu  claro.

6 CONCLUSÃO 

O presente trabalho apresenta um novo método de estimar a irradiância solar  global, direta e difusa através do uso de células fotovoltaicas com diferentes ângulos  de inclinação, com propósito de facilitar a obtenção de dados de irradiância solar em  diversas regiões do Brasil. 

Com os resultados obtidos através do método proposto e simulação foi possível  concluir que o método apresentou bons resultados, tendo retornado valores próximos  aos encontrados em simulação. 

Apesar dos resultados serem coerentes com o esperado, alguns problemas tais  como: Dados escassos sobre as placas fotovoltaicas utilizadas, sombreamento  durante a medição, medições manuais com risco de incertezas e tema pouco  estudado na literatura, podem ter influenciado na precisão dos resultados encontrados  no estudo.  

Para estudos futuros, sugere-se a automatização do método proposto com a  utilização de um equipamento capaz de medir e armazenar os valores de corrente das  placas fotovoltaicas, e que em seguida sejam enviados para um programa capaz de  realizar os cálculos necessários para estimativa dos valores de irradiância global,  direta e difusa da região.  

O volume da produção energética através de painéis fotovoltaicos está diretamente  relacionado a disponibilidade de radiação para um determinado local. Deste modo,  dados sobre irradiância solar incidente, principalmente a irradiância normal direta, são  de suma importância para a análise da viabilidade econômica, dimensionamento e  monitoramento de sistemas solares fotovoltaicos. Portanto, o método proposto neste  trabalho pode ser um trunfo na obtenção de dados para monitoramento fotovoltaico em diversas localidades, principalmente no formato onde se utiliza dados obtidos de  instalações vizinhas para estimar o que a instalação deveria estar gerando e assim  identificar possíveis problemas na instalação fotovoltaica.

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ANEXO A – CÓDIGO UTILIZADO PARA OBTENÇÃO DOS DADOS DE  IRRADIÂNCIA NA SIMULAÇÃO 

ANEXO B – TABELA COMPLETA COM TODOS OS DADOS OBTIDOS DURANTE O ESTUDO