Encontro de Energia no Meio Rural - Eficiência do método de medida da radiação solar difusa medida por sombreamento em função do tipo de cobertura do céu
Eficiência do método de medida da radiação solar difusa medida por sombreamento em função do tipo de cobertura do céu
Reinaldo Prandini RecieriI; Rivanildo DallacortII; Estor GnoattoIII; Samuel Nelson Melegari de SouzaI
IProfessores Doutor do Curso de Mestrado e Graduação em Engenharia Agrícola, Coordenador da Estação Experimental Agrometeorológica - Unioeste. ricieri@unioeste.br
IIAluno do Curso de Graduação em Engenharia Agrícola, bolsista PIBIC/CNPq. rivanildo@unioeste.br
IIIAluno do Curso de Mestrado em Eng. Agrícola - UNIOESTE, Prof. do CEFET/Pr. estor@unioeste.br
O trabalho apresenta um estudo comparativo entre o método de medida da radiação solar difusa (Rd) monitorada por piranômetro sombreado com anel, com o método direto padrão, em função do tipo de cobertura do céu. A radiação difusa de referência foi obtida por diferença entre a radiação global (RG), medida por um piranômetro, e a radiação direta projetada na horizontal (RD.cosz), medida por um pireliômetro (Rd=RG-RD.cosz). No ensaio experimental, conduzido na ESTAÇÃO EXPERIMENTAL AGROMETEOROLÓGICA de Cascavel/PR (lat 24053'Sul, long 53023'Oeste, alt. 682m), foram utilizados dois piranômetro da KIPP&ZONEN Modelo - CM3 com constante de calibração 18,99 μV/Wm-2 e 18,73 μV/Wm-2, pireliômetro NIP acoplado num rastreador solar ST1 da EPPLEY e um anel de sombreamento (f=80cm; L=10cm). Utilizou-se na aquisição dos dados um datalogger da CAMPBELL (modelo CR10X), programada para realizar uma leitura por segundo de cada canal e armazenar a média aritmética de cinco minutos durante o ensaio experimental sob condições de céu aberto, parcialmente nublado e nublado durante o ano de 2001. Os erros médios obtidos mostram que o método do anel de sombreamento utilizado na medida da radiação difusa com correção de Drummond difere torno de 8,53%, 10,32%, 8,21% e 4,75% do padrão e o modelo de Melo 9,16%, 10,71%, 9,29% e 6,17%, sem considerar o tipo de cobertura do céu, para céu limpo, parcialmente nublado e nublado, respectivamente.
Palavras chaves: Radiação solar difusa; anel de sombreamento; cobertura do céu; piranômetro.
The work presents a comparative study among the method of measure of the diffuse solar radiation (Rd) monitored by piranometer shadowed with ring, with the standard direct method, in function of the type of covering of the sky. The diffuse radiation of reference was obtained by difference among the global radiation (RG), measured by a piranometer, and the direct radiation projected in the horizontal (RD.cosz), measured by a pirelyometer (Rd=RG-RD.cosz). In the experimental rehearsal, driven in the EXPERIMENTAL STATION AGROMETEOROLÓGIC of Cascavel/PR (lat 24º53'Sul, long 53º23'Oeste, alt. 682m), two piranometer of KIPP&ZONEN Modelo was used - CM3 with constant of calibration 18,99 mV/Wm-2 and 18,73 mV/Wm2, pirelyometer NIP coupled in a solar rastreador ST1 of EPPLEY and a sombreamento ring (f=80cm; L=10cm). it was Used in the acquisition of the data a datalogger of CAMPBELL (model CR10X), programmed to accomplish a reading a second of each channel and to store the average arithmetic of five minutes during the experimental rehearsal under conditions of open sky, partially cloudy and clouded for 1 year. The obtained medium mistakes show that the method of the sombreamento ring used in the measure of the diffuse radiation with correction of Drummond differs lathe of 8,53%, 10,32%, 8,21% and 4,75% of the pattern and Melo 9,16% model, 10,71%, 9,29% and 6,17%, without considering the type of covering of the sky, for clean sky, partially cloudy and cloudy, respectively.
A radiação solar ao se propagar na atmosfera é submetida a transformações complexas. Da camada exterior à atmosfera até incidir na superfície da Terra, a radiação é absorvida e espalhada. Devido a este espalhamento observamos, no nível do solo, não somente radiação solar direta, na forma de feixe de raios solares paralelos, mas também a radiação difusa. A soma destas componentes denominamos de radiação solar global.
Devido a radiação solar difusa não possuir as mesmas propriedades físicas da radiação direta em sua direção de propagação, sua medida se torna difícil. O conhecimento da intensidade da radiação difusa que incide na superfície da Terra é de grande importância, devido a sua interferência nos fenômenos físicos e biológicos. Pesquisadores, desde 1956 até hoje, vem propondo modelos matemáticos e métodos experimentais para obtenção da radiação difusa, com auxílio de anel de sombreamento, sem levar em consideração o comportamento anisotrópico desta radiação. Os métodos que utilizam sistema de acompanhamento do movimento relativo do sol são considerados mais precisos, porém por razões econômicas, não são os mais utilizados. Por ser a alternativa mais econômica, o anel de sombreamento vem sendo mais usado. Podemos medir a radiação solar difusa num plano horizontal, por dois métodos:
1- Método direto padrão: utiliza-se um piranômetro para medir a radiação global (RG), e simultaneamente, é medida a radiação direta (RD) por um pireliômetro. A radiação difusa (Rd=RG-RD.cosz) é obtida por diferença entre a radiação global e a radiação direta, projetada na horizontal (RD.cosz), onde z é o ângulo zenital.
2- Método indireto: um piranômetro é sombreado através de um pequeno disco acoplado num rastreador solar, ou por meio de um anel adaptado numa plataforma.
No segundo método existem duas possibilidades de montagem do conjunto anel e piranômetro sob uma plataforma:
- Primeira, o anel de sombreamento é posicionado numa plataforma de forma que seu eixo, de simetria axial, permaneça paralelo ao eixo polar da Terra com o piranômetro horizontalmente fixo sobre o eixo do anel. Neste caso o anel deve ser deslocado a cada dia para acompanhar a variação da declinação solar.
- Segunda, o anel é fixo numa plataforma, na qual, o piranômetro se movimenta paralelamente ao eixo norte-sul geográfico.
O deslocamento, devido a declinação solar, do anel ou do piranômetro permite com que o sensor do piranômetro mantenha-se sombreado. A finalidade do anel é de interceptar a radiação solar direta, permitindo incidir sobre o sensor a maior parte da radiação difusa a qual é corrigida através de modelos matemáticos, tais como: DRUMMOND (1956), MELO (1994), LE BARON et al (1980), ASHJACE et al (1993), JACOVIDES et al (1996) e outros. O fator de correção mais usado mundialmente é o de Drummond e no Brasil utiliza-se também o de Melo, sendo que no Brasil, até o presente momento, estes dois modelos e o método do disco não foram comparados a um método padrão em diferentes regiões.
DRUMMOND (1956) elaborou um método para medir a radiação difusa em um plano horizontal, utilizando um anel de sombreamento e desenvolveu uma expressão para cálculo do fator de correção, em função da largura do anel de sombreamento, raio do anel, do ângulo horário do por do sol e da latitude. MELO (1994) projetou uma plataforma com anel fixo para medida da radiação difusa e juntamente uma equação para obtenção do fator de correção. SIRÉN(1987) medindo a radiação difusa com a utilização de um piranômetro sombreado por um anel, considerando o fator de correção verificou que a medida exata da radiação difusa é extremamente difícil, principalmente em dias nublados. INEICHEN et al.(1983) e RAWLINS & READINGS(1986) mediram a radiação difusa por dois métodos: método do anel de sombreamento e do disco, sendo que, nos dois trabalhos encontraram uma diferença em torno de 5%. LE BARON et al (1980) obtendo correções para a radiação solar difusa interceptada pelo anel de sombreamento, elaboraram um modelo matemático. Este modelo foi testado com o de Drummond, o qual tomaram como padrão. Medições realizadas durante um ano de medida, concluíram que os valores estão próximos ao do padrão entorno do meio dia. Para período da manhã e tarde uma contribuição de radiação solar direta refletida pelo lado interno do anel, reduz a perda e, declinação solar muito baixa pode até produzir um aumento na radiação difusa medida. Durante o céu nublado a perda da radiação difusa medida varia de acordo com a estação do ano, os meses de inverno 3% são perdida e durante o verão 8 a 10%.
Este trabalho tem como objetivo avaliar a radiação solar difusa medida com auxilio do anel de sombreamento (fixo) utilizando o fator de correção de Drummond e de Melo e disco de sombreamento, em relação ao método direto padrão, com e sem consideração do tipo de cobertura do céu.
O ensaio experimental foi conduzido na ESTAÇÃO EXPERIMENTAL AGROMETEOROLÓGICA DA UNOIESTE de Cascavel/PR (24053'Sul; 43023'Oeste) no Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas. A amostragem dos dados para este estudo foi obtida no período de 01/01/2001 a 31/12/2001 num total de 340 dias, com 150 dias de céu limpo, 80 de céu nublado e 110 parcialmente nublado, os dias não totalizados se referem a falta de energia elétrica, manutenção dos equipamentos e chuva de grande intensidade. Conforme a metodologia desenvolvida por RICIERI (1998), o tipo de cobertura do céu foi classificada pela razão da radiação solar difusa padrão (Rd) com a radiação global (RG), conforme os intervalos: 0<Rd/RG<0,35 céu limpo, 0,35<Rd/RG<0,65 parcialmente nublado e 0,65<Rd/RG<1 nublado, os quais, permitiram verificar a faixa do erro nos três métodos.
Os valores das energias (MJ/m2) das componentes (global, direta e difusa) da radiação solar foram obtidas através de integrações das curvas de irradiância.
Para medida simultânea das componentes global, difusa e direta foram utilizados os seguintes equipamentos: pireliômetro EPPLEY-NIP, rastreador solar EPPLEY-ST1, anel de sombreamento (Φ= 80 cm; L= 10 cm) fixo numa plataforma e piranômetros KIPP&ZONEN Modelo - CM3. O sistema foI fixados na direção Norte-Sul geográfico com os sensores dos piranômetros numa altura de 4m do solo, com distância de 40cm do anel e do disco de sombreamento. A aquisição de dados foi feita através de um datalogger, CAMPBELL modelo CR10X, programada para realizar uma leitura por segundo de cada canal e armazenar médias a cada 5 minutos, no período das 8 às 17 horas.
A instalação do sistema para medida simultânea das componentes global, difusa e direta, compreendeu as seguintes etapas: determinação da linha norte-sul geográfica, posicionamento da plataforma e anel de sombreamento, disco de sombreamento, plataforma para colocar o radiômetro sombreado pelo disco e o conjunto pireliômetro e disco acoplado ao rastreador solar.
Determinação da Linha norte-sul geográfico: a direção norte-sul foi determinada com a utilização de um teodolito.
Instalação da plataforma equipada com anel de sombreamento: alinhada na direção norte-sul geográfico, com a base fixa direcionada ao norte, na qual colocou-se um piranômetro (constante de calibração 18,99 μV/Wm-2) para medir a radiação global. O anel de sombreamento foi fixado no suporte da plataforma com seu centro posicionado na mesma altura do sensor do piranômetro (constante de calibração 18,78 μV/Wm-2). O plano da face do anel alinhado com a direção leste-oeste, foi inclinado no sentido norte, formando um ângulo (Φ = 24°53') com o zênite local.
Posicionamento do rastreador: o rastreador solar manteve-se fixo na direção norte-sul geográfico e ajustado para a latitude local.
A figura 1 mostra o esquema da instalação dos equipamentos.
A radiação difusa, medida com o auxílio do anel de sombreamento, foi corrigida com a multiplicação do fator de Drummond e Melo, obtido pelas equações:
DRUMMOND (FCD):
com: R = raio do anel (cm); δ = declinação solar (rad); Φ = latitude local (rad); b = largura do anel (cm) e to = ângulo horário no pôr do sol (rad).
MELO (FCM):
FCM=(1-q/Q)-1, onde:
com: R = raio do anel (cm), δ = declinação solar (rad), Φ = latitude local (rad), L = largura do anel (cm), Ωp = ângulo horário no por do sol (rad); Q = radiação difusa incidente no sensor (W/cm2); q = radiação difusa interceptada pelo anel (W/cm2); C= constante de proporcionalidade (W/cm2).
A figura 2 mostra o comportamento do fator de correção, de Drummond e Melo, ao decorrer do ano, para latitude de Cascavel. Verifica-se que suas variações (crescente e decrescente) são semelhantes. Cada fator apresenta dois pontos máximos, sendo os de Drummond no dia 26 de fevereiro e 13 de outubro (1,1827) e os de Melo 13 de março e 28 de setembro (1,1689), e um mínimo em 20 de junho respectivamente iguais a 1,0819 e 1,0962. Os pontos de máximo e mínimo, mostram que o anel de sombreamento intercepta a radiação difusa numa faixa de 8,19% à 18,27% e 9,62% à 16,89%. As curvas possuem pontos de intersecção nos dias 27 de março e 14 de setembro (1,1643) e valores no início e final do ano iguais a 1,1582 e 1,1233; respectivamente.
Os modelos aparentemente apresentam ser coerentes, pois seus pontos de máximos, principalmente o de Melo, estão aproximadamente nos equinócios (21 de março e 23 de setembro) cujo período a radiação solar difusa apresenta valores relativamente altos e com quantidades maiores de dias de céu nublado. No solstício de inverno (21 de junho) os pontos de mínimo também mostram-se coerentes, pois próximo deste período a radiação difusa é de baixa intensidade e no mesmo se encontra maior quantidade de dias com céu limpo. A figura 3 mostra a variação da radiação difusa, medida pelo método padrão ao longo do experimento.
Estudo realizado por pesquisadores, mostrou que a medida da radiação difusa entre dois anéis com diâmetros diferentes de 40cm e 20cm e com largura de 10cm e 5cm obtém-se melhor resultado com o uso do anel menor. Este bom desempenho é devido ao anel ter menor dimensão por conseqüência barra uma quantidade menor da radiação difusa, pois o fator de correção para os dois anéis são os mesmos, devido a razão entre as larguras dos anéis pelos respectivos diâmetros manter-se iguais.
As tabelas 1 e 2 mostram os erros médios, desvios e intervalos de confiança em função do tipo de cobertura do céu apresentado no respectivo método de medida. Observa-se que, no método do anel a aplicação do fator de correção de Drummond e Melo, proporcionam erros médios considerados elevados no ponto de vista meteorológico para as condições de céu: limpo (10,32%; 10,71%), parcialmente nublado (8,21%; 9,29%) e sem distinção (8,53%; 9,16%), sendo baixos para dias de céu nublado (4,75%; 6,17%).
Os desvios médios foram considerados elevados e as causas podem ter origem na variação da temperatura dos piranômetros, nas reflexões da radiação solar devido a estruturas adjacentes aos instrumentos, no fator de correção ou nas constantes de calibração dos piranômetros. A quarta hipótese não é provável, em função dos equipamentos serem de boa qualidade. A terceira consideração pode ser desprezada. A primeira e segunda hipótese indicam ser as mais prováveis, devido aos desvios serem maiores em dias de céu limpo, período em que a radiação solar direta possui maior intensidade favorecendo estas duas hipóteses.
Os resultados obtidos pelos dois fatores de correção sugerem a necessidade, particularmente em dias de céu limpo e parcialmente nublado, de introduzir em suas equações parâmetros locais que levem em consideração: elementos climáticos, tipo de cobertura do céu, e outros.
A partir dos resultados conclui-se que os dois modelos de correção da radiação difusa obtida com o uso do anel, Drummond e Melo, apresentaram erros médios menor em relação ao método padrão em dias de céu nublado e para dias de céu limpo e parcialmente nublado, os erros são significativos numa média de 9,26% e 10,00%, respectivamente. Estes fatores levam a um erro sistemático na medida da radiação difusa, subestimando os seu valor em relação ao método padrão. Os desvios considerados elevados indicam a necessidade, particularmente em dias de céu limpo e parcialmente nublado, de introduzir nas equações de cada modelo parâmetros locais que levem em consideração: elementos climáticos, tipo de cobertura do céu, e outros.
CNPq - Processo:420094/99-7(NV).
[ 1 ] DRUMMOND, A.J. On the measurement of sky radiation. Arch. Meteor. Geophys. Bioklim, v.7, p413-436, 1956.
[ 2 ] MELO, J.M.D. Desenvolvimento de um sistema para medir simultaneamente radiações global, difusa e direta. Tese apresentada na Faculdade de Ciências Agronômicas de Botucatu-UNESP, 1994.
[ 3 ] LE BARON, B.A., PETERSON, W.A., DIRMHIRN I. Correlations for diffuse irradiance measured with shadonbands. Solar Energy, v.25, p.1-17, 1980.
[ 4 ] ASHJACEM, M., ROOMINAS, M.R., AZAR, G. Estimating direct, diffuse and global radiation for various cites in Iran by two methods and their comparation with the measured data. Solar Energy, v.50, p.441-446, 1993.
[ 5 ] JACOVIDES, C.P., HADJIDANNOV, L., PASHIARDS, S. On the diffuse fraction of daily and monthy global radiation for Island cyprus. Solar Energy, v.56, p.565-720, 1996.
[ 6 ] SIRÉN, K.E. The shadow band correction for diffuse irradiation based on a two-component sky riadiance model. Sol. Energy, Elmsford, v.39, p.433-438, 1987.
[ 7 ] INEICHEN, P., GREMAUD, J.M. GUISAN. O. et al. Study of the corrective factor involved when measuring the diffuse solar radiation by use of the ring method. Sol. Energy, Emsford, v.31, p.113-117, 1983.
[ 8 ] RAWLINS, F., READINGS, C.J. The shade ring corrections for measurements of diffuse irradiance under clear skies. Sol. Energy, Emsford, v.37, n.6, p.407-416, 1986.
RICIERI, R. P. Modelos de estimativa e avaliação dos métodos de medida da radiação solar difusa. Tese (Doutorado em Agronomia) Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", Campus de Botucatu, São Paulo, 1998. p.81.
Mestrado e Graduação em Engenharia Agrícola, UNIOESTE - Universidade Estadual do Oeste do Paraná/Campus de Cascavel. CEP: 85814-110 Cascavel/PR tel: (045) 2203175