CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E PÓS-GRADUAÇÃO - I CICPG SUL BRASIL Florianópolis PDF
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Leandro Chaves Varejão
1 Floranópols 200 ANÁLISE COMPARATIVA DA INFLUÊNCIA DA NEBULOSIDADE E UMIDADE RELATIVA SOBRE A IRRADIAÇÃO SOLAR EM SUPERFÍCIE Eduardo Wede Luz * ; Nelson Jorge Schuch ; Fernando Ramos Martns 2 ; Marco Cecon ; Alexandre Ceretta Dalla Favera ; Eno Bueno Perera 2 Centro Regonal Sul de Pesqusas Espacas CRS/CCR/INPE MCT, em parcera com o Laboratóro de Cêncas Espacas de Santa Mara LACESM/CT UFSM, Santa Mara RS. 2 Centro de Cênca do Sstema Terrestre CCST/INPE MCT, São José dos Campos SP.. Introdução Recursos energétcos solares e eólcos são cada vez mas necessáros devdo à necessdade da substtução da geração de energa através de combustíves fósses, pos estes emtem grandes quantdades de gases poluentes na atmosfera. Entretanto, a atração de nvestmentos e a realzação de ações efetvas ao desenvolvmento tecnológco e centífco destas fontes energétcas requerem a geração e o fornecmento de nformações confáves sobre a dsponbldade e dstrbução desses recursos ao longo do Terrtóro Braslero (Perera et al., 2006) []. Atualmente no Brasl, o Projeto SONDA (Sstema de Organzação Naconal de Dados Ambentas), coordenado pelo Centro de Cênca do Sstema Terrestre (CCST/INPE), em conjunto com o Centro de Prevsão do Tempo e Estudos Clmátcos (CPTEC/INPE), tem o objetvo de gerar uma base de dados solarmétrcos e meteorológcos que atenda a essa demanda de nformações. O Projeto SONDA conta com uma rede de estações de meddas de superfíce espalhadas pelo Terrtóro Braslero. As melhores estmatvas de rradação solar para locas não montorados por sensores de superfíce são produzdas com o uso de modelos numércos baseados em nformações de satélte (Guarner et al., 2006) [2]. As prncpas fontes de ncertezas destas estmatvas são resultados da varabldade geográfca dos aerossós na atmosfera, juntamente com ncertezas sobre a varabldade da cobertura de nuvens (Pnker and Laszlo, 989) [3]. Nesse contexto, os dados de rradação solar na superfíce coletados pelo Projeto SONDA são utlzados na valdação e parametrzação das estmatvas e prevsões fornecdas pelos modelos. Desta forma, devdo à mportânca e a complexdade da parametrzação da nebulosdade e outros componentes atmosfércos na estmatva da radação solar, o trabalho tem como objetvo o estudo da nfluênca da nebulosdade e da umdade relatva do ar nos valores de rradação solar global e dreta meddos no Observatóro Espacal do Sul - OES/CRS/CCR/INPE MCT. Os parâmetros estudados são a razão entre a rradânca solar global na superfíce e no topo da atmosfera (TOA), referencado por Kt, e a razão entre a rradânca solar dreta e a ncdente no TOA, referencado por DDB-TOA. 2. Materal e Métodos No trabalho, desenvolvdo no Laboratóro de Recursos de Energa Renováves do Centro Regonal Sul de Pesqusas Espacas CRS/CCR/INPE MCT, foram utlzados um Pranômetro CM2 (Kpp & Zonen), que mede a rradânca solar global, um Prelômetro NIP (Eppley Laboratory, Inc), que mede a rradânca solar dreta normal ao plano de ncdênca, um Imageador do céu TSI-440 (Yes, Inc.), que avala as frações de nebulosdade, e um sensor de umdade do ar modelo 4372 (R.M. Young Co.), todos nstalados na estação SONDA do Observatóro Espacal do Sul, em São Martnho da Serra RS. O período de dados analsados fo de Setembro de 2005 a Dezembro de 2006, sendo somente utlzadas os dados coletados com o ângulo zental solar (SZA) nferor a 75 graus, com o ntuto de evtar as stuações em que as nterações entre a radação solar e os consttuntes atmosfércos, como nuvens, aerossós e gases atmosfércos, tornarem-se mas complexas com o aumento do camnho ótco percorrdo pela radação, o que acaba dfcultando correlações smples entre os valores de radação solar e cobertura de nuvens. O Imageador TSI-440 regstra magens do céu a cada 5 mnutos, processando-as e determnando as frações fna e opaca de nebulosdade. O Pranômetro CM2 e o Prelômetro NIP coletam dados a cada segundo, armazenando a méda para o mnuto, o que fornece 440 meddas dáras de rradânca solar, E-mal do autor:
2 Floranópols 200 expressas em W/m² (Watts por metro quadrado). Em vrtude da dferença entre as resoluções temporas dos radômetros e do Imageador, foram utlzados valores médos de rradânca solar global e dreta e umdade relatva do ar para cada ntervalo de 5 mnutos centrado no horáro de coleta das magens do céu. Desta forma, os parâmetros Kt e DDB-TOA são calculados pela razão do valor médo da rradânca solar global e dreta, respectvamente, meddo na superfíce terrestre, e o valor da rradânca solar no topo da atmosfera (TOA), referencado por I 0 e calculado por métodos numércos descrtos em Iqbal (983) [4], conforme apresentado na Equação (). Ι Ι 0 = I n 5 = Ι = SC E 0 5 cosθ z () 2 onde I SC é a constante solar (368W. m ), E0 é o fator de correção da excentrcdade da órbta da Terra e θ z é o ângulo zental solar no nstante da medda. Foram desenvolvdos modelos empírcos por regressão polnomal relaconando os parâmetros Kt de radação global e DDB-TOA de radação dreta com as frações de cobertura de nuvens opaca e total, apresentado na Tabela. Tabela Modelos empírcos desenvolvdos para as frações opaca e total de nebulosdade. Frações de Nebulosdade Modelo Polnomal para Irradânca Solar Global Modelo Polnomal para Irradânca Solar Dreta Opaca Kt=0,759 0,694x+0,748x²-0,55x³,06-2,225x+,829x²-0,523x³ Total Kt=0,77-0,756x+,506x²-,27x³,64-,762x+0,83x² Adconalmente, foram desenvolvdos um modelo por regressão lnear múltpla (RLM), utlzando as frações fna e opaca de nebulosdade (Equação 2), e um modelo por regressão polnomal múltpla (RPM) utlzando a fração total de nuvens e a umdade relatva do ar (Equação 3), para a estmatva do parâmetro Kt. K t =0,76-0,458X op -0,22X fna (2) onde X op representa a fração de nuvens opacas e X fna representa a fração de nuvens fnas. Kt=0,69-0,487X total +0,644X total ²-0,609X total ³+0,0066RH-0,000067RH² (3) onde X total é a fração total de nuvens e RH é a umdade relatva do ar. Assm como o feto para as meddas de rradânca solar global, fo desenvolvdo um modelo RLM utlzando as frações fna e opaca de nebulosdade para a estmatva do parâmetro DDB-TOA (Equação 4). DDB-TOA=,093-,045X op -0,82X fna (4) Para avalar a confabldade das estmatvas fornecdas pelos modelos descrtos acma, foram calculados os desvos estatístcos MBE (Mean Bas Error) e RMSE (Root Mean Square Error), defndos na Equação (5), utlzando dados de Janero a Setembro de Os valores dos desvos são dvddos pelo valor médo das meddas, expressando-se o resultado em percentagem. E-mal do autor:
3 Floranópols 200 MBE = n = ( y N x ) RMSE = n = ( y N x ) 2 / 2 (5) 3. Resultados e Dscussão Os desvos estatístcos MBE e RMSE entre as estmatvas fornecdas pelos modelos polnomas desenvolvdos com os dados de 2005 a 2006 e os de 2007, reservados para valdação, são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 - Desvos estatístcos entre as estmatvas dos modelos polnomas e as meddas reservadas para valdação. ESTES VALORES ESTÃO EM %????) Desvos Estatístcos Polnomal (Global) Polnomal (Dreta) Frações MBE 0,078-0,074 Opacas RMSE 0,32 0,375 Frações Totas MBE 0,062 0,00003 RMSE 0,29 0,368 Os desvos estatístcos MBE e RMSE entre as estmatvas do modelo RLM e as meddas coletadas no Observatóro Espacal do Sul para o parâmetro K t foram, respectvamente, de 0,078 e 0,3, e para o modelo RPM foram de 0,02 e 0,, respectvamente. Da mesma manera os desvos estatístcos MBE e RMSE calculados entre as estmatvas do modelo RLM e as meddas reservadas para valdação para o parâmetro DDB-TOA foram, respectvamente, -0,0003 e 0,378. Ao observar os valores dos desvos estatístcos, nota-se que para a rradânca solar dreta todos os modelos calculados tem um desempenho semelhante, com valores de RMSE em torno de 0,37. Já para a rradânca solar global o melhor modelo, com desvo RMSE de 0,7, fo por Regressão Polnomal Múltpla (RPM). A dspersão das meddas de rradânca solar dreta coletadas em superfíce, em comparação com o modelo RLM para a estmatva do parâmetro DDB-TOA, é apresentada na Fgura. A comparação entre o modelo RPM desenvolvdo para estmatva do parâmetro Kt e as meddas de rradânca solar global é apresentada na Fgura 2 E-mal do autor:
4 Floranópols 200,0 0,8 DDB-TOA estmado 0,6 0,4 0,2 Y = 0, ,5542*X R = 0,7443 0,0 0,0 0,5,0,5 DDB-TOA meddo Meddas y = x Ajuste Lnear Fg. - Dspersão das meddas de rradânca solar dreta, juntamente com o modelo RLM para a estmatva do parâmetro DDB-TOA. 0,6 0,5 Kt Estmado 0,4 0,3 0,2 Meddas Ajuste Lnear Y=X Y=0, ,60606*X R²=0,72 4. Conclusão 0,2 0,4 0,6 0,8,0 Kt Meddo Fg. 2 Dspersão das meddas de rradânca solar global, juntamente com o modelo RPM para a estmatva do parâmetro Kt. A análse dos desvos estatístcos MBE e RMSE permtu conclur que tanto os modelos polnomas quanto o modelo RLM, relaconando as frações de nebulosdade com o parâmetro Kt, apresentam desempenhos equvalentes. Para o modelo RPM pôde-se observar uma dmnução sgnfcatva nos valores dos desvos, ndcando a melhora nos modelos pode ser consderavelmente alta com a adção de novos fatores atmosfércos. Já para o parâmetro DDB-TOA,observam-se correlações semelhantes em todos os modelos. Ao analsar os gráfcos das Fguras e 2, percebe-se que a dspersão dos dados para o parâmetro Kt anda é alta em comparação com a dspersão do parâmetro DDB-TOA, reforçando a necessdade de nclusão de outros fatores atmosfércos que nfluencam na parametrzação do mesmo. A contnudade do trabalho deverá nvestgar melhor essas outras varáves que podem contrbur para a redução dos desvos apresentados pelos modelos na parametrzação de Kt. Agradecmentos Os autores agradecem à Fnancadora de Estudos e Projetos FINEP/MCT e à Petrobras pelo fnancamento do Projeto SONDA (Processo nº ), ao Programa PCI ITI A/INPE - MCT pela aprovação do projeto de pesqusa e ao LACESM/CT UFSM por apoos prestados. E-mal do autor:
5 Floranópols 200 Referêncas [] Perera, E.B.; Martns F.R.; Abreu S.L.;Rüther, R., Atlas Braslero de Energa Solar. São José dos Campos: Programa das Nações Undas para o Meo Ambente, [2] Guarner, R. A. Emprego de Redes Neuras Artfcas e Regressão Lnear Múltpla no Refnamento das Prevsões de Radação Solar do Modelo Eta, Master Thess, INPE, São José dos Campos, [3] Pnker, R.T., Laszlo, I., 989. Dervaton of surface solar radaton on a contnental scale wth the ISCCP B3 data. IRS_88 Current Problems, [4] Iqbal, M.,983. An Introducton to Solar Radaton: Academc Press Canadá, Toronto, 390p. E-mal do autor:
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