DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÕES DE SOFTWARE PARA ANÁLISE DO ESPECTRO SOLAR - PDF
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Emanuel Caires Penha
1 ILHA SOLTEIRA XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de Ilha Solteira - SP Paper CRE05-MN12 DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÕES DE SOFTWARE PARA ANÁLISE DO ESPECTRO SOLAR Patric Daniel Neis, Gustavo Feyh Ribeiro UFRGS, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Departamento de Engenharia Mecânica Rua Sarmento Leite, 425, Bairro Centro, CEP , Porto Alegre, RS para correspondência: Introdução Tendo em vista que num sistema de aproveitamento da energia solar um erro de projeto poderia causar o fracasso de uma instalação ou ainda o desperdício de equipamentos, os quais são de custos elevados, é de suma importância a tomada de decisões corretas durante a etapa de análise e dimensionamento do mesmo. Diante disto, foram desenvolvidos pelo Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) diversos softwares com o objetivo de auxiliar o usuário durante a execução de um projeto de utilização da energia solar. Nesse sentido, o programa Espectro foi desenvolvido para calcular a distribuição espectral da radiação solar em função de parâmetros atmosféricos. Trata-se de um programa que realiza o estudo da qualidade da radiação. Objetivos O objetivo deste trabalho é apresentar as potencialidades e aplicações de um software denominado ESPECTRO, Fig. 1, integrante do pacote de programas SOLARCAD, desenvolvido no Laboratório de Energia Solar da UFRGS. Figura 1 Programa Espectro para estudo e análise da radiação solar. Esse programa, que foi compilado em Visual Basic.Net, realiza a simulação da distribuição espectral da luz solar através de um modelo da atmosfera em função de diversas variáveis, como altitude, latitude, umidade do ar, temperatura, etc. Além disso, também é capaz de calcular a integral sobre a curva do espectro, gerando a radiação total incidente (W/m2); obter a radiação total transmitida ou refletida a partir de dados de refletância, de transmitância ou de uma função genérica; gerar a curva do Corpo Negro para utilização nos cálculos de simulação do espectro e realizar o cálculo do descasamento espectral bem como da classificação da fonte luminosa.
2 Metodologia A metodologia de cálculos utilizada para obtenção das curvas de radiação estão descritas em M. Iqbal (1983). Para a classificação da fonte luminosa e cálculo de erros devido a descasamento espectral foram utilizadas respectivamente as Normas ABNT NBR11879/EB2179 (1991) e ABNT NB1387 (1991). Abaixo, algumas correlações importantes utilizadas pelo programa para determinação das radiações: Radiação Extraterrestre Normal: essa radiação está descrita em uma tabela de dados fornecida pela NASA. Essa tabela contém valores de radiação solar (W/m 2 ) a cada comprimento de onda (μm) obtidos acima da atmosfera terrestre. Radiação Extraterrestre Horizontal Esta radiação é dada por: Eh = En Cos( θ Z ) (1) onde θ Z : ângulo zenital; Radiação Direta: é a radiação que chega diretamente a terra sem sofrer nenhum tipo de influência da atmosfera (absorção ou reflexão). É obtida através da expressão: I d = I exp( k ) (2) 0 λ m onde: K λ : coeficiente de atenuação devido a fatores como umidade, ozônio, partículas, etc. m : comprimento do caminho óptico, que varia com a hora e local; m i= j λ = Σ K iλ i= 1 K m (3) i onde: - k iλ : coeficiente de atenuação para cada parâmetro, como absorção pelo ozônio, i varia de 1 até j, sendo j o número total de parâmetros utilizados. - m i : comprimento do caminho óptico relativo a cada parâmetro. Radiação Difusa é obtida levando-se em conta todos os parâmetros que espalham a onda, como por exemplo, partículas e gases. I = I + I + I (4) dfλ drλ daλ dmλ onde: I dfλ : Irradiação espectral difusa que chega em uma superfície horizontal; I drλ : Irradiação espectral difusa que chega a Terra após ser dispersa por gases presentes na atmosfera; I daλ :Irradiação espectral difusa que chega a Terra após ser dispersa por aerossóis presentes na atmosfera; I dmλ : Irradiação espectral difusa produzida pelas múltiplas reflexões. Radiação Global obtida pela soma (ponto a ponto) da radiação difusa com a direta. Abaixo, a Fig. 2 ilustra as radiações acima descritas: Figura 2 Radiações solares que chegam a Terra.
3 Para a determinação do erro entre os módulos de referência e o utilizado nos ensaios foram utilizadas as seguintes correlações: Erro (%) = * 100 (5) 1 = s1( λ). ER ( λ). dλ (6) 2 = s2( λ). EM ( λ). dλ (7) Onde: 1 = Densidade de corrente do módulo de referência (A/m 2 ); 2 = Densidade de corrente do módulo experimental (A/m 2 ); S 1 = Resposta espectral absoluta do módulo de referência (A/W); S 2 = Resposta espectral relativa do módulo de ensaio (A/W); E R = Radiação espectral absoluta incidente no módulo de referência (W/ m 2 ); E R = Radiação espectral absoluta incidente no módulo de ensaio (W/ m 2 ); Abaixo, a Fig. 3 mostra um ensaio onde aparecem o módulo fotovoltaico de referência (pequeno e à esquerda) e o ensaiado. E b Figura 3 Módulos fotovoltaicos ensaiados. á para encontrar o poder emissivo espectral de um corpo negro, foi utilizada a lei de Planck: C1 = λ λ 5 [ exp( C2 / λ T ) 1] (8) Onde: E bλ : Poder emissivo espectral do corpo negro; C 1 : constante que vale 3, Wμm 4 m -2 ; C 2 : constante que vale 1, μm K; λ: é o comprimento da onda (μm); T é a temperatura do corpo negro (K);
4 Resultados Foi realizado um experimento com amostras de policarbonato para a determinação da radiação solar que atravessa o material. As medidas foram feitas em um dia de céu claro com o auxílio de um pireliômetro (Fig. 4) para obtenção da radiação direta. Os resultados obtidos puderam então ser utilizados para posterior comparação com os gerados pelo programa Espectro. Figura 4 Pireliômetro utilizado para obtenção da Radiação direta. A Tabela 1 mostra dados climáticos do dia do experimento bem como os resultados experimentais e numéricos obtidos. Amostras Policarbonato Tabela 1 Resultados obtidos experimentalmente e via programa Espectro. Radiação Direta (W/m 2 ) Transmitância Software Data Hora Temp( C) Umidade(%) Incidente Transmitida Experimental Espectro Cinza 01/10/04 11:04 21, , ,51 Verde 01/10/04 11:05 21, , ,67 Azul 01/10/04 10:57 21,4 51, , ,71 Bronze 01/10/04 10:58 21, , ,48 Cinza escuro 01/10/04 11:15 22,4 47, , ,27 Cristal 01/10/04 11:16 22,4 47, , ,79 Opal 01/10/04 11:17 22,4 47, , ,024 Policarbonato Reflexivo 01/10/04 11:18 22,4 47, , ,066 Experimentalmente, para determinação da Transmitância solar integral de cada amostra, bastou dividir a radiação transmitida pela radiação solar incidente. Via programa, foram seguidos os seguintes passos: 1) Primeiramente leu-se de um arquivo.dat a transmitância monocromática espectral (radiação para cada comprimento da onda) de cada amostra; 2) Entrou-se no programa com os parâmetros atmosféricos (temperatura, hora, umidade,etc) iguais aos do dia do experimento (conforme Tab. 1) para geração da radiação direta; 3) Multiplicou-se via software a radiação direta espectral pela transmitância espectral, tendo-se como resultado a radiação transmitida. Dividindo-se essa última pela primeira (Incidente), obteve-se a transmitância solar integral para cada amostra. Foi realizada também, via software, a classificação da fonte luminosa (no caso o sol) no dia deste experimento. Sabe-se que a norma ABNT NBR11879 (1991) classifica a qualidade das fontes luminosas em três classes: A ou B ou C, conforme o casamento espectral. A classe A é a classificação de melhor qualidade por mais se aproximar do espectro padrão ASTM-AM 1.5. A Tab. 2 logo abaixo mostra essa classificação. Vale ressaltar aqui ainda que praticamente qualquer dia de céu claro resulta em uma ótima fonte luminosa (classe A), ou seja, é muito difícil de se ter uma classe inferior (B ou C), principalmente em países com boa insolação como o Brasil.
5 Tabela 2 Classificação das fontes luminosas Característica Classe A Classe B Classe C Casamento espectral ±25% ±40% +100% ou -60% Tendo como dados de entrada as condições em que foram realizadas as medidas, obteve-se via programa a classificação da radiação solar. Abaixo, a Fig. 5 mostra a interface gráfica do programa Espectro que realiza a classificação da fonte. Observe que para as condições do experimento realizado a classe da fonte simulada (radiação solar direta) foi A. Figura 5 Simulação da classe da fonte luminosa. Um recurso novo adicionado ao software espectro foi a geração da curva de um corpo negro. Com isso, pode-se obter a radiação espectral de corpos radiantes, como por exemplo de uma lâmpada incandescente ou da chama de uma vela. A Fig. 6 abaixo mostra a simulação de um corpo negro a aproximadamente 2500 K (que pode ser uma lâmpada incandescente). Foram inseridos também as curvas das radiações extraterrestre normal e horizontal bem como da global e da direta para comparação com a curva do corpo negro. Observe ainda que pode-se conferir ponto a ponto os valores de cada curva. Figura 6 Simulação da curva de corpo negro.
6 Conclusões Com a realização de um experimento prático muitas conclusões importantes puderam ser tiradas a respeito do software. A seguir estão enumeradas algumas: 1) O programa Espectro se mostrou uma poderosa ferramenta para simulações de cálculos da distribuição espectral da radiação solar em função de parâmetros atmosféricos, bem como para geração de curvas destas radiações, manipulação dos dados de entrada (Transmitância espectral, função, etc); 2) Os resultados obtidos experimentalmente da transmitância e das radiações solares foram muito semelhantes aos da simulação obtidos via software, o que demonstrou confiabilidade e consistência dos cálculos utilizados pelo programa. 3) Inúmeras são as aplicações para este programa, como para determinação da transmitância ou da refletância integral de um material, bastando que se tenha como dado de entrada a transmitância espectral; geração de curvas da radiação do corpo negro para comparação com quaisquer uma das curvas geradas, sendo possível fazê-la ponto a ponto; Assim, o programa espectro se mostra uma ferramenta poderosa para a análise da qualidade da radiação da luz solar sendo, dessa forma, importante no auxílio para dimensionamentos de sistemas de conversão da energia solar. Referências Bibliográficas Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), Dispositivos fotovoltaicos Cálculo de erros devido a descasamento espectral,rio de aneiro, Brasil. Iqbal, M., An Introduction to solar radiation, Editora Academic Press., New York, EUA, 390p., 1983.