Gabriel Henrique Carmona Carvalhal
1 UNIVERSIDADE DE ÉVORA ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Radiação solar: estudo e criação de plataforma de apoio à conceção de um sensor de radiação solar André Filipe Rendeiro Albino Orientação: Professor Doutor Mouhaydine Tlemçani Professor Doutor Rui Salgado Mestrado em Energia e Ambiente Dissertação Évora, 2014
2 UNIVERSIDADE DE ÉVORA ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Radiação solar: estudo e criação de plataforma de apoio à conceção de um sensor de radiação solar André Filipe Rendeiro Albino Orientação: Professor Doutor Mouhaydine Tlemçani Professor Doutor Rui Salgado Mestrado em Energia e Ambiente Dissertação
3 Dedico esta Tese ao meu Pai que sempre me ensinou a lutar pelos meus sonhos. Página ii
4 Agradecimentos Gostaria de agradecer à Elisabete pelas palavras de encorajamento, pela ajuda e pelas horas sem fim a ouvir-me falar sobre trabalho. À minha mãe e ao meu irmão que sempre me ajudaram e encorajaram a seguir em frente. Gostaria de agradecer o meu orientador Professor Doutor Mouhaydine Tlemçani que sempre esteve disponível para me orientar não só na elaboração desde trabalho mas também durante todos estes anos de convivência, mostrando mais que um grande Professor um grande amigo. Ao Professor Doutor Rui Salgado que aceitou o desafio de me coorientar, agradeço a disponibilidade para me ensinar, corrigir e aturar mesmo quando o trabalho parecia não ter fim. Um muito obrigado aos Professores Paulo Canhoto, Maria João Costa e Daniele Bortoli pelos esclarecimentos. Agradeço também aos meus colegas de gabinete por toda a ajuda prestada. Este trabalho teve o suporte do projeto SAFEPORT an Approach to Port Surveillance and Protection financiado pela NATO - e do projeto ALEX - Alqueva hydrometeorological EXperiment, financiado pela FCT (EXPL/GEO-MET/1422/2013). Página iii
5 Resumo radiação solar. Radiação solar: estudo e criação de plataforma de apoio à conceção de um sensor de Este trabalho introduz a teoria da instrumentação virtual descrevendo os principais componentes desta. É detalhada a implementação de um instrumento virtual e uma base de dados associada que permitem obter uma estimativa de variáveis ambientais para qualquer ponto do globo e qualquer altura do ano. Este instrumento - Environment simulator permite fornecer dados ambientais necessários a simulação da radiação solar. Para explicar a implementação da plataforma de apoio introduzem-se noções relativas à radiação solar, à relação entre o planeta Terra e o sol bem como o cálculo da posição solar. É introduzida a noção de radiação espectral, bem como as propriedades óticas da atmosfera que interagem com a mesma. Apresentam-se formulações e aproximações dos coeficientes de extinção e dispersão na atmosfera que levam ao cálculo da radiação solar espectral direta, difusa e global. Por fim, validam-se os resultados através da comparação com valores registados durante a campanha de observações ALEX2014. Palavras chave: Instrumento virtual; Environment simulator; Radiação Solar. Página iv
6 Abstract sensor Solar Radiation: study and creation of support platform to design a solar radiation This work introduce the virtual instrumentation theory describing the principal components of this theory. The implementation of a virtual instrument and an associated database is explained. This instrument allow the estimation of the environmental variables anywhere in the world and at any time of the year. This instrument Environment simulator provide environmental data necessary to simulate solar radiation. To explain the implementation of the support platform we introduce notions about solar radiation, the relationship between Earth and the sun and the calculation of solar position. The spectral solar radiation is present, as well as the principal atmospheric optical properties that interact with solar radiation. We present formulations and approximations of the extinction coefficient and scattering in the atmosphere that allow the calculation of the spectral direct solar radiation, diffuse and global. Lastly, the result of simulations are validated through comparison with measured values during the ALEX2014 field campaign. Keywords: Virtual instrumentation; Environment simulator; Solar Radiation. Página v
7 Índice Introdução 1 1 Instrumentação virtual Software Hardware Vantagens 8 2 Environment Simulator Pré-processamento Environment Simulator USER DATA PROCESSING READ_DB_SPACIAL_INTERPOLATION PROFILE_GEN TIME_INTERPOLATION 25 3 Introdução à radiação solar Relação Terra - Sol Declinação Tempo Solar Aparente Equação do tempo Correção da longitude Ângulos Solares Ângulo Horário Ângulo de altitude solar Ângulo de azimute Solar 36 Página vi
8 3.3 Nascer e Pôr-do-sol e Comprimento do dia Irradiação e Irradiância Solar no topo da atmosfera Irradiação à superfície Previsão de Radiação Solar 40 4 Radiação Solar Espectral Introdução a radiação espectral Propriedades óticas da atmosfera Vapor de água Presença de aerossóis Massa ótica relativa Massa ótica relativa do ar Massa ótica relativa do vapor de água Massa ótica relativa do ozono Massa ótica relativa dos aerossóis Atenuação da radiação Atenuação da radiação direta Dispersão da radiação solar direta Absorção da radiação direta por gases Irradiância espectral direta à superfície Origens da radiação difusa Irradiância Global espectral à superfície 83 Página vii
9 5 Instrumentos de Medição da Radiação Solar Sensores de Radiação Sensores calorimétricos Sensores termomecânicos Sensores termoelétricos Sensores fotoelétricos Norma ISO 9060 e Referência Radiométrica Mundial Instrumentos correntes Piranómetro modelo 8-48 Eppley Piranómetro modelo CM6B Kipp & Zonen Pirradiómetro modelo 8111 Philipp Schenk Piréliometro modelo CHP1 Kipp & Zonen Sun Tracker 97 6 Plataforma de simulação Caso Mourão Caso Parque solar Caso base de dados 110 Conclusão/ trabalho futuro 111 Bibliografia 112 Anexo I - CLIMATE COMPONENT TEST PROCEDURE 116 Anexo II Gráficos das variáveis armazenadas na base de dados 130 Anexo III - Sea and Climate Interfaces 133 Anexo IV Irradiação espectral solar extraterrestre 140 Anexo V - Mapa 142 Página viii
10 Índice de Ilustrações Ilustração 1 - Arquitetura de um instrumento virtual 4 Ilustração 2 - Esquema da arquitetura do Environment Simulator 10 Ilustração 3 Arquitetura do Environment simulator 19 Ilustração 4 - Esquema dos pontos. A azul e laranja os pontos retirados da base de dados, a verde o ponto pretendido. A cor de laranja o ponto de referência. 21 Ilustração 5 - Movimento da Terra em torno do Sol (Fonte: [18]) 27 Ilustração 6 - Posição da Terra em relação ao sol (Fonte: [18]) 29 Ilustração 7 - Movimento aparente do Sol durante o dia (Fonte: [18]) 34 Ilustração 8 - Altura da atmosfera (Fonte: [18]) 39 Ilustração 9 - Espectro da radiação solar 43 Ilustração 10 - Reflexão múltiplas entre a atmosfera e o solo (Fonte: [19]) 79 Ilustração 11 - Mapa das localizações 142 Página ix
11 Índice de Gráficos Gráfico 1 - Radiação acumulada e radiação normalizada, a azul a radiação acumulada e a verde a radiação depois de processada. 13 Gráfico 2 Valores médios da radiação solar descente [Wm 2 ] às 12 horas UTC do dia 1 de janeiro 16 Gráfico 3 Temperatura do ar em Portel: interpolação dos valores existentes na base de dados climática 17 Gráfico 4 - Declinação ao longo do ano 29 Gráfico 5 - Variação da equação do tempo ao longo do ano 31 Gráfico 6 - Analema em Portel, Portugal 33 Gráfico 7- ebλ [Wm 2 μm 1 ] em função do λ [μm] 44 Gráfico 8 - Representação da Lei de Wien. 46 Gráfico 9 - Irradiação Solar no topo da atmosfera 47 Gráfico 10 Transmissividade espectral de Rayleigh para diferentes massas de ar 58 Gráfico 11 - Transmissividade do ozono em função de lomr 64 Gráfico 12 - Transmissividade espectral devido à absorção dos gases uniformemente misturados em função do ângulo de zénite 68 Gráfico 13 - Transmissividade espectral devido à absorção do vapor de água em função do ângulo de zénite 68 Gráfico 14 - Transmissividade espectral devido à absorção do vapor de água em função da quantidade total de vapor de água na coluna atmosférica 69 Gráfico 15 - Transmissividade espectral em função de: CO 3, tcwv e Φ, respetivamente, o gráfico de cima, do meio e de baixo. 71 Gráfico 16 - Irradiância espectral difua por dispersão de Rayleigh em função: em cima da quantidade total de ozono; ao centro da quantidade total de vapor de água; em baixo do ângulo de zénite 75 Gráfico 17 - Irradiância espectral difusa por dispersão de aerossóis em função do ângulo de zénite 77 Gráfico 18 I dmλ em função do número de partículas na atmosfera. 80 Página x
12 Gráfico 19 - I dmλ em função de ρ gλ 81 Gráfico 20 - Irradiância global espetral 83 Gráfico 21 - Irradiância espectral média e respetivo desvio padrão. Medições efetuadas sobre água em Alqueva 100 Gráfico 22 - Comparação da irradiância espectral medida e simulada em Alqueva 102 Gráfico 23 - Comparação da irradiância global medida e simulada na estação do Parque solar da EDIA em Alqueva 106 Gráfico 24 - Relação entre a irradiância global medida e a irradiância global simulada. 107 Gráfico 25 - Comparação dados de irradiância global medida e simulada para os dias 22 e 23 de julho de Parque solar da EDIA em Alqueva 107 Gráfico 26 - Relação entre a irradiância global medida e simulada para os dias 22 e 23 de julho de Parque solar da EDIA em Alqueva 108 Gráfico 27 - Relação entre a irradiância direta medida e simulada para os dias 22 e 23 de julho de Parque solar da EDIA em Alqueva 108 Gráfico 28 - Comparação da irradiância difusa simulada com a irradiância difusa medida. Parque solar da EDIA em Alqueva 109 Gráfico 29 - Comparação das irradiâncias globais: a simulada com a base de dados e a medida. Parque solar da EDIA em Alqueva 110 Gráfico 30 - Radiação solar descendente [kj/m 2 ] para Narvik, Noruega, desde 16 de julho 130 Gráfico 31 - Temperatura da água [C] para Sidney, Austrália no mês de julho 130 Gráfico 32 - Temperatura média [K] para o dia 1 de janeiro as 12 horas UTC 131 Gráfico 33 - Temperatura média [K] para o dia 1 de julho as 12 horas UTC 131 Gráfico 34 - Coluna total de vapor de água [kg/m 2 ] para as 12 horas UTC do dia 1 de janeiro 132 Página xi
13 Índice de Tabelas Tabela 1 Variáveis ambientais extraídas do ECMWF 12 Tabela 2 - Centros dos setores considerados para a direção do vento 14 Tabela 3 - Variáveis armazenadas na base de dados 18 Tabela 4 Perfis Meteorológicos 24 Tabela 5 - Cores e respetivos comprimentos de onda 42 Tabela 6 Composição normal da atmosfera limpa e seca ao nível do mar 48 Tabela 7 - Coeficiente espectral de atenuação do ozono 64 Tabela 8 - Coeficiente espectral de atenuação dos gases uniformemente misturados 66 Tabela 9 - Coeficiente espectral de atenuação do vapor de água 67 Tabela 10 - Fc em função de Φ 77 Tabela 11 - Albedo em função do tipo de solo 82 Tabela 12 - Caracterização dos pireliómetros 88 Tabela 13 - Caracterização do piranómetros 89 Tabela 14 - Caracterização dos pirradiómetros 90 Tabela 15 - Características do Piranómetro da Eppley modelo Tabela 16 - Características do Piranómetro da Kipp&Zonen modelo CM6B 94 Tabela 17 - Características do Pirradíomentro da Phillip Schenk modelo Tabela 18 - Característica do piréliometro CHP1 da Kipp&Zonen 96 Tabela 19 - Parâmetros em previsão e os valores assumidos 99 Tabela 20 - Propriedades fornecidas a plataforma de simulação 101 Tabela 21 - Propriedades utilizadas na simulação 105 Tabela 22 - Irradiância extraterrestre 141 Página xii
14 Siglas ECMWF/ CEPTMP SFTP sst tcw tcwv lsp cp msl tcc u10 v10 t2m d2m ssrd strd lcc mcc hcc tco3 ssrc strc skt r wmag wdir distância_lat Centro Europeu de Previsão do Tempo a Médio Prazo Secure File Transfere Protocol Temperatura da superfície do mar Coluna total de água Coluna total de vapor de água Precipitação de larga escala Precipitação convectiva Pressão média ao nível do mar Cobertura total de nuvens Componente U do vento a 10 metros Componente V do vento a 10 metros Temperatura a 2 metros Temperatura do ponto de orvalho a 2 metros Radiação solar descendente à superfície Radiação térmica descendente à superfície Cobertura de nuvens baixa altitude Cobertura de nuvens média altitude Cobertura de nuvens alta altitude Coluna total de ozono Radiação solar líquida à superfície, céu limpo Radiação térmica líquida à superfície, céu limpo Temperatura da superfície Precipitação Magnitude do vento Direção do vento A distância entre a latitude dada pelo utilizador e a latitude do ponto de referência Página xiii
15 distância_lon A distância entre a longitude dada pelo utilizador e a longitude do ponto de referência Δt_time_initial Primeira hora retirada da base de dados Δt_time_final Última hora retirada de base de dados Cenário_id Código numérico do perfil meteorológico escolhido Δt Passo temporal r 0 AU r E 0 N δ AST LST UT ET LC DS long L h α Φ z h ss H sr H ss G sc G on I o Irradiação (em J/m 2 ) Distância média da Terra ao sol (1.496 x 10⁸ km) 1 unidade astronómica Distância da Terra ao sol Excentricidade Dia do ano Declinação solar Tempo solar aparente Tempo legal local Tempo universal Equação do tempo Correção da longitude Horário de verão Longitude do local Latitude do local Ângulo horário Ângulo de altitude solar Ângulo zenital solar Ângulo de azimute solar Ângulo horário do pôr-do-sol Hora solar do nascer Hora solar do pôr-do-sol Constante Solar Radiação que chega ao topo da atmosfera Página xiv
16 l τ H 0 H k λ Altura da atmosfera Transmitância da atmosfera Radiação no topo da atmosfera Radiação à superfície Coeficiente de extinção da radiação na atmosfera Comprimentos de onda (em μm) e bλ Poder emissivo espectral do corpo negro (em Wm 2 μm 1 ) C 1 Constante de radiação (3, Wμm 4 m 2 ) C 2 T e b Constante de radiação (1, μmk) Temperatura em K Poder emissivo total do corpo negro σ Constante de Stefan-Boltzmann (6, Wm 2 K 4 ) I onλ w' w p Hr Radiação solar extraterrestre Água precipitável Água precipitável reduzida Pressão atmosférica Humidade relativa (em fração) p s m act ds ρ m r m w m o z 3 r c l o m d i nλ Pressão parcial de vapor de água no ar saturado Massa ótica real Comprimento infinitesimal de percurso geométrico dos raios solares desde o topo da atmosfera até a superfície Densidade Massa ótica relativa Massa ótica relativa do vapor de água Massa ótica relativa do ozono Altura do centro da camada de ozono Raio médio da Terra (6730 km) Espessura da camada do ozono (em cm (NTP)) Massa ótica relativa dos aerossóis Irradiação direta normal aos raios solares Página xv
17 k λ τ iλ I b k rλ τ rλ τ wsλ k wsλ τ dλ d k dλ τ cλ τ oλ τ gλ τ waλ k gλ k waλ τ maλ τ λ I bλ w 0 I dλ I dmλ I drλ I daλ F c Coeficiente de extinção monocromático médio para o percurso na atmosfera Transmissividade do processo i Radiação direta numa superfície horizontal Coeficiente de extinção para ar seco as condições standard Transmissividade devido à dispersão de Rayleigh Transmissividade devido à dispersão do vapor de água Coeficiente de dispersão devido ao vapor de água Transmissividade devido à dispersão de partículas de pó Número de partículas de pó por centímetro cúbico Coeficiente de dispersão devido às partículas de pó Transmissividade direta devido à atenuação contínua Transmissividade do ozono Transmissividade espectral devido à absorção molecular por parte dos gases uniformemente misturados Transmissividade espetral devido à absorção do vapor de água Coeficiente de extinção dos gases uniformemente misturados Coeficientes de extinção dos gases do vapor de água Transmissividade total devido aos absorvedores moleculares Transmissividade espectral devido a combinação da atenuação contínua e da absorção molecular Irradiância espectral direta Albedo de dispersão primária Radiação difusa total à superfície Irradiância difusa devido a múltiplas reflexões Irradiância difusa por dispersão de Rayleigh Irradiância difusa por dispersão de aerossóis Rácio entre a energia difundida para a frente e a energia total dissipada Página xvi
18 Q λ ρ gλ ρ aλ I λ Irradiação que chega ao solo após a primeira passagem na atmosfera Albedo do solo Albedo da atmosfera sem nuvens Irradiância global Página xvii
19 Introdução Este trabalho tem como objetivo a elaboração de uma plataforma de apoio à conceção de um instrumento de medição de radiação solar e monitorização da referida radiação. Esta plataforma consiste num instrumento virtual apto para disponibilizar uma estimativa da radiação solar espectral. No primeiro capítulo será apresentada uma introdução sobre a teoria da instrumentação virtual. Nele, serão também referidos os principais componentes de um instrumento virtual genérico, sendo efetuada uma comparação com a instrumentação tradicional, esta última que normalmente apresenta um preço superior, menor versatilidade entre outras. Serão ainda expostas as principais vantagens da instrumentação virtual, sendo de destacar a adaptabilidade. O segundo capítulo consistirá na conceção e implementação do instrumento virtual, Environment Simulator. Este instrumento disponibilizará várias variáveis ambientais, tais como a temperatura ou a humidade relativa, para qualquer ponto do globo e qualquer hora do ano. Este capítulo encontra-se subdividido em seções referentes aos módulos/ componentes do instrumento. Nestas seções será descrita a conceção de cada módulo, referindo as suas funções, entradas e saídas. Este instrumento servirá para fornecer condições meteorológicas ao simulador de radiação a desenvolver, como tal apresentar-se-á nos capítulos seguintes, uma introdução à radiação solar para possibilitar a implementação do simulador. O terceiro capítulo terá como enfoque a radiação solar. Nele serão introduzidas algumas noções sobre a relação Terra-Sol, os ângulos solares, o cálculo da estimativa de radiação solar no topo da atmosfera e a superfície. Por fim, será descrito um algoritmo para estimativa da radiação solar à superfície dependendo da radiação média no período. Página 1
20 No capítulo quatro apresentar-se-á a radiação solar espetral, este que expõe noções sobre radiação espetral, como por exemplo a emissão de corpo negro e a emissão do Sol. Neste capítulo serão também introduzidas as propriedades da atmosfera relevantes para o cálculo da transferência radiativa e serão apresentadas equações e aproximações que possibilitam estimar a radiação espetral a superfície, quer seja a componente direta, difusa ou global. No quinto capítulo serão apresentados sensores de radiação solar, os tipos de sensores existentes, as normas e padrões em vigor, bem como as suas características, calibração e preço. No último capítulo descrever-se-á a implementação da plataforma de apoio, com a integração de todos os módulos descritos até ao momento e validam-se os seus resultados por comparação com medições. Página 2
21 1 Instrumentação virtual A partir dos anos 70 verificou-se uma melhoria e uma redução dos preços dos microprocessadores. Esta situação causou um aumento drástico das capacidades e acessibilidades dos computadores pessoais. Com a introdução dos primeiros computadores na indústria, a gestão, controlo e monitoração dos processos necessitou de equipamentos de medição e controlo com elevado grau de precisão e exatidão. A complexidade dos processos e o rápido crescimento da procura impôs uma necessidade de adaptação e adequação cuja realização cresce exponencialmente em complexidade com esta necessidade. Isto tem um preço em tempo e material que em termos económicos poderia não compensar o ganho devido a integração. Esta necessidade juntamente com o aumento exponencial da capacidade de cálculo dos computadores levou ao aparecimento da instrumentação virtual, utilização dos computadores como equipamentos de medida. A instrumentação virtual é uma mistura de tecnologia de sensores, hardware e software de forma a criar um instrumento flexível e sofisticado, podendo ser personalizado, ou mesmo desenvolvido, pelo utilizador de forma a melhor responder às suas necessidades. Existem várias definições de instrumento virtual, duas das mais referidas são an instrument whose general function and capabilities are determined in software [1] e a virtual instrument is composed of some specialized subunits, some general-purpose computers, some software, and a little know-how [2]. A instrumentação virtual depende maioritariamente das capacidades de processamento e pouco do hardware, podendo a sua complexidade ser variável. Normalmente, o instrumento virtual é constituído por um computador, software e hardware específico Ilustração 1. Com a evolução dos computadores, atualmente é possível utilizar computadores pessoais ou industriais, ou ainda computadores integrados de baixo custo tais como raspberry pi ou placas de microprocessadores, como Arduino. Página 3
22 Utilizador Software PC Hardware Sistema em estudo Ilustração 1 - Arquitetura de um instrumento virtual Página 4
23 O software consiste em drivers que permitem controlar o hardware e programas que possibilitam a aquisição, processamento e armazenamento/apresentação da informação. O hardware, são tipicamente conversores analógico-digital e digital-analógico que servem para aquisição de informação através de sensores e atuação, respetivamente. Os conversores analógico-digital e digital-analógico têm evoluído bastante nos últimos anos, aumentando as suas capacidades quer em termos de frequências de amostragem quer em termos de resolução. Atualmente alguns equipamentos permitem ter todo o instrumento virtual numa só placa, por exemplo, o Arduino - uma placa com um microprocessador onde podem ser inseridos programas de processamento de informação recolhida através das suas entradas analógicas ou digitais. Com as tecnologias de comunicação foi possível separar o computador dos sensores de medição e atuadores através de protocolos de comunicação por cabo como RS232 [3] ou GIPB [4], ou tecnologias mais recentes como o Bluetooth [5] ou através de Internet. Isto permite a recolha de informação num laboratório situado num sítio específico do mundo, o seu tratamento num centro de processamento e o armazenamento num repositório virtual para disponibilização para vários utilizadores em vários locais do globo. Com o aumento da capacidade de processamento e utilização de instrumentos virtuais, os mesmos estão a desenvolver-se mais rapidamente, com mais qualidade e menor custo [6]. Sendo a maior parte da inovação nesta área na construção de novos modelos e acoplamento de modelos existentes. O instrumento virtual pode adquirir informação ou processar informação armazenada em ficheiros/bases de dados, procedendo depois ao seu processamento. Os instrumentos tradicionais são normalmente precisos e potentes, mas também caros e apenas preparados para uma, ou algumas, tarefas. Estes equipamentos não permitem ao utilizador alterar as suas funções, ou seja, adicionar novas capacidades ou personalizar as existentes. Estes equipamentos, normalmente, têm um circuito condicionador que limita o sinal à entrada, lineariza, filtra e amplifica eventualmente pode executar outras operações matemáticas mais ou menos complexas. Depois o sinal é digitalizado permitindo a sua manipulação, armazenamento e disponibilização [7]. Página 5
24 É através da instrumentação virtual que o utilizador pode modificar ou conceber de raiz um equipamento que responda às suas necessidades. Por exemplo, um gerador de sinal tradicional que gera um sinal sinusoidal não consegue gerar um sinal triangular, já com um gerador de sinal implementado através de instrumentação virtual é possível alterar o software de forma a incluir essa ou outras formas de onda. 1.1 Software O software é o elemento fulcral da instrumentação virtual, pois é através deste que os utilizadores podem criar aplicações específicas para os próprios processos. Sendo possível assim aos utilizadores, por exemplo, definir um conjunto de medidas a efetuar e a resposta do sistema às referidas medidas. É possível também criar uma interface gráfica para os instrumentos tornando-os mais intuitivos e fáceis de utilizar. Um fator importante é a possibilidade de implementar as funções por módulos. Esta capacidade possibilita a divisão de tarefas entre pessoas ou grupos. Outra vantagem é a capacidade de alterar apenas um módulo sem ter de alterar o resto do programa. A utilização de diversos módulos possibilita também testá-los individualmente, o que permite detetar e corrigir falhas/erros antes da integração, estas (falhas) que seriam muito mais complexas de detetar e corrigir após a integração. Algumas das linguagens normalmente utilizadas para a programação de instrumentos virtuais são o LABVIEW [8], MATLAB [9]/ OCTAVE [10,11] e linguagens de programação como o C/C++, o JAVA, etc. Outro componente importante do software são os controladores do hardware, funções específicas que possibilitam a comunicação entre o computador e os periféricos utilizados como interface com o sistema em estudo. Página 6
25 1.2 Hardware Os principais componentes de hardware da instrumentação virtual são os conversores analógico-digital e digital-analógico. Estes equipamentos têm melhorado ao longo dos últimos anos, tornando-se mais precisos, apresentando um aumento da resolução, um aumento da frequência de amostragem. Com a disponibilização de novas plataformas, o custo destes equipamentos diminuiu. Nos últimos anos, uma grande mudança foi o aparecimento de uma placa freeware, Arduino, esta que possibilitou uma grande integração no mercado, através de preços acessíveis [12] quando comparados com outros equipamentos semelhantes. Esta nova placa possuem um enorme potencial pois integra num só equipamento a capacidade de processamento e as entradas e saídas analógicas e digitais. A única limitação deste equipamento é a necessidade de um computador para a implementação do software desejado, pois este equipamento não possui nenhum módulo próprio para programação. Este instrumento tem uma linguagem baseada no C/C++ [13]. Página 7
26 1.3 Vantagens Algumas das vantagens dos instrumentos virtuais são a facilidade de adaptação dos equipamentos virtuais, a possibilidade de automação de processos, o baixo custo, entre outros. Em relação à adaptação dos instrumentos virtuais em comparação com os instrumentos clássicos, nestes últimos não existe, ou é quase inexistente, a possibilidade de alterar o seu funcionamento. Já no caso dos primeiros, estes podem sempre ser alterados quer em termos de capacidades programadas quer de capacidades físicas. Os programas implementados nos instrumentos virtuais podem ser alterados de forma a disponibilizar novas funções ou a mesma de forma personalizada. As capacidades físicas podem ser trocadas, e implementadas, mediante a disponibilidade financeira do utilizador e a sua exigência em relação aos resultados. Por exemplo, o utilizador pode substituir os conversores analógico-digitais por outros com maior resolução apenas quando esta se tornar relevante para si. Outra vantagem dos instrumentos virtuais é a possibilidade de simular o funcionamento de equipamento e sistemas mesmo antes de estes serem criados, reduzindo o tempo dispensado para a criação do equipamento. Página 8
27 2 Environment Simulator No presente capítulo descreve-se o desenvolvimento de um instrumento virtual, este fornece uma estimativa das condições ambientais para qualquer altura do ano e qualquer local. A arquitetura deste instrumento apresenta-se na Ilustração 2. Este instrumento virtual foi desenvolvido no âmbito do projeto SAFEPORT, financiando pela NATO, através da Marinha Portuguesa [14]. Desde os tempos antigos que a radiação solar tem um papel importante na humanidade, não só como fonte de calor, iluminação e importância na alimentação através da agricultura mas também noutros papéis como fonte de energia quer nas antigas secagens utilizadas pela humanidade desde há milhares de anos quer nas novas tecnologias fotoelétricas ou até utilização bélica possível utilização por Arquimedes em Siracusa. Esta vertente bélica da radiação solar é um ponto importante no projeto SAFEPORT, mais propriamente o impacto da radiação solar nos sistemas de proteção aos portos, tais como sensores infravermelhos ou câmaras. O Environment Simulator foi pensado para possibilitar a utilização de dados em tempo real ou de dados históricos. Na utilização de dados em tempo real o utilizador poderá introduzir informação de sensores no ponto específico (explicado mais a frente). Na utilização de dados históricos o instrumento pode recorrer a uma base de dados que foi criada para esse fim ou utilizar informação de outras fontes indicadas pelo utilizador como previsão meteorológica. Página 9
28 Other DB or sensor data ERA-40 Processamento (OCTAVE) SAFEPORT Climatic DB ENVIRONMENT SIMULATOR (JAVA) Environment DB Dados Ilustração 2 - Esquema da arquitetura do Environment Simulator Página 10
29 2.1 Pré-processamento Para que este instrumento possa disponibilizar a informação climatérica e a radiação solar em qualquer altura do ano e qualquer sítio, possui uma base de dados climatérica gerada através de dados de reanálises meteorológicas do projeto ERA-40 [15] do Centro Europeu de Previsão do Tempo a Médio Prazo (CEPTMP, ECMWF, em inglês). As reanálises são o resultado de processos de assimilação, onde são combinados os resultados de modelos e observações de diferentes tipos: locais ou remotas - como os satélites. Nestes processos de assimilação a informação é combinada de forma a reduzir o erro associado. Umas das principais características das reanálises em relação às observações é a disponibilização de dados para todos os pontos da grelha solicitada, o que facilita os cálculos e permite ter o mesmo número de dados em todos os pontos, já que no caso das observações alguns dados podem não existir ou estar danificados por problemas dos equipamentos. Das variáveis disponibilizadas no ECMWF, foram descarregadas as que se encontram presentes na Tabela 1. Na primeira coluna encontra-se a abreviatura normalmente utilizada para a variável, na segunda, a nomenclatura em inglês, e, por fim, a unidade. Os dados utilizados encontram-se compreendidos no intervalo temporal de 1 de janeiro de 1958 até 31 de dezembro de Estes dados encontram-se numa grelha regular de 1 por 1 grau e com um intervalo temporal de 3 horas. Devido ao volume da série de dados (aproximadamente 350 GB) os mesmos foram obtidos com recurso à implementação de um script a correr numa máquina do ECMWF que extraíu os dados do sistema, arquivou-os no formato NETCDF [16] e procedeu ao envio dos ficheiros mensais por SFTP (Secure File Transfere Protocol). Página 11
30 Abreviatura Nome Unidade sst Temperatura da superfície do mar K tcw Coluna total de água kg m -2 tcwv Coluna total de vapor de água kg m -2 lsp Precipitação de larga escala m cp Precipitação convectiva m msl Pressão média ao nível do mar Pa tcc Cobertura total de nuvens (0-1) u10 Componente U do vento a 10 metros m s -1 v10 Componente V do vento a 10 metros m s -1 t2m Temperatura a 2 metros K d2m Temperatura do ponto de orvalho a 2 metros K ssrd Radiação solar descendente à superfície J m -2 strd Radiação térmica descendente à superfície J m -2 lcc Cobertura de nuvens baixa altitude (0-1) mcc Cobertura de nuvens media altitude (0-1) hcc Cobertura de nuvens alta altitude (0-1) tco3 Coluna total de ozono kg m -2 ssrc Radiação solar liquida à superfície, céu limpo J m -2 strc Radiação térmica liquida à superfície, céu J m -2 skt Temperatura da superfície K Tabela 1 Variáveis ambientais extraídas do ECMWF Estes dados foram processados através da ferramenta OCTAVE [10,11], dando origem a uma base de dados climática, onde para cada ponto espacial (latitude/longitude), para cada dia do ano (de três em três horas) e para cada variável foram calculados os valores médios, máximos, mínimos, desvios padrões, percentis 5 e 95. A base de dados foi gravada no formato NETCDF devido ao facto de ser um formato standard muito utilizado na meteorologia - e noutras ciências - e devido à sua grande capacidade de compactação dos dados. Antes de proceder ao cálculo estatístico foi necessário pré processar algumas variáveis como as variáveis de radiação e de precipitação, pois estas encontravam-se na forma acumulada - visível no Gráfico 1. O termo acumulado significa que o valor apresentado corresponde ao integral da variável entre a hora indicada e as 0 ou as 12 horas, imediatamente anteriores. No Gráfico 1 pode comparar-se a radiação solar descendente (ssrd) acumulada com a radiação solar descendente em cada três horas no mesmo período. Página 12
31 Gráfico 1 - Radiação acumulada e radiação normalizada, a azul a radiação acumulada e a verde a radiação depois de processada. Página 13
32 Os valores acumulados em cada três horas foram divididos pelo tempo de forma a obter um valor médio da intensidade. A precipitação é ainda resultado de duas variáveis retiradas do ECMWF Precipitação de larga escala e precipitação convectiva - que tiveram de ser somadas depois de tratadas. Outra alteração efetuada às variáveis retiradas do ECMWF foi o cálculo da magnitude e direção do vento à partir das componentes norte-sul e este-oeste, respetivamente u e v. A magnitude e a direção do vento são calculadas através das expressões ( 2.1) e ( 2.2), respetivamente. mag vento = u 2 + v 2 ( 2.1) direcção vento = π arctg (v u ) ( 2.2) No caso da direção do vento os cálculos estatísticos efetuados nas outras variáveis não têm significado. Assim, neste caso para cada ponto e instante calculou-se a distribuição das frequências de ocorrência por sector. Foram considerados dezasseis setores com centros, em graus, apresentados na Tabela 2. Centros [º] 0,0 22,5 45,0 67,5 90,0 112,5 135,0 157,5 180,0 202,5 225,0 247,5 270,0 292,5 315,0 337,5 Tabela 2 - Centros dos setores considerados para a direção do vento Página 14
33 Tendo em conta o objetivo de servir para a construção de cenários SAFEPORT, optou-se, no caso da direção do vento, por substituir as grandezas estatísticas pelas seguintes: valor médio - sector mais frequente; máximo e mínimo direções correspondentes ao máximo e mínimo da intensidade do vento; percentis 5 e 95 sector mais frequentes nas ocorrências de vento inferior ao percentil 5 e superior ao percentil 95, respetivamente. Os subprodutos da base de dados foram compilados recorrendo à ferramenta ncrcat, pertencente à biblioteca nco, originando um ficheiro de aproximadamente 170 GB. A função ncpdq permite calcular o fator de escala e o offset para cada variável de forma otimizada, este cálculo rescreve as variáveis no formato short em vez de double o que permite reduzir o tamanho do ficheiro em um quarto (passagem de 8 para 2 bytes). Em suma, esta base de dados inclui a componente média, máxima, mínima, percentil 5 e 95 das variáveis apresentadas na Tabela 3. A base de dados resultante, no âmbito do projeto, foi sujeita a um procedimento de teste que garante o funcionamento da mesma. Os testes consistem na verificação da estrutura da base de dados, isto é, as dimensões (número de pontos por latitude, longitude e tempo) e existência de todas as variáveis. Esta verificação é efetuada através do software ncdump. Um segundo teste é efetuado à base de dados, e consiste numa verificação da consistência das variáveis, isto é, averigua se as variáveis apresentam valores numéricos plausíveis. Estes testes estão descritos no documento CLIMATE COMPONENT TEST PROCEDURE excerto em Anexo I. Página 15
34 No Gráfico 2 pode observar-se um exemplo dos valores armazenados na base de dados, sendo apresentada a variável da radiação solar descendente à superfície para as 12 horas UTC no dia 1 de janeiro, em todo o globo. O Gráfico 3 ilustra outra forma de retirar informação da base de dados, fixando um ponto no espaço e apresentando uma série temporal de dados, neste caso a temperatura máxima, mínima, média, percentil 5 e 95 para Portel no mês de agosto. Mais exemplos podem ser vistos no anexo II. Gráfico 2 Valores médios da radiação solar descente [Wm 2 ] às 12 horas UTC do dia 1 de janeiro Página 16
35 Gráfico 3 Temperatura do ar em Portel: interpolação dos valores existentes na base de dados climática Página 17
36 Abreviatura Nome Unidade sst Temperatura da superfície do mar K tcw Coluna total de água kg m -2 tcwv Coluna total de vapor de água kg m -2 r Precipitação m s -1 msl Pressão média ao nível do mar Pa tcc Cobertura total de nuvens (0-1) wmag Magnitude do vento m s -1 wdir Direção do vento º t2m Temperatura a 2 metros K d2m Temperatura do ponto de orvalho a 2 metros K ssrd Radiação solar descendente à superfície W m -2 strd Radiação térmica descendente à superfície W m -2 lcc Cobertura de nuvens baixa altitude (0-1) mcc Cobertura de nuvens media altitude (0-1) hcc Cobertura de nuvens alta altitude (0-1) tco3 Coluna total de ozono kg m -2 ssrc Radiação solar liquida à superfície, céu limpo W m -2 strc Radiação térmica liquida à superfície, céu W m -2 skt Temperatura da superfície K Tabela 3 - Variáveis armazenadas na base de dados 2.2 Environment Simulator O instrumento virtual desenvolvido pode ser dividido em subcomponentes. Cada subcomponente tem uma tarefa específica para realizar. O fluxograma do instrumento virtual é apresentado na Ilustração 3. Verifica-se no fluxograma que é possível utilizar dados de três fontes de informação diferentes: a base de dados SAFEPORT Climatic, outras bases de dados e dados fornecidos pelo utilizador. A base de dados SAFEPORT Climatic possui sempre valores disponíveis à simulação, as outras duas fontes possibilitam ao utilizador fornecer dados mais precisos para as simulações. Os dados são processados em cada módulo por funções específicas, passando de módulo para módulo até disponibilizar as variáveis ambientais pretendidas. Página 18
37 Other DB or sensor data Dados USER DATA PROCESS- ING USER DATA PROCESS- ING READ DB SPACIAL INTERPOL -ATION PROFILE GEN TIME INTERPO -LATION ENVIRON- MENT GENERAT -OR ENVIRON- MENT DB SAFEPORT Climatic DB Ilustração 3 Arquitetura do Environment simulator Página 19
38 2.2.1 USER DATA PROCESSING Este módulo recebe os dados fornecidos pelo utilizador e efetua os cálculos necessários para os transformar nos dados necessários nas funções seguintes. O módulo está escrito na linguagem de programação JAVA. Os dados que devem ser fornecidos pelo utilizador são a localização espacial latitude e longitude, o tempo inicial e final, o passo temporal (Δt), necessário para as simulações, e o código numérico do perfil meteorológico escolhido. A latitude e a longitude são aproximadas aos valores inteiros mais próximos, pois, como referido, a base de dados está armazenada com uma resolução de um grau. É calculada também a distância entre as coordenadas dadas pelo utilizador e o ponto de referência (distância_lat e distância_lon), como se pode ver na Ilustração 4. É tomado por ponto de referência o ponto com as coordenadas obtidas nas aproximações descritas acima. Estas distâncias permitem efetuar as interpolações necessárias. Os valores de latitude e longitude aproximados são convertidos nos respetivos índices. No caso da longitude, e em virtude se o módulo estar escrito em JAVA, não é necessária qualquer alteração pois a longitude esta compreendida entre 0 e 359. Já no caso da latitude esta encontra-se entre -90 e 90, sendo preciso converte-la num índice entre 0 e 180, para tal ao valor aproximado é somado 90 para o converter no índice de latitude. Página 20
39 distância_ lon distância_lat Ilustração 4 - Esquema dos pontos. A azul e laranja os pontos retirados da base de dados, a verde o ponto pretendido. A cor de laranja o ponto de referência. O tempo inicial e final são datas com ano, mês, dia, hora e minutos e são convertidos para o índice da dimensão tempo. Para tal, como se trata de clima, despreza-se o ano indicado e com o mês e o dia é calculado o dia Juliano (em JAVA através da função GregorianCalendar.DAY_OF_YEAR). No caso do tempo inicial é subtraído um dia, para acerto do índice. Este valor é convertido para horas a que se soma a hora e os minutos, também convertidos para horas. Seguidamente, este valor é dividido por três (intervalo de três horas) e arredondado às unidades. É calculada a diferença entre a hora inicial dada pelo utilizador e a primeira hora retirada da base de dados (Δt_time_initial); de igual modo é calculada a diferença entre a hora final dada e a última hora extraída (Δt_time_final). Estes valores servirão para os cálculos das interpolações temporais. Página 21
40 Com os dois índices acima referidos calculados é possível definir o início e o passo, vetores que serão utilizados na extração dos elementos da base de dados. O vetor início é um vetor de três componentes (tempo, latitude e longitude) e contem, como o nome indica, as coordenadas do primeiro ponto a ser retirado. O passo é o vetor que contem a informação do número de pontos a retirar em cada dimensão. No caso da latitude e longitude serão sempre dois pontos para cada uma, retirando assim os quatro pontos em redor do ponto fornecido (para efetuar a interpolação bilinear descrita a frente). No caso do tempo o valor é a diferença entre o índice do tempo final e do tempo inicial. Sendo que quando se pretende apenas um ponto temporal serão retirados dois pontos de tempo também READ_DB_SPACIAL_INTERPOLATION Este módulo recebe a base de dados SAFEPORT_climatic_DB (ou outra que apresente a mesma estrutura dimensões e variáveis), os vetores início e passo e as distâncias distância_lat e distância_lon. E devolve, em memória (variável Climatic_DB) ou ficheiro, um valor para cada componente de cada variável, para cada ponto de tempo retirado da base de dados (valor indicado no vetor passo). No funcionamento, este módulo recorre a uma biblioteca do UCAR [17] para JAVA com funções para manusear os ficheiros NETCDF. Assim para começar este algoritmo retira o conjunto de valores indicados no vetor passo, para cada componente de cada variável. Estes valores são depois interpolados através de uma interpolação bilinear para se obter um valor para o ponto indicado pelo utilizador, utilizando as distâncias distância_lat e distância_lon calculadas anteriormente. Foi utilizada a interpolação bilinear, pois a diferença para a interpolação de ordem superior, bicúbica por exemplo, apresenta uma pequena diferença de resultados e representa uma grande diferença no consumo de memória (4 pontos para 16 pontos) e tempo de cálculo. Página 22
41 2.2.3 PROFILE_GEN Este módulo recebe a variável Climatic_DB e o código numérico do perfil meteorológico escolhido (Cenário_id). Devolve a variável METEO_DB. Este módulo possui uma lista de perfis meteorológicos, num total de onze atualmente, todavia o sistema usufrui da capacidade de poder ser adicionados mais perfis. Os perfis atualmente disponíveis estão identificados na Tabela 4. Estes perfis tentam cobrir a maioria das situações climatéricas sendo de destacar a situação média, dia quente e a noite fria, respetivamente perfis com o Cenário_id 0, 1 e 6. Mais informação sobre estes perfis encontra-se no Anexo III Sea and Climate Interfaces. Este módulo escreve as componentes de cada variável de acordo com o perfil selecionado na variável METEO_DB. No caso de as variáveis não estarem discriminadas no perfil será tomado o valor médio. Página 23
42 Cenário_id Cenário Ambiental Condições 0 Médio Valor médio de todas as variáveis 1 Dia quente e Temperatura max, céu limpo, radiação solar max, luminoso concentração máxima de ozono 2 Dia quente e algumas Temperatura perc95, radiação solar média, nuvens cobertura de nuvem parcial, humidade max 3 Noite quente Temperatura max, cobertura total de nuvens, irradiação térmica descendente max 4 Dia frio Temperatura min, cobertura total de nuvens, irradiação solar descendente min 5 Dia frio e luminoso Temperatura perc5, céu limpo, radiação solar perc95 6 Noite fria Temperatura min, radiação térmica min, céu limpa. 7 Tempestade Cobertura total de nuvens, velocidade de vento max, precipitação max, humidade perc95 8 Nevoeiro Humidade 100% 9 Radiação máxima Radiações máximas, concentração de ozono mínima, coberturas de nuvens mínimas, precipitação mínima, coluna de vapor de água e água mínimas 10 Radiação mínima Radiações mínimas, concentração de ozono máxima, coluna de vapor de água e água máximas Tabela 4 Perfis Meteorológicos Página 24
43 2.2.4 TIME_INTERPOLATION Este módulo recebe a variável calculada anteriormente, METEO_DB, os parâmetros Δt_time_initial, Δt_time_final e Δt. Mais uma vez é possível ao utilizador introduzir dados de diferentes fontes, o utilizador poderá introduzir dados de previsão meteorológica (que terá maior precisão do que os dados de climatologia) ou mesmo dados de sensores que tenha disponíveis. Para introduzir estes dados bastará ao utilizador transcrevê-los para o formato da variável METEO_DB, ou criar uma função conectada ao instrumento que converta um formato específico para o formato referido. Este módulo devolve a variável METEO_TIME_DB, esta estrutura contém um valor para cada variável em cada tempo, até ao tempo final. No caso do intervalo de tempo dado ser inferior a 10 minutos, este será considerado igual a 10 minutos, isto devido ao facto de não se considerar relevante a interpolação temporal para tempos inferiores a 10 minutos. Este módulo efetua uma interpolação linear entre os pontos disponíveis na variável METEO_DB (com uma diferença de três horas) para os pontos espaçados Δt. Página 25
44 3 Introdução à radiação solar A radiação proveniente do sol sustenta quase todas as formas de vida no planeta Terra, principalmente através da fotossíntese, e, influencia o clima do mesmo. O sol gera a sua energia através de uma reação de fusão nuclear de Hidrogénio (este que representa 74% da massa solar [18]) originando Hélio. Esta reação leva o sol a libertar 3, MW de energia em todas as direções, o que representa um valor de 63 MW por cada metro quadrado de superfície do sol [18]. Quase todas as formas de energia na Terra têm origem na radiação solar, quer seja através da conversão da energia solar em energia química - como por exemplo a madeira ou o petróleo produzidos direta ou indiretamente pela fotossíntese, quer seja a conversão em energia cinética por exemplo o vento e as correntes oceânicas originados pelas diferenças térmicas em várias regiões do planeta. Estas diferenças térmicas são causadas em larga medida pela diferente exposição ao sol das várias regiões do planeta. 3.1 Relação Terra - Sol O planeta Terra, como todos os planetas do sistema solar roda em torno do sol com um período de 365,25 dias. O plano descrito pela rotação da Terra em torno do sol é chamado Plano Eclíptico. A distância média da Terra ao Sol é 1,496 x 10⁸ km, r 0, (1 unidade astronómica AU) [19]. A radiação solar demora, aproximadamente, 8 minutos e 20 segundos a percorrer esta distância, visto deslocar-se à velocidade da luz no vácuo aproximadamente 3,0 x 10⁵ km/s [18]. Na verdade, devido à forma elíptica da órbita do planeta Terra em torno do sol, esta distância situa-se no intervalo 0,983 e 1,017 AU, (Ilustração 5) sendo conhecidos estes pontos por periélio e afélio, respetivamente o ponto onde a distância é mínima e máxima. Estes pontos, periélio e afélio, ocorrem aproximadamente a 3 de janeiro e a 4 de julho. Já os pontos onde a distância da Terra ao sol é igual à média, ocorrem aproximadamente a 4 de abril e 5 de outubro. Página 26
45 A distância entre Terra e o Sol pode ser calculada através da equação da excentricidade, E 0, descrita por Duffie e Beckman [19,20] E 0 = (r 0 r)² = 1 + 0,033cos ( 2πN 365 ) ( 3.1) onde N é o dia do ano, tomando o valor de 1 no dia 1 de janeiro e 365 no dia 31 de dezembro. Para a contagem do dia do ano considera-se que fevereiro tem sempre 28 dias. Ilustração 5 - Movimento da Terra em torno do Sol (Fonte: [18]) Página 27
46 3.1.1 Declinação Apesar de o planeta Terra girar em torno do sol, também roda em torno de si próprio, em torno do eixo polar. Esta rotação em torno de si mesmo tem uma duração aproximada de 24 horas e é ela que origina a variação de radiação diária (dia noite). O eixo polar está inclinado 23,45 º em relação à normal do Plano Eclíptico [18]. Esta inclinação causa a variação sazonal da radiação Solar (estações). A orientação do eixo polar em relação ao sol varia devido à rotação em torno do mesmo, modificando a diferença angular entre a linha imaginária que une os centros do sol e da Terra e o plano equatorial da Terra. O ângulo referido é chamado de declinação solar (δ). A declinação varia ao longo do ano entre 23,45º e -23,45º, visível no Gráfico 4, sendo positivo a norte do equador. Na Ilustração 6 [18] é possível observar a declinação nos equinócios e solstícios. A declinação é 0º nos equinócios de primavera e outono, e toma o valor de ±23,45º nos solstícios, positivo no solstício de verão e negativo no solstício de inverno. A declinação pode ser calculada através da seguinte expressão [19,21], em graus, δ = 23,45 sin ( 360 (284 + N)) ( 3.2) 365 A declinação pode ser considerada constante durante um dia [18,20], a sua maior variação durante um dia será de 0,5º (ocorre nos equinócios). Devido à existência de anos bissextos, existe uma variação do valor da declinação inter-anual de ±1/6 nos equinócios e uma diferença máxima de 1/60 nos solstícios [19]. Página 28
47 Gráfico 4 - Declinação ao longo do ano Na Ilustração 6 são visíveis os trópicos de Caranguejo e Capricórnio, localizados respetivamente na latitude 23,45ºN e 23,45ºS, e, os círculos Polares Ártico e Antártico, respetivamente à latitude 66,50ºN e 66,50ºS. Os trópicos e os círculos polares demonstram características interessantes no ponto de vista de exposição solar. Durante os solstícios, o sol apresenta-se sobre as latitudes dos trópicos, assim sendo no solstício de inverno o sol encontra-se no trópico de caranguejo e no solstício de verão no trópico capricórnio. No solstício de inverno, o círculo Polar Ártico não recebe radiação solar, ou seja, depara-se com a noite, por outro lado o círculo Polar Antártico recebe radiação continuamente, que se denomina de dia. Enquanto que no solstício de verão acontece precisamente o inverso, isto é, no círculo Polar Ártico está presente o dia e no Antártico a noite. É durante os equinócios de primavera e outono que ambos os círculos Polares se encontram igualmente iluminados, isto é, tendo o dia e a noite a mesma duração (12 horas). Ilustração 6 - Posição da Terra em relação ao sol (Fonte: [18]) Página 29
48 3.1.2 Tempo Solar Aparente Para conhecer a energia proveniente do sol recebida num determinado local é necessário conhecer o tempo solar aparente (AST- Apparent Solar Time), isto é, o tempo baseado no movimento aparente do sol no céu. Assim, considera-se o meio-dia solar o tempo em que o sol passa pelo meridiano local, o que normalmente não coincide com as 12 horas legais do local. O tempo legal por sua vez tem o comprimento igual à média da duração dos dias solares, 24 horas. Cada zona do mundo tem um fuso horário definido em função de um meridiano de referência situado no centro da zona, o tempo legal local (LST Local Standard Time). O tempo universal (UT Universal Time) é baseado no meridiano de Greenwich, sendo a sua longitude 0º. De seguida são apresentadas as correções utilizadas para calcular o tempo solar aparente a partir da hora legal e vice-versa Equação do tempo Como já foi referido anteriormente, a rotação do planeta Terra em torno do eixo Polar demora 24 horas, um dia, contudo o dia solar pode variar, principalmente, devido a órbita da Terra em torno do sol, da variação de velocidade orbital da Terra e a declinação. O dia solar é o intervalo de tempo entre a passagem do sol por um ponto fixo na Terra, por exemplo um meridiano de referência. A diferença entre o tempo solar e o tempo médio contínuo, é chamado de equação do tempo (ET), é possível verificar a sua variação no Gráfico 5. Página 30
49 A equação do tempo pode ser aproximada em minutos, em função do dia do ano por: ET = 9,87sin(2B) 7,53cos(B) 1,5sin(B) ( 3.3) onde B é dado em graus por B = (N 81) ( 3.4) Gráfico 5 - Variação da equação do tempo ao longo do ano Correção da longitude Como o tempo legal é referido a um meridiano de referência e válido para uma zona determinada torna-se necessário corrigir o tempo legal para a posição exata onde se pretende saber o tempo solar. Sabendo que o planeta Terra demora, aproximadamente, 24 horas a completar uma volta completa, o que corresponde à um ângulo de rotação de 360º, pode-se calcular o tempo, em minutos, que o Sol demora a efetuar um arco correspondente a 1º de longitude, = 4 ( 3.5) Página 31
50 Isto é, por cada grau de longitude é necessário uma correção de 4 minutos. Assim, a correção da longitude, em minutos, é dada por LC = 4 (meridianodereferência meridianolocal) ( 3.6) Este valor será positivo para longitudes a este do meridiano de referência e negativo para longitudes a oeste. A correção da longitude é constante para um local fixo. Assim, o tempo solar aparente pode ser calculado com base nas correções referidas acima, ET e LC, juntamente com horário de verão (DS) é AST = LST + ET ± LC DS ( 3.7) onde o horário de verão é 0 ou 60 minutos. Nos países cujo horário de verão é aplicado, a horário altera-se, adiantando uma hora, tal facto tem acontecimento, normalmente, entre o termo do mês de março e do mês de outubro [18]. Outra forma de calcular o tempo solar aparente diretamente do tempo universal é AST = UT + 4long + ET ( 3.8) onde long é o longitude do local, sendo 180 long 180 [22]. Esta simplificação (utilização do horário universal) ocorre uma vez que o tempo universal se encontra baseado no meridiano de Greenwich à longitude de 0º. Página 32
51 3.2 Ângulos Solares Para uma melhor caracterização da radiação solar é necessário obter conhecimento sobre a posição do sol no céu. Esta posição altera ao longo do dia tal como de dia para dia. Pode-se tomar como exemplo o fenómeno de analema, onde a combinação de posições solares observadas num ponto fixo na Terra e a uma hora específica do dia descreve uma forma aproximada de um oito [18], Gráfico 6. Nesta figura pode-se ver indicados os pontos dos solstícios e equinócios (a verde) e o dia 1 de cada mês (a vermelho). Os pontos dos solstícios correspondem aos pontos nos quais a posição relativa do sol se encontra mais alta ou mais baixa (fora dos trópicos), respetivamente solstícios de verão e de inverno. Nos pontos dos equinócios o sol encontra-se a uma altitude igual a 90 L, onde L é a latitude do local. No caso dos solstícios o Sol encontra-se à altitude 90º L + δ. A imagem apresentada é referente à localidade de Portel, Portugal à latitude de 38,303 e longitude de -7,699º. Gráfico 6 - Analema em Portel, Portugal Página 33
52 Devido à declinação no hemisfério norte, começando no equinócio de inverno (o dia mais curto) os dias crescem à medida que o nascer e pôr-do-sol se direcionam para norte, aumentando assim o comprimento do dia (horas de radiação solar). Com este aumento da duração do dia, o sol posiciona-se cada vez mais alto no céu. No solstício de verão, a 21 de junho, o sol atinge o ponto mais alto no céu e a maior duração do dia a norte do trópico de caranguejo. No solstício de inverno, a 21 de dezembro, ocorre o inverso. Nos equinócios de primavera e outono, respetivamente a 21 de março e 21 de setembro a duração do dia e da noite é igual. No hemisfério sul os solstícios surgem trocados, o solstício de verão a 21 de dezembro e o de inverno a 21 de junho. Devido à duração do período de rotação em torno do Sol ser de 365,25 dias estas datas são aproximadas. Por facilidade, analisa-se a posição solar do ponto de vista Geocêntrico, isto é, considera-se que a Terra se encontra fixa e o Sol descreve um movimento virtual no céu num sistema de coordenadas fixo na Terra. Segundo esta perspetiva, a posição solar pode ser descrita por dois ângulos: o ângulo de altitude solar (α) e o ângulo de azimute solar (z), como se pode ver na Ilustração 7. A expressão que permite calcular estes ângulos é apresentada de seguida, para tal é apresentado o ângulo horário (h). Ilustração 7 - Movimento aparente do Sol durante o dia (Fonte: [18]) Página 34
53 3.2.1 Ângulo Horário O ângulo horário de um local na Terra é o ângulo entre a projeção no plano horizontal da linha que une o centro da Terra com o Sol e o meridiano do local. Por esta definição o ângulo horário é 0º ao meio-dia solar. Antes do meio-dia solar o ângulo é negativo, depois do meio-dia solar é positivo. Assim, o ângulo horário pode ser calculado através de h = (AST 12) 15 ( 3.9) com AST em horas e o facto de 15º de longitude por hora (360º 24h) [18] Ângulo de altitude solar O ângulo de altitude solar é o ângulo entre os raios solares e o plano horizontal e pode ser calculado pela equação sin(α) = sin(l)sin(δ) + cos(l)cos(δ)cos(h) ( 3.10) onde L é a latitude do local, positivo para norte e negativo para sul. A altura solar está relacionada com o ângulo zenital solar (Φ), pois o ângulo zenital é o ângulo entre os raios solares e a vertical. Assim, Φ + α = 90º ( 3.11) Página 35
54 3.2.3 Ângulo de azimute Solar O ângulo de azimute solar é o ângulo formado pela projeção dos raios solares no plano horizontal com o sul no hemisfério norte, e com o norte no hemisfério sul, sendo positivo para oeste. Este ângulo é dado pela expressão sin(z) = cos(δ)sin(h) cos(α) ( 3.12) Esta expressão é valida para cos(h) > tan(δ) tan(l), isto é, o Sol situa-se no semihemisfério Este - Sul - Oeste [18]. Se o sol se situar no semi-hemisfério Oeste-Norte-Este, o ângulo zenital tem de ser corrigido através de π + z, de manhã { π z, a tarde ( 3.13) Outra propriedade do ângulo de azimute solar é que este assume o valor de 0º ao meio dia solar, uma vez que o sol se encontra sobre o meridiano local. Página 36
55 3.3 Nascer e Pôr-do-sol e Comprimento do dia Por definição, considera-se que o sol nasce e põe-se quando a sua altura angular é 0º, logo, é possível calcular as horas a que isto ocorre resolvendo a equação ( 3.10) em ordem ao ângulo horário do pôr-do-sol (h ss ), ficando cos(h ss ) = sin(l)sin(δ) cos(l)cos(δ) ( 3.14) ou de forma simplificada cos(h ss ) = tg(l)tg(δ) ( 3.15) sendo que h ss é positivo ao pôr-do-sol. Pela equação ( 3.9) e pela equação do tempo solar aparente equação ( 3.7) - pode calcular-se a hora solar na hora local. Assim a hora solar do nascer (H sr ) e pôr-do-sol (H ss ) é dada por { H ss = h ss H sr = h ss ( 3.16) e a hora legal por LST i = H i ET LC + DS ( 3.17) onde o índice i é o nascer ou o pôr-do-sol. Página 37
56 O comprimento do dia pode ser calculado através da utilização da equação ( 3.15), sabendo que a duração do dia é o dobro da distância temporal que ocorre entre o meio-dia solar e o pôr-do-sol. Assim o comprimento do dia em horas é dado por ComprimentodoDia = 2/15 arccos [ tg(l)tg(δ)] ( 3.18) ou ComprimentodoDia = 2/15 arccos(h ss ) ( 3.19) sendo utilizado o fator de 2 para a duração total do dia e o fator de conversão entre horas e graus (15º por hora). 3.4 Irradiação e Irradiância Solar no topo da atmosfera A energia por tempo e por área perpendicular aos raios solares que é recebida a meia distância entre a Terra e o Sol é chamada de Constante Solar, G sc, e tem o valor de 1367 W/m² [19]. Na verdade a radiação solar não é apenas um valor mas sim um espetro de ondas eletromagnéticas. A radiação que chega ao topo da atmosfera (G on ), num plano perpendicular aos raios, varia consoante a proximidade do planeta ao sol, assim o planeta recebe mais energia no periélio (aproximadamente 1400W/m 2 ) que no afélio (aproximadamente 1330W/m²). Assim esta irradiância depende apenas do dia do ano e pode ser calculada por G on = G sc [1 + 0,033cos ( 360N )] ( 3.20) 365 Quando a radiação é medida num plano paralelo à superfície num determinado local e instante, a irradiância é dada por G oh = G on cos(φ) ( 3.21) Página 38
57 Pode também calcular-se a irradiação recebida num período de tempo definido por h 1 e h 2 - ângulos horários para os tempos desejados -, com o segundo maior que o primeiro [18]. Sendo expressa em J/m². I 0 = G on π [cos(l)cos(δ)sin(h 2 h 1 ) + { π(h 2 h 1 ) } sin(l)sin(δ)] ( 3.22) Irradiação à superfície A irradiação no topo da atmosfera é atenuada até chegar à superfície, através de processos de dispersão, reflexão e absorção na atmosfera. A atmosfera é constituída por vários gases, partículas em suspensão e nuvens que interagem com a radiação solar no seu percurso até à superfície. É através destas interações que parte da radiação se dispersa pela atmosfera sendo difundida, uma parte desta radiação atinge a superfície e é denominada de radiação difusa. Por sua vez a radiação que incide na superfície diretamente do sol, através da atmosfera, é conhecida por radiação direta. A combinação destas componentes, radiação direta e difusa, consiste em toda a energia recebida na superfície, esta que se denomina de radiação global. A radiação solar que chega à superfície depende muito do estado da atmosfera. Assumindo uma atmosfera uniforme e não estratificada, a diminuição da radiação pode ser considerada proporcional ao caminho percorrido, isto é, proporcional ao ângulo zenital solar. Na Ilustração 8 pode observar-se que caso se assuma uma altura da atmosfera constante (l) o caminho vai depender do cos(φ) com l/cos(φ). Ilustração 8 - Altura da atmosfera (Fonte: [18]) Página 39
58 Assim, é possível considerar uma transmissividade média (τ ) que relaciona a radiação no topo da atmosfera(h 0 ) com a radiação à superfície (H), através da equação H = H 0 τ ( 3.23) Esta transmissividade média depende do percurso a percorrer pela radiação na atmosfera e do coeficiente de extinção da radiação na atmosfera (k), como demonstra a equação seguinte τ = exp ( kl cos Φ ) ( 3.24) 3.6 Previsão de Radiação Solar Com base nas seções supracitadas foi implementado um algoritmo de previsão de radiação solar. Este algoritmo recebe a informação espacial e temporal - latitude e longitude do local e o instante de tempo para o qual se pretende conhecer a radiação solar - e um valor médio de radiação a superfície (H ) que se considere caracterizar a atmosfera no instante desejado. Os valores das coordenadas geográficas são introduzidos em decimais (por exemplo: 38,56º N -7,11ºE), podendo a longitude ser apresentada no intervalo -180º a 180ºE ou 0º a 360ºE. O tempo será dado, para qualquer local do mundo, em horas UT. Assim recorrendo às equações ( 3.2) e ( 3.3) calcula-se a declinação e a equação do tempo para o dia juliano (N) em causa. Esta informação (declinação e a equação do tempo) em conjunto com a latitude torna possível o cálculo do nascer e o pôr-do-sol para o local no dia juliano. O nascer e pôr-do-sol serão necessários para garantir que a estimativa da radiação não apresenta valores quando o sol não se encontra visível no céu. Se o instante desejado for fora do período em que o local está exposto à radiação solar, o algoritmo devolve 0 W/m². Se o tempo estiver compreendido no período entre o nascer e o pôr-do-sol, o mesmo é convertido de horas UT para tempo solar aparente, recorrendo a equação ( 3.8). Página 40
59 Através da equação ( 3.22) calcula-se a irradiação média no topo da atmosfera (H 0 ) para o período representativo, determinar-se também o meio desse intervalo e o ângulo de zénite (Φ ), através das equações ( 3.9),( 3.10) e ( 3.11). Com a irradiação média no topo da atmosfera e na superfície é possível calcular uma transmissividade média (τ ) através da equação ( 3.23), que se considera representativa da atmosfera. Para estimar a radiação solar à superfície assume-se que o coeficiente de extinção e a altura da atmosfera são fixos, não variam do intervalo conhecido para o tempo desejado, com isto, e recorrendo à equação ( 3.24) pode-se rescrever em ordem a k, ficando com um k estimado k est = ln(τ ) cos(φ ) l ( 3.25) Aplicando esta estimativa do k para o cálculo de uma nova transmissividade e, subsequentemente, uma nova radiação fica-se com H est = H 0 τ H est = H 0 exp ( k estl cos(φ) ) ( 3.26) onde k est pode ser substituído pela equação ( 3.25) que simplificando resulta ( ln(τ ) cos(φ ) ) l l H est = H 0 exp [ ] H cos(φ) est = H 0 exp ln(τ) [ cos(φ ) cos(φ) ] ( cos(φ ) H est = H 0 exp [ln (τ cos(φ) ) )] H est = H 0 ( H ( cos(φ ) H ) cos(φ) ) ( 3.27) 0 Através da equação ( 3.27) é assim possível extrapolar a radiação solar, conhecendo a radiação num período que possa servir para referência e calculando propriedades como a radiação no topo da atmosfera e ângulo zenital. Página 41
60 4 Radiação Solar Espectral 4.1 Introdução a radiação espectral O sol como qualquer corpo emite energia na forma de ondas eletromagnéticas com diferentes comprimentos de onda (λ). No caso do sol, o seu espectro emissivo pode dividirse no fundamental em três regiões, sendo elas o ultravioleta, o visível e o infravermelho. A primeira região (ultravioleta) situa-se entre os 0,100 e os 0,400 µm, o visível entre os 0,380 e os 0,760 µm e a última (infravermelho) acima de 0,760 µm [23]. É comum dividir a região ultravioleta em três bandas diferentes: ultravioleta longínquo, médio e próximo, respetivamente entre 0,122 e 0,200 µm, 0,200 e 0,300 µm e 0,300 e 0,400 µm. O espectro visível distingue-se em várias cores (Tabela 5 [23]): Cor Comprimento de onda Unidade Violeta 0,360 0,450 Azul 0,450 0,500 Verde 0,500 0,570 Amarelo 0,570 0,591 Laranja 0,591 0,610 Vermelho 0,610 0,760 Tabela 5 - Cores e respetivos comprimentos de onda μm O infravermelho também pode ser dividido em próximo entre 0,760 e 1,400 µm-, médio entre 1,400 e 3,000 µm - e -longínquo situado entre 3,000 µm e 1,000 mm [23]. Página 42
61 Ilustração 9 - Espectro da radiação solar Para descrever de forma mais fácil o espectro emitido pelo sol, considera-se o sol como um corpo negro à temperatura de 5777 K [19]. A radiação espectral do corpo negro é dado pela Lei de Planck ( 4.1) e bλ = C 1 λ 5 [exp ( C 2 λt ) 1] ( 4.1) onde e bλ é a radiação espectral do corpo negro em Wm 2 μm 1. C 1 e C 2 são constantes de radiação, respetivamente 3, W μm 4 m 2 e 1, μm K. λ o comprimento de onda em μm e T a temperatura em K. Desenhando esta equação para várias temperaturas verifica-se no Gráfico 7 que à medida que a temperatura aumenta, aumenta também a radiação em cada comprimento de onda. Com o aumento da temperatura, verifica-se que a radiação máxima ocorre em comprimentos de onda menor. Averigua-se também que em comprimentos de onda menores é emitida maior percentagem da energia. Página 43
RADIAÇÃO SOLAR: ESTUDO E CRIAÇÃO DE PLATAFORMA DE APOIO À CONCEÇÃO DE UM SENSOR DE RADIAÇÃO SOLAR
RADIAÇÃO SOLAR: ESTUDO E CRIAÇÃO DE PLATAFORMA DE APOIO À CONCEÇÃO DE UM SENSOR DE RADIAÇÃO SOLAR 125 ANDRÉ ALBINO Universidade de Évora, Centro de Geofísica de Évora, Évora aalbino@uevora.pt RUI SALGADO