Dossier: Medição da radiação solar

A superfície terrestre recebe constantemente radiação solar, cuja distribuição é alterada à medida que esta passa através das nuvens, vapor de água, gases, poeiras e vegetação.

A Terra realiza dois tipos de movimentos: o de rotação e o de translação. A rotação é o movimento que a Terra faz em torno de seu eixo e dura aproximadamente, 24 horas, ou seja um dia. O movimento de translação é o que a Terra realiza em torno do Sol e leva aproximadamente 365 dias, ou seja, um ano, para completar uma volta.

A inclinação relativa do planeta é de 23,5 graus, o que faz com que cada hemisfério receba quantidades de energia diferentes, dependendo da posição em que a Terra se encontra. É o movimento de translação da Terra, associado a essa inclinação, que determina as estações do ano: Primavera, Verão, utono e Inverno.

O espectro da radiação electromagnética emitida pelo Sol segue a distribuição do espectro de emissão de um corpo negro a cerca de 6000 K

•    UV (ultravioleta) 7 % - 96 W/m2;
•    VIS (visível) 47% - 642 W/m2;
•    IV (infravermelho) 46% - 629 W/m2.



A radiação fora da atmosfera é de 1367 W/m2. Como se pode observar na imagem seguinte após atravessar a atmosfera, a radiação atinge a superfície terrestre com três componentes:

Radiação directa – atinge directamente a superfície;
Radiação difusa – é desviada em diferentes direcções pelos componentes da atmosfera;
Radiação reflectida – é reflectida pelo solo e objectos circundantes.

A restante radiação solar é absorvida ou reflectida para fora de atmosfera pelos diferentes componentes atmosféricos.

Medição da radiação

O instrumento que mede a radiação solar total é designado por piranómetro, sendo usado para medir toda a radiação que chega à superfície da Terra, quer seja directa, difusa ou reflectida.

O piranómetro caracteriza-se pelo uso de uma termopilha, que não é mais do que vários termopáres ligados entre si. Esta termopilha é revestida por uma superfície negra, que absorve a radiação e converte-a em calor sendo, em seguida, este calor convertido em corrente pela termopilha. Um outro modelo de piranómetro utiliza uma célula fotovoltaica de silício monocristalino, para efectuar a medição de radiação. Contudo, este tipo de piranómetro apresenta uma forte limitação, pois só é sensível a apenas 60% da radiação solar incidente.

Existe ainda o pireliómetro, um instrumento que mede a radiação directa. Esta ferramenta caracteriza-se por ter uma pequena abertura que permite “visualizar” apenas o disco solar e a região vizinha denominada circunsolar, sendo que este equipamento é constantemente ajustado de acordo com a trajectória do sol. Outro aparelho, o heliógrafo, regista o número de horas de insolação.

Como forma de medição da radiação, utilizou-se na instalação em estudo um piranómetro.


Material utilizado na medição da radiação

O piranómetro utilizado para a recolha dos valores de radiação solar incidente e de modo a registá-los, foi utilizando o DataTaker DT50 series 3, de modo a realizar a interface entre o piranómetro e o computador.

A montagem efectuada para a aquisição da radiação solar incidente global está representada no esquema da página seguinte.

A comunicação entre o DataTaker e o PC é realizada através da interface de comunicação digital série RS232. O sinal enviado pelo piranómetro CM3 para o DataTaker é um sinal eléctrico unidireccional em tensão, sendo que o software utilizado pelo PC para a apresentação do dados enviados pelo DataTaker é o DeTransfer.


Características do sistema de aquisição

Os aspectos a seguir referidos servem para ilustrar para ilustrar melhor as potencialidades e as especificações do sistema de aquisição de dados relativas à radiação solar incidente.

O sistema de aquisição utilizado na recolha de dados é da marca Data Electronics, modelo DataTaker DT50. Este tipo de sistemas permite extensões futuras com novos sensores e os componentes são de fácil substituição. Também se verifica a possibilidade de coexistirem um ou mais canais em simultâneo, quer analógicos quer digital.

A resolução do sistema assenta em 15 bits + 1 sinal, memória interna para cerca de 13.650 leituras, expansível através de cartões PCMCIA de 0,5 ou 1 Mbyte, cinco a dez canais analógicos de entrada/saída, três canais de contagem programáveis e a porta série para comunicações RS 2332.
O funcionamento do sistema é controlado através de um computador, com software específico (DeTrasfer), que inclui um programa que supervisiona os dados recolhidos pelo piranómetro. Este software que controla todo o sistema utiliza um compilador que corre em ambiente Windows.

Resultados obtidos e conclusões

A montagem de simples execução que neste artigo se descreve permite obter graficamente a curva que se apresenta no gráfico 2, para um dado local em Lisboa, durante um dia do mês de Julho de 2004.


Estas curvas são da maior importância, por exemplo, para quem pretende instalar painéis fotovoltaicos que alimentam uma determinada instalação eléctrica, pois a rentabilidade do sistema depende em primeira instância do valor da radiação no local.

Apesar de existirem em várias bases de dados nacionais e mundiais valores estatísticos aproximados para cada local na terra, é sempre aconselhável validar esses valores através da instalação no local durante um tempo de um sistema como o descrito. A simplicidade deste sistema não constitui qualquer obstáculo na instalação do mesmo, e essa verificação permitirá obter mais conhecimento sobre o local em termos de radiação solar. Naturalmente existem no mercado outros fabricantes que disponibilizam outros equipamentos que permitem a substituição dos indicados, ficando ao critério de cada instalador a decisão de acordo com os equipamentos disponíveis.

José Carlos Quadrado
Professor coordenador do ISEL


Bibliografia

Ciência Viva (1994). Guai da Energia Solar www.cienciaviva.pt/rede/himalaya/home/guia2.pdf

Kipp & Zonen, www.kippzonen.com/download/kipp_manual_cm3_1412.pdf

Datataker Pty Ltd. http://datataker.com/products/dt50.html

Pereira, D; Soares, l; Quadrado, J.C. Introdução de um sistema fotovoltaico para melhoramento da rentabilidade de um quadriciclo eléctrico. ISEL. Abril 2004.