Medição de Radiação Solar
Neste artigo, forneceremos informações sobre a medição da radiação solar. O que é a medição da radiação solar e como você pode realmente medir a radiação solar?
O sol é a força motriz por trás de grandes padrões climáticos e outros fenômenos naturais. A energia do sol é o que torna a vida como a conhecemos possível. Essa energia solar é transmitida por uma forma de fluxo de calor chamada radiação. Radiação geralmente se refere à quantidade de energia emitida pelo emissor, neste caso o sol. Irradiação, um termo muito semelhante, refere-se à quantidade de energia radiativa recebida por um corpo, neste caso a terra.
O que é radiação?
Radiação é um dos três tipos de fluxo de calor. O que é fluxo de calor? É uma forma de transferir energia térmica e é expressa em watts por metro quadrado (W/m²). Todo objeto emite energia radiativa. Quanto maior a temperatura do objeto, mais radiação ele emite. Radiação é energia térmica na forma de ondas eletromagnéticas. Essas ondas eletromagnéticas podem ter comprimentos de onda e frequências particulares que ditam as propriedades da radiação. Muitos dispositivos modernos usam ondas eletromagnéticas para comunicar informações, como televisões, sinais de rádio ou celulares.
A radiação solar é uma mistura de vários tipos de radiação. Na imagem abaixo, diferentes tipos de radiação são representados com seus respectivos comprimentos de onda.
Os emissores emitem todos os comprimentos de onda e, assim, todos os tipos de radiação, pelo menos até certo ponto. A temperatura do emissor dita quais comprimentos de onda são emitidos principalmente. Em essência, quanto mais quente for o objeto que emite a radiação, mais curtos serão os comprimentos de onda da radiação emitida.
Figura 1: Tipos de radiação e seus comprimentos de onda.
O sol emite tipos de radiação de acordo com a seguinte distribuição (Climate bits solar radiation, 2015):
- 49% consiste em comprimentos de onda infravermelhos
- 43% consiste em comprimentos de onda visíveis
- 7% consiste em comprimentos de onda ultravioleta
- <1% consiste em ondas de rádio, micro-ondas, raios X e raios gama
Como a parte visível do espectro eletromagnético é considerada de comprimentos de onda curtos, podemos concluir que aproximadamente metade da radiação emitida é radiação de onda curta e a outra metade é radiação de onda longa.
Radiação entre Dois Corpos
Ao falar sobre radiação, um 'corpo' refere-se a um objeto que está emitindo ou recebendo radiação. A quantidade de radiação transferida de um corpo para outro depende fortemente das temperaturas de ambos os corpos.
A expressão para a troca de energia térmica é a seguinte (Mills, 1999):
Sendo:
= fluxo de calor radiativo do corpo 1 para o corpo 2. [W]
= fator de transferência do corpo 1 para o corpo 2. [-]
= superfície radiativa do corpo 1. [m²]
= constante de Stefan-Boltzmann de 5.67 * 10-8. [W/m²K⁴]
T1 = temperatura do corpo 1 na superfície. [K]
T2 = temperatura do corpo 2 na superfície. [K]
O fator de transferência depende da relação entre os tamanhos e formas dos corpos 1 e 2. Também é dependente da emissividade do corpo 1, o emissor. O fator de transferência é diferente para cada situação e pode variar entre 0 e 1. A constante de Stefan-Boltzmann é independente da situação e sempre tem o mesmo valor.
Note que as temperaturas dos corpos são elevadas à quarta potência, indicando um processo muito exponencial. Em valores absolutos mais altos, a mesma diferença de temperatura resulta em uma troca maior de calor radiativo.
Por Que Medir a Irradiância Solar?
A radiação do sol não é apenas a força motriz dos fenômenos naturais, mas também dos sistemas fotovoltaicos, conhecidos como sistemas de energia solar. Esses sistemas utilizam a irradiância solar convertendo a energia radiativa em corrente elétrica com painéis solares. A produção de energia desses sistemas é considerada sustentável, verde e solar.
Para determinar se uma área é uma boa candidata para um sistema fotovoltaico, é crucial conhecer a quantidade de radiação que é recebida e emitida pela superfície desse local específico. Saber as quantidades de diferentes tipos de irradiância em diferentes estações, horários, ângulos e condições climáticas é muito útil para desenvolver uma boa estratégia de manutenção de um sistema fotovoltaico. Claro, o mesmo se aplica por razões ecológicas quando um estudo exige o balanço energético de uma determinada área.
Diferentes tipos de Medições de Radiação Solar
Nem toda radiação que atinge a Terra chega ao solo. A radiação pode ser refletida, absorvida e novamente emitida, por exemplo, por nuvens e edifícios. A imagem a seguir mostra um esquema da radiação atingindo um sistema de medição.
Existem muitos valores diferentes que podem ser necessários para medir a radiação solar. Diferentes combinações de sensores de radiação solar ou dispositivos de medição de radiação podem criar um sistema capaz de calcular todos os tipos diferentes de irradiância solar.
Uma das distinções a ser feita é o caminho pelo qual a radiação chega a uma superfície: GHI = DNI + DHI
Sendo:
GHI = Irradiância Global Horizontal
DNI = Irradiância Normal Direta
DHI = Irradiância Difusa Horizontal
A irradiância global horizontal (GHI) é a totalidade da radiação que atinge o topo de um sistema de medição. A Irradiância Normal Direta (DNI) é a radiação que atinge o sensor diretamente do sol. A Irradiância Difusa Horizontal (DHI) é a radiação que é refletida e emitida pelos corpos ao redor.
Além disso, pode-se fazer uma distinção entre radiação de onda longa e radiação de onda curta. A radiação de onda longa e a radiação de onda curta compõem a radiação total. Um pirgeômetro é capaz de medir apenas a radiação de onda longa, utilizando um dome de silício que funciona como um filtro para a radiação de onda curta.
A tabela a seguir apresenta os valores de irradiância solar desejados e a combinação necessária de dispositivos:
| Irradiância | Nome | Combinação | Range |
| Irradiância Normal Direta | Pireliômetro | (-) | 200 – 4.000 nm |
| Irradiância Global Horizontal | Pireliômetro | (-) | 285 – 3.000 nm |
| Irradiância Difusa Horizontal | Piranômetro Sombreado | Piranômetro com uma lente de sombreamento, impedindo que a DNI atinja o sensor | 285 – 3.000 nm |
| Irradiância de Onda Longa | Pirgeômetro | (-) | 1.000 – 50.000 nm |
| Irradiância de Onda Curta | Pirgeômetro e piranômetro | 285 – 400 nm | |
| Albedo | Albedometro | 2x Piranômetros | 285 – 3.000 nm |
| Saldo Radiômetro | Saldo Radiômetro | 2x Piranômetros 2x Pirgeômetros |
285 – 3.000 nm (solar) 4.500 – 42.000 nm (onda longa) |
O albedo é um valor que descreve a refletância de uma superfície. Quanto mais radiação uma superfície reflete, maior é o albedo dessa superfície. Se você quiser aprender mais sobre albedo e como ele é medido, por favor, leia o artigo: Como medir o albedo em painel solar bifacial?
Como Instalar um Dispositivo de Medição de Radiação
De acordo com o tipo de irradiância solar que você deseja medir, o dispositivo de medição de radiação correto deve ser escolhido. A instalação desse dispositivo é muito importante para gerar medições precisas de radiação solar. Especialmente a localização da instalação do dispositivo de medição de radiação desempenha um papel crucial.
Os piranômetros têm uma lente hemisférica, medindo toda a parte do céu. Idealmente, você deve evitar qualquer obstáculo que bloqueie o sol diretamente acima do dispositivo. Obstruções no campo de visão são aceitáveis desde que não excedam uma elevação de 5 graus em relação ao piranômetro. Superfícies planas e reflexivas próximas à lente devem ser evitadas completamente. Telhados são locais de instalação comuns.
Os pireliômetros são usados para medir a luz solar direta e, portanto, precisam acompanhar a posição do sol durante o dia. Os pireliômetros possuem tubos padronizados com 38 mm de diâmetro, o que permite montá-los facilmente em um rastreador solar. Um rastreador solar é uma instalação que segue a posição do sol no céu para um horário e local específicos.
Após a Instalação do Dispositivo de Medição de Radiação Solar
Depois de instalar o dispositivo de medição de radiação solar, é importante monitorar seus dados. Verificar se os dados estão alinhados com modelos de céu limpo é uma boa forma de começar a ver se o sistema não está produzindo dados irreais. A calibração também faz parte da manutenção do sistema de medição, garantindo precisão e confiabilidade. Para mais dicas sobre como medir a irradiância solar de forma eficiente, leia mais clicando aqui