Instrumentos de Medida para Energia Solar

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O post de hoje aborda os equipamentos utilizados para realizar medidas de irradiância (W/m²) ou irradiação (Wh/m² ou J/m²) solar em campo. Essas medidas já são realizadas há algum tempo e são importantes para constituir uma base de dados utilizadas para estudos de climatologia da radiação solar, avaliação técnica e econômica de projetos de aproveitamento do recurso solar e também validação de modelos.

Como já vimos em posts anteriores, há uma variabilidade espacial e temporal da radiação solar incidente na superfície terrestre que é associada aos movimentos do planeta. Fatores atmosféricos, como emissão de poluentes, variação da nebulosidade e concentração de aerossóis, afetam a disponibilidade da radiação solar. Dessa maneira, a instrumentação utilizada deve possuir sensibilidade para ser capaz de detectar todas essas variabilidades e tempo de resposta inferior à menor variabilidade que se deseja medir.

Conheça os sensores mais utilizados:

Piranômetro de termopilha

O piranômetro é um instrumento destinado a medir a irradiância solar utilizando uma termopilha para converter a energia térmica em elétrica. A termopilha é revestida por uma tinta preta especial que simula a resposta de um “corpo negro” de modo que praticamente toda a energia radiante incidente seja absorvida pelo material e convertida em calor, que, por sua vez, é convertido em uma diferença de potencial elétrico proporcional à irradiância solar incidente na termopilha.

Na Figura 1 é apresentado um piranômetro de termopilha e os dispositivos que o compõe.

Figura 1 - Representação de um piranômetro de termopilha. Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar.
  1. Sensor;
  2. Domo de vidro com baixo teor de ferro para isolamento térmico do sensor;
  3. Domo de vidro com baixo teor de ferro para isolamento térmico do sensor;
  4. Envoltório de proteção;
  5. Corpo metálico;
  6. Cabo de conexão elétrica para o sinal gerado pela termopilha;
  7. Base regulável;
  8. Base fixa;
  9. Nível de bolha para posicionamento horizontal;
  10. Sistema para remoção de umidade.

O piranômetro possui uma curva de resposta quase plana na faixa espectral entre 300 e 3000 nm e uma excelente resposta no ângulo sólido de 180º (resposta de cosseno), contribuindo para redução das incertezas nas medições realizadas. Atualmente, o piranômetro de termopilha é o instrumento de menor incerteza disponível para medir a radiação solar, com desvios inferiores a 1% dependendo de sua classificação.

Piranômetro de fotodiodo

Este equipamento possui uma célula semicondutora (fotodiodo) como elemento sensor que converte diretamente a radiação solar em corrente elétrica, que é proporcional à irradiância solar incidente. Entretanto, estes equipamentos não possuem uma resposta espectral plana, ao contrário dos piranômetros de termopilha.

Essa não linearidade causa incertezas distintas para observações realizadas em condições de céu claro e céu totalmente nublado. Este equipamento também apresenta uma resposta de cosseno inferior, sendo mais sensível à ruídos do que os piranômetros de termopilha, já que o princípio de funcionamento do sensor (fotodiodo) é puramente elétrico, ou seja, livre de inércia térmica, como pode ser visto na Figura 2.

Figura 2 - Representação de um piranômetro de fotodiodo. Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar.

Estes dispositivos são classificados como equipamento de segunda classe por apresentar maiores incertezas que o modelo de termopilha. Por outro lado, apresentam maior robustez e menor custo, tornando-os mais atraentes em aplicações nas quais o grau de incerteza não sejam tão restritivos. Estes instrumentos podem ser usados em aplicações meteorológicas e agrometeorológicas e, até mesmo, em levantamentos do potencial solarimétrico de determinada região. São utilizados nas estações meteorológicas automáticas operada pelo INMET, por exemplo.

Pirheliômetro

Emprega o mesmo princípio de medição da radiação solar utilizado no piranômetro de termopilha. Entretanto, este instrumento é dotado de um colimador com abertura suficiente para possibilitar que apenas a componente direta da radiação solar (Gn) incida sobre o sensor e na Figura 3 vemos uma representação gráfica do instrumento.

Figura 3 - Representação de um pirheliômetro. Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar.

O colimador possui ângulo sólido de abertura de 5º por padrão internacional. O equipamento necessita estar conectado a um rastreador solar para sempre direcionado para o Sol. Em geral, o pirheliômetro apresenta curva de resposta plana para os comprimentos de onda entre 300 e 2800 nm, cobrindo toda a faixa de ondas curtas do espectro solar

Atlas brasileiro de energia solar / Enio Bueno Pereira; Fernando Ramos Martins; André Rodrigues Gonçalves; Rodrigo Santos Costa; Francisco J. Lopes de Lima; Ricardo Rüther; Samuel Luna de Abreu; Gerson Máximo Tiepolo; Silvia Vitorino Pereira; Jefferson Gonçalves de Souza. 2.ed. São José dos Campos: INPE, 2017

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