A ENERGIA SOLAR
Apresentamos a seguir informação sobre a energia solar.
Conhecimento Básico
O Sol é a fonte de energia, luz e calor para vida na Terra. A energia do Sol é propagada até a Terra, e outros planetas do Sistema Solar, através de ondas eletromagnéticas. O Sol nos envia esta energia como radiação solar que abrange uma ampla gama de comprimentos de onda e intensidades.
Radiação solar abrange a radiação visível e visível próximo (ultravioleta e infravermelho próximo) emitida do Sol. Radiação terrestre é o termo usado para descrever radiação infravermelha emitida da atmosfera terrestre. As diferentes regiões dessas radiações são descritas pelas suas faixas de comprimento de onda dentro da ampla faixa de 0,20 a 100,00 μm.
Os componentes da radiação solar e terrestre e suas faixas aproximadas de comprimento de onda são:
- Ultravioleta: 0,20 - 0,39 μm
- Visível: 0,39 - 0,78 μm
- Infravermelho próximo: 0,78 - 4,00 μm
- Infravermelho: 4,00 - 100,00 μm
Na figura abaixo é apresentado o espectro eletromagnético da radiação solar e terrestre.
Aqui o interesse principal é na radiação solar, ou onda curta. Aproximadamente 99% da radiação solar que chega na superfície terrestre está contida na região de 300 a 3.000 nm (0,3 a 3,0 μm) do espectro solar.
O espectro solar consiste das radiações Ultravioleta (UV), Visível (VIS) e Infravermelho (IR), sendo dividido da seguinte forma:
- Ultravioleta (UV): 3 a 5%
- Visível (VIS): 42 a 43%
- Infravermelho (IR): 52 a 55%
A intensidade máxima de radiação do espectro solar ocorre a aproximadamente 500 nm (0,5 μm), quase na parte final do azul da faixa visível. Na próxima imagem é mostrado o espectro solar com a distribuição espectral da irradiância solar.
A potência radiante total do Sol é quase constante. A produção solar (emitância radiante) é chamada de Irradiância Solar Total (TSI: Total Solar Irradiance). A TSI era conhecida como a Constante Solar (SC: Solar Constant) até que foram descobertas pequenas variações temporais. A Constante Solar é agora definida como a média de longo prazo da TSI.
TSI é monitorada no topo da atmosfera (TOA: Top of Atmosphere) terrestre usando uma variedade de instrumentos espaciais desde 1978. Mudanças pequenas, mas mensuráveis, na produção solar e na TSI estão relacionadas à atividade magnética do Sol. Há ciclos de aproximadamente 11 anos em atividade solar, que são acompanhados por um número variável de manchas solares (áreas frias e escuras do Sol) e fáculas (pontos quentes e brilhantes do Sol). A TSI aumenta durante os períodos de alta atividade porque as numerosas fáculas mais do que contrabalançam o efeito das manchas solares. O gráfico mostrado a seguir ilustra a variação da TSI de 1976 a 2017. Os ciclos solares são indicados pelos círculos cinza, começando no ciclo 21. Os valores da TSI entre 1976 e 1978 foram estimados de diferentes fontes para esta série temporal começar no início do ciclo solar 21.
Do ponto de vista da engenharia, essas variações da TSI são relativamente pequenas (±0,2%), então o conceito de Constante Solar ainda é útil e perfeitamente apropriado em aplicações solares. Os valores históricos da Constante Solar tem variado ao longo dos anos. No início do século 21, o valor da Constante Solar era 1.366,1 ± 7 W/m². De acordo a Gueymard (2018), observações de satélite mais recentes usando sensores avançados e melhores métodos de calibração, no entanto, mostraram que a Constante Solar é um pouco mais baixa, sendo aproximadamente 1.361,1 W/m².
A geometria Sol-Terra é outro fator que afeta a variação da incidência de irradiância solar na superfície terrestre. A órbita elíptica da Terra (com excentricidade de 0,0167) a leva para mais perto do Sol em janeiro e mais longe do Sol em julho. A irradiância solar disponível no topo da atmosfera (TOA) é chamada de radiação extraterrestre (ETR), que é a potência por unidade de área, ou densidade de fluxo, em Watts por metro quadrado (W/m²), irradiada do Sol e disponível no TOA. A ETR varia com a distância Sol-Terra (r) e a distância média anual (ro), de acordo a equação ETR = TSI (ro/r)².
A variação da distância Sol-Terra e a inclinação de ± 23,45° do eixo de rotação da Terra em relação ao plano da sua órbita causa uma variação na disponibilidade de irradiância solar na superfície terrestre resultando nas diferentes estações do ano. A figura a seguir mostra a órbita da Terra em torno do Sol com o eixo N-S inclinado a 23,45° e as estações do ano no hemisfério sul.
Na superfície da Terra, em um dia sem nuvens e ao meio dia, a irradiância solar será de aproximadamente 1.000 W/m² para muitos locais. Enquanto que a disponibilidade da energia solar é afetada pela localização (incluindo latitude e elevação), estação do ano e hora do dia, outros fatores afetando a disponibilidade de energia solar incidente na superfície terrestre são cobertura de nuvem e outras condições meteorológicas locais.
Conforme o balanço energético da Terra ilustrado na figura abaixo, 100% da irradiância solar incidente no topo da atmosfera terrestre é atenuada até atingir a superfície da Terra da seguinte forma:
- Refletida por Nuvens: 20%
- Refletida pela Atmosfera: 6%
- Absorvida pela Atmosfera: 16%
- Absorvida por Nuvens: 3%
Aquela porção da irradiância solar que alcança a superfície terrestre (55%) é por sua vez:
- Refletida pela Superfície Terrestre: 4%
- Absorvida pelo Solo e Oceanos: 51%
O mapa mundial da distribuição espacial da energia solar potencial desenvolvido pela NASA (mostrado a seguir) destaca a ampla variação espacial do recurso solar a nível global. Esta variação ocorre devido aos fatores mencionados acima, dentre vários outros.
Como os principais fatores afetando a disponibilidade de energia solar na superfície terrestre são cobertura de nuvem e outras condições meteorológicas, é apresentado abaixo um gráfico com resultados de medições de irradiância solar que ilustra o efeito da atenuação da irradiância solar incidente devido a diferentes condições atmosféricas, principalmente diferentes coberturas de nuvem.
Por outro lado, nuvens também podem contribuir para um acréscimo da irradiância solar global incidente na superfície terrestre, que é devido ao efeito conhecido como borda de nuvem. Este efeito ocorre quando nuvens esparsas, especilmente Cumulus, se posicionam em relação ao Sol e refletem a irradiâcia solar direta contribuindo com um aumento da irradiância solar difusa, e desta forma intensificando o valor da irradiância solar global. A imagem abaixo mostra condições do céu quando é possível ocorrer o efeito borda de nuvem.
Irradiância solar de 1.832 W/m² foi detectada nos Andes do Ecuador a 3.400 m de altitude devido ao efeito borda de nuvem. No Brasil, o efeito borda de nuvem já contribuiu para os seguintes valores de irradiância solar global:
- 1.845 W/m² em Caucaia, CE
- 1.823 W/m² em Itiquira, MT
- 1.739 W/m² em Luís Correia, PI
- 1.735 W/m² em Caetité, BA
- 1.731 W/m² em Aratiba, RS
- 1.651 W/m² em Cachoeira Dourada, MG
- 1.650 W/m² em Água Branca, AL
- 1.649 W/m² em Cabo Frio, RJ
- 1.648 W/m² em Maceió, AL
- 1.643 W/m² em Brotas de Macaúbas, BA
- 1.590 W/m² em São Paulo, SP
- 1.477 W/m² em Recife, PE
- 1.465 W/m² em Pesqueira, PE
- ~1.400 W/m² em Rondônia
Os valores de irradiância solar global citados acima são bem maiores que 1.361,1 W/m² da Constante Solar. O gráfico apresentado a seguir ilustra o efeito borda de nuvem.
Devido aos diferentes fatores que afetam a variabilidade temporal e espacial da disponibilidade do recurso solar na superfície terrestre, é recomendado ter a melhor possível determinação da quantidade de irradiância solar incidente em um local para o seu uso apropriado em sistemas de geração de energia, arquitetura, engenharia e agricultura, dentre outros.
