A radiação solar é a fonte de energia a ser adotada para geração de energia elétrica por meio de duas tecnologias já consolidadas no mercado: a geração fotovoltaica e a geração heliotérmica. A energia solar também tem aplicações na produção de calor para atender demandas da produção agropecuária, dos processos industriais e dos sistemas de aquecimento da água para residências.
A energia solar é resultado da fusão nuclear dos átomos de Hidrogênio, que representa cerca de 75% da composição do Sol. Essa fusão ocorre a uma taxa aproximadamente constante há bilhões de anos, com uma potência instantânea da ordem de 3,86 x 1026 W. Apenas parte da energia emitida pelo Sol atinge o topo da atmosfera de nosso planeta Terra. A quantidade de energia que chega ao topo da atmosfera terrestre tem sido medida desde o início da década de 1970 por diferentes técnicas e instrumentos e é conhecida como Constante Solar. A American Society for Testing and Materials (ASTM) estabeleceu como padrão para tal quantidade, mais reconhecido mundialmente, o valor de 1.366,1 ± 2,5 W/m², denominado ASTM E490-00a (ASTM, 2019).
Entre os diversos fatores que influenciam a quantidade e variabilidade da energia solar que incide na superfície da Terra, os mais importantes são o movimento de translação da Terra em torno do Sol, em uma órbita elíptica com a duração aproximada de 365 dias, 5 horas, 48 minutos e 48 segundos, e o movi-mento de rotação em torno de um eixo polar com inclinação de 23,45° em relação ao plano da órbita solar (eclíptica), que define o ciclo diário. Esses dois movimentos combinados definem os ciclos diário (dia/noite) e sazonal associados às estações do ano – verão, outono, inverno e primavera. A Figura 2.1 ilustra esses dois principais movimentos e suas efemérides principais.
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Figura 2.1 - Movimento da Terra em torno do Sol tendo como referência as datas das efemérides relevantes para o Hemisfério Sul.
Fonte: Martins e Pereira, 2019.
Os componentes atmosféricos (gases e particulados presentes na atmosfera) possuem papel importante na atenuação da radiação solar devido aos processos de interação como a absorção e o espalhamento da radiação solar. Esses processos radiativos na atmosfera também determinam a disponibilidade e a variabilidade da incidência de energia solar na superfície empregada na geração de eletricidade e outros fins.
Para compreender os ciclos diários e sazonais da radiação solar incidente na superfície, é necessário entender uma série de conceitos estabelecidos com base na posição relativa entre o Sol e a Terra. Os principais ângulos notáveis estão ilustrados na Figura 2.2 e são: ângulo zenital (θz), a altitude ou elevação (α), o ângulo Azimutal Solar (γs). A declinação solar (δ), ilustrada na Figura 2.3, é o ângulo entre uma linha imaginária que une os centros do Sol e da Terra e o plano equatorial terrestre.
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Figura 2.2 - Representação gráfica dos principais ângulos que definem a posição do Sol na abóbada celeste.
Fonte: Martins e Pereira, Energia solar: estimativa e previsão de potencial solar. Appris, 2019.
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Figura 2.3 - Ilustração do ângulo de declinação (δ), que varia de 23,45° norte até 23,45° sul.
Fonte: Martins e Pereira, 2019.
Um conceito muito importante é o de fotoperíodo, que corresponde ao intervalo de tempo do percurso do Sol no céu, do nascer ao pôr do Sol. Isso dá origem aos conceitos de crepúsculo (alvorada/ocaso) como o definido pela norma ABTN (NBR-5123), que estabelece normas para a iluminação pública.
A atmosfera terrestre atua sobre o espectro da radiação solar incidente através de fenômenos de espalhamento e absorção seletiva em determinados comprimentos de onda. O espalhamento ocorre quando uma fração do feixe de radiação proveniente do Sol é subtraída do fluxo na direção da incidência e é reirradiada em comprimentos de onda maiores em direções aleatórias. O processo de espalhamento depende da relação entre o tamanho do espalhador e o comprimento de onda da radiação espalhada. O espalhamento causado por gases atmosféricos é descrito como espalhamento Rayleigh, já o espalhamento causado pelas partículas em suspensão na atmosfera e gotículas presentes nas nuvens é descrito pela teoria do espalhamento Mie (Yamasoe e Corrêa, 2016).
A absorção seletiva de comprimentos de onda específicos da radiação solar ocorre devido a fenômenos quânticos de interação da radiação com a matéria. Os componentes atmosféricos que mais fortemente contribuem para a absorção da radiação solar incidente são o ozônio (O₃), na faixa de radiação ultravioleta, o vapor d’água e o gás carbônico (CO₂), nas faixas de radiação do visível e do infravermelho próximo. Como resultado dessas interações da radiação solar com a atmosfera, o espectro solar resultante que chega à superfície é fortemente alterado, conforme ilustra a Figura 2.4.
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Figura 2.4 - Espectro da radiação solar incidente no topo da atmosfera e na superfície terrestre ilustrando as bandas de absorção e a faixa da radiação visível.
A irradiância solar é definida como o fluxo instantâneo de energia radiante que incide sobre uma superfície por unidade de área, sendo expressa em W/m² (Watt por metro quadrado). Já a irradiação solar é obtida pela integração da irradiância solar ao longo de um intervalo de tempo. Sua unidade de medida no Sistema Internacional (SI) é expressa em J/m² (Joule por metro quadrado). No entanto, o setor de geração de energia tem adotado usualmente a unidade Wh/m² (Watt-hora por metro quadrado) para expressar a irradiação solar. Esta grandeza é muito utilizada em dimensionamentos de sistemas fotovoltaicos.
A irradiância solar é classificada nas componentes Global, Direta e Difusa, com base nos processos radiativos de espalhamento na atmosfera. A irradiância solar também pode ser determinada considerando a geometria e localização da superfície sobre a qual ocorre a incidência: Plano Inclinado, Plano Horizontal e Extraterrestre. Com base nessas classificações, são apresentadas a seguir as definições adotadas no Atlas Solarimétrico da Paraíba:
As componentes da irradiância solar podem ser vistas na Figura 2.5.
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Figura 2.5 - Componentes da radiação solar incidente sobre um coletor solar em um plano inclinado.
Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar - INPE, 2017.
Vários métodos baseados em diferentes processos físicos são utilizados nas medições da energia solar incidente na superfície, conforme ilustra a Tabela 2.1. Os sensores modernos, utilizados para aquisição de dados de radiação solar, avaliam o parâmetro físico medido por meio de um sinal elétrico e são denominados genericamente radiômetros. As normas ISO (International Organization for Standardization) e a WMO (World Meteorological Organization) estabelecem classificações e especificações para a medição de irradiância solar (ISO 1990; WMO 2008).
Tabela 2.1 - Principais processos físicos em que se baseiam registros de radiação solar.
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Os piranômetros são instrumentos mais modernos e geralmente mais utilizados nas medições da irradiância solar global (GHI). Esses equipamentos utilizam mais comumente dois tipos de sensores: o sensor termopilha (conjunto de termopares) ou o sensor fotodiodo.
Em geral, os equipamentos são divididos em três classes distintas:
Os piranômetros de termopilha possuem uma curva de resposta espectral praticamente plana entre 300 e 3000 nm (faixa espectral que compreende a radiação visível e parte da radiação ultravioleta e infravermelha), cobrindo todo o espectro de radiação solar de interesse, conforme visto na Figura 2.6. Atualmente, o piranômetro de termopilha constitui o sistema de maior acurácia (primeira classe) para medir a radiação solar, uma vez que a curva de resposta de sensores fotodiodos apresentam uma dependência espectral grande e cobrem parcialmente o espectro de radiação solar incidente na superfície terrestre.
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Figura 2.6 - Respostas espectrais relativas de uma célula solar Sc-Si e de um piranômetro termopilha.
Fonte: Neves, 2021.
A aquisição de dados de irradiância solar direta normal pode ser realizada de duas maneiras. A metodologia direta emprega um pireliômetro com elemento sensor de termopilha. O pireliômetro precisa estar acoplado a um sistema robotizado de seguimento do disco solar, conforme ilustra a Figura 2.7 (a), para manter o sensor sempre iluminado pela radiação solar ao longo do dia.
A metodologia indireta utiliza um par de piranômetros, sendo que um deles deve ser constantemente sombreado com emprego de um anel (ou esfera acompanhada por um rastreador solar) para medir a componente difusa (DHI) da irradiância solar, conforme ilustra a Figura 2.7 (b). A irradiância solar direta (Gdir) é obtida por simples subtração entre a radiação global (GHI) e a componente difusa da radiação solar (DHI) e posterior correção do ângulo zenital solar.
Figura 2.7 - Exemplos de processos de medição da radiação solar direta: (a) utilizando o pireliômetro (direta normal) e (b) utilizando o par de piranômetros, sendo um deles munido de um anel de sombreamento (o segundo piranômetro não aparece na imagem).
As medições da irradiância solar são realizadas no campo por estações solarimétricas com várias configurações. Contudo, para fins de obtenção de dados destinados a projetos de geração solar, as medidas das várias componentes da radiação solar incidente são sempre acompanhadas de medidas de variáveis meteorológicas tais como a temperatura ambiente e a velocidade do vento, com uma frequência de aquisição igual à adotada para as medidas de irradiância solar.
Basicamente, existem dois tipos principais de estação solarimétrica: aquelas destinadas a estudos, pesquisa, desenvolvimento e calibração de modelos computacionais de levantamento solarimétrico e as estações automáticas que atendem aos requisitos estabelecidos pela EPE (EPE-DEE-RE-065/2013) para cadastramento e habilitação técnica com vistas à participação nos leilões de energia. Conforme o regulamento da EPE, a estação solarimétrica deve possuir no mínimo os seguintes instrumentos:
Já as estações destinadas a estudos e desenvolvimento de modelos empregam, além dos piranômetros, para medição da componente global da radiação, pireliômetros acoplados a um rastreador solar, para obtenção da componente direta normal da radiação solar incidente, e vários outros instrumentos de medida, tais como câmeras imageadoras do céu, para estudos sobre a nebulosidade, espectrofotômetros para estudos do espectro da radiação solar, fotômetros solares, para estudos sobre a composição da atmosfera (aerossóis, vapor d’água), entre outros. A Figura 2.8 ilustra esses dois tipos de estações solarimétricas.
Figura 2.8 – Plataformas de coleta de dados solarimétricos: (a, b) plataformas destinadas a pesquisa, (c) plataforma que atende aos requisitos da EPE (2021).
As incertezas das medições dos radiômetros resultam da qualidade das instalações, dos equipamentos, do local da instalação e das incertezas oriundas da operação destes no campo. A Tabela 2.2 apresenta, de forma qualitativa, a relevância relativa das várias etapas de instalação, operação e manutenção de uma estação solarimétrica. Para fins de levantamento de recursos de energia solar para geração de energia elétrica, instrumentos de “primeira classe” ou “padrões secundários” devem ser utilizados apenas se o projeto tiver recursos financeiros suficientes e de longo prazo para apoiar a operação e manutenção, necessárias para garantir a qualidade das medidas.
Tabela 2.2 - Relevância relativa, de forma qualitativa, das várias etapas de instalação, operação e manutenção de uma estação solarimétrica.
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Duas tecnologias são utilizadas para conversão da energia solar em eletricidade: a conversão fotovoltaica (ou geração fotovoltaica) e a conversão térmica (ou geração heliotérmica). A primeira baseia-se no princípio físico conhecido como efeito fotovoltaico que é a produção de uma corrente elétrica em um material semicondutor exposto à radiação eletromagnética, como as células de silício presentes nos módulos fotovoltaicos.
A conversão depende do material semicondutor empregado, caracterizado pela energia de criação dos pares de elétrons livres e lacunas (energia de banda proibida). Assim, a escolha da tecnologia para a produção dos módulos fotovoltaicos (silício mono ou poli cristalino, filmes finos, ou semicondutores orgânicos) está associa-da à resposta espectral e, também, ao espectro solar incidente. A Figura 2.9 ilustra o efeito fotovoltaico em uma célula semicondutora que compõe um painel fotovoltaico. A eficiência de conversão da radiação solar em eletricidade das tecnologias disponíveis no mercado estão na ordem de 18 a 24%.
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Figura 2.9 - Ilustração do efeito fotovoltaico sobre uma célula fotovoltaica.
Fonte: Neves, 2021.
A geração fotovoltaica emprega a irradiação solar global incidente, ou seja, as componentes direta e difusa da radiação solar, inclusive a que provém do albedo da superfície, portanto, ocorre mesmo em dias com nebulosidade, embora com menor produtividade.
A geração fotovoltaica também sofre a influência da temperatura de operação da célula semicondutora. O aumento da temperatura causa a redução da eficiência de conversão fotovoltaica. Daí a importância dos dados de temperatura do local da instalação pretendida, uma vez que esta tem influência na temperatura de operação do módulo fotovoltaico.
A geração termossolar ou heliotérmica (CSP – Concentrated Solar Power) utiliza espelhos (heliostatos) que refletem a luz do Sol de modo a concentrar a incidência solar para conversão térmica. O calor aquece um fluido de trabalho que irá movimentar turbinas, acionando o gerador de eletricidade. Existem várias tipologias de geração termossolar, empregando espelhos parabólicos lineares, ou sistemas de vários espelhos planos em uma disposição própria para gerar calor em um único ponto. A Figura 2.10 ilustra as principais tipologias de geração termossolar mais empregadas. A geração termossolar utiliza apenas a componente direta da irradiação solar incidente e, portanto, só pode ser aplicada em regiões com baixa nebulosidade e alta incidência de radiação solar como, por exemplo, em regiões áridas. Contudo, tem a vantagem de poder gerar energia elétrica mesmo após o pôr do Sol, desde que disponha de sistemas de armazenamento do calor gerado durante o dia.
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Figura 2.10 - Sistemas de geração heliotérmica: (a) por tecnologia de lente Fresnel, (b) empregando sitema de torre, (c) empregando disco parabólico, (d) empregando cilindro parabólico.
