VALIDAO DE UMA METODOLOGIA PARA DETERMINAO DA IRRADINCIA ESPECTRAL SOLAR UTILIZANDO

UM RADIMETRO ESPECTRAL

Haag R., Krenzinger A.

Laboratrio de Energia Solar, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Av. Bento Gonalves, 9500, CEP 91509-900, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil,

(51) 3308-6841, rafael.haag@ufrgs.br, arno.krenzinger@ufrgs.br

RESUMO Este trabalho apresenta os resultados obtidos para a determinao da irradincia espectral solar atravs de um radimetro espectral construdo no Laboratrio de Energia Solar da UFRGS que utiliza diodos emissores de luz (LEDs) como sensores seletivos. Foram utilizados trs canais seletivos do radimetro (525, 820 e 920 nm) para a determinao da espessura ptica de aerossis e quantidade de gua precipitvel. Estes parmetros atmosfricos so aplicados a um programa computacional baseado no modelo espectral de radiao solar SMARTS2. Como resultado se obtm a distribuio espectral completa da radiao solar global para dias de cu sem nuvens. Os valores da irradincia espectral solar global prevista pela metodologia empregada foram confrontados com os medidos por um espectrorradimetro comercial demonstrando muito boa concordncia.

PALAVRAS CHAVE: Radiao Solar Espectral, Radimetro Espectral

ABSTRACT This work presents the results of a methodology for achieving the spectral solar irradiance using a spectral radiometer that was built in the Solar Energy Laboratory of UFRGS. The radiometer utilizes light-emitting diodes (LEDs) as spectrally selective sensors. It was employed three selective channels of the radiometers (525, 820 and 920 nm) for determination of the aerosol optical thickness and precipitable water column. These atmospheric parameters are used as input data for a computer program based on the SMARTS2 solar irradiance model. These results were obtained for the complete global solar irradiance in a cloudless sky. The comparison of the results with those obtained from a commercial spectroradiometer clearly indicates the good accuracy of the methodology.

KEYWORDS: Spectral Solar Radiation, Spectral Radiometer

INTRODUO O conhecimento sobre distribuio espectral da energia proveniente do Sol que atinge a superfcie terrestre importante em inmeras aplicaes. O foco deste trabalho est no emprego de um radimetro espectral que adota LEDs (diodos emissores de luz) como sensores seletivos para determinao de alguns parmetros atmosfricos, dentre eles a quantidade de gua precipitvel e espessura ptica de aerossis. Estes parmetros so utilizados para a caracterizao da irradincia solar atravs de um programa computacional baseado no modelo SMARTS2 que modela os complexos processos de absoro e espalhamento da radiao solar que atinge a atmosfera terrestre.

RADIMETRO ESPECTRAL COM ANEL DE SOMBRA ROTATIVO Os radimetros espectrais, instrumentos que geralmente possuem apenas uns poucos canais seletivos, apesar de no fornecerem diretamente informao sobre a distribuio espectral, possuem uma maior estabilidade ptica e um custo reduzido em relao aos espectrorradimetros. Realizando a medida da transmitncia atmosfrica em comprimentos de ondas convenientes, um radimetro espectral pode ser usado para a obteno de parmetros atmosfricos que determinam a irradincia espectral solar na superfcie terrestre. A Fig. 1 apresenta o radimetro espectral desenvolvido no Laboratrio de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e mostra a placa onde esto instalados os sensores seletivos. Estes sensores esto localizados logo abaixo do difusor, dentro do bloco ptico.

Fig.1. Fotografia do Radimetro Espectral Desenvolvido no Laboratrio de Energia Solar

da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A parte inferior do bloco ptico possui um orifcio por onde passa o cabo blindado que conecta os sensores at a etapa de aquisio de dados. Esta unidade composta por um multmetro da marca AGILENT, modelo 34970A com uma placa de entrada multiplexadora. Este radimetro espectral diferencia-se dos demais pelo fato de adotar LEDs (diodo emissor de luz) como sensores espectrais seletivos. Estes componentes so uma excelente

alternativa ao uso de fotodiodos de silcio acoplados a filtros de interferncia. LEDs podem ser adquiridos com facilidade e baixo custo para vrios segmentos do espectro visvel, infravermelho e ultravioleta, alm disto, possuem propriedades pticas e eletrnicas extremamente estveis. O radimetro espectral desenvolvido possui cinco canais seletivos com respostas mximas em 375, 525, 625, 820 e 920 nm e largura da banda entre 10 e 50 nm. Uma descrio mais detalhada do instrumento encontrada em Haag (2007).

VARIVEIS DE ENTRADA E PARMETROS DO MODELO

A caracterizao do espectro solar atravs de modelos paramtricos simples envolve a aplicao de determinados parmetros atmosfricos como coluna total de oznio, quantidade de gua precipitvel, espessura de aerossis, entre outras. A qualidade dos resultados fornecidos por estes modelos possui uma ntima relao com a preciso da obteno destes parmetros bsicos que modelam os processos de extino da radiao solar. Foram empregados os dados obtidos pelo sensor MODIS (http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov) a bordo dos satlites TERRA e AQUA para a determinao da quantidade de oznio. A metodologia para obteno da espessura ptica de aerossis e quantidade de gua precipitvel descrita de forma detalhada em Haag (2007). A seguir apresentado um resumo do mtodo empregado. Mtodo para determinao da espessura ptica de aerossis Assumindo uma resposta linear dos sensores em funo da radiao incidente, a espessura ptica total obtida utilizando a equao de Beer-Lambert-Bouguer: meVV

= 0 (1) onde V a tenso obtida pelo radimetro e V0 a tenso obtida para uma massa ptica de ar igual a zero (no topo da atmosfera) e corrigida para a distncia Terra-Sol, m representa a massa ptica de ar . Isolando o termo que representa a espessura ptica total, obtm-se:

=

VV

m0ln1 (2)

A espessura ptica de aerossis calculada tomando como base o valor de e isolando a contribuio devido disperso de Rayleigh (R) e as absores devido ao oznio (O), dixido de nitrognio (n), mistura uniforme de gases (g) e vapor de gua (w) como mostra a Eq. (3): wgnORa = (3) O modelo parametrizado adotado utiliza como dado de entrada, para caracterizar os processos de absoro e espalhamento devido aos aerossis, o valor da espessura ptica deste constituinte no comprimento de onda de 525 nm.

Mtodo para determinao da quantidade de gua precipitvel Mims (2002), comparou os valor medidos para w por um radimetro utilizando LEDs e um radimetro de referncia da marca CIMEL durante vrios dias no ms de junho de 2001 no alto de uma montanha (Observatrio de Mauna Loa) no Hawaii. Durante este perodo de calibrao os valores de gua precipitvel oscilaram entre 0,70 e 2,73 cm. Os dados obtidos por Mims (2002) resultaram em uma expresso semi-emprica com ndice de correlao (r2) de 0,97 e dada por:

mVVba

w nmnm

+= 820

920

(4)

onde a e b so variveis que so dependentes das caractersticas do radimetro e V920nm, V820nm representam as tenses obtidas pelos sensores em 920 e 820 nm respectivamente. Sendo que os LEDs na regio do infravermelho utilizados no radimetro desenvolvido so os mesmos empregados por Mims (2002), buscou-se os valores de a e b atravs de simulaes utilizando o modelo SMARTS2. Foram realizadas simulaes para obter a resposta destes sensores para um grande nmero de combinaes de massas pticas de ar e valores de gua precipitvel. Posteriormente os valores determinados para a=1,1 e b=0,73 foram validados comparando-os com os valores de gua precipitvel fornecidos pelos satlites TERRA e AQUA, atravs do sensor MODIS.

ANLISE DOS ESPECTROS OBTIDOS

A validao dos espectros obtidos foi efetuada atravs de duas metodologias. A primeira foi realizada atravs da comparao direta com um espectrorradimetro previamente calibrado. Outra forma empregada para a anlise dos resultados obtidos consiste em confrontar os valores previstos pela metodologia proposta para a irradincia global-horizontal, atravs da integrao dos valores espectrais entre 280-4000 nm, com os fornecidos por um piranmentro (Eppley modelo PSP). Foram selecionadas datas que apresentaram uma atmosfera totalmente isenta de nuvens durante a coleta dos dados. O erro quadrtico mdio (RMSE) e o erro mdio (MBE) foram utilizados para estimar a confiabilidade dos resultados obtidos pelo modelo espectral. Eles so definidos como:

2

1

1

2)(1

= =

n

iii XYn

RMSE =

=n

i i

ii

XXY

nMBE

1

)(1 (5)

onde n o nmero de dados e Yi, Xi so os isimos valores estimados e medidos respectivamente. A estimativa do desvio porcentual, |%|, entre a radiao global-horizontal estimada Ge e a medida Gm, so calculados pela seguinte equao:

%100.%m

em

GGG = (6)

Resultados obtidos A Tabela 1 apresenta os valores das principais variveis de entrada do modelo e os valores para a irradincia global-horizontal medida Gm e estimada Ge pela metodologia proposta, juntamente com o desvio porcentual. Tabela 1. Variveis Obtidas Pelo Radimetro e Valores Medidos e Estimados Pelo Modelo

e o Desvio Porcentual Para a Irradincia Global-Horizontal. Data Hora W

(cm) O3

(UD) AOT

500nmGm

(W/m2) Ge

(W/m2) |%|

4/07/2006 08h05m 0,64 310 0,22 222 252 13,5 4/07/2006 09h05m 1,05 310 0,25 436 444 1,8 4/07/2006 10h05m 0,78 310 0,3 640 611 4,5 14/11/2006 13h18m 2 300 0,3 933 955 2,3 14/11/2006 14h23m 1,78 300 0,385 732 813 9,9 19/04/2007 13h30m 1,55 290 0,23 667 693 3,9 19/04/2007 15h30m 1,04 290 0,258 398 438 10,0 20/04/2007 12h39m 1,59 290 0,22 702 732 4,2 20/04/2007 13h39m 1,49 290 0,25 636 678 6,6 20/04/2007 14h38m 1,29 290 0,26 519 567 9,2 20/04/2007 15h35m 1,01 290 0,31 364 396 8,8

A Fig. 2 apresenta a distribuio espectral da irradincia solar global-horizontal medida no dia 7 de maio de 2008 na cidade de Porto Alegre, 30S 51W atravs do espectrorradimetro Apogge - EPP2000 e a irradincia espectral prevista pela metodologia desenvolvida.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Comprimento de onda (nm)

Irra

din

cia

glob

al (W

/m2 n

m)

EPP2000Modelo

Global-horizontal, 11h24m LT

Fig.2. Distribuio Espectral da Irradincia Solar Global-Horizontal entre 340-930 nm Estimada pela Metodologa Utilizada e a Medida pelo Espectrorradimetro EPP2000.

CONCLUSES

Os valores estimados para a irradincia global-horizontal durante os dias de validao do modelo terico esto de acordo com os obtidos experimentalmente. O desvio mdio total prximo de 6,8% e o erro mdio quadrtico foi de 30 W/m2. Os resultados obtidos para a caracterizao do espectro solar atravs do radimetro espectral construdo e da metodologia proposta neste trabalho possuem uma elevada concordncia com os fornecidos atravs de um espectrorradimetro, apesar da extrema complexidade envolvida no processo de reconstruo do espectro solar na superfcie terrestre tendo como principais dados de entrada apenas a resposta fornecida por trs sensores seletivos.

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Ncleo Tecnolgico de Energia Solar da PUC-RS a disponibilidade do espectrorradimetro SPECTRO-320 durante a fase de calibrao. Este trabalho foi realizado com apoio financiero do CNPQ Conselho de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico do Brasil.

REFERNCIAS Gueymard, C. A. (2003a). Direct Solar Transmittance and Irradiance Predictions With Broadband Models. Part I: Detailed Theoretical Performance Assessment. Solar Energy, 74, 355-379. Gueymard, C. A. (2003b). Direct Solar Transmittance and Irradiance Predictions With Broadband Models. Part II: Validation With High-Quality Measurements. Solar Energy, 74, 381-395. Mims, F. M., III (2002). An Inexpensive and Stable LED Sun Photometer for Measuring the Water Vapor Column Over South Texas From 1990 to 2001. Geophysical Research Letters, 29, 20-24. Haag, R, (2007). Desenvolvimento de um radimetro espectral e metodologia para a caracterizao do espectro solar. Dissertao de Mestrado em Engenharia - Escola de Engenharia, UFRGS, Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica - PROMEC, Porto Alegre.