A radiação solar é geralmente mensurada pela radiação global, sendo que suas outras duas componentes (direta e difusa) podem ser também de suma importância, dependendo da aplicação. A medição de radiação solar na superfície terrestre contribui nos estudos das condições climáticas, atmosféricas e em aplicações comerciais como o desenvolvimento de projetos de captação e conversão de energia solar.
A partir do histórico de dados de radiação solar em uma determinada região, é possível realizar simulações de previsões de geração de energia elétrica por meio de sistemas fotovoltaicos ao longo de anos e viabilizar a sua implementação no local projetado.
Com isso, é primordial o conhecimento deste recurso solar para o desenvolvimento do projeto de sistema de aproveitamento da energia solar. Com a obtenção dos dados de medição, é possível:
Identificar e selecionar a localização mais adequada para instalar o sistema fotovoltaico;
Dimensionar o conjunto de módulos e strings fotovoltaicos;
Calcular a produção de energia elétrica ao longo de dias, meses e anos;
Estabelecer estratégias operacionais e dimensionar sistemas off-grids ou relacionados a armazenamento de energia em baterias.
A medição dos dados solares tem como o objetivo de obter o valor instantâneo do fluxo energético solar (irradiância) ou integrado (irradiação) ao longo do tempo (de minutos até mesmo anos) de forma experimental. Para os estudos em áreas que envolvem a energia proveniente do sol, é importante o conhecimento dos valores da irradiância ou irradiação global e das suas componentes direta e difusa incidentes na superfície terrestre.
No mercado, existem dois tipos de instrumentos que mensuram a irradiação solar, sendo o piranômetro e o pireliômetro. O primeiro mede a irradiação global, e pode ser usado para a medição de irradiação difusa, onde será melhor explicado mais adiante. Já o pireliômetro é utilizado para a medição da componente direta da irradiação solar.
Em relação ao piranômetro, existem dois tipos principais: o piranômetro termoelétrico e o piranômetro fotovoltaico.
O piranômetro termoelétrico comercial da Kipp & Zonen (exemplo) pode ser encontrado na Figura 1. Esse piranômetro é utilizado para a medição de irradiância solar global (a soma dos componentes de irradiância direta e difusa), sendo normalmente posicionado no plano horizontal, mas também é possível posicioná-lo no plano inclinado, cuja aplicação pode ser para acompanhar a radiação incidente em um módulo com a sua mesma inclinação, conforme a Figura 2.
Figura 1. Piranômetro Termoelétrico no plano horizontal [2].
Figura 2. Piranômetro termoelétrico no plano inclinado, com a mesma inclinação dos módulos em strings [3].
Na Figura 3 e 4 é possível observar os detalhes de fabricação do sensor térmico da marca Kipp&Zonen (C21), tendo como as principais partes: sensor térmico (com a superfície receptora pintada de preto), redomas de vidro que cobrem concentricamente a superfície receptora e o corpo que é protegido do Sol por uma capa branca, sendo este corpo usado como uma referência térmica. A termopilha é construída com múltiplos termopares em série, com a junção quente enegrecida faceando o Sol e a junção fria na parte inferior, ocasionando uma diferença de temperatura através da resistência térmica do sensor, sendo convertida em uma tensão de sinal.
Figura 3. Detalhes internos de fabricação de um piranômetro termoelétrico [2].
Figura 4. Disco preto e disco branco do piranômetro termoelétrico [2].
Um piranômetro de menor custo que o térmico presente no mercado é o fotovoltaico (FV), fabricado com silício, é encontrado na Figura 5. Esse tipo de piranômetro é composto por uma célula fotovoltaica de pequenas dimensões e mesmo com a vantagem de baixo custo em relação ao piranômetro termoelétrico, possui uma desvantagem com relação ao fornecimento de medidas com menor precisão. A principal origem da imprecisão é a sua resposta espectral, sendo limitada dentro de uma faixa de 400 a 1100 nm para os que adotam células de c-Si, contendo incertezas de até 5% em relação às leituras do piranômetro térmico. É importante salientar que a resposta espectral solar total encontra-se na faixa de 200 nm à 3200 nm. Contudo, outra vantagem a ser levada em consideração desse piranômetro é o seu tempo de resposta ser considerado praticamente instantâneo e linear com a irradiância, tornando a sua corrente de saída proporcional à irradiância solar.
Figura 5. Piranômetro Fotovoltaico [4].
A resposta desses piranômetros com relação ao ângulo de incidência da radiação solar é chamada de resposta do cosseno ou resposta à inclinação. Conforme observado na Figura 5, a sua cabeça em miniatura é denominada de difusor, possuindo uma extrema importância a sua fabricação para que essa resposta seja a mais próxima do ideal, sendo o cosseno igual a um.
A célula fotovoltaica (o sensor de silício) está localizada abaixo do difusor com o cosseno corrigido. A sua corrente de saída é calibrada conforme um piranômetro termoelétrico sob condições naturais de luz solar.
Os instrumentos de medição de radiação solar global, direta e difusa são classificados conforme sua precisão. Para a ISO 9060:2018 (ou a anteriormente ISO 9060:1990), os instrumentos possuem três classificações: Classe A (padrão secundário), Classe B (primeira classe) e Classe C (segunda classe), sendo a Classe A considerada de nível mais alta. Um exemplo de piranômetro termoelétrico de Classe A é a da Kipp&Zonen CMP-22.
Conforme a WMO (World Meteorological Organization), os instrumentos podem ser classificados em três tipos de qualidades, conforme a Tabela 1.
Tabela 1. Erros Máximos Admitidos.
O piranômetro fotovoltaico é considerado como de qualidade razoável, enquanto um piranômetro termoelétrico utilizado normalmente em medições no campo possui uma classificação de boa qualidade.
A manutenção da qualidade das medidas requer a calibração in-situ dos sensores piranométricos com o intervalo de tempo de no máximo 18 meses. As calibrações de piranômetros devem ser realizadas com base nas instruções presentes na ISO 9847:1992, a qual normatiza os procedimentos de calibração de um piranômetro em campo por comparação in-situ com um piranômetro de referência (Classe A).
Além dos piranômetros usados como referência para a medição de irradiância solar e calibração de outros piranômetros de classe ou qualidade mais baixa, é possível a utilização de células fotovoltaicas de referência do tipo silício monocristalino, tendo a funcionalidade de ser mais uma garantia de que o piranômetro está medindo conforme o desejado. Um exemplo de célula fotovoltaica de referência pode ser encontrado na Figura 6.
Figura 6. Célula Fotovoltaica de Silício Monocristalina de referência [6].
Dica de Leitura: Na página 21 da dissertação de Freire, existem as definições atribuídas em norma para classificação e especificação de pirômetros.
Considerações
Existem muitos tipos de piranômetros, e a classe atribuída ao mesmo eleva muito o seu preço, recomendando sempre verificar qual a melhor classe para sua aplicação. Muitas vezes, os fabricantes utilizam os mesmos sensores mudando pequenas características no dispositivo (o difusor, por exemplo) que altera o nível da classe, mas sendo ambos de qualidade e com boas respostas.
Referências
[1] CRESESB – Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos
[2] FREIRE, L. A. D. Desenvolvimento de um piranômetro fotovoltaico. Centro de Tecnologia e Geociências, Universidade Federal de Pernambuco, dissertação de mestrado, Recife, 2008. https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/9779/1/arquivo8645_1.pdf
[5] Kipp&Zonen. https://www.kippzonen.com/ProductGroup/1/Solar-Instruments
Mestrando em Engenharia Elétrica na área de Energia Elétrica (UNICAMP), Engenheiro Eletricista (UFERSA), Bacharel em Ciências e Tecnologia (UFERSA) e Técnico em Eletrônica (IMD - UFRN). Tenho experiência na área de energia solar fotovoltaica, elaboração de projetos de Iluminação Pública e elaboração de projetos elétricos residenciais de baixa tensão. Fui trainee, gerente de vendas e de qualidade e vice-presidente da Sinergy Jr. Consultoria e Projetos. Fui membro do ramo estudantil do IEEE UFERSA e bolsista voluntario (PIVIC/UFERSA) na iniciação científica com o foco em Análise, Modelagem e Controle de Conversores de Potência. Participou do programa Seeds For The Future da empresa chinesa de tecnologia, a Huawei. Fundador do Grupo de Pesquisa em Energia Solar da UFERSA. Membro do IEEE, membro do Laboratório de Energia e Sistemas Fotvoltaicos (LESF), monitor do Curso Solar da UNICAMP. Áreas de interesse de estudo, pesquisa e atuação profissional: Energia Solar Fotovoltaica, Eletrônica de Potência, Inteligência Artificial, Programação e Eletrônica Industrial.