Espectro Solar

Energia Solar

O capítulo anterior mostrou que o sol transmite sua energia para o espaço através de ondas eletromagnéticas de amplo espectro de frequências, denominado espectro solar.

A distribuição da energia pelas diferentes frequências apresenta um ponto máximo em determinada frequência, que depende da temperatura do sol.

A Figura 1 apresenta a Irradiância Espectral Solar medida acima da atmosfera da terra, a Irradiância Espectral de um corpo negro a 5 250 °C, e a Irradiância Espectral ao nível do mar.

Figura 1. Espectro da Radiação Solar

A análise dessa figura mostra que a irradiância espectral medida acima da atmosfera se aproxima da emissão de um corpo negro ideal a 5 250 °C.

As discrepâncias entre este valor e o calculado anteriormente ocorrem em função da presença de determinados elementos químicos no sol que absorvem energia em frequências específicas.

A atmosfera atenua ainda mais a energia ao nível do mar devido à energia refletida e aos gases que compõe a atmosfera.

Esta atenuação depende da massa de ar existente entre o topo da atmosfera e o ponto em questão.

Conforme mostrado na Figura 1, a atmosfera terrestre atenua a luz solar em aproximadamente 30% em decorrência da:

      • Dispersão de Rayleigh, fenômeno onde moléculas refletem e/ou absorvem radiação eletromagnética de pequenos comprimentos de onda;
      • Dispersão por aerossóis e poeira;
      • Absorção pelos gases da atmosfera; oxigênio, ozônio, vapor d’água, e dióxido de carbono.

Por isso, denomina-se a irradiância espectral acima da atmosfera de irradiância espectral massa de ar 0 AM01, conforme mostra a Figura 2.

Figura 2. Massa de Ar

Como a composição da atmosfera permanece constante2, define-se a Massa de Ar como sendo proporcional à distância percorrida pela luz entre a parte superior da atmosfera e a superfície da seguinte maneira:

Equação 1. Massa de ar

Esta expressão supõe a atmosfera homogênea e não refrativa, hipótese incorreta.  Segundo Iqbal3, a Equação 2 fornece valores mais precisos com erro inferior a 0,1% para ângulos até 86 graus.

Equação 2. Massa de ar considerando refração

As Equações 1 e 2 mostram que a atenuação da irradiância solar na superfície da terra depende da Latitude, do dia, do mês, e da hora. Considera-se este valor de AM0 praticamente constante e igual a 1,366 kW/m2. Este valor, denominado de Constante Solar, corresponde à área da curva amarela da Figura 1.

Na prática, pode-se estimar o valor de AM de acordo com a Figura 3 e a Equação 3.  

Figura 3. Método de Medição do ângulo Ψ
Equação 3. ângulo de inclinação do sol.

No caso de Ψ = 0, denomina-se AM1 porque o cosseno de 0 vale 1. Analogamente, AM2 ocorre quando Ψ vale 60° porque cosseno deste ângulo vale 1/2. Finalmente, AM1,5, que equivale ao ângulo de 48,2° se tornou padrão internacional.

Contudo, deve-se fazer as devidas correções considerando as características dos projetos específicos. Por exemplo, a curva vermelha da Figura 1 corresponde a AM1,5.

Na prática, a radiação solar se divide em direta e difusa sendo que cada uma possui frequências próprias.

Índice

Radiação Direta e Difusa

A radiação direta consiste na energia recebida diretamente do disco solar e a radiação difusa corresponde à energia recebida do restante do céu. Denomina-se de radiação global a soma dessas duas radiações.  O espectro dessas radiações apresenta diferenças porque originam-se a partir de temperaturas diferentes.

Balanço Energético da Terra

Obedecendo a lei da conservação de energia, a energia emitida pela terra deve se igualar à energia recebida do sol para manter a temperatura na superfície estável. Se este balanço energético for rompido, a temperatura da terra aumentará ou diminuirá. A Figura 8 apresenta este balanço simplificado considerando um albedo de 30%.

Figura 4. Balanço Energético da terra. Fonte: WENHAM

Porém, a presença da atmosfera produz novos efeitos, conforme mostra a Figura 5. A atmosfera terrestre reflete aproximadamente 23% da energia recebida pelo sol e a superfície reflete 9%, totalizando um albedo de 32%. 4

Figura 5. Balanço energético da terra

Contudo, a atmosfera desempenha papel extremamente importante como termostato do clima terrestre.

Primeiramente, ela reflete de volta para a terra parcela significativa do calor radiado pela superfície (93%) 5 e absorve 20% da energia recebida do sol. 6

Este mecanismo explica o porquê da temperatura média da terra se encontrar maior do que a calculada no Exemplo 4.

Além disso, a atmosfera absorve cerca de 20% da energia que incide na superfície através da radiação solar (168 w/m2) e da radiação refletida (324 W/m2) pela terra através dos mecanismos de convecção e evaporação. Estes dois mecanismos termodinâmicos produzem os ventos e as chuvas, elementos responsáveis pela geração eólica e hidrelétrica, e amortecem as variações de temperatura entre dia/noite e verão/inverso.

Fontes de Dados

Global Solar Atlas

Referências

  1. ARCHER, D., Global Warming – Understanding the Forecast, 2ª edição, Wiley, 2012.
  2. CARROLL, B.W., OSTLIE, D.A., An Introduction to Modern Astrophysics, 2ª edição, Pearson, 2014.
  3. BADESCU, V., Modeling Solar Radiation at Earth’s Surface, Springer, 2008.
  4. ESCOLA NAVAL, Navegação Astronômica, Ministério da Marinha, 1978.
  5. IQBAL, M., An Introduction to Solar Radiation, Academic Press, 1983, pg.191
  6. MILONE, E.F., WILSON, W.J.F., Solar System Astrophysics, Springer, 2008.
  7. SEN, ZEKAI, Solar Energy Fundamentals and Modeling Techniques, Springer, 2008.
  8. WENHAM, S.R., GREEN, M.A., WATT, M.E., CORKISH, R., Applied Photovoltaics, Earthscan, 2007.
  9. ZOMBECK, MARTIN. Handbook of Space Astronomy and Astrophysics., 2nd ed. Cambridge University Press, 2003.
  10. http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am0/ASTM2000.html
  11. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_spectrum_ita.svg
  12. https://en.wikipedia.org/wiki/Earth#/media/File:AxialTiltObliquity.png
  13. Atlas Solar Global
  14. Global Solar Atlas