Desenvolvimento de mapas de energia solar para o RS como ferramenta de projeto

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DESENVOLVIMENTO DE MAPAS DE ENERGIA SOLAR 
PARA O RIO GRANDE DO SUL COMO FERRAMENTA DE PROJETO 
DE SISTEMAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA 
 
FLAVIO ALVES MACHADO1, JOÃO CARLOS VERNETTI DOS SANTOS2 
 
Escrito para apresentação no 
XXXII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola - CONBEA 2003 
Goiânia - GO, 28 de julho a 01 de agosto de 2003 
 
RESUMO: O presente trabalho faz uma análise de dados de radiação solar de diferentes localidades 
do Rio Grande do Sul, formando uma base de dados voltada para o projeto de sistemas de geração de 
energia elétrica a partir do aproveitamento da energia solar. Como resultado, foram confeccionados 
mapas de isolinhas de médias mensais de energia solar por unidade de área no plano horizontal para 
diferentes regiões do Estado, caracterizando preliminarmente o potencial de energia solar do Rio 
Grande do Sul. Para fazer destes mapas uma ferramenta de projeto de sistemas de energia solar, os 
mesmos foram então refeitos, convertendo os dados de energia solar no plano horizontal para um 
plano de inclinação ótima para cada região do Estado, formando assim um novo conjunto de mapas de 
isolinhas de médias mensais de energia solar por unidade de área. Os dados empregados são oriundos 
das estações meteorológicas da FUNDAÇÃO ESTADUAL DE PESQUISA AGROPECÚRIA 
(FEPAGRO). 
 
PALAVRAS-CHAVE: mapas de energia solar, sistemas de energia solar, eletrificação rural 
 
 
DEVELOPMENT OF SOLAR ENERGY MAPS FOR RIO GRANDE DO SUL AS PROJECT 
TOOL OF SOLAR ENERGY SYSTEMS 
 
ABSTRACT: The present work makes an analysis of solar radiation data of different places of Rio 
Grande do Sul, forming a data base oriented to the project of power plants starting from solar energy. 
As a result, maps of isolines of monthly averages of solar energy were made in the horizontal plan for 
different areas of the State, characterizing preliminary the solar energy potential of Rio Grande do Sul. 
In order to make these maps as a project tool of solar energy systems, the same ones were then redone, 
converting the data of solar energy in the horizontal plan for a optimized tilted plan for each area of 
the State, forming a new group of maps of isolines of monthly averages of solar energy . The used data 
are originated from the meteorological stations of the FUNDAÇÃO ESTADUAL DE PESQUISA 
AGROPECUÁRIA (FEPAGRO). 
. 
KEYWORDS: energy solar maps, solar energy systems, rural electrification 
 
INTRODUÇÃO: O A energia solar é uma fonte energética renovável e não poluente, utilizável a 
custo relativamente baixo e disponível em todo o planeta. A energia solar é considerada a mais 
promissora fonte mundial de energia. Para o Brasil, esta alternativa se torna ainda mais atrativa, 
devido à sua situação geográfica privilegiada, entre as latitudes de 5o N e 34o S. A radiação solar 
incidente sobre a superfície terrestre varia de acordo com a época do ano, latitude e condições 
climatológicas (DUFFIE e BECKMAN, 1992). Portanto, o conhecimento do potencial solar em um 
dado local é fundamental para a otimização do aproveitamento desta fonte de energia. Por exemplo, o 
projeto e instalação dos vários tipos de coletores solares requerem o conhecimento da energia solar 
incidente nos mesmos pelo menos em cada mês do ano, permitindo assim a determinação do melhor 
ângulo de inclinação dos coletores para atender o mês de menor insolação com a menor área possível 
de coletores. A disponibilidade dos dados de radiação solar, juntamente com o procedimento de 
 
1 Engenheiro Agrícola, Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia: Energia, Ambiente e Materiais (PPGEAM), ULBRA, 
Campus de Canoas, Rua Miguel Tostes, 101. 92420-280 Canoas (RS), e-mail: ppgeam@ulbra.br 
2 Prof. Dr. Departamentos de Engenharia Elétrica, PPGEAM-ULBRA, Núcleo de Energia, Campus de Canoas 
projeto adotado, possibilita a otimização energética do sistema com minimização de custos (Santos, 
1996). O aproveitamento da energia solar é uma importante alternativa para a eletrificação de 
propriedades rurais distantes da rede elétrica convencional, onde a extensão da rede convencional tem 
custo elevado. Segundo OCÁCIA e SANTOS (2002), há um grande número de pequenas 
comunidades isoladas que ainda hoje não são atendidas pela rede elétrica. O presente trabalho faz uma 
análise de dados de radiação solar de diferentes localidades do Rio Grande do Sul, formando para o 
Estado uma base de dados voltada para o projeto de sistemas de geração de energia elétrica a partir do 
aproveitamento da energia solar. 
 
MATERIAL E MÉTODOS: A FEPAGRO possui 31 estações distribuídas em todo o Estado, que 
disponibilizam registros diários de radiação solar há pelo menos duas décadas. O instrumento de 
medida utilizado pela FEPAGRO para a medição de radiação solar é o actinógrafo, que se baseia no 
princípio da transformação da energia radiante em energia térmica. Este equipamento é instalado em 
nível, a 1,5m da superfície do solo e na parte norte da estação meteorológica, evitando que outros 
aparelhos projetem sombra sobre o mesmo. Este equipamento registra o valor instantâneo da 
densidade de fluxo da radiação solar global incidente. A integração da curva diária fornece o total 
diário de radiação solar global incidente. É importante observar que este tipo de instrumento, devido 
às suas características, incluindo o próprio registro de dados, pode conduzir a erros na faixa de 15 a 
20%. Com calibração mensal, estes erros podem ser reduzidos a valores entre 5 e 10%. 
FRAIDENRAICH e LYRA (1995) mencionam a possibilidade de melhorar consideravelmente a 
precisão deste instrumento, reduzindo o erro para cerca de 4%. As localidades abrangidas situam-se 
em altitudes que vão desde aquelas próximas do nível do mar até altitudes próximas de 1000 metros, o 
que acrescenta qualidade ao tipo de informação que os mapas solares podem fornecer. Dada a 
influência da altitude sobre a intensidade da radiação solar, mapas solares com dados oriundos de 
localidades com latitudes semelhantes, mas com diferentes altitudes, retratam com maior precisão o 
potencial de energia solar. Como os dados inicialmente disponíveis não se encontravam em uma forma 
adequada para a análise requerida, algumas medidas foram formuladas e adotadas para preparar os 
dados para análise. A primeira medida adotada na seleção da base de dados foi identificar as lacunas 
existentes nas diversas séries de dados por inspeção visual, para posteriormente eliminá-las para 
formar séries contínuas, sem interrupção. Em segundo lugar, todos os meses com ocorrência de 
valores nulos foram identificados e separados para posterior análise. Em terceiro lugar, tendo em vista 
a precisão dos equipamentos e eventuais ocorrências de falha de medição ou registro, foi necessário 
desenvolver um critério de seleção que detectasse valores acima do que é fisicamente possível de 
ocorrer. Na prática, isto significa efetuar uma comparação entre o valor registrado a cada dia particular 
do ano e o valor da radiação extraterrestre para o mesmo dia, já que esta última não sofre a atenuação 
da atmosfera e, por este motivo, não sofre alterações tão pronunciadas, sendo o seu valor estimado 
com razoável precisão através de expressões matemáticas ((DUFFIE e BECKMAN, 1992). Para 
implementar a terceira medida, recorreu-se à definição do chamado índice de claridade, Kt, o qual 
expressa a razão entre a radiação global com incidência normal à superfície terrestre (Gh) e a radiação 
solar (Gon) normal à uma superfície horizontal de mesmas coordenadas geográficas situada fora da 
atmosfera terrestre. O parâmetro Kt fornece valores entre 0 e 1. Porém, de acordo com Liu e Jordan 
(1960), o valor máximo diário de Kt verificado para diversas estações de medição norte-americanas e 
de diversos outros países não ultrapassa 0,8. Este limite superior foi adotado no presente trabalho 
como critério para seleção (e validação) dos dados registrados. A quartamedida refere-se ao 
comprimento adotado para cada série de dados diários de energia solar, de forma que a média mensal 
de longo prazo seja efetivamente representativa de uma série de longo prazo para uma dada localidade. 
Este problema de natureza estatística conduz ao questionamento do comprimento mínimo requerido 
para que a média e o respectivo desvio padrão representem fielmente as características de 
variabilidade de longo prazo. VERNICH e ZUANNI (1996) sugerem que seriam requeridos pelo 
menos 14 anos de dados diários para estabilizar as características estatísticas da radiação solar. 
Segundo os autores, o período de 14 anos é suficiente para proporcionar distribuições estatisticamente 
estáveis para qualquer variável climática. Além deste limite, a variabilidade das grandezas climáticas 
origina-se somente da sua natureza estatística intrínseca, independentemente do tamanho da base de 
dados utilizada. De qualquer modo, após a adoção das medidas acima mencionadas, resultaram séries 
com diferentes comprimentos, tendo sido adotado preliminarmente o comprimento mínimo de 8 anos, 
sem limitar o comprimento máximo. Adotando o comprimento mínimo de 8 anos, restaram, das 31 
estações originariamente disponíveis, 25 estações que formam a base de dados considerada no 
presente estudo. Duas observações adicionais são necessárias: primeiro, as séries contínuas referem-se 
cada uma a um dado mês. Assim, uma série de 10 anos de comprimento para o mês de janeiro, por 
exemplo, significa 310 dados diários para este mês, deixando de formar assim séries seqüenciais mês a 
mês. Isto não representa um problema, pois para a confecção dos mapas solares são consideradas 
médias mensais de longo prazo, não sendo necessário considerar a natureza seqüencial das mesmas de 
um mês para outro. A segunda observação refere-se ao fato que, para uma dada estação, certos meses 
não estão completos, como anteriormente mencionado. Dos meses incompletos, todo aquele possuindo 
pelo menos 85% dos dias com dados não nulos, foram posteriormente considerados pelas seguintes 
razões: primeiro, embora incompletos, estes meses contêm importantes informações para caracterizar 
a variabilidade de longo prazo dos dados; em segundo lugar, é possível recuperar os dados ausentes 
com precisão aceitável, se for considerado o fato que para estas mesmas localidades são disponíveis 
registros de insolação para as mesmas datas de registro. FONTANA e OLIVEIRA (1996) comprovam 
que há uma relação estreita entre insolação e radiação solar, expressa através de parâmetros 
conhecidos como coeficientes de Ångstron, apresentando estes parâmetros validados para o Rio 
Grande do Sul. Aqueles meses incompletos da base de dados (com pelo menos 85% dos dados) foram 
complementados através de estimativas obtidas com a aplicação destas correlações de Ångstron. Com 
a adoção desta medida, o comprimento mínimo das séries consideradas passa para 10 anos. Este foi o 
comprimento mínimo adotado para todas as séries para fazer as estimativas de longo prazo. Com a 
nova base de dados, as médias de longo prazo foram calculadas para cada mês do ano para cada 
estação meteorológica. Os mapas de energia solar foram então confeccionados a partir de médias 
mensais diárias de longo prazo. 
 
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Conforme o objetivo proposto do trabalho, foram 
construídos mapas para o Rio Grande do Sul de isolinhas de energia solar global no plano horizontal e 
inclinado, usando um Software para a formação de isolinhas chamado Surface Mapping System, 
Versiom 6.01. Este software possibilita o traçado de linhas de níveis constantes de determinada 
variável para pontos identificados através das coordenadas geográficas em um mapa. Assim, foi 
possível formar mapas com isolinhas de valores médios mensais de energia solar a partir dos valores 
médios determinados para cada estação meteorológica considerada. Os mapas para o plano horizontal 
totalizam 12 mapas. Os mapas para o plano inclinado totalizam 60 mapas, para as inclinações de 0, 
10, 20, 30, 40 e 50, todos obtidos para superfícies inclinadas voltadas para o Norte. As figuras 1 e 
2 exemplificam estes mapas, mostrando as médias mensais para o plano horizontal e inclinado, 
respectivamente, para o Estado no mês de junho. A superfície de captação solar é voltada para o Norte 
com inclinação de 50 graus. Observando a Figura 2, nota-se que há um ganho considerável de até 50% 
da energia no plano inclinado em relação à horizontal. 
 
Junho
-57.00 -56.00 -55.00 -54.00 -53.00 -52.00 -51.00 -50.00
-33.00
-32.00
-31.00
-30.00
-29.00
-28.00
 
FIGURA 1. Mapa do RGS de Energia Solar Horizontal, em KWh/m2, para o mês de Junho. 
 
Junho
-57.00 -56.00 -55.00 -54.00 -53.00 -52.00 -51.00 -50.00
-33.00
-32.00
-31.00
-30.00
-29.00
-28.00
 
FIGURA 2. Mapa do RGS de Energia Solar incidente em uma superfície com inclinação de 50 graus 
Norte, em kWh/m2 para o mês de Junho. 
 
 
CONCLUSÕES: No presente trabalho realizou-se uma análise de dados de radiação solar de 
diferentes localidades do Rio Grande do Sul a partir de uma base de dados oriunda de 31 estações da 
FUNDAÇÃO ESTADUAL DE PESQUISA AGROPECUÁRIA ( FEPAGRO ). Embora os resultados 
sejam oriundos de uma base apreciável de dados, abrangendo medições por mais de duas décadas, 
devem ser considerados resultados preliminares por dois motivos: primeiro, tendo em vista que o 
comprimento mínimo de uma série de dados climáticos deveria ser de 14 anos para que o resultado 
apresentasse uma distribuição estatística estável, o conjunto de mapas aqui confeccionado representa 
uma estimativa preliminar do potencial de energia solar no Estado do Rio Grande do Sul. Em segundo 
lugar, as estações aqui utilizadas não estão distribuídas de maneira uniforme sobre todas as regiões do 
Estado, deixando de retratar, eventualmente, características importantes de radiação solar de 
determinada região ou localidade. 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
DUFFIE, J. A., BECKMAN, W. A. Solar engineering of thermal processes. John Wiley & Sons, New 
York, 1992 
FONTANA, D.C. e OLIVEIRA, D. Relação Entre Radiação Solar Global e Insolação para o Estado 
do Rio Grande do Sul”, Revista Brasileira de Agrometeorologia, Santa Maria, 1996. Vol. 04, n.1 pg. 
87-91 
FRAIDENRAICH, Naum e LYRA, Francisco. Energia Solar: Fundamentos e Tecnologias de 
Conversão Heliotermoelétrica e Fotovoltaica. Editora Universitária da UFPE. Recife, 1995. 471p. 
LIU, B.Y.H. and JORDAN, R.C.; “The Interrelationship and Characteristic Distribution of Direct, 
Diffuse and Total Solar Radiation”, Solar Energy, 1960. Vol. 04, pg. 01 – 19 
OCÁCIA, G. C. e SANTOS, J. C. V. Sistemas Fotovoltaicos e Sistemas Híbridos para Eletrificação 
Residencial Rural. IN: 4O. ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL - AGRENER 2002, 
2002, Campinas. Anais ... Campinas, 2002. 1 CD 
SANTOS, J. C. Vernetti dos. PV-Systeme zur dezentralen Energieversorgung – Auslegungskriterien 
und Anforderungen na Solarstrahlungs- und Verbrauchsdaten. Tese de Doutorado. Universität 
Gesamthochschule Kassel, Kassel,1996 
VERNICH (1996), Lucio E ZUANNI, Ferruccio. About the Minimum Number of Years Required to 
Stabilize the Solar Irradiation Statistical Estimates. Solar Energy, Vol. 57, No. 6, p. 445-447