Irradiância solar - Solar irradiance

O efeito de escudo da atmosfera terrestre na irradiação solar. A imagem superior é a irradiação solar média anual (ou insolação) no topo da atmosfera terrestre (TOA); a imagem inferior mostra a insolação anual atingindo a superfície da Terra depois de passar pela atmosfera. Observe que as duas imagens usam a mesma escala de cores.

A irradiância solar é a potência por unidade de área recebida do Sol na forma de radiação eletromagnética medida na faixa de comprimento de onda do instrumento de medição. A irradiância solar é medida em watt por metro quadrado (W / m 2 ) em unidades SI . A irradiância solar é frequentemente integrada ao longo de um determinado período de tempo para relatar a energia radiante emitida para o ambiente circundante ( joule por metro quadrado, J / m 2 ) durante esse período. Esta radiação solar integrado é chamado de irradiação solar , exposição solar de , insolação ou insolação .

A irradiância pode ser medida no espaço ou na superfície da Terra após a absorção atmosférica e o espalhamento . A irradiação no espaço é função da distância do Sol, do ciclo solar e das mudanças do ciclo cruzado. A irradiação na superfície da Terra também depende da inclinação da superfície de medição, da altura do Sol acima do horizonte e das condições atmosféricas. A irradiância solar afeta o metabolismo das plantas e o comportamento dos animais.

O estudo e medição da irradiância solar têm várias aplicações importantes, incluindo a previsão da geração de energia a partir de usinas solares , o aquecimento e resfriamento de edifícios e modelagem climática e previsão do tempo.

Tipos

Mapa global da radiação horizontal global
Mapa Global de Radiação Normal Direta

Existem vários tipos medidos de irradiância solar.

  • A radiação solar total (TSI) é uma medida da energia solar em todos os comprimentos de onda por unidade de área incidente na atmosfera superior da Terra . É medido perpendicularmente à luz solar incidente. A constante solar é uma medida convencional do TSI médio à distância de uma unidade astronômica (UA).
  • A irradiação normal direta (DNI), ou radiação de feixe , é medida na superfície da Terra em um determinado local com um elemento de superfície perpendicular ao sol. Exclui a radiação solar difusa (radiação que é espalhada ou refletida por componentes atmosféricos). A irradiância direta é igual à irradiância extraterrestre acima da atmosfera menos as perdas atmosféricas devido à absorção e espalhamento . As perdas dependem da hora do dia (extensão do caminho da luz através da atmosfera dependendo do ângulo de elevação solar ), cobertura de nuvens ,teor de umidade e outros conteúdos . A irradiância acima da atmosfera também varia com a época do ano (porque a distância ao sol varia), embora esse efeito seja geralmente menos significativo em comparação com o efeito das perdas no DNI.
  • A radiação difusa horizontal (DHI), ou radiação difusa do céu, é a radiação na superfície da Terra proveniente da luz espalhada pela atmosfera. É medido em uma superfície horizontal com radiação proveniente de todos os pontos do céu, excluindo a radiação circunsolar (radiação proveniente do disco solar). Quase não haveria DHI na ausência de atmosfera.
  • A irradiância horizontal global (GHI) é a irradiância total do sol em uma superfície horizontal da Terra. É a soma da irradiância direta (após considerar o ângulo zenital do sol z ) e a irradiância horizontal difusa:
  • Global Tilted Irradiance (GTI) é a radiação total recebida em uma superfície com inclinação e azimute definidos, fixos ou rastreados pelo sol. O GTI pode ser medido ou modelado a partir de GHI, DNI, DHI. Muitas vezes é uma referência para usinas fotovoltaicas , enquanto os módulos fotovoltaicos são montados nas construções fixas ou de rastreamento.
  • A irradiância normal global (GNI) é a irradiância total do sol na superfície da Terra em um determinado local com um elemento de superfície perpendicular ao sol.

Unidades

A unidade SI de irradiância é watt por metro quadrado (W / m 2 = Wm -2 ).

Uma unidade de medida alternativa é Langley (1 caloria termoquímica por centímetro quadrado ou 41.840  J / m 2 ) por unidade de tempo.

A indústria de energia solar usa watt-hora por metro quadrado (Wh / m 2 ) por unidade de tempo. A relação com a unidade SI é assim:

1 kW / m 2 × (24 h / dia) = (24 kWh / m 2 ) / dia
(24 kWh / m 2 ) / dia × (365 dias / ano) = (8760 kWh / m 2 ) / ano.

Irradiação no topo da atmosfera

Triângulo esférico para aplicação da lei esférica dos cossenos para o cálculo do ângulo zenital solar Θ para o observador na latitude φ e longitude λ a partir do conhecimento do ângulo horário he declinação solar δ. (δ é a latitude do ponto subsolar e h é a longitude relativa do ponto subsolar).

A distribuição da radiação solar no topo da atmosfera é determinada pela esfericidade da Terra e parâmetros orbitais. Isso se aplica a qualquer feixe unidirecional incidente em uma esfera giratória. A insolação é essencial para a previsão numérica do tempo e para a compreensão das estações e das mudanças climáticas . A aplicação às eras glaciais é conhecida como ciclos de Milankovitch .

A distribuição é baseada em uma identidade fundamental da trigonometria esférica , a lei esférica dos cossenos :

onde um , b e c são comprimentos de arco, em radianos, dos lados de um triângulo esférico. C é o ângulo no vértice oposto ao lado que tem comprimento de arco c . Aplicado ao cálculo do ângulo do zênite solar Θ, o seguinte se aplica à lei esférica dos cossenos:

Esta equação também pode ser derivada de uma fórmula mais geral:

onde β é um ângulo da horizontal e γ é um ângulo de azimute .

, a irradiação média diária teórica no topo da atmosfera, onde θ é o ângulo polar da órbita da Terra, e θ = 0 no equinócio vernal, e θ = 90 ° no solstício de verão; φ é a latitude da Terra. O cálculo assumiu condições apropriadas para 2.000  A.D .: uma constante solar de S 0  = 1367 W m −2 , obliquidade de ε = 23,4398 °, longitude do periélio de ϖ = 282,895 °, excentricidade e  = 0,016704. As etiquetas de contorno (verdes) estão em unidades de W m −2 .

A separação da Terra do sol pode ser denotada R E e a distância média pode ser denotada R 0 , aproximadamente 1 unidade astronômica (UA). A constante solar é denotada S 0 . A densidade do fluxo solar (insolação) em um plano tangente à esfera da Terra, mas acima da massa da atmosfera (altitude de 100 km ou maior) é:

A média de Q em um dia é a média de Q em uma rotação, ou o ângulo horário progredindo de h  = π para h  = −π:

Seja h 0 o ângulo da hora em que Q se torna positivo. Isso pode ocorrer ao nascer do sol quando , ou para h 0 como uma solução de

ou

Se tan (φ) tan (δ)> 1, então o sol não se põe e já nasceu em h  = π, então h o  = π. Se tan (φ) tan (δ) <−1, o sol não nasce e .

é quase constante ao longo de um dia e pode ser feito fora da integral

Portanto:

Seja θ o ângulo polar convencional que descreve uma órbita planetária . Seja θ  = 0 no equinócio vernal . A declinação δ em função da posição orbital é

onde ε é a obliquidade . A longitude convencional do periélio ϖ é definida em relação ao equinócio vernal, portanto, para a órbita elíptica:

ou

Com o conhecimento de ϖ, ε e e de cálculos astrodinâmicos e S o de um consenso de observações ou teoria, pode ser calculado para qualquer latitude φ e θ. Por causa da órbita elíptica e como conseqüência da segunda lei de Kepler , θ não progride uniformemente com o tempo. No entanto, θ  = 0 ° é exatamente a hora do equinócio vernal, θ  = 90 ° é exatamente a hora do solstício de verão, θ  = 180 ° é exatamente a hora do equinócio de outono e θ  = 270 ° é exatamente a hora de o solstício de inverno.

Uma equação simplificada para irradiância em um determinado dia é:

onde n é um número de um dia do ano.

Variação

A irradiância solar total (TSI) muda lentamente em escalas de tempo decadais e mais longas. A variação durante o ciclo solar 21 foi de cerca de 0,1% (pico a pico). Em contraste com as reconstruções mais antigas, as reconstruções TSI mais recentes apontam para um aumento de apenas cerca de 0,05% a 0,1% entre o Mínimo de Maunder e o presente. A irradiância ultravioleta (EUV) varia em aproximadamente 1,5 por cento dos máximos solares aos mínimos, para comprimentos de onda de 200 a 300 nm. No entanto, um estudo proxy estimou que o UV aumentou 3,0% desde o Mínimo de Maunder.

Variações na órbita da Terra, resultando em mudanças no fluxo de energia solar em altas latitudes e nos ciclos glaciais observados.

Algumas variações na insolação não são devidas a mudanças solares, mas sim ao movimento da Terra entre seu periélio e afélio , ou mudanças na distribuição latitudinal da radiação. Essas mudanças orbitais ou ciclos de Milankovitch causaram variações de radiação de até 25% (localmente; as mudanças médias globais são muito menores) por longos períodos. O evento significativo mais recente foi uma inclinação axial de 24 ° durante o verão boreal perto do ótimo clima do Holoceno . A obtenção de uma série temporal para uma determinada época do ano e latitude específica é uma aplicação útil na teoria dos ciclos de Milankovitch. Por exemplo, no solstício de verão, a declinação δ é igual à obliquidade ε. A distância do sol é

Para este cálculo do solstício de verão, o papel da órbita elíptica está inteiramente contido no produto importante , o índice de precessão , cuja variação domina as variações na insolação a 65 ° N quando a excentricidade é grande. Pelos próximos 100.000 anos, com variações na excentricidade sendo relativamente pequenas, as variações na obliquidade dominam.  

Medição

O registro do TSI baseado no espaço compreende medições de mais de dez radiômetros abrangendo três ciclos solares. Todos os instrumentos de satélite TSI modernos empregam radiometria de substituição elétrica de cavidade ativa . Esta técnica aplica aquecimento elétrico medido para manter uma cavidade enegrecida absortiva em equilíbrio térmico enquanto a luz solar incidente passa por uma abertura de precisão da área calibrada. A abertura é modulada por meio de um obturador . Incertezas de precisão de <0,01% são necessárias para detectar variações de irradiância solar de longo prazo, porque as mudanças esperadas estão na faixa de 0,05–0,15  W / m 2 por século.

Calibração intertemporal

Em órbita, as calibrações radiométricas variam por razões que incluem degradação solar da cavidade, degradação eletrônica do aquecedor, degradação da superfície da abertura de precisão e emissões e temperaturas de superfície variáveis ​​que alteram fundos térmicos. Essas calibrações requerem compensação para preservar medições consistentes.

Por várias razões, as fontes nem sempre concordam. Os valores do TSI do Experimento de Radiação Solar e Clima / Medição de Irradiance Total ( SORCE / TIM) são menores do que as medições anteriores do Experimento de Orçamento de Radiômetro Terrestre (ERBE) no Satélite de Orçamento de Radiação Terrestre (ERBS), VIRGO no Observatório Heliosférico Solar (SoHO) e os instrumentos ACRIM na Missão Solar Máxima (SMM), Satélite de Pesquisa da Atmosfera Superior (UARS) e ACRIMSAT . As calibrações de solo de pré-lançamento dependiam de medições de componentes, em vez de medições de nível de sistema, uma vez que os padrões de irradiância careciam de precisão absoluta.

A estabilidade da medição envolve a exposição de diferentes cavidades de radiômetro a diferentes acúmulos de radiação solar para quantificar os efeitos de degradação dependentes da exposição. Esses efeitos são então compensados ​​nos dados finais. As sobreposições de observação permitem correções para desvios absolutos e validação de desvios instrumentais.

As incertezas das observações individuais excedem a variabilidade da irradiância (± 0,1%). Assim, a estabilidade do instrumento e a continuidade da medição são consideradas para calcular as variações reais.

Os desvios do radiômetro de longo prazo podem ser confundidos com variações de irradiância que podem ser mal interpretadas como afetando o clima. Os exemplos incluem a questão do aumento da irradiância entre os mínimos do ciclo em 1986 e 1996, evidente apenas no composto ACRIM (e não no modelo) e os baixos níveis de irradiância no composto PMOD durante o mínimo de 2008.

Apesar do fato de ACRIM I, ACRIM II, ACRIM III, VIRGO e TIM seguirem degradação com cavidades redundantes, diferenças notáveis ​​e inexplicáveis ​​permanecem na irradiância e nas influências modeladas de manchas solares e fáculas .

Inconsistências persistentes

O desacordo entre as observações sobrepostas indica desvios não resolvidos que sugerem que o registro do TSI não é suficientemente estável para discernir as mudanças solares em escalas de tempo decadais. Apenas o composto ACRIM mostra a irradiância aumentando em ± 1  W / m 2  entre 1986 e 1996; esta mudança também está ausente no modelo.

As recomendações para resolver as discrepâncias do instrumento incluem a validação da precisão da medição óptica, comparando instrumentos baseados no solo com referências de laboratório, como os do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (NIST); A validação NIST de calibrações de área de abertura usa peças sobressalentes de cada instrumento; e aplicar correções de difração da abertura limitadora de visão.

Para ACRIM, o NIST determinou que a difração da abertura limitadora de visão contribui com um sinal de 0,13% não considerado nos três instrumentos ACRIM. Essa correção diminui os valores ACRIM relatados, trazendo o ACRIM para mais perto do TIM. No ACRIM e em todos os outros instrumentos, exceto no TIM, a abertura está bem no interior do instrumento, com uma abertura limitadora de visão maior na frente. Dependendo das imperfeições da borda, isso pode espalhar luz diretamente na cavidade. Este projeto admite na parte frontal do instrumento duas a três vezes a quantidade de luz que se pretende medir; se não for completamente absorvida ou espalhada, esta luz adicional produz sinais erroneamente altos. Em contraste, o design da TIM coloca a abertura de precisão na frente para que apenas a luz desejada entre.

Variações de outras fontes provavelmente incluem uma sistemática anual nos dados ACRIM III que está quase em fase com a distância Sol-Terra e picos de 90 dias nos dados VIRGO coincidentes com as manobras da espaçonave SoHO que foram mais aparentes durante o mínimo solar de 2008.

Instalação de radiômetro TSI

A alta precisão absoluta da TIM cria novas oportunidades para medir variáveis ​​climáticas. O TSI Radiometer Facility (TRF) é um radiômetro criogênico que opera no vácuo com fontes de luz controladas. L-1 Standards and Technology (LASP) projetou e construiu o sistema, concluído em 2008. Ele foi calibrado para potência óptica contra o NIST Optical Watt Radiometer, um radiômetro criogênico que mantém a escala de potência radiante do NIST para uma incerteza de 0,02% ( 1 σ ). Em 2011, o TRF foi a única instalação que se aproximou da incerteza desejada <0,01% para validação pré-lançamento de radiômetros solares medindo irradiância (em vez de meramente energia óptica) em níveis de energia solar e sob condições de vácuo.

O TRF envolve o radiômetro de referência e o instrumento em teste em um sistema de vácuo comum que contém um feixe de iluminação estacionário e espacialmente uniforme. Uma abertura de precisão com uma área calibrada para 0,0031% (1 σ ) determina a porção medida do feixe. A abertura de precisão do instrumento de teste é posicionada no mesmo local, sem alterar opticamente o feixe, para comparação direta com a referência. A potência do feixe variável fornece diagnósticos de linearidade e diagnósticos de diâmetro de feixe variável, dispersando de diferentes componentes do instrumento.

As escalas absolutas dos instrumentos de vôo Glory / TIM e PICARD / PREMOS agora são rastreáveis ​​ao TRF em potência óptica e irradiância. A alta precisão resultante reduz as consequências de qualquer lacuna futura no registro de irradiância solar.

Diferença em relação ao TRF
Instrumento Irradiance,
abertura limitadora de visão sobrecarregada
Irradiance,
abertura de precisão preenchida demais
Diferença atribuível
ao erro de dispersão

Erro de potência óptica medida

Acordo de irradiância residual
Incerteza
Terreno SORCE / TIM N / D -0,037% N / D -0,037% 0,000% 0,032%
Glory / TIM flight N / D -0,012% N / D -0,029% 0,017% 0,020%
PREMOS-1 terreno -0,005% -0,104% 0,098% -0,049% -0,104% ∼0,038%
Voo PREMOS-3 0,642% 0,605% 0,037% 0,631% -0,026% ∼0,027%
Terra VIRGO-2 0,897% 0,743% 0,154% 0,730% 0,013% ∼0,025%

Reavaliação de 2011

O valor mais provável do representante TSI do mínimo solar é 1 360 0,9 ± 0,5 W / m 2 , mais baixo do que o valor anteriormente aceite de1 365 0,4 ± 1,3 W / m 2 , com sede em 1990. O novo valor veio do SORCE / TIM e de exames laboratoriais radiométricos. A luz dispersa é a principal causa dos valores mais altos de irradiância medidos por satélites anteriores nos quais a abertura de precisão está localizada atrás de uma abertura maior de limitação de visão. O TIM usa uma abertura limitadora de visão menor do que a abertura de precisão que impede esse sinal espúrio. A nova estimativa é de uma melhor medição, em vez de uma mudança na produção solar.

Uma divisão baseada em modelo de regressão da proporção relativa de manchas solares e influências faculares de dados SORCE / TIM é responsável por 92% da variância observada e rastreia as tendências observadas dentro da banda de estabilidade de TIM. Este acordo fornece mais evidências de que as variações do TSI são principalmente devido à atividade magnética da superfície solar.

As imprecisões dos instrumentos adicionam uma incerteza significativa na determinação do balanço de energia da Terra . O desequilíbrio de energia foi medido de várias maneiras (durante um mínimo solar profundo de 2005-2010) para ser+0,58 ± 0,15 W / m 2 ,+0,60 ± 0,17 W / m 2 e+0,85 W / m 2 . As estimativas das medições baseadas no espaço variam + 3–7  W / m 2 . O valor TSI mais baixo de SORCE / TIM reduz essa discrepância em 1  W / m 2 . Esta diferença entre o novo valor TIM inferior e as medições anteriores do TSI corresponde a uma forçante climática de -0,8  W / m 2 , que é comparável ao desequilíbrio de energia.

Reavaliação de 2014

Em 2014, um novo composto ACRIM foi desenvolvido usando o registro ACRIM3 atualizado. Ele adicionou correções para espalhamento e difração revelado durante testes recentes no TRF e duas atualizações de algoritmo. As atualizações do algoritmo levam em consideração com mais precisão o comportamento térmico do instrumento e a análise dos dados do ciclo do obturador. Isso corrigiu um componente do sinal espúrio quase anual e aumentou a razão sinal-ruído , respectivamente. O efeito líquido dessas correções diminuiu o valor médio do TSI do ACRIM3 sem afetar a tendência no TSI do Composto do ACRIM.

Diferenças entre ACRIM e PMOD ETI compósitos são evidentes, mas o mais significativo é o solares tendências mínimo-a-mínimo durante os ciclos solares 21 - 23 . ACRIM encontrou um aumento de + 0,037% / década de 1980 a 2000 e uma diminuição depois disso. Em vez disso, o PMOD apresenta uma diminuição constante desde 1978. Diferenças significativas também podem ser vistas durante o pico dos ciclos solares 21 e 22. Elas surgem do fato de que o ACRIM usa os resultados do TSI originais publicados pelas equipes de experimentos de satélite, enquanto o PMOD modifica significativamente alguns resultados para conformá-los a modelos de proxy TSI específicos. As implicações do aumento do TSI durante o aquecimento global das últimas duas décadas do século 20 são que o forçamento solar pode ser um fator marginalmente maior nas mudanças climáticas do que representado nos modelos climáticos de circulação geral CMIP5 .

Irradiance na superfície da Terra

Um piranômetro , usado para medir a irradiância global
Um pireliômetro , montado em um rastreador solar , é usado para medir a irradiância normal direta (ou irradiância do feixe)

A radiação solar anual média que chega ao topo da atmosfera da Terra é de aproximadamente 1361  W / m 2 . Os raios do Sol são atenuados à medida que passam pela atmosfera , deixando a irradiância máxima da superfície normal em aproximadamente 1000  W / m 2 ao nível do mar em um dia claro. Quando 1361 W / m 2 está chegando acima da atmosfera (quando o sol está no zênite em um céu sem nuvens), o sol direto é de cerca de 1050 W / m 2 , e a radiação global em uma superfície horizontal ao nível do solo é de cerca de 1120 W / m 2 . O último valor inclui a radiação espalhada ou reemitida pela atmosfera e arredores. O valor real varia com o ângulo do Sol e as circunstâncias atmosféricas. Ignorando as nuvens, a insolação média diária da Terra é de aproximadamente 6 kWh / m 2 = 21,6 MJ / m 2 .

A radiação solar média anual que chega ao topo da atmosfera terrestre (1361  W / m 2 ) representa a potência por unidade de área de irradiância solar na superfície esférica ao redor do sol com um raio igual à distância da Terra (1 UA ) . Isso significa que o disco aproximadamente circular da Terra, visto do sol, recebe aproximadamente estáveis ​​1361 W / m 2 em todos os momentos. A área deste disco circular é π r 2 , em que r é o raio da Terra. Como a Terra é aproximadamente esférica, ela tem área total , o que significa que a radiação solar que chega ao topo da atmosfera, calculada em média sobre toda a superfície da Terra, é simplesmente dividida por quatro para obter 340 W / m 2 . Em outras palavras, em média ao longo do ano e do dia, a atmosfera da Terra recebe 340 W / m 2 do sol. Esta figura é importante no forçamento radiativo .     

A saída de, por exemplo, um painel fotovoltaico , em parte depende do ângulo do sol em relação ao painel. Um Sol é uma unidade de fluxo de energia , não um valor padrão para a insolação real. Às vezes, essa unidade é chamada de Sol, não deve ser confundida com sol , significando um dia solar .

Absorção e reflexão

Espectro de irradiância solar acima da atmosfera e na superfície

Parte da radiação que atinge um objeto é absorvida e o restante é refletido. Normalmente, a radiação absorvida é convertida em energia térmica , aumentando a temperatura do objeto. Sistemas artificiais ou naturais, entretanto, podem converter parte da radiação absorvida em outra forma, como eletricidade ou ligações químicas , como no caso de células fotovoltaicas ou plantas . A proporção da radiação refletida é a refletividade ou albedo do objeto .

Efeito de projeção

Efeito de projeção : um raio de sol de uma milha de largura brilha no solo em um ângulo de 90 ° e outro em um ângulo de 30 °. O raio de sol oblíquo distribui sua energia luminosa por duas vezes mais área.

A insolação em uma superfície é maior quando a superfície está voltada diretamente (é normal para) o sol. À medida que o ângulo entre a superfície e o Sol se move do normal, a insolação é reduzida em proporção ao cosseno do ângulo ; veja o efeito do ângulo do sol no clima .

Na figura, o ângulo mostrado está entre o solo e o raio de sol, e não entre a direção vertical e o raio de sol; portanto, o seno, em vez do cosseno, é apropriado. Um raio de sol com uma milha de largura chega diretamente de cima e outro forma um ângulo de 30 ° com a horizontal. O seno de um ângulo de 30 ° é 1/2, enquanto o seno de um ângulo de 90 ° é 1. Portanto, o raio de sol em ângulo espalha a luz sobre o dobro da área. Conseqüentemente, metade da luz incide em cada milha quadrada.

Este efeito de projeção é a principal razão pela qual as regiões polares da Terra são muito mais frias do que as regiões equatoriais . Em uma média anual, os pólos recebem menos insolação do que o equador, porque os pólos estão sempre mais afastados do sol do que os trópicos e, além disso, não recebem nenhuma insolação durante os seis meses de seus respectivos invernos.

Efeito de absorção

Em um ângulo inferior, a luz também deve viajar por mais atmosfera. Isso o atenua (por absorção e espalhamento), reduzindo ainda mais a insolação na superfície.

A atenuação é regida pela Lei de Beer-Lambert , ou seja, a transmitância ou fração de insolação que atinge a superfície diminui exponencialmente na profundidade óptica ou absorbância (as duas noções diferem apenas por um fator constante de ln (10) = 2,303 ) do caminho de insolação pela atmosfera. Para qualquer comprimento curto do caminho, a profundidade óptica é proporcional ao número de absorvedores e dispersores ao longo desse comprimento, normalmente aumentando com a diminuição da altitude. A profundidade óptica de todo o caminho é, então, a integral (soma) dessas profundidades ópticas ao longo do caminho.

Quando a densidade dos absorvedores é estratificada, ou seja, depende muito mais da posição vertical do que horizontal na atmosfera, para uma boa aproximação a profundidade óptica é inversamente proporcional ao efeito de projeção, ou seja, ao cosseno do ângulo zenital. Como a transmitância diminui exponencialmente com o aumento da profundidade óptica, conforme o sol se aproxima do horizonte, chega um ponto em que a absorção domina a projeção pelo resto do dia. Com um nível relativamente alto de absorventes, isso pode ser uma parte considerável do final da tarde e também de manhã cedo. Por outro lado, na (hipotética) ausência total de absorção, a profundidade óptica permanece zero em todas as altitudes do sol, ou seja, a transmitância permanece 1, e assim apenas o efeito de projeção se aplica.

Mapas de potencial solar

A avaliação e o mapeamento do potencial solar em nível global, regional e nacional têm sido objeto de significativo interesse acadêmico e comercial. Uma das primeiras tentativas de realizar um mapeamento abrangente do potencial solar para países individuais foi o projeto Solar & Wind Resource Assessment (SWERA), financiado pelo Programa Ambiental das Nações Unidas e realizado pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA . Outros exemplos incluem o mapeamento global pela Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço e outros institutos semelhantes, muitos dos quais estão disponíveis no Atlas Global para Energia Renovável fornecido pela Agência Internacional de Energia Renovável . Uma série de empresas comerciais agora existem para fornecer dados de recursos solares para desenvolvedores de energia solar, incluindo 3E, Clean Power Research, SoDa Solar Radiation Data, Solargis, Vaisala (anteriormente 3Tier) e Vortex, e essas empresas frequentemente fornecem mapas de potencial solar para gratuitamente. Em janeiro de 2017, o Global Solar Atlas foi lançado pelo Banco Mundial , usando dados fornecidos pela Solargis, para fornecer uma única fonte de dados solares de alta qualidade, mapas e camadas GIS cobrindo todos os países.

Mapas de radiação solar são construídos usando bancos de dados derivados de imagens de satélite, como por exemplo usando imagens visíveis do satélite Meteosat Prime. Um método é aplicado às imagens para determinar a radiação solar. Um modelo de satélite para irradiância bem validado é o modelo SUNY. A precisão deste modelo é bem avaliada. Em geral, os mapas de irradiância solar são precisos, especialmente para irradiância horizontal global.

Formulários

Fator de conversão (multiplique a linha superior por fator para obter a coluna lateral)
W / m 2 kW · h / (m 2 · dia) horas de sol / dia kWh / (m 2 · y) kWh / (kWp · y)
W / m 2 1 41,66666 41,66666 0,1140796 0,1521061
kW · h / (m 2 · dia) 0,024 1 1 0,0027379 0,0036505
horas de sol / dia 0,024 1 1 0,0027379 0,0036505
kWh / (m 2 · y) 8.765813 365,2422 365,2422 1 1.333333
kWh / (kWp · y) 6.574360 273,9316 273,9316 0,75 1

Energia solar

A luz solar carrega energia radiante nos comprimentos de onda da luz visível . A energia radiante pode ser desenvolvida para geração de energia solar .

Os números da irradiação solar são usados ​​para planejar a implantação de sistemas de energia solar . Em muitos países, os números podem ser obtidos de um mapa de insolação ou de tabelas de insolação que refletem os dados dos 30–50 anos anteriores. Diferentes tecnologias de energia solar são capazes de usar diferentes componentes da irradiação total. Embora os painéis solares fotovoltaicos sejam capazes de converter em eletricidade tanto a irradiação direta quanto a difusa, a energia solar concentrada só é capaz de operar eficientemente com irradiação direta, tornando esses sistemas adequados apenas em locais com cobertura de nuvens relativamente baixa.

Como os painéis dos coletores solares são quase sempre montados em um ângulo em direção ao sol, a insolação deve ser ajustada para evitar estimativas que são imprecisamente baixas para o inverno e imprecisamente altas para o verão. Isso também significa que a quantidade de sol caindo sobre um painel solar em alta latitude não é tão baixa em comparação com um no equador como pareceria apenas considerando a insolação em uma superfície horizontal.

Os painéis fotovoltaicos são classificados sob condições padrão para determinar a classificação de Wp (pico de watt), que pode então ser usada com isolamento para determinar a saída esperada, ajustada por fatores como inclinação, rastreamento e sombreamento (que podem ser incluídos para criar o Wp instalado Avaliação). Os valores de isolamento variam de 800–950  kWh / (kWp · a) na Noruega a até 2.900  kWh / (kWp · a) na Austrália .

Edifícios

Na construção, a insolação é uma consideração importante ao projetar um edifício para um determinado local.

Variação da insolação por mês; Médias de 1984-1993 para janeiro (parte superior) e abril (parte inferior)

O efeito de projeção pode ser usado para projetar edifícios que são frios no verão e quentes no inverno, fornecendo janelas verticais no lado do edifício voltado para o equador (a face sul no hemisfério norte ou a face norte no hemisfério sul ) : isso maximiza a insolação nos meses de inverno quando o sol está baixo no céu e minimiza no verão quando o sol está alto. (O caminho norte / sul do Sol através do céu abrange 47 ° ao longo do ano).

Engenharia Civil

Em engenharia civil e hidrologia , modelos numéricos de escoamento de neve derretida usam observações de insolação. Isso permite estimar a taxa na qual a água é liberada de uma camada de neve derretida. A medição de campo é realizada usando um piranômetro .

Pesquisa de clima

Irradiance desempenha um papel na modelagem e previsão do tempo . Uma radiação líquida global média diferente de zero no topo da atmosfera é indicativa do desequilíbrio térmico da Terra, conforme imposto pelas forças climáticas .

O impacto do menor valor do TSI para 2014 nos modelos climáticos é desconhecido. Alguns décimos de alteração por cento no nível absoluto do TSI são normalmente considerados de consequências mínimas para as simulações climáticas. As novas medições requerem ajustes de parâmetros do modelo climático.

Os experimentos com o GISS Modelo 3 investigaram a sensibilidade do desempenho do modelo ao valor absoluto do TSI durante as épocas presente e pré-industrial e descrevem, por exemplo, como a redução da irradiância é particionada entre a atmosfera e a superfície e os efeitos na radiação de saída.

Avaliar o impacto das mudanças de irradiância de longo prazo no clima requer maior estabilidade do instrumento combinada com observações confiáveis ​​da temperatura da superfície global para quantificar os processos de resposta do clima ao forçamento radiativo em escalas de tempo decadais. O aumento de irradiância de 0,1% observado confere uma forçante climática de 0,22  W / m 2 , o que sugere uma resposta climática transitória de 0,6 ° C por W / m 2 . Esta resposta é maior por um fator de 2 ou mais do que nos modelos de 2008 avaliados pelo IPCC, possivelmente aparecendo na absorção de calor dos modelos pelo oceano.

Espaço

A insolação é a variável primária que afeta a temperatura de equilíbrio no projeto de espaçonaves e na planetologia .

A medição da atividade solar e da irradiância é uma preocupação para as viagens espaciais. Por exemplo, a agência espacial americana NASA lançou seu satélite Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE) com Solar Irradiance Monitors .

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos