Estimativa da distribuição espectral da radiação solar para conversão fotovoltaica em Porto Alegre

Abstract

Nesta dissertação será abordada a caracterização mensal da distribuição espectral da irradiância solar sobre a região de Porto Alegre/RS, através de dados obtidos através da plataforma Giovanni e pela compilação dos dados de aproximadamente dez anos fornecidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e processados pela secretaria de Minas e Energia do Rio Grande do Sul para o desenvolvimento do Atlas Solar do Rio Grande do Sul. Para alcançar o objetivo foi avaliado o valor efetivo da Massa de Ar (AM) que impacta de forma significativa a distribuição espectral da radiação solar de uma região. O modelo computacional de transferência radiativa na atmosfera SMARTS2 foi utilizado como padrão para gerar os espectros efetivos mensais na região de interesse para dias de céu limpo, visto que o software possui uma melhor confiabilidade nesses períodos, bem como, para o espectro padrão ASTM G-173. A dissertação apresenta uma metodologia para considerar a AM efetiva selecionando as horas com índice limpidez horária acima de 0,6 e considerando um intervalo de AM que abranja 80% da conversão de energia, e com estas condições buscando o valor médio com ponderação na conversão fotovoltaica. Na comparação dos valores médios anuais, com um AM de 1,5, não houve uma diferença muito significativa na distribuição espectral, apresentando maior irradiância espectral do que o padrão para comprimentos de onda menores que 630 nm. Mesmo ao ser adotado para a região de Porto Alegre o valor médio efetivo de AM de 1,3 esta característica persiste. Além disso, as irradiâncias espectrais mensais também apresentaram uma diferença em relação ao padrão, sendo que, para os meses de inverno a distribuição espectral foi mais próxima àquela adotada pela ASTM. No verão o aumento de irradiância espectral para comprimentos de onda menores do que 630 nm foi bem mais acentuado. Como aplicação imediata dos espectros encontrados foi determinado o impacto destas diferenças espectrais em módulos fotovoltaicos de diferentes tecnologias, tendo-se encontrado que as novas versões dos módulos de telureto de cadmio são mais beneficiadas com a distribuição espectral de Porto Alegre, principalmente nos meses de verão.

In this dissertation, the monthly characterization of the spectral distribution of the solar irradiance over the region of Porto Alegre / RS will be addressed, through data obtained through the Giovanni platform and by the compilation of the data of approximately ten years provided by the National Institute of Meteorology (INMET) and processed by the Secretary of Mines and Energy of Rio Grande do Sul for the development of the Solar Atlas of Rio Grande do Sul. To achieve the objective, the effective value of the Mass of Air (AM) was evaluated, which significantly impacts the spectral distribution of solar radiation of a region. The computational model of radioactive transfer in the SMARTS2 atmosphere was used as a standard to generate the effective monthly spectra in the region of interest for clear days, since the software has a better reliability in these periods, as well as, for the standard spectrum ASTM G- 173. The dissertation presents a methodology to consider AM effective by selecting the hours with hourly cleanness index above 0.6 and considering an AM interval that covers 80% of the energy conversion, and with these conditions seeking the average value with weighting in the photovoltaic conversion. When comparing the annual mean values, with an AM of 1.5, there was not a very significant difference in the spectral distribution, showing greater spectral irradiance than the standard for wavelengths less than 630 nm. Even when the effective average AM value of 1.3 was adopted for the Porto Alegre region, this characteristic persists. In addition, the monthly spectral irradiance also showed a difference in relation to the standard, being that, for the winter months, the spectral distribution was closer to that adopted by ASTM. In the summer, the increase in spectral irradiance for wavelengths less than 630 nm was much more pronounced. As an immediate application of the found spectra, the impact of these spectral differences on photovoltaic modules of different technologies was determined, and it was found that the new versions of cadmium telluride modules are most benefited by the spectral distribution of Porto Alegre, especially in the summer months.