Estimativa e análise da distribuição espacial da - DSR

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Estimativa e análise da distribuição espacial da energia solar incidente para a região
do Distrito Federal
George Fernandes Azevedo1
Newton Moreira de Souza1
1
Universidade de Brasília – UnB
Campus Darcy Ribeiro - CEP 70910-900 - Brasília - DF, Brasil
[email protected]; [email protected]
Abstract: This research investigates the distribution of solar energy incurring in the whole area of the Federal
District on August 9, 2011. The creation and analysis of surface temperature data was also carried out for the
same date. The methodology applied is based on the calculation of energy received by a certain location when
radiations do not fall upon the surface in a perpendicular angle, depending, therefore, on geometrical and
geographic characteristics, period of the year and time of the day. Temperature estimation was carried out
through the application of the Malaret model, which uses the image’s thermal band generated by the Thematic
Mapper sensor of the Landsat 5 satellite for the date above mentioned. The incident solar energy was computed
for the period ranging from 6.30a.m. to 10a.m. in gaps of thirty minutes that were added by the end of the
procedure. It resulted in the generation of an incident energy map and an apparent surface temperature map for
the Federal District, which allowed quantifying the relationship among information produced as well as
determining their spatial distribution pattern within most relevant locations. Conclusions concern the definition
of factors that most influence solar energy distribution, with the verification that the main ones have geometric
nature. It was also noted that the behaviors displayed by temperature values are not an exclusive function of the
quantity of incident energy, once there are factors which go beyond the sun’s action controlling the results
observed.
Palavras-chave: remote sensing, GIS, solar radiation, sensoriamento remoto, SIG, radiação solar.
1. Introdução
Atualmente, época em que o consumo de energia está intimamente relacionado à
qualidade de vida, pesquisas voltadas para a criação e o uso de tecnologias referentes a fontes
alternativas de energia que utilizem recursos renováveis, visando reduzir os impactos
ambientais, têm sido estimuladas tanto pela crescente demanda energética, como pela
preocupação vinculada às consequências trazidas ao ambiente por intermédio do consumo de
combustíveis fósseis (Martins et al., 2005).
Neste contexto, a energia solar corresponde a uma das formas que tem apresentado
interesse mundial, por ser renovável e abundante nas regiões onde existe desenvolvimento de
atividades econômicas no planeta (Colle e Pereira, 1998). Conforme Estefanel et al. (1990), o
Sol mostra-se como fonte primordial de energia que mantém a vida no planeta, de maneira
que o seu destaque se amplia ao passo que as reservas energéticas convencionais têm se
exaurindo.
Pereira et al. (2002) destacam que todos os fenômenos atmosféricos e processos físicos,
químicos e biológicos presentes em ecossistemas agrícolas têm como causa principal a
radiação solar, de forma que a sua utilização pode ocorrer de variadas maneiras, como a
captura pela biomassa, aquecimento de ar e água para fins domésticos e industriais e
fotoeletricidade referente a pequenos potenciais.
Colle e Pereira (1998) e Tiba (2000) ressaltam que o Brasil demonstra um amplo
potencial associado à energia solar durante o ano todo, uma vez que a maior porção do seu
território situa-se na região intertropical. Em longo prazo, Pereira e Colle (1997) citados por
Martins et al. (2004) atentam que o uso da energia solar proporcionaria diversas vantagens
para o país, permitindo a oferta de energia em períodos de estiagem, favorecendo a redução da
dependência frente ao mercado de petróleo, diminuindo as emissões de gases poluentes na
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atmosfera e possibilitando o desenvolvimento de áreas longínquas, nas quais o custo da rede
elétrica convencional torna-se impraticável do ponto de vista de retorno financeiro.
Deste modo, a presente pesquisa teve como cerne a geração e a análise da carta
concernente à distribuição de energia solar incidente sobre a área do Distrito Federal para um
determinado horário do dia 9 de agosto de 2011. Valeu-se, também, da imagem do sensor TM
proveniente do satélite Landsat-5 para a data citada, a partir da qual foi gerado um mapa de
temperatura aparente de superfície para esta região em estudo, permitindo estabelecer uma
confrontação entre os valores obtidos. Isto possibilitou averiguar os aspectos de maior
destaque dentro do conjunto de resultados alcançados no presente trabalho, com a composição
de algumas explicações e conclusões relacionadas às implicações produzidas.
2. Metodologia de Trabalho
Buscou-se, inicialmente, computar o valor da energia solar incidente em toda área de
estudo valendo-se, para isso, das etapas estabelecidas por Costa (1982). A energia proveniente
do Sol recebida em um determinado local é função, entre outros fatores, da época do ano e da
hora do dia. Desta forma, tomou-se como base para os cálculos efetuados e para efeito de
comparação dos resultados, uma imagem procedente do sensor TM do satélite Landsat 5,
relativa ao dia 9 de agosto de 2011, cuja passagem se deu no horário de 10h00min.
Para a organização e manipulação dos dados espaciais necessários para o
desenvolvimento desta pesquisa, empregou-se o programa computacional SPRING 5.2
(Câmara et al., 1996), no qual foram criados um banco de dados e um projeto específicos para
este fim. Citam-se algumas características pertinentes ao projeto criado para este trabalho:
 Projeção e datum utilizados: UTM/ SIRGAS2000, zona 23;
 Retângulo envolvente definido em coordenadas planas:
X1 = 143.898 m; Y1 = 8.218.507 m;
X2 = 255.750 m; Y2 = 8.291.429 m;
Entre os insumos básicos de caráter espacial usados neste trabalho estão, além da imagem
TM Landsat 5 citada anteriormente, os valores da latitude para a região em estudo e o Modelo
Numérico de Terreno (MNT), concernente a todo território do Distrito Federal. Estes dados
foram estruturados no programa SPRING em planos de informações, sob o formato matricial,
contendo pixels com resolução espacial de 5m.
Conforme estabelecido por Costa (1982), nas situações em que as radiações solares não
incidem perpendicularmente à superfície, a energia que chega (E), em kcal.m-2.h-1, é dada pela
Equação 1.
Onde θ corresponde ao ângulo constituído pelos raios incidentes e a normal à superfície
considerada, representando o ângulo de incidência das radiações e E0 refere-se à energia solar
que recebida, sobre um plano perpendicular às radiações, em um determinado ponto da
superfície terrestre.
O cálculo do ângulo de incidência das radiações (θ) pode ser realizado a partir de ângulos
relacionados à orientação do Sol e aqueles que caracterizam a superfície em relação ao plano
horizontal do local. A Equação 2 traz a expressão empregada na obtenção do cosseno deste
ângulo.
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Em que:
δ compreende a declinação do Sol, que representa o ângulo entre o plano do Equador e a
direção Terra-Sol, sendo positiva para o norte. Em certa época, o cômputo da declinação usa a
fórmula empírica de Cooper assinalada pela Equação 3;
(
)
Onde:
n relaciona-se ao dia do ano considerado, contado consecutivamente a partir de 1 de janeiro;
φ refere-se à latitude do local, já estabelecida como um dado inicial, sendo positiva para o
norte;
A variável S na Equação 2 representa a inclinação da superfície com base à horizontal.
Dada uma superfície, o ângulo de desvio da sua linha normal quando comparada ao meridiano
do local corresponde a γ, que seria o azimute da superfície.
Os planos de informações compostos pelos dados da inclinação e do azimute da superfície
foram derivados a partir do MNT da região em estudo, referindo-se às grades numéricas de
exposição e declividade, respectivamente.
W apresenta-se como ângulo horário, o qual começa a ser medido em relação à posição
12 horas, correspondente a 0º, de forma que a cada hora acrescenta-se 15º, convencionando-se
que o período da manhã é positivo e o horário da tarde, negativo.
A fórmula empregada para definir os valores de E0 está mostrada pela Equação 4.
Nesta equação, a componente A representa a constante solar, cujo valor é igual a 1.162,2
kcal.m-2.h-1. Em se tratando da espessura da atmosfera referente à vertical ou zênite, a sua
transparência (t), em dias totalmente límpidos, apresenta um intervalo de variação de 0,7244 a
0,7888. Para o presente estudo, foi considerado o valor médio de t = 0,75.
O caminho percorrido pelas radiações, quando estas incidem de maneira obliqua, sofre
um aumento na sua magnitude de ordem e, fornecida pela seguinte fórmula:
√
θH configura-se como o ângulo de incidência da radiação com referência a superfície
horizontal do local, alterando-se com a latitude, época do ano e hora do dia. O cosseno deste
ângulo pode ser visto como um caso particular de cosθ, exatamente quando a inclinação da
superfície (S) é nula. Substituindo esta condição na Equação 2, cos θH será dado pela seguinte
expressão:
Tomando-se como base a formulação acima apresentada, procedeu-se a elaboração de um
aplicativo na linguagem LEGAL, presente no programa SPRING, no qual estivessem
implementadas as etapas concernentes a geração da energia solar incidente na região
analisada. De forma sintetizada, foi estabelecida a seguinte ordem para o cálculo:
 Definição de θH, o qual depende da época do ano, da hora do dia e da latitude do local;
 Cálculo da espessura relativa (e) da atmosfera;
 Cômputo de E0 referente à energia solar recebida no caso em que a superfície esteja
permanentemente perpendicular às radiações;
 Cálculo do cosseno do ângulo de incidência das radiações sobre superfícies orientadas
(cosθ);
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
Execução do produto entre E0 e cosθ (Equação 1), fornecendo ao final, o valor da
energia solar recebida por superfícies inclinadas.
A este resultado deve ser ainda multiplicado o período de tempo considerado, em horas,
fornecendo, por fim, a energia em kcal/m2.
Ressalta-se que os passos descritos resultam na definição de um plano de informação
referente aos valores de energia solar para toda área de estudo em relação a uma determinada
data e horário, com a mesma resolução espacial dos dados básicos de entrada mencionados
anteriormente. Conforme dados do Observatório Nacional, para a data 9 de agosto de 2011, o
amanhecer se deu às 06h30min. Desta maneira, houve a necessidade de computação da
energia incidente em relação ao período compreendido desde o alvorecer até o momento
correspondente a passagem do satélite, às 10h03min. Optou-se por dividir este período em
intervalos de 30 minutos, a partir de 06h30min, para os quais foi executado o procedimento
de cálculo estabelecido acima. Assim, a energia solar total para o Distrito Federal
correspondeu ao somatório dos resultados alcançados em cada uma das sete iterações
realizadas, devidamente multiplicados pelo valor de 0,5 horas, conforme a Equação 7.
∑
Onde:
ETotal refere-se ao plano de informação da energia solar incidente acumulada, em Wh/m2, a
partir do nascer do Sol até o horário da passagem do satélite;
A parcela correspondente a 0,5.Ei seria a grade numérica para a energia solar que chega a
cada 30 minutos, em kcal.m-2, iniciando às 6h30min e terminando às 10h. O valor de 0,8598
refere-se ao fator usado para converter a unidade de kcal para Watt-hora.
Na tentativa de dar continuidade às análises, estabeleceu-se os dados de temperatura para
a data avaliada, baseando-se na metodologia proposta por Malaret et al. (1985). Conforme
este método, o número digital de cada pixel da imagem da banda termal é convertido nos
respectivos valores da temperatura aparente de superfície, empregando-se, para tanto, uma
fórmula baseada em um modelo de regressão quadrática, o qual se encontra referenciado pela
Equação 8.
Onde:
T representa o valor da temperatura aparente da superfície em Kelvin;
DN é o número digital de cada pixel da banda termal.
Uma vez computados e armazenados, em uma grade numérica específica, os dados da
temperatura em Kelvin para toda região de interesse foram, então, convertidos para a unidade
de graus Celsius (°C) a partir da subtração, para cada célula desta matriz, do valor
correspondente a 273,15 K, o qual se refere ao ponto de congelamento da água ao nível do
mar.
Decorreu-se, então, a aplicação da técnica de fatiamento, com a adoção de classes
representativas, possibilitando a criação das cartas de energia solar total e de temperatura
referentes à região em estudo.
3. Resultados e Discussão
Os mapas elaborados a partir das etapas propostas pela metodologia possibilitaram
analisar a distribuição da energia solar por toda área de estudo, juntamente com a
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configuração das temperaturas de superfície processadas na data analisada. Na Figura 1
encontra-se a carta de energia incidente sobre o Distrito Federal para o período considerado.
Figura 1. Carta de distribuição da energia solar incidente no Distrito Federal.
Visualmente, verifica-se que a quantidade de energia que se destaca, em termos de
presença na composição do mapa, está relacionada à classe que compreende os valores entre
1250 Wh/m2 a 1375 Wh/m2, seguida pela categoria que varia de 1125 Wh/m² a 1250 Wh/m².
Este fato é ratificado pela distribuição das medidas de cada classe pela região em estudo,
conforme explicitado na Tabela 1, onde se verifica que a soma dessas duas classes
corresponde a 74% da área.
Tabela 1. Distribuição da área analisada pelas categorias de energia solar incidente.
Intervalos de energia
Percentual da área
solar incidente
de estudo
(Wh/m²)
0 a 250
0,33
250 a 500
0,71
500 a 750
1,47
750 a 1000
3,64
1000 a 1125
4,95
1125 a 1250
24,98
1250 a 1375
48,76
1375 a 1500
9,18
1500 a 1625
2,8
1625 a 1750
1,41
1750 a 2000
1,31
2000 a 2250
0,42
2250 a 2500
0,04
Observa-se, ainda, que as categorias extremas mostraram-se com baixa frequência,
evidenciando que há poucos locais que recebem tanto pequenas quanto grandes quantidades
de energia solar, de forma que a representatividade destas classes, quando comparadas com as
demais na determinação da área total, torna-se quase que irrisória.
A seguir, passou-se a investigar a configuração das temperaturas aparentes de superfície
de todo Distrito Federal, averiguando se existiria relação entre estas informações e os dados
encontrados de energia solar incidente na superfície. A carta correspondente às temperaturas
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alcançadas para a data de 9 de agosto de 2011, no horário da passagem do satélite, está
apresentada na Figura 2.
Figura 2. Carta de temperaturas aparentes de superfície para o Distrito Federal para a data
de 09/08/2011.
É possível constatar como as temperaturas de superfície se comportaram por todo Distrito
Federal, dentro de uma faixa predominante de 26ºC a 36ºC, com destaque para os pontos que
apresentaram os maiores resultados, referentes a valores acima de 36ºC, indicando a presença
de focos de queimadas, bem como aquelas áreas de temperaturas mais amenas, associadas aos
corpos d’água, às regiões de vegetação mais densa, como matas ciliares, e aos locais onde há
a prática da agricultura irrigada por intermédio do sistema de pivô central.
Ao efetuar-se a operação de tabulação cruzada entre os planos de informação
concernentes à energia solar incidente e a temperatura de superfície, pôde-se verificar
quantitativamente a disposição destas medidas em se tratando das várias classes utilizadas. Os
intervalos mais expressivos estão explicitados pela Tabela 2.
Tabela 2. Intervalos de temperatura e energia solar com as maiores porcentagens de áreas
classificadas dentro da região em estudo.
Intervalos de energia solar
Wh/m²
Intervalos de
temperatura
1000 a
1125 a
1250 a
1375 a
1125
1250
1375
1500
< 20ºC
0%
0,01%
0,54%
0%
20ºC a 24ºC
0,03%
0,34%
1,26%
0,07%
24ºC a 26ºC
0,3%
0,93%
1,68%
0,36%
26ºC a 28ºC
0,8%
2,71%
3,7%
1%
28°C a 30°C
1,41%
4,82%
8%
1,93%
30ºC a 32ºC
1,43%
5,9%
10,56%
2,62%
32ºC a 36ºC
0,9%
8,2%
17,4%
2,7%
36ºC a 40ºC
0,06%
1,9%
5,3%
0,45%
> 40ºC
0%
0,09%
0,27%
0,04%
Observa-se que, apesar das classes de 1125 a 1250 Wh/m² e de 1250 a 1375 Wh/m²
corresponderem juntas a quase 74% de área total do Distrito Federal, apenas três categorias de
temperaturas (28ºC a 36ºC) mostram-se efetivamente representativas dos intervalos de energia
solar citados. Outra questão de destaque refere-se à distribuição de temperatura para as classes
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inicial e final de energia incidente. Mesmo com uma menor quantidade de energia solar
associada, a classe relativa ao intervalo de 0 a 250 Wh/m² forneceu, no geral, uma maior
região classificada em temperaturas mais altas quando comparadas à categoria que varia de
2250 Wh/m² a 2500 Wh/m². Isto leva a crer na existência de fatores concernentes a natureza
da constituição dos materiais, refletindo nas suas características superficiais, externos,
portanto, a atuação do Sol, que controlam a variação e definição das temperaturas pelas
diversas partes da área analisada.
A informação mencionada anteriormente, referente, agora, a uma abordagem qualitativa
dos pontos de temperatura em função da energia recebida, pode ser mais bem representada
pelo gráfico da Figura 3.
Figura 3. Gráfico com os pontos que relacionam temperatura de superfície e energia solar
incidente.
Percebe-se que a maior amplitude de temperatura está situada exatamente na faixa de
energia entre 1000 Wh/m² e 1500 Wh/m², com registros que variam de 15ºC e ultrapassam
45ºC. É possível verificar que, para valores de energia inferiores a 250 Wh/m², há o registro
de temperaturas elevadas, superiores a 40°C. Observa-se, ainda, que para o intervalo de
energia determinado neste trabalho, a maior parte das temperaturas estabelecidas apresenta-se
entre 22ºC e 36ºC. O comportamento teórico aguardado, no qual se esperava o aumento
gradual de temperatura à medida que crescesse a incidência de energia solar, não se
processou. A explicação para isto está novamente relacionada ao que foi mencionado acima.
As características ambientais e antrópicas de determinados locais seriam determinantes para a
definição da temperatura alcançada.
4. Conclusões
Com base nas análises efetuadas neste trabalho foi possível constituir algumas conclusões
acerca do arranjo referente aos valores de energia solar incidente no Distrito Federal, assim
como a integração existente entre essa medida e as temperaturas de superfície. A distribuição
espacial da energia solar se processou de forma heterogênea por toda região em estudo, sendo
fortemente influenciada pela declividade e exposição das vertentes. Para o período avaliado,
uma grande parcela do Distrito Federal, relativa a mais de 73% do seu território, manteve-se
em uma faixa de energia variando de 1125 a 1375 Wh/m². As demais classes corresponderam
a porcentagens bem menores, principalmente as categorias extremas, apresentando, desta
forma, baixa representatividade.
Analisando os planos de informação que contém os dados de energia solar e de
temperatura, pôde-se observar que, apesar da existência de uma grande variação destas
medidas, a maior parte das informações geradas se manteve em um número restrito de
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categorias. Além disso, verificou-se variados comportamentos, com locais que tiveram pouca
incidência de energia solar e altas temperaturas, assim como o oposto. Para uma mesma faixa
de energia solar incidente, foi averiguada uma ampla variação quanto ao valor de temperatura
superficial. A elucidação de tais ocorrências recai na existência de fatores exteriores a ação
exercida pelo Sol, como características ambientais e da constituição dos materiais, que
governam o comportamento de distribuição das temperaturas.
A metodologia aplicada mostrou-se eficiente do ponto de vista prático de implementação
e processamento, considerando a vasta extensão da área analisada e a dimensão do pixel
utilizado. Para cada iteração, referente ao período de 30 minutos, houve a necessidade do
processamento durante aproximadamente uma hora para a obtenção do plano de informação
correspondente. Assim, mostra-se de grande valia o uso de modelos voltados para a
estimativa do potencial de exploração da energia solar para áreas extensas, os quais podem se
configurar, ainda, como instrumento de entendimento para os variados processos vinculados a
meteorologia e climatologia, dos quais dependem inúmeras atividades humanas.
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