Estudo, desenvolvimento e caracterização de radiômetros para medidas da radiação solar

• Main Author: Waldeir Amaral Vilela
• Other Authors: Antônio Fernando Beloto
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2010
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2010/09.17.18.50

O estudo da radiação solar que chega à superfície da terra é de fundamental importância dentro do contexto das mudanças climáticas globais e suas aplicações vão desde a compreensão do clima do planeta até a otimização de sistemas de energia. A importância do tema pode ser estimada pelo grande número de pesquisas que tem como escopo o estudo da radiação solar e de suas componentes, tanto em abordagem teórica como experimental. O Brasil possui um potencial energético solar imenso e o seu aproveitamento se apresenta como uma excelente alternativa devido ao baixo impacto ambiental, mas para a utilização desta forma de energia em larga escala é necessário um esforço para que haja domínio tecnológico e capacitação do parque industrial nacional na produção de dispositivos capazes de medir e monitorar a radiação solar. A ausência de uma indústria nacional destes dispositivos faz com que eles sejam importados com custos elevados. Com o objetivo de atender as necessidades de engenheiros, pesquisadores, meteorologistas e ambientalistas, foi desenvolvido neste trabalho um radiômetro para medida da radiação solar global de baixo custo e um dispositivo de aquisição de dados dedicado ao monitoramento da radiação solar. O desenvolvimento destes dispositivos se deu através de uma parceria entre LAS/INPE, LME/USP e a empresa Orbital Engenharia Ltda., tendo como objetivo a transferência da tecnologia ao setor produtivo privado. Para isso, foi utilizada de forma pioneira na área acadêmica uma metodologia de desenvolvimento que é utilizada comumente no INPE nos projetos de satélites e de outros componentes de aplicações espaciais. Dentro da metodologia utilizada, o projeto nasceu com a concepção dos produtos que foram definidos a partir das especificações feitas com auxilio de uma intensa pesquisa e através de sugestões de colaboradores e usuários destes dispositivos. O radiômetro desenvolvido é destinado à medida de radiação solar global e tem como característica particular o uso de uma célula solar de silício monocristalino convencional como elemento sensor. A célula solar utilizada foi produzida no LME/USP, e possui tipicamente uma tensão de circuito aberto de 580 mV, corrente de curto circuito de 70 mA e 13,5\% de eficiência. A resposta espectral do radiômetro desenvolvido é de 400 nm a 1100 nm, sensibilidade típica de 20 $\mu$V/Wm$^{-2}$, tempo de resposta menor que 10 ms, resposta compatível com a lei dos cossenos e precisão de $pm$ 3\%. O dispositivo de aquisição de dados é um \textit{datalogger} dedicado para medida da radiação, de 12 bits, 5 Mbyte de memória e baixo consumo de energia, capaz de adquirir e armazenar dados de quatro radiômetros e dois termopares, durante mais de um ano. Os sinais dos sensores medidos são convertidos em valores e unidades adequadas e são enviados para memória. Os dados também podem ser simultaneamente apresentados no mostrador do dispositivo ou enviados a um microcomputador. Para que o radiômetro tenha valor como um instrumento de medida confiável, ele foi calibrado por comparação com um padrão de referência que tem certificação e rastriabilidade. Para os testes e caracterizações dos radiômetros foram montados no laboratório de células solares do LAS/INPE três sistemas básicos: sistema de medida da radiação por comparação com um sensor padrão ou caracterização relativa, sistema de medida da resposta à lei dos cossenos e sistema de medida de resposta espectral. Nos protótipos desenvolvidos do radiômetro também foram realizados testes ambientais de umidade, radiação ultravioleta e névoa salina para determinar a conformidade dos dispositivos em relação aos requisitos de qualidade. === The study of solar radiation on the earth's surface is considered of fundamental importance within the global context of climate change. Its applications range from the understanding of the planet's climate to the optimization of energy systems. Such importance can be estimated by the extensive existing research on the study of solar radiation and its components, both theoretically and experimentally. Brazil has a great solar energy potential and its exploitation is presented as an excellent energy source alternative due to its low environmental impact. On the other hand, to use this energy on a large scale, it is necessary to develop appropriate technology and training of the national industrial park in order to produce devices capable of measuring and monitoring solar radiation. As a result of the absence of domestic industry, these devices have to be imported at high costs. Aiming to support the needs of engineers, researchers, meteorologists and environmentalists, a radiometer was developed in this work to measure solar radiation at low cost as well as a data acquisition device to monitor solar radiation. The development of these devices was carried out through a partnership among LAS/INPE, LME/USP, and Orbital Engenharia Ltda, in order to transfer technology to the private sector. To do so, a pioneer methodology in the academic area, which is commonly used in projects of INPE satellites and other components for space application, was used. The project was conceived taking into consideration the design of products that have been defined based on the specifications of intensive research and on the suggestions from developers and users of these devices. The developed radiometer is used for the measurement of global solar radiation. Its specific feature is the use of a single crystal silicon solar cell as sensor element. The solar cell was produced at the LME/USP and has a typical open circuit voltage of 580 mV, short circuit current of 70 mA and 13,5\% efficiency. The spectral response of the radiometer was developed for 400 nm to 1100 nm, typical 20 $\mu$V/Wm2 sensitivity, response time less than 10 ms, which is consistent with the law of cosines, and typical precision error of $\pm$ 3\%. The data acquisition device, used to measure radiation, is a datalogger of 12 bits, 5 Mbyte of memory and low power consumption, able to acquire and store data from four radiometers and two thermocouples for over a year. The measured signs are converted into appropriate units and are sent to memory. Data can also be simultaneously shown on the device display or sent to a microcomputer. The radiometer was calibrated by comparison with a certified and traceable reference standard in order to assure its measuring reliability For testing and characterization, three basic systems were assembled in the laboratory of solar cells LAS: a system for measuring radiation by comparison with a standard sensor or relative characterization, a system for measuring the response to the law of cosines, and a system for measuring spectral response. The developed prototypes were also submitted to the following environmental tests: humidity, salt spray, and ultraviolet radiation to determine the conformity of the devices in relation to quality requirements.