Impacto dos aerossóis atmosféricos no fator espectral de módulos fotovoltaicos em São Paulo
Data
2021-05-14
Autores
Bet, Luís Gustavo 
Orientadores
Martins, Fernando Ramos
Rosário, Nilton Manuel Évora do
Tipo
Dissertação de mestrado
Título da Revista
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Título de Volume
Resumo
A geração de energia a partir da energia solar é uma alternativa com potencial de contribuir para atingir os objetivos de desenvolvimento sustentável no setor energético. A aplicação da tecnologia fotovoltaica em centros urbanos, com instalação de pequenas plantas geradoras, vem sendo amplamente apontada como uma forma viável de geração distribuída próximo a grandes pólos consumidores. Ao mesmo tempo que a aplicação das tecnologias fotovoltaicas apresenta um crescimento contínuo, a poluição atmosférica, um problema crônico das grandes cidades, pode impactar negativamente a sua produtividade. A relação entre a geração de energia via tecnologia fotovoltaica e poluição apresenta uma certa ambiguidade, pois a tecnologia é cotada para ajudar na redução das emissões de gases do efeito estufa proveniente da produção de energia elétrica. Por outro lado, os poluentes atmosféricos podem impactar no desempenho dos módulos fotovoltaicos em áreas urbanas, sendo que o poluente mais responsável pela atenuação da radiação na atmosfera são os aerossóis, que podem causar a atenuação da quantidade total da radiação solar incidente na superfície assim como alterar a sua distribuição espectral. Sendo assim, este projeto buscou investigar, a partir do caso da cidade de São Paulo, como a variação na quantidade e na natureza dos aerossóis atmosféricos podem afetar a performance das placas fotovoltaicas localizadas em grandes centros urbanos. Além dessa análise, outras importantes e complementares para o objeto de estudo em questão foram também desenvolvidas: a) caracterização da variabilidade sazonal e interanual das propriedades ópticas dos aerossóis em São Paulo para o período do estudo; b) estudos numérico e observacional da sensibilidade da irradiância solar espectral disponível em superfície à geometria de iluminação (Ângulos Zenital e Azimutal Solar), propriedades ópticas dos aerossóis, especialmente a profundidade óptica do aerossol, e ao conteúdo integrado de vapor d’água na atmosfera. Em relação a caracterização das propriedades ópticas do aerossol urbano, os resultados convergiram com os obtidos em estudos anteriores, forte sazonalidade na carga de aerossóis em São Paulo, com o pico nos meses de agosto e setembro, associado ao transporte de material particulado das regiões de queimadas e condições atmosféricas que limitam a dispersão dos poluentes atmosféricos. Os testes numéricos de sensibilidade reforçaram o papel da massa óptica atmosférica como um dos principais moduladores da irradiância espectral solar em superfície, entretanto essa influência é significativamente dependente da composição da atmosfera, que foi o caso observado em diferentes cenários de carga de aerossol. As influências dos parâmetros ambientais e geometria solar foram sentidos não só na irradiância espectral, mas também pelos sistemas fotovoltaicos avaliados, através de perdas e ganhos de desempenho sazonalmente e diariamente. Estas variações, representadas pelo fator espectral (SF) ocorreram de forma singular para cada um dos sistemas fotovoltaicos avaliados.
Electricity generation by solar energy is an alternative with great potential to contribute to reaching sustainable development goals in the energy sector. Photovoltaic technologies applied in urban areas are being pointed out as a viable path for distributed generation close to big consumer centers. At the same time that photovoltaic technologies present a continuous growth rate, air pollution, a recurrent problem in urban areas, is expected to have a negative impact on the productivity of these technologies. The relationship between solar energy technologies and air pollution is ambiguous, the photovoltaic technologies are pointed out as a clean alternative solution to reduce greenhouse gas emissions from electric energy matrices, on the other hand, air pollution can negatively affect the performance of photovoltaic systems. The main air pollutant responsible for solar radiation attenuation are the aerosols particles. They can cause a reduction of the total solar radiation at the surface, as well as modifying the solar spectrum. Therefore, this study aims to investigate how the variability of the load and composition of atmospheric aerosols in high-density urban areas like São Paulo city can affect photovoltaic system performance. In addition, other significant and complementary studies were developed: a) Description of seasonal and interannual variability of aerosols optical properties over a decade for Sao Paulo; b) numerical and experimental studies of spectral solar irradiances sensibility regarding the insolation geometries, aerosols optical properties, especially aerosols optical depth (AOD), and amount of water vapor (PW) integrated over air column. Results obtained for the aerosols’ optical properties characterization are consistent with previous studies for Sao Paulo city. The observed AOD's pattern shows strong seasonality with the highest values along the dry season, especially in August and September These values are associated with the transport of particulate matter from native biomass burning areas, and also, due to atmospheric conditions that limit air pollutants dissipation. Moreover, numerical and experimental reinforced the influence of optical air mass as one of the main modifiers of spectral solar irradiance at the surface, and whose effects magnitude are significantly dependent on the atmospheric composition, as shown for atmospheric aerosols loading. The influence of these environmental factors and solar geometry is also observed on the photovoltaic systems performance, with seasonal and daily variations. These variations, represented by spectral factor (SF), occurred differently for each of the photovoltaic systems analyzed.
Electricity generation by solar energy is an alternative with great potential to contribute to reaching sustainable development goals in the energy sector. Photovoltaic technologies applied in urban areas are being pointed out as a viable path for distributed generation close to big consumer centers. At the same time that photovoltaic technologies present a continuous growth rate, air pollution, a recurrent problem in urban areas, is expected to have a negative impact on the productivity of these technologies. The relationship between solar energy technologies and air pollution is ambiguous, the photovoltaic technologies are pointed out as a clean alternative solution to reduce greenhouse gas emissions from electric energy matrices, on the other hand, air pollution can negatively affect the performance of photovoltaic systems. The main air pollutant responsible for solar radiation attenuation are the aerosols particles. They can cause a reduction of the total solar radiation at the surface, as well as modifying the solar spectrum. Therefore, this study aims to investigate how the variability of the load and composition of atmospheric aerosols in high-density urban areas like São Paulo city can affect photovoltaic system performance. In addition, other significant and complementary studies were developed: a) Description of seasonal and interannual variability of aerosols optical properties over a decade for Sao Paulo; b) numerical and experimental studies of spectral solar irradiances sensibility regarding the insolation geometries, aerosols optical properties, especially aerosols optical depth (AOD), and amount of water vapor (PW) integrated over air column. Results obtained for the aerosols’ optical properties characterization are consistent with previous studies for Sao Paulo city. The observed AOD's pattern shows strong seasonality with the highest values along the dry season, especially in August and September These values are associated with the transport of particulate matter from native biomass burning areas, and also, due to atmospheric conditions that limit air pollutants dissipation. Moreover, numerical and experimental reinforced the influence of optical air mass as one of the main modifiers of spectral solar irradiance at the surface, and whose effects magnitude are significantly dependent on the atmospheric composition, as shown for atmospheric aerosols loading. The influence of these environmental factors and solar geometry is also observed on the photovoltaic systems performance, with seasonal and daily variations. These variations, represented by spectral factor (SF), occurred differently for each of the photovoltaic systems analyzed.