Estimativas de irradiação solar com horas de brilho solar processadas de forma automatizada por um programa computacional

Abstract

O objetivo deste estudo consistiu em propor modelos empíricos para estimar a irradiação solar global e a irradiação solar difusa, ambas em superfície horizontal e em escala diária (MJ/m²/dia), para o município de Botucatu, São Paulo, Brasil. Além disso, foram propostos modelos empíricos para estimar as horas de brilho solar utilizando medidas de irradiação solar como base. As horas de brilho solar foram coletadas por um programa computacional, empregando técnicas de processamento digital de imagens. Foram selecionados 6 modelos empíricos de irradiação solar e de horas de brilho solar, incluindo funções polinomiais de grau 1 a grau 4, logarítmicas e exponenciais. O teste de desempenho dos modelos empíricos ocorreu por meio dos indicadores de desempenho MBE, rMBE, RMSE, rRMSE e r. Para classificar os modelos com melhor desempenho utilizou-se o Índice de Desempenho Global (IDG). A utilização do IDG simplificou a análise de desempenho dos modelos empíricos, permitindo integrar os resultados individuais dos indicadores em um único valor. O modelo de polinômio de grau 3, construído com base nas horas de brilho solar, demonstrou desempenho superior na estimativa da irradiação solar global (MBE: 0,0357 MJ/m2 /dia, rMBE: 0,2179%, RMSE: 1,1945 MJ/m2 /dia, rRMSE: 7,2840%, r: 0,9732, IDG: 0,7705). No que diz respeito à irradiação solar difusa, o modelo de função exponencial, que incorporou as horas de brilho solar juntamente com a irradiação solar global, destacou-se, superando o desempenho dos demais modelos considerados (MBE: 0,3253 MJ/m2 /dia, rMBE: 5,2587%, RMSE: 0,9819 MJ/m2 /dia, rRMSE: 15,8733%, r: 0,9517, IDG: 0,7638). Para as horas de brilho solar, o modelo com polinômio de grau 4, baseado na irradiação solar global, mostrou-se mais adequado (MBE: -0,0203 h/dia, rMBE: -0,3010%, RMSE: 0,8129 h/dia, rRMSE: 12,0384%, r: 0,9691, IDG: 1,5150).

The objective of this study was to propose empirical models to estimate global solar irradiation and diffuse solar irradiation, both on a horizontal surface and on a daily scale (MJ/m²/day), for the municipality of Botucatu, São Paulo, Brazil. Additionally, empirical models were proposed to estimate sunshine duration using solar irradiation measurements as a basis. Sunshine duration was collected using a software employing digital image processing techniques. Six empirical models of solar irradiance and sunshine duration were selected, including polynomial functions from degree 1 to degree 4, logarithmic, and exponential functions. The performance test of the empirical models was conducted using performance indicators MBE, rMBE, RMSE, rRMSE, and r. To classify the models with the best performance, the Global Performance Index (GPI) was used. The use of GPI simplified the performance analysis of the empirical models, allowing the integration of individual indicator results into a single value. The polynomial model of degree 3, built based on sunshine duration, demonstrated superior performance in estimating global solar irradiation (MBE: 0.0357 MJ/m2 /day, rMBE: 0.2179%, RMSE: 1.1945 MJ/m2 /day, rRMSE: 7.2840%, r: 0.9732, GPI: 0.7705). In terms of diffuse solar irradiation, the exponential function model, which integrates sunshine duration along with global solar irradiation, emerged as the most effective, surpassing the performance of other considered models (MBE: 0.3253 MJ/m2 /day, rMBE: 5.2587%, RMSE: 0.9819 MJ/m2 /day, rRMSE: 15.8733%, r: 0.9517, GPI: 0.7638). For sunshine duration, the model with a degree 4 polynomial, based on global solar irradiation, proved to be more suitable (MBE: - 0.0203 h/day, rMBE: -0.3010%, RMSE: 0.8129 h/day, rRMSE: 12.0384%, r: 0.9691, GPI: 1.5150).