Radiazione solare diretta: misure a terra e loro rilevanza nelle applicazioni industriali per la...

La radiazione solare diretta (DNI): le misure a terra e la loro rilevanza

nelle applicazioni industriali per la produzione di energia

Marco Camerada Cagliari, 19 aprile 2012

Collana di seminari per la valorizzazionedei risultati della Ricerca al CRS4

Percorso B – Energia Solare a Concentrazione

SOMMARIOSOMMARIO

● Contesto di riferimento su misure ed analisi radiazione solare● La radiazione solare diretta (DNI) e le grandezze osservabili● La misura della DNI finalizzata alla realizzazione di impianti solari a

concentrazione● La misura della radiazione solare al suolo

● Gli strumenti di misura● Le stazioni meteosolari e criteri di localizzazione

● Campagne di misura in corso e analisi dei dati● Modalità di acquisizione dati e dati misurati● Condizioni limite del sito e giorno medio, ● Parametro di nuvolosità e indice di clearsky● Spettro di intensità, Durata media dei periodi sopra soglia

● Rilevanza delle analisi locali sulla radiazione solare e conclusioni

M. Camerada, Cagliari 19-04-2012Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 2

La radiazione solare a terraLa radiazione solare a terra


●Scattering di Rayleigh: interazione con le molecole d’aria●Scattering di Mie: interazione con gli Aerosol●Scattering geometrico: diffusione dovuta al ghiaccio e alle gocce d'acqua ●Assorbimento molecolare di: O

3, H

2O, O

2, CO

2

Processi dipendenti alle condizioni atmosferiche e dalla massa d'aria, sono quindi fortemente legati dalle condizioni microclimatiche locali

Interazione Radiazione-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera


● Radiazione solare Diretta DNI: è la densità di flusso della radiazione solare per unità di superficie ricevuta su un piano perpendicolare alla direzione del Sole(Unica componente utilizzabile da sistemi a concentrazione)

● Radiazione solare Diffusa Orizzontale DHI: è la densità di flusso della frazione della radiazione solare che urta contro le molecole e le polveri, venendo riflessa in tutte le direzioni

● Radiazione solare Globale Orizzontale GHI: è la densità di flusso della radiazione solare per unità di superficie ricevuta su un piano orizzontale e rappresenta la somma della DNI con la radiazione solare diffusa.

Le grandezze osservabili

GHI=DNI⋅coszDHI


z= angolo zenitale


Effetto cosenoè la riduzione della radiazione solare dovuta all'incidenza su una superficie inclinata rispetto alla direzione normale alla propagazione della radiazione

G0,h=G 0cosz W /m2

Coordinate Altazimutali

z : angolo zenitale : altezzaA : azimuthz=90°−



Contesto di riferimento Contesto di riferimento

● La DNI ha grande variabilità spaziale e temporale● Misure della DNI scarsamente disponibili e campagne di misura costose● Necessità di valutare la possibilità di realizzare impianti CSP in un'area

della Sardegna● Mancanza di misure pubbliche di DNI in Sardegna● Campagne di misura della DNI svolte negli anni '90 da ENEL Ricerche a

Quartucciu (CA)● CRS4 incaricato di raccogliere ed analizzare i dati di irraggiamento

misurati dalle stazioni meteo-solari installate nel luglio 2009 presso Ottana (Ottana Energia) e Macchiareddu (Sorgenia)

● Campagna di misura per Sorgenia a valle dei positivi risultati ottenuti nello studio di prefattibilità sviluppato dal CRS4 nel 2008 per il progetto Macchiasol (impianto CSP con concentratori lineari parabolici da 50 MW)


Contesto di riferimentoContesto di riferimento


Fonte: NREL/TP-550-47465

Importanza delle misure di DNI al suolo per lo sviluppo di impianti solari a concentrazione

Il piranometro:

è uno strumento che misura la radiazione solare proveniente da un angolo solido di 2π sr su una superficie piana.

L'elemento sensibile di un piranometro è una termopila formata da n termocoppie collegate in serie ed è posta a contatto con una sottile superficie assorbente e annerita. La d.d.p generata è proporzionale alla differenza di temperatura e quindi alla radiazione raccolta

La superficie è schermata con uno o due calotte sferiche, ed isolata per evitare perdite di calore dovute alla convezione e alla conduzione.

É presente un deviatore per la radiazione riflessa dal piano

Gli strumenti di misuraGli strumenti di misura

La misura della GHI e della DHI: il piranometro



La misura della GHI e della DHI

Sun Tracker: inseguitore solare dotato di un computer per il calcolo delle effemeridi del Sole e di un sun-sensor per la correzione del puntamento.Accuratezza <0,01°



La risposta spettrale del piranometro

La misura dellaradiazione



La misura della DNI: il pireliometroIl pireliometro:

è uno strumento che misura la radiazione solare proveniente da un angolo che varia da 5° a 10°. E' posizionato su un Sun Tracker.

L'elemento sensibile di un pireliometro è una termopila formata da n termocoppie collegate in serie ed è posta a contatto con una sottile superficie assorbente e annerita. La d.d.p generata è proporzionale alla differenza di temperatura e quindi alla radiazione raccolta

L'elemento sensibile si trova sul fondo in un tubo annerito, costruito per accettare la radiazione da un cono di ampiezza pari a 5°-10° (angolo sotteso dal Sole 32')



La risposta spettrale del pireliometro

La misura dellaradiazione


Stima dell'errore:l'errore non è lineare e le principali fonti principali di errore sulle misure sono:

➔ Sensibilità non lineare dovuta alla dipendenza dalla temperatura

➔ errore direzionale (Piranometro)

Raccomandazioni:➔ monitoraggio annuale della curva

di sensibilità➔ calibrazione biennale degli

strumenti






Pyranometers Specifications List

Class of Pyranometers *

● Pireliometro (DNI):ISO First Classerrore sul valore dell'energia cumulata in un intervallo inferiore all'ora ± 2,5%

● Piranometro (DHI; GHI):ISO Secondary Standarderrore sul valore dell'energia cumulata in un intervallo inferiore all'ora ± 2,6%



● Stazione meteosolare tipo:Miglior accuratezza ma richiede monitoraggio e manutenzione frequente

Fonte: ENEA Stazione meteosolare Specchia (Lecce)

M.Camerada, M.Floris, Cagliari 16-04-2012Misura e analisi della DNI per installazioni CSP-CPV 18

● Stazione meteosolare con RSR (Rotating Shadowband Radiometer) meno accurata ma più adatta ad installazioni isolate

Campagna di misura: centraline meteosolariCampagna di misura: centraline meteosolari


Campagna di misura: localizzazione centralineCampagna di misura: localizzazione centraline

● Finalità della campagna di misura● Localizzazione

(terreno regolare, orizzonte libero da ostacoli, disponibilità alimentazione, facilità di accesso....)

● Sicurezza(ancoraggio, adeguata protezione o recinzione...)

● Alimentazione(connessione alla rete, batterie, UPS, PV o Wind..)

● Scelta del sistema di acquisizione in base alle esigenze specifiche(storage capacity, sample interval/speed...)

● Sistema di comunicazione dati● Manutenzione della strumentazione● .....


Campagna di misura: localizzazione centralineCampagna di misura: localizzazione centraline

Principali fattori da considerare per la scelta e l'installazione della centralina di rilevazione meteosolare (Fonte: NREL/TP-550-47465)

Le stazioni di rilevamento meteo solari installateLe stazioni di rilevamento meteo solari installate

● Gli strumenti installati:● Pireliometro (ISO First Class), alloggiato

in modo solidale ad un inseguitore solare automatico (solar tracker dotato di sun sensor), per la misura della radiazione solare diretta (DNI).

● Piranometro(ISO Secondary Standard), oscurato da una shadow-ball solidale al solar tracker, per la misura della radiazione solare diffusa sul piano orizzontale (SR).

● Termo-igrometro, per la misura della temperatura (AT) e dell’umidità relativa (RH).

● Barometro, per la misura della pressione atmosferica (AP).

● Centralina installata ad Macchiareddu (CA): Latitudine: 39,24792 N Longitudine: 8,97163 E Quota s.l.m.: 8 m.



● Gli strumenti installati:● Pireliometro (ISO First Class) per la

misura della radiazione solare diretta (DNI), alloggiato in modo solidale ad un inseguitore solare automatico (solar tracker dotato di sun sensor) .

● Piranometro (ISO Secondary Standard), per la misura della radiazione solare globale sul piano orizzontale (GHI).

● Termo-igrometro, per la misura della temperatura (AT) e dell’umidità relativa (RH).

● Barometro, per la misura della pressione atmosferica (AP).

● Tacoanemometro e gonioanemometro, per la misura, rispettivamente, della velocità (WS) e direzione del vento (WD).

● Centralina installata ad Ottana (NU): Latitudine: 40,23797 N

Longitudine: 9,02668 EQuota s.l.m.: 190 m.



● Giornalmente, per ciascuna delle grandezze acquisite, vengono archiviati 144 valori relativi agli intervalli di 10 minuti compresi tra le 0.00 e le 23.50

● A Macchiareddu la radiazione globale sul piano orizzontale non è misurata ma viene calcolata dal DataLogger utilizzando le misure della radiazione diffusa e diretta e dell’elevazione del sun tracker

● Ad Ottana la radiazione diffusa non è misurata ma viene calcolata dal DataLogger utilizzando le misure della radiazione globale e diretta e dell’elevazione del sun tracker

● I dati possono essere acquisiti in remoto tramite modem GSM, a Macchiareddu è disponibile anche un collegamento ethernet

Le modalità di acquisizione dei dati

(Macchiareddu)


Dati misuratiL'analisi dei dati acquisitiL'analisi dei dati acquisiti

DNI DNI

DNI

GHI

GHI

GHI

DHI

DHI

DHI


Polveri:una componente importante che aumenta l'errore sulle misure è dovuta alla deposizione delle polveri sulla superficie dello strumento

Raccomandazioni: monitiraggio dei dati e pulizia dello strumento a cadenza giornaliera o seguendo l'evoluzione del tempo (pioggia, vento, etc.);

le operazioni di pulizia vanno monitorate per stimare la perdita di radiazione. (Necessità di stazione monitorata se no errore fino a 15%)

L'analisi dei dati acquisiti: verifica delle misure e puliziaL'analisi dei dati acquisiti: verifica delle misure e pulizia


Giorno limite: giorno fittizio che rappresenta il profilo di radiazione massimo ottenibile per il giorno migliore del mese in esame. Il grafico del giorno limite viene costruito prendendo i valori massimi assunti dalla radiazione normale diretta (DNI) per ciascun intervallo di acquisizione di 10 minuti compreso tra le ore 0:00 e le ore 23:50.

Giorno medio: giorno fittizio rappresentativo delle condizioni medie mensili della DNI. Il grafico del giorno medio viene costruito facendo la media dei valori della DNI (mediata sui 10 minuti), acquisiti giornalmente, per ciascun intervallo di acquisizione di 10 minuti compreso tra le ore 0:00 e le ore 23:50.

L'analisi dei dati acquisitiL'analisi dei dati acquisiti

Il giorno limite permette di conoscere le condizioni “limite” del sito in esame

Condizioni limite del sito e giorno medio



Parametro di nuvolosità:

varia tra:

1 nuvolosità massima

0 assenza di nuvolosità

Ci permette di confrontare l'andamento della copertura nuvolosa mese per mese e con i corrispettivi mesi delle serie storiche.

Pnu=1−EDNI med

E DNI max


Per quantificare il numero dei giorni sereni, poco nuvolosi e nuvolosi, rispetto alla radiazione solare diretta, si è definito un nuovo parametro: l’indice di Clear Sky: è il rapporto fra la radiazione solare diretta misurata nell’intervallo di tempo e la radiazione solare diretta raccolta nel giorno limite nelmedesimo intervallo di tempo. L’indice di Clear Sky può assumere valori in un intervallo compreso fra 0 (copertura nuvolosa totale) ed 1 (cielo al massimo valore di trasparenza).Per studiare l’andamento annuale della copertura nuvolosa giornaliera, si è misurato l’indice diClear Sky giornaliero e si sono definiti dei valori di soglia pari a:10%: cielo molto nuvoloso20%: cielo nuvoloso70%: cielo poco nuvoloso80%: cielo sereno o poco nuvoloso90%: cielo sereno e totalmente sgombro di nubi

L'analisi dei dati acquisiti: indice di clearskyL'analisi dei dati acquisiti: indice di clearsky



Spettro di intensità della DNI: grafico costruito calcolando per il periodo in esame, per ogni intervallo di DNI indicato in ascisse, il corrispondente numero di ore medie giornaliere (o numero di ore totali nel periodo in esame) ricadenti nel suddetto intervallo. Può essere riferito ad un mese o all’intero anno e mostra in quali intervalli di radiazione si concentra maggiormente la DNI del sito analizzato.

Caratterizza il sito ed il periodo in esame



Durata media dei periodi con valore sopra soglia della DNI: grafico costruito riportando in ordinata il numero di ore per il periodo in esame in cui la radiazione solare diretta si è mantenuta al di sopra del valore di radiazione riportato in ascissa. Le informazioni che si possono ricavare fissando una radiazione minima di soglia di funzionamento dell’impianto sono importanti per una corretta valutazione della producibilità dello stesso.

Caratterizza il sito ed il periodo in esame


Rilevanza delle analisi effettuate e loro sviluppoRilevanza delle analisi effettuate e loro sviluppo

Analisi su spettro di intensità della DNI utili nel confronto tra siti

Stessa energia cumulata della DNI (1950 kWh/m2)differenti spettri di intensità



Diversi valori di produzione elettrica

● Spagna circa 160 GWh● India circa 190 GWh




(fonte webinar 2012 C. Gueymard)

La stime della DNI al suolo da modelli satellitariLa stime della DNI al suolo da modelli satellitari

● Modelli sulla DNI:

Solemi, SoDa, Solarmet, Solis-Heliosat 3

● Struttura dei modelli:● Clear-Sky (assorbimento

dovuto all'Ozono,Vapor d'acqua,Aerosol)

● La copertura nuvolosa: Immagini METEOSAT


ConclusioniConclusioni

● Le analisi effettuate sulle condizioni limite e sugli spettri d’intensità confrontate con le serie storiche satellitari portano a ritenere che i siti esaminati in Sardegna hanno valori di DNI incoraggianti per lo sviluppo di iniziative nel settore del CSP

● Per poter valutare con buona confidenza la DNI dei siti esaminati occorrerebbero al minimo tre anni di misura

● Per poter analizzare correttamente i dati acquisiti sono risultati estramamente importanti il monitoraggio e la frequenza della pulizia degli strumenti installati (in particolare del pireliometro)

● Necessità di integrare i dati delle misure al suolo con i dati ricavati da modelli satellitari validati locamnte per disporre dei lunghe serie temporali


Bibliografia e riferimenti utiliBibliografia e riferimenti utili

● NREL/TP-550-47465: “Concentrating Solar power. Best Pratices Handbook for the Collection and Use of Solar Resource Data”; Stoffel T., Renné D., Myers D., Wilcox S., Sengupta M., George R., Turchi C. (2010)[ http://www.nrel.gov/docs/fy10osti/47465.pdf ]

● ENEA: “La misura e la stima della radiazione solare: l'archivio ENEA e il sito internet dell'Atlante italiano della radiazione solare per la pubblicazione dei dati”; Spinelli, Cogliani, Maccari, Milone (2007)[ http://www.solaritaly.enea.it/index.php ]

● WMO: “Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation”, WMO-No. 8, settima edizione (2008)

● La misura della radiazione solare diretta in Italia[ http://www.solarthermalpower.it/storia%20radiazione%20solare%20Sud%20Italia.htm ]

● RSE – Metrologia per l'energia solare[ http://meteo.rse-web.it/testiMeteo.asp?tema=Solare&page=1 ]


Back Up SlidesBack Up Slides

● Costante solare media:

Gsc

=1367 W/m2(Iqbal 1983)

● A causa dell’eccentricità dell’orbita terrestre, la distanza Terra – Sole varia nell’arco dell’anno causando una variazione dell’irraggiamento extraterrestre di circa ±3,4%.

La radiazione solare extra-atmosferica La radiazione solare extra-atmosferica

● Variazione della costante solare a causa del ciclo solare:

Gsc_max

=1367,9 W/m2 ; Gsc_max

=1363,5 W/m2 (Soho 2003)


● Calcolo approssimato per la variazione della costante solare


G0=GSC [10,034 cos 360N365,25]W /m2

N : numero dei giorni

Effetto cosenoè la riduzione della radiazione solare dovuta all'incidenza su una superficie inclinata rispetto alla direzione normale alla propagazione della radiazione


G0, h=G 0 cosz W /m2

Coordinate Altazimutali

z : angolo zenitale: altezzaA: azimuthz=90 °−


● Equinozi:

21 marzo; 21 settembre ● Solstizi:

21 dicembre; 21 giugno

Percorso apparente del Sole: equinozi e solstizi

Solstizio invernomax=90°−°23° 27 ' Solstizio estatemax=90°−°−23° 27 ' Equinozimax=90°−°= latitudine

Cagliari lat. 39° 14 'Solstizio invernomax=27° 19 'Solstizio estatemax=74° 13 'Equinozimax=50° 46 '

La radiazione solare extra-atmosferica La radiazione solare extra-atmosferica Il sistema di coordinate Equatoriali Orarie

Questo sistema permette di descrivere la posizione di un oggetto celeste tenendo conto della rotazione terrestre

CoordinateEquatoriali Orarie

angolo di declinazione :è l ' angolo fra la direzioneTerra−Sole e il piano equatoriale angoloorario :

è l ' angolo fra il meridianolocale e il cerchio orario che passa per il Sole angolodi latitudine

Energia Giornaliera per m2 Extra-atmosferica, calcolata su un piano normale e su una superficie orizzontale (1Mj=0,28kWh)


La massa d'aria mÈ il rapporto tra il cammino percorso da un raggio di sole nell’atmosfera ed il cammino minimo allo zenit, quando il raggio solare incide normalmente alla superficie terrestre.

m=0 assenza di massa d'aria

m=1 massa d'aria allo zenith


m= 1cosz0,50596,07995°−z

−1,6364

Kasten1989

m∝ 1cosz

Errori sulle misure (Fonte NREL)Errori sulle misure (Fonte NREL)

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