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Radiazione solare diretta: misure a terra e loro rilevanza nelle applicazioni industriali per la produzione di energia

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Marco Camerada
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  • 1. Collana di seminari per la valorizzazione dei risultati della Ricerca al CRS4 Percorso B – Energia Solare a Concentrazione La radiazione solare diretta (DNI): le misure a terra e la loro rilevanza nelle applicazioni industriali per la produzione di energiaMarco Camerada Cagliari, 19 aprile 2012
  • 2. SOMMARIO ● 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 conclusioniEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 2 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 3. La radiazione solare a terraEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 3 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 4. Interazione Radiazione-Atmosfera ●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 dacqua ●Assorbimento molecolare di: O , H O, O , CO 3 2 2 2 Processi dipendenti alle condizioni atmosferiche e dalla massa daria, sono quindi fortemente legati dalle condizioni microclimatiche localiEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 4 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 5. La radiazione solare a terra Le grandezze osservabili● 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 GHI =DNI⋅cos  z DHI orizzontale e rappresenta la somma della DNI con la radiazione solare diffusa. z = angolo zenitaleEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 5 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 6. La radiazione solare a terra Effetto coseno è la riduzione della radiazione solare dovuta allincidenza su una superficie inclinata rispetto alla direzione normale alla propagazione della radiazione 2 G 0, h =G 0 cos  z W / m  Coordinate Altazimutali  z : angolo zenitale  : altezza A : azimuth  z=90° −Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 6 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 7. 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 unarea 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)Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 7 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 8. Contesto di riferimento Importanza delle misure di DNI al suolo per lo sviluppo di impianti solari a concentrazione Fonte: NREL/TP-550-47465Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 8 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 9. Gli strumenti di misura La misura della GHI e della DHI: il piranometro Il piranometro: è uno strumento che misura la radiazione solare proveniente da un angolo solido di 2π sr su una superficie piana. Lelemento 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 pianoEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 9 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 10. Gli strumenti di misura 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°Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 10 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 11. Gli strumenti di misura La misura della radiazioneLa risposta spettraledel piranometroEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 11 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 12. Gli strumenti di misura La misura della DNI: il pireliometro Il 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. Lelemento 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 Lelemento 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)Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 12 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 13. Gli strumenti di misura La risposta spettrale del pireliometro La misura della radiazioneEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 13 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 14. Gli strumenti di misura Stima dellerrore: lerrore 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 strumentiEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 14 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 15. Gli strumenti di misura Fonte: NREL/TP-550-47465Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 15 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 16. Gli strumenti di misura Pyranometers Specifications List Class of Pyranometers * Fonte: NREL/TP-550-47465Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 16 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 17. Gli strumenti di misura ● Pireliometro (DNI): ISO First Class errore sul valore dellenergia cumulata in un intervallo inferiore allora ± 2,5% ● Piranometro (DHI; GHI): ISO Secondary Standard errore sul valore dellenergia cumulata in un intervallo inferiore allora ± 2,6%Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 17 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 18. Campagna di misura: centraline meteosolari Fonte: ENEA Stazione meteosolare Specchia (Lecce)● Stazione meteosolare tipo: Miglior accuratezza ma richiede monitoraggio e manutenzione frequente Fonte: NREL/TP-550-47465 ● Stazione meteosolare con RSR (Rotating Shadowband Radiometer) meno accurata ma più adatta ad installazioni isolateMisura e analisi della DNI per installazioni CSP-CPV 18 M.Camerada, M.Floris, Cagliari 16-04-2012
  • 19. Campagna di misura: localizzazione centraline Principali fattori da considerare per la scelta e linstallazione della centralina di rilevazione meteosolare (Fonte: NREL/TP-550-47465) ● 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 ● .....Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 19 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 20. Le stazioni di rilevamento meteo solari installate ● 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), 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).Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 20 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 21. Le stazioni di rilevamento meteo solari installate ● Centralina installata ad Ottana (NU): Latitudine: 40,23797 N Longitudine: 9,02668 E Quota s.l.m.: 190 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).Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 21 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 22. Le stazioni di rilevamento meteo solari installate Le modalità di acquisizione dei dati (Macchiareddu) ● 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 ethernetEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 22 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 23. Lanalisi dei dati acquisiti Dati misurati DNI DNI GHI GHI DHI DHI GHI DHI DNIEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 23 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 24. Lanalisi dei dati acquisiti: verifica delle misure e pulizia Polveri: una componente importante che aumenta lerrore 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 levoluzione 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%)Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 24 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 25. Lanalisi dei dati acquisiti Condizioni limite del sito e giorno medio 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 Il giorno limite permette di conoscere ore 23:50. le condizioni “limite” del sito in esameEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 25 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 26. Lanalisi dei dati acquisiti Parametro di nuvolosità: varia tra: E DNI P nu =1− med 1 nuvolosità massima E DNI max 0 assenza di nuvolosità Ci permette di confrontare landamento della copertura nuvolosa mese per mese e con i corrispettivi mesi delle serie storiche.Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 26 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 27. Lanalisi dei dati acquisiti: indice di clearsky 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 nel medesimo 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 di Clear Sky giornaliero e si sono definiti dei valori di soglia pari a: 10%: cielo molto nuvoloso 20%: cielo nuvoloso 70%: cielo poco nuvoloso 80%: cielo sereno o poco nuvoloso 90%: cielo sereno e totalmente sgombro di nubiEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 27 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 28. Lanalisi dei dati acquisiti 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 esameEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 28 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 29. Lanalisi dei dati acquisiti 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 esameEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 29 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 30. Lanalisi dei dati acquisitiEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 30 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 31. Rilevanza 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 intensitàEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 31 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 32. Rilevanza delle analisi effettuate e loro sviluppo Diversi valori di produzione elettrica ● Spagna circa 160 GWh ● India circa 190 GWhEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 32 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 33. Rilevanza delle analisi effettuate e loro sviluppo (fonte webinar 2012 C. Gueymard)Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 33 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 34. La stime della DNI al suolo da modelli satellitari ● Modelli sulla DNI: Solemi, SoDa, Solarmet, Solis- Heliosat 3 ● Struttura dei modelli: ● Clear-Sky (assorbimento dovuto allOzono,Vapor dacqua,Aerosol) ● La copertura nuvolosa: Immagini METEOSATEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 34 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 35. Conclusioni ● 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 temporaliEnergia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 35 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 36. Bibliografia 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: larchivio ENEA e il sito internet dellAtlante 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 lenergia solare [ http://meteo.rse-web.it/testiMeteo.asp?tema=Solare&page=1 ]Energia solare a concentrazione – Misura di DNI al suolo 36 M. Camerada, Cagliari 19-04-2012
  • 37. Back Up Slides
  • 38. La radiazione solare extra-atmosferica● 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%.
  • 39. 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)
  • 40. La radiazione solare extra-atmosferica● Calcolo approssimato per la variazione della costante solareG 0=G SC [10,034 cos  360N 365,25  2 ]W / m  N : numero dei giorni
  • 41. La radiazione solare extra-atmosfericaEffetto cosenoè la riduzione della radiazionesolare dovuta allincidenza su unasuperficie inclinata rispetto alladirezione normale allapropagazione della radiazione 2G0, h=G 0 cos z W / m  Coordinate Altazimutali z : angolo zenitale : altezza A: azimuth z =90 °−
  • 42. La radiazione solare extra-atmosferica Percorso apparente del Sole: equinozi e solstizi ● Equinozi: 21 marzo; 21 settembre ● Solstizi: 21 dicembre; 21 giugnoSolstizio inverno Cagliari lat. 39° 14  max =90 ° −° 23 ° 27  Solstizio invernoSolstizio estate  max =27 ° 19 max =90 ° −° −23 ° 27  Solstizio estateEquinozi  max =74 ° 13 max =90 ° − ° Equinozi= latitudine  max =50 ° 46
  • 43. La radiazione solare extra-atmosferica Il sistema di coordinate Equatoriali OrarieQuesto sistema permette didescrivere la posizione di unoggetto celeste tenendoconto della rotazione terrestreCoordinate Equatoriali Orarie angolo di declinazione : è l angolo fra la direzione Terra−Sole e il piano equatoriale angolo orario: è l angolo fra il meridianolocale e il cerchio orario che passa per il Sole angolo di latitudine
  • 44. La radiazione solare extra-atmosfericaEnergia Giornaliera per m2Extra-atmosferica, calcolata suun piano normale e su unasuperficie orizzontale(1Mj=0,28kWh)
  • 45. La radiazione solare a terra La massa daria mÈ il rapporto tra il camminopercorso da un raggio di solenell’atmosfera ed il camminominimo allo zenit, quando il raggiosolare incide normalmente allasuperficie terrestre.m=0 assenza di massa dariam=1 massa daria allo zenith 1 m∝ cos z 1 m= cos z0,50596,07995 °− z −1,6364  Kasten 1989
  • 46. Errori sulle misure (Fonte NREL)

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