In questo seminario si presentano i risultati delle campagne di misura sulla DNI realizzate in Sardegna e coordinate dal CRS4. In particolare ci si sofferma fra i confronti delle misure realizzate a terra con quelle estrapolate dai modelli satellitari.
Presentation By Marco Camerada (CRS4)
From EstateLab "La radiazione solare diretta in Sardegna" Seminar held on March 16th 2011
This presentation is about direct normal solar irradiance (DNI) measurement in Sardinia
Presentation By Marco Camerada (CRS4)
From EstateLab "La radiazione solare diretta in Sardegna" Seminar held on March 16th 2011
This presentation is about direct normal solar irradiance (DNI) measurement in Sardinia
Come supportare la transizione energetica con il fotovoltaico ad alta effici...Sardegna Ricerche
Presentazione di Elena Collino e Dario Ronzio dedicata a contributo del fotovoltaico ad alta
efficienza nella transizione energetica con il focus di Dario Ronzio sul machine learning per la stima di DNI
Come supportare la transizione energetica con il fotovoltaico ad alta effici...Sardegna Ricerche
Presentazione di Elena Collino e Dario Ronzio dedicata a contributo del fotovoltaico ad alta
efficienza nella transizione energetica con il focus di Dario Ronzio sul machine learning per la stima di DNI
La misura della radiazione solare diretta DNI in Sardegna: confronti fra misure a terra e satellitari
1. La radiazione solare diretta:
la misura da satellite
e il confronto con le misure a terra
Manuel Floris
manuelfloris@yahoo.it
Cagliari, 19 aprile 2012
Ricerca co-finanziata con fondi a valere sul PO Sardegna FSE 2007-2013 sulla L.R.7/2007
“Promozione della ricerca scientifica e dell’innovazione tecnologica in Sardegna”
2. Introduzione
●
Interazione della radiazione
solare con l'atmosfera:
●
Scattering
Rayleigh
– Mie
– geometrico
Assorbimento
–
●
●
●
Estrapolazione delle
misure della DNI dalle
misure satellitari:
●
i modelli clear-sky
●
Il metodo Heliosat
Emissione
3. Introduzione
●
●
●
●
Confronti con le misure a
Terra:
●
●
●
Analisi statistiche
Giorni Limite
Conclusioni
I Modelli: Solemi ed Helioclim
Gli input dei modelli Clear-Sky:
Torbidità di Linke,Ozono,Vapor
d'acqua, Aerosol
La copertura nuvolosa:
Immagini METEOSAT
5. Interazione Radiazione-Atmosfera
dI =−k a I dI
k a = K n
n concentrazione particelle−molecole
sezione particelle− molecole
K fattore di efficenza adimens.
Sezione d ' urto /assorbimento
a =K
Legge empirica di Lambert −Beer
l
−∫ a n dl
I l =I 0, e
0
= I 0, e
− a , l
− a , l spessore ottico
7. Interazione Radiazione-Atmosfera: scattering
Scattering di Rayleigh
●
●
●
●
interessa le molecole con dimensione <<λ: O2, N2, H2O (ghiaccio), che causano le
diffusione della radiazione nel visibile e nell'ultravioletto
lo scattering di Rayleigh tende a diminuire se λ cresce, quindi è maggiore nel blu
che nel rosso
durante il giorno lo scattering nel blu tende a dominare
durante le albe e i tramonti (percorso ottico più lungo), il cielo diventa rosso poiché
le radiazioni di lunghezza d'onda maggiore interagiscono meno e aumentano a
causa di una maggiore presenza di polveri
Scattering di Mie
●
diffusione con il fumo, le polveri, gli inquinanti atmosferici chiamati Aerosol e le
molecole d'acqua
Scattering geometrico
●
●
al crescere delle dimensioni delle particelle rispetto a λ, si entra nel regime dello
scattering geometrico, descritto dalle leggi dell'ottica classica.
le goccioline delle nubi, le gocce di pioggia e le particelle di ghiaccio, producono
diversi fenomeni ottici tra cui l'arcobaleno e gli aloni.
8. Radiazione-Atmosfera: assorbimento
Assorbimento molecolare
dovuto alla presenza di:
●
●
●
O2 visibile
●
H2O e CO2 infrarosso
●
Sezione d ' urto/ assorbimento
a = K
K =K , scatt K ,ass
O3 ultravioletto e visibile
Altre molecole
Legge empirica di Lambert −Beer
l
−∫ a n dl
I l =I 0, e
0
= I 0, e
− a , l
− a , l spessore ottico
9. Interazione Radiazione-Atmosfera: aerosol
●
Interazione della radiazione con gli Aerosol:
●
●
●
Scattering Mie
Assorbimento e riemissione della radiazione
Difficoltà nel separare i diversi effetti
Equazione di Angstrom
−
k =
●
Torbidità di Angstrom
Esponente di Angstrom
−0,53
Gli Aerosol sono difficili da determinare:
●
●
Alta variabilità nello spazio e nel tempo
L'interazione degli Aerosol con le nuvole è
complessa
10. Interazione Radiazione-Atmosfera
●
Equazione Trasporto Radiativo:
tiene conto della diffusione, dell'assorbimento e
della riemissione della radiazione
Equazione Trasporto Radiativo
dI =−k a I − J dI
J =riemissione
l
I l = I 0e
− l ,0
∫ J l ' e
− l ,l '
k dl
0
Spessore ottico fra l ed l '
l
l , l ' =∫ k dl
l'
in ogni punto, l’intensità di radiazione in una data direzione dipende
dall'emissione occorsa in tutti i punti prima di s’, ridotto del fattore
esponenziale che dà conto dell’assorbimento prodotto dalla stessa
materia attraversata
11. 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 d'acqua
●
Assorbimento molecolare di: O3, H2O, O2, CO2
Tutti questi processi dipendono dalle condizioni atmosferiche
e dalla massa d'aria
12. Interazione Radiazione-Atmosfera
La massa d'aria m
È 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
1
m∝
cos z
m=
1
cos z0,50596,07995 °− z −1,6364
Kasten 1989
13. Misura della DNI
●
Misura Diretta:
●
con campagne di misure a
terra, realizzate utilizzando
centraline meteo-solari
●
●
attraverso un modello che utilizza
le misure satellitari sulle densità
di colonna di O3, H2O, O2, CO2,
Aerosol e della copertura
nuvolosa.
Vantaggi:
elevata precisione
Svantaggi:
misure valide solo per il sito in
esame e per il periodo
temporale della campagna
Misura Indiretta:
●
Vantaggi:
i. ampia copertura geografica
ii. realizzazione di serie storiche
●
Svantaggi:
i. minor precisione delle misure
ii. non comprende le variazioni
dovute al microclima locale
14. DNI dalle misure satellitari
Costruzione del Modello
a) Modulo Clear-Sky:
implementazione di un modello
che descriva l'interazione fra la
radiazione e l'atmosfera in
assenza di nuvole
b) Calcolo della copertura nuvolosa
Input del Modello
a) Clear-Sky: misure satellitari
densità di colonna dell'ozono,
vapor d'acqua, aerosol (O2, CO2
ed N2, si assumono costanti)
b) Copertura nuvolosa: immagini
METEOSAT e GOES
15. DNI dalle misure satellitari: i modelli
Le misure raccolte a terra sono state confrontate con le
misure ricavate dai modelli:
●
HelioClim3 (SoDa, Airmines-Paris Tech):
●
●
Copertura nuvolosa ricavata con il metodo Heliosat-2
●
Misure ogni 15 minuti di: DNI, GHI, DHI, GTI
●
●
Modello clear-sky ESRA (2000)
Copertura temporale: dal 2005 fino a oggi
SOLEMI (DLR):
●
Modello clear-sky di Bird & Hulstrom (1981)
●
Copertura nuvolosa ricavata con il metodo Heliosat-2
●
Misure orarie di DNI e GHI
●
Copertura temporale 1996-2005
16. Il modello clear-sky ESRA
Modello ESRA: modello semiempirico che parte dalla Legge
empirica di Lambert-Beer
Legge empirica di Lambert − Beer
−
IT=I0 e
Legge modificata di Lambert− Beer
−m ⋅
I T=I 0 e
i
i
Modello ESRA
DNI clear sky =I 0 e
−0,8662 m⋅ Linke m a =2 r m a
Linke =torbidità di Linke
r m a = profondità ottica di Rayleigh
17. Il modello clear-sky ESRA
La torbidità di Linke è un coefficiente ricavato sperimentalmente, da misure
satellitari e terrestri, descrive l'assorbimento e lo scattering causato dagli
aerosol, dal vapor d'acqua e dalle molecole dell'aria .
●
●
●
●
●
●
τLinke = 1 cielo estremamente trasparente
τLinke = 2 aria fredda e pulita
τLinke = 3 aria tiepida e pulita
τLinke = 4-6 per cielo umido o aria stagnante
τLinke > 6 per cielo inquinato
Andamento della radiazione
diffusa per differenti valori
della torbidità di Linke
18. Il modello clear-sky ESRA
I valori della profondità ottica di Rayleigh al variare della massa d'aria sono
ricavati da misure a terra realizzate in condizioni di clear-sky (Kasten 1996)
●
19. Il modello clear-sky ESRA
Pregi
●
La τLinkeè disponibile su celle
di 10Kmx10Km
●
La τLinke è confrontabile con
le misure dirette a terra
Difetti
La τLinkeè calcolata effettuando la media mensile sui valori
mensili di 7 anni di riferimento, dunque non tiene conto delle
variazioni giornaliere degli aerosol e del vapor d'acqua
20. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
Modello di Bird & Hulstrom: modello parametrico ottenuto dal
confronto di misure a terra con vari modelli di trasporto radiativo
Il modello di Bird − Hulstrom
DNI clear sky=0,9751 I 0⋅ rayleigh ozono gas vapor d ' acqua aerosol
l spessore strato di ozono in cm
Massa d ' aria locale
−0,001184 h
m a=m e
m=
w spessore acqua precipitabile in cm
1
cos z0,50596,07995 °− z −1,6364
Kasten 1989
21. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
Equazione di Machler: se sono disponibili α e β
22. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
●
Input satellitari diretti
Ozono: NASA/AURA-OMI
●
Ris. Spaziale:
27,5Km x 27,5 Km
●
Ris. Temporale:
media giornaliera
●
Input satellitari ottimizzati con
modelli:
Vapor d'acqua: NCEP-NCAR
reanalysis project
●
Ris. Spaziale:
275Km x 275Km
●
Ris. Temporale:
media giornaliera o ogni 6 ore
23. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
●
Aerosol: modelli trasporto chimico
GACP (Global Areosol Climatology
Project) 1981-2006
●
Ris. Spaziale: 440Km x 550Km
●
Ris. Temporale: media mensile
MATCH (Model of Atmospheric
Transport and Chemistry) 2000-2005
●
●
●
Ris. Spaziale: 210Km x 210Km
Ris. Temporale: media mensile
Aerosol: comparazione modelli e
dati terrestri e satellitari
Aerocom
●
Ris. Spaziale: 110Km x 110Km
●
Ris. Temporale: media mensile
24. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
Pregi
●
E' un modello che tiene conto di tutti i fenomeni di
interazione radiazione-atmosfera
Difetti
●
Le misure in input hanno basse risoluzioni spaziali:
●
●
●
●
Vapor d'acqua 275Kmx275Km
Ozono 13 Km x 24 Km
Validità set misure aerosol
Un confronto preciso con i dati a terra può essere fatto
solo con misure spettrofotometriche per gli aerosol e il
vapor d'acqua (rete AERONET)
25. La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2
●
Meteosat 2°generazione
Risol. Spaziale: 2,5 Km x 2,5 Km
Risol. Temporale: 15 minuti
Bande principali esaminate:
●
VIS (0,5 - 1) μm
●
IR (10,5 - 12,5) μm
●
WV (5,7 - 7,1) μm
26. La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2
●
Albedo ρ:
è la frazione di luce
riflessa da una superficie
0<ρ<1
Indice di nuvolosità 0n1
t t , x , y− suolo t , x , y
n t , x , y=
max t , x , y−suolo t , x , y
t =albedo del pixel esaminato
suolo= albedo del suolo
max =albedo massimo
per uno strato di nubi intenso
max =0,78−0,13 1−e
5
−4cos z
cielo sereno t =suolo
cielo nuvoloso t =max
27. DNI dalle misure satellitari: SoDa- SOLEMI
Calcolo DNI
−10⋅n
DNI = DNI clear sky e
28. Confronto diretto misure a terra e satellitari
MBE Mean Bias Error
n
1
MBE =∑ ⋅x i −g i
1 n
●
Mean Bias Error (MBE) Wh/m2:
fornisce l'indicazione sulla deviazione
media fra i valori predetti xi e quelli
misurati gi (è la media degli scarti);
MBD Mean Bias Deviation
n
MBD=100⋅
1
∑ n ⋅x i− g i
1
n
1
∑ n ⋅mi
1
negativo : sottopredice
positivo : sovrapredice
●
MBD, valore relativo di MBE %
29. Confronto diretto misure a terra e satellitari
RMSE Root Mean Square Error
n
●
Root Mean Square Error (RMSE)
Wh/m2:
1
2
RMSE = ∑ ⋅ xi −g i
1 n
è la misura della variazione dei valori
predetti xi intorno a quelli misurati gi;
RMSD Root MeanSquare Deviation
RMSD=100⋅
n
1
⋅ x i− g i 2
∑n
1
n
1
∑ n ⋅x i
1
●
RMSD, valore relativo di RMSE % il
valore ideale è pari a 0
30. Confronto diretto misure a terra e satellitari
CC Coefficiente di Correlazione
n
CC =
∑ x i− x i⋅ g i − g i
1
[
n
][
n
∑ xi − xi ⋅ ∑ gi − gi
1
2
1
2
]
Coefficiente di Correlazione Lineare:
indica il grado di correlazione lineare fra le grandezze
previste xi e quelle misurate gi;
è pari a 1 quando la correlazione è totale
31. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3: Coeff. Correlazione Ottana
32. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3: RMSD Ottana
Valor medio sui 2 anni e 8 mesi
della variazione dei valori predetti intorno a quelli misurati
33. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3
35. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Confronto fra i modelli per l'anno 2005
36. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Non potendo confrontare le misure raccolte dal 2009 al 2012 con quelle
ricavate dal modello del Solemi, abbiamo confrontato l'andamento dei
giorni limite per i due siti
Ottana
Macchiareddu
37. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Ottana
Macchiareddu
38. Errore causato dalla deposizione di polveri
Il giorno limite permette di
determinare l'errore dovuto
allo sporcamento degli
strumenti
40. Conclusioni
●
●
●
●
I modelli per ricavare la misura della DNI da
misure satellitari soffrono di un'elevata
imprecisione nelle stime giornaliere e mensili
I punti critici di questi modelli sono legati
all'ampio errore che si compie nel misurare da
satellite i coefficienti di Angstrom per gli aerosol
I modelli non tengono conto delle variazioni
microclimatiche locali dell'abbondanza e specie
degli aerosol e della densità del vapore d'acqua
Il confronto con le misure a terra della DNI, e
con quelle spettrofotometriche può permettere
una correzione locale per i modelli
41. Conclusioni
●
●
●
Dal confronto fra le misure a terra e le misure
del modello Helioclim3 si vede che il modello
non riesce a parametrizzare correttamente le
condizioni di Clear Sky nei mesi sottoposti a
una copertura nuvolosa intensa o variabile
Dal confronto dei giorni limite, si deduce che il
modello del Solemi tende a sottostimare i valori
massimi della DNI nelle condizioni di clear-sky
nei mesi primaverili ed estivi
Entrambi i modelli analizzati sottostimano la
radiazione solare diretta nelle condizioni di cielo
sereno nei due siti sardi esaminati
42. 2
R Coefficiente di Determinazione
n
2
R=
Deviazione Standard
2
2
= RMSE − MBE
∑ x i− x i 2⋅ g i− g i 2
[
1
n
][
n
∑ x i − x i 2 ⋅ ∑ g i− g i 2
1
1
]
MBE Mean Bias Error
n
1
MBE =∑ ⋅x i −g i
1 n