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Valutazione della risorsa eolica di aree ad orografia complessa per mezzo di analisi fluidodinamica numerica di mesoscala Tutor: Ch.mo Prof. Renato Ricci.

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Presentazione sul tema: "Valutazione della risorsa eolica di aree ad orografia complessa per mezzo di analisi fluidodinamica numerica di mesoscala Tutor: Ch.mo Prof. Renato Ricci."— Transcript della presentazione:

1 Valutazione della risorsa eolica di aree ad orografia complessa per mezzo di analisi fluidodinamica numerica di mesoscala Tutor: Ch.mo Prof. Renato Ricci Coordinatore del Curriculum: Ch.mo Prof. Massimo Paroncini Dottorando: Ing. Pierpaolo Garofalo X CIclo - Nuova Serie Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica

2 OBIETTIVO Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Valutazione della producibilità energetica di siti caratterizzati da orografia complessa con un margine di errore accettabile, relativo alla velocità media annuale, possibilmente inferiore al 3% 2

3 Esempio: un errore di valutazione della velocità del 3% determina un errore di circa il 9% della massima potenza estraibile. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica OBIETTIVO 3

4 La disponibilità di energia da fonte eolica in Italia è presente principalmente in aree collinari/montuose caratterizzate da orografia complessa CONSIDERAZIONI Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 4

5 La Norma IEC definisce le aree ad orografia complessa Complex terrain: surrounding terrain that features significant variations in topography and terrain obstacles that may cause flow distortion Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica CONSIDERAZIONI 5

6 PROCEDURA STATO ATTUALE Simulazioni di mesoscala con modello MM5 (>1 anno) Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Simulazioni di microscala con modello PHOENIX Condizioni al Contorno 6 Griglia 1000mGriglia 20m

7 CONSIDERAZIONI Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Il modello di mesoscala opera in condizioni ben differenti secondo il tipo di orografia! 7

8 SCALA DEI FENOMENI STATO ATTUALE Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 8

9 CODICE DI MICROSCALA STATO ATTUALE NON risolve né tiene conto di importanti fenomeni che influenzano il comportamento del flusso negli strati più bassi dell'atmosfera Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Codice microscala BC da codice mesoscala Equazioni di NS 9

10 LIMITAZIONI DEI CODICI DI MICROSCALA STATO ATTUALE microfisica cumuli surface layer PBL radiazione superficie del terreno Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Manca il trattamento di fenomeni fisici: 10

11 LIMITAZIONI DEI CODICI DI MESOSCALA STATO ATTUALE Mancano, essenzialmente, di una adeguata risoluzione di griglia che permetta un opportuno trattamento dell'influenza dell'orografia del terreno sul campo di moto Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 11

12 LIMITAZIONI DEI CODICI DI MESOSCALA STATO ATTUALE La risoluzione massima di griglia utilizzata fin ora con i modelli di mesoscala è stata di 1000m con il modello DEM del terreno GTOPO30 (30 926m) Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 12

13 IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Spingere al massimo la risoluzione di griglia scendendo nel campo del microscala ma usando un codice di mesoscala che risolva/parametrizzi tutti quei fenomeni trascurati dal codice CFD di microscala Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Occorre far seguire all'aumento della risoluzione di griglia un opportuno aumento del livello di definizione del modello del terreno! 13

14 IDEA ALLA BASE DEL LAVORO L'incremento di risoluzione della griglia di calcolo è stato reso possibile grazie all'adozione di DEM del terreno in formato SRTM con risoluzione di 90m Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica SRTM Shuttle Radar Topography Mission SRTM Shuttle Radar Topography Mission 14

15 IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Griglia 20m Griglia 90m Griglia 30 15

16 IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Il codice sorgente del modello MM5 è stato modificato per permettere l'ingestione dei file di dati orografici in formato SRTM Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica tuttavia... Lo sviluppo di MM5 da parte della comunità scientifica è stato abbandonato da alcuni anni in favore del modello WRF 16

17 IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica WRF MM5 Sviluppato sin dall'inizio in maniera modulare per accettare i modelli di parametrizzazione via via prodotti dagli sviluppatori 17

18 IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Si è deciso quindi di costruire da zero un protocollo di calcolo basato su WRF che rappresenta il modello di lavoro futuro nella simulazione di mesoscala Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 18

19 IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica WRF affiancherà MM5 nelle simulazioni di mesoscala condotte presso il DIISM fino a quando non si riterrà la sua affidabilità pari o superiore a quella del suo ben collaudato predecessore 19

20 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Il lavoro di implementazione del protocollo numerico è stato portato avanti in tre passi: Costruzione di un sistema completo di tutte le librerie necessarie al suo funzionamento ed indipendente dagli aggiornamenti futuri del sistema operativo del cluster di Dipartimento Collaudo e test su casi notevoli del modello al fine di trovare la combinazione più stabile di parametri di microfisica, dinamica e griglia Avvio di una simulazione annuale su un dominio del quale sono disponibili i dati anemometrici provenienti da una torre gestita dal DIISM: confronto tra i dati numerici prodotti, con differenti risoluzioni di griglia, da WRF e MM5 e quelli sperimentali 20

21 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica La compilazione di WRF è molto delicata e sensibile alla versione delle librerie utilizzate. In particolare volendo l'uscita dei dai in formato NetCDF, quest'ultimo e WRF DEVONO essere compilati con lo stesso compilatore 21

22 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Si è deciso di costruire un sistema il più possibile immune dalle necessarie procedure di aggiornamento del SO del cluster di Dipartimento ed implementare così un sistema bundle, cioè totalmente autonomo dalle librerie globali di sistema 22

23 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Il risultato è stata l'implementazione di una serie di script (27) BASH che, eseguiti in ordine prestabilito, scaricano, scompattano, patchano e compilano tutti i pacchetti necessari alla installazione del codice WRF 23

24 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE: dm+sm Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 14-build_triangle.sh 15-unpack_ncarg sh 16-build_openssl sh 17-build_libxml sh 18-build_libdap sh 19-build_libdapnc sh 20-build_udunits1.sh 21-build_proj sh 22-build_gdal sh 23-build_ncarg sh 24-build_netcdf sh 25-build_WRF sh 26-build_WPS sh 00-build_openmpi sh 01-build_jpeg-v6b.sh 02-build_zlib sh 03-build_udunits sh 04-build_szip-2.1.sh 05-build_hdf sh 06-build_libcurl sh 07-build_netcdf sh 08-build_HDF4-2r4.sh 09-build_jasper sh 10-build_libpng sh 11-build_g2clib-with-changes sh 12-build_hdfeos2-16v1.sh 13-build-hdfeos sh 24

25 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Griglia di calcolo: dimensione minima Dx,y=200m Dt=30sec Onere computazionale imposto dal CFL Onere computazionale imposto dal CFL Griglia di calcolo: tradizionale Dx,y=1000m Dt=300sec QUOTE CENTRI CELLA 25

26 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 26 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting) D5: 24x200m=4.8Km D4: 24x600m=14.4Km D3: 24x1800m=43.2Km D2: 24x5400m=129.6Km D1: 24x16200m=388.2Km 30 SRTM SRTM SRTM SRTM D5: 48x1000m=48Km D4: 48x3000m=144Km D3: 48x9000m=432Km D2: 48x27000m=1296Km D1: 48x81000m=3888Km 10m 5m 2m SRTM Gtopo30

27 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting) Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Griglia 20m Griglia 200m Griglia 1000m 27

28 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: Compilatore Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Al termine della fase di preparazione del sistema pacchettizzato sono state condotte delle prove su dei casi notevoli al fine di testare la velocità di esecuzione in funzione dei compilatori disponibili. Sono stati provati il compilatore GNU e l'INTEL. +20% INTELGNU 28

29 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: Fisica Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica WRF MM5 Stessi Modelli di Fisica Stessi Modelli di Fisica 29

30 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: Scalabilità Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Scalabilità Back casting SMPAR openMP Run normale DMPAR MPI Una simulazione Un nodo di calcolo Una simulazione Più nodi di calcolo openMP MPI openMP MPI 30

31 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO ESECUZIONE DEL CODICE Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Pre-processing WPS Ungrib Geogrid Metgrid o/i Run WRF Real Wrf namelist.input namelist.wps 31 Run_WPS Run_WRF Run_case

32 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO TEMPI DI ESECUZIONE Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 32 5h20'/dd 1h44'/dd

33 IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO ESECUZIONE DEL POST Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 33 ppp_1 ppp_2 AV FT Rose prestazioni ventosità Weibull

34 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI INDIVIDUAZIONE DEL DOMINIO DI CALCOLO Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 34

35 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI TORRE ANEMOMETRICA CMC1 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Anemometro a coppette e banderuola 44m Anemometro sonico 40m Anemometro a coppette e banderuola 30m Anemometro a coppette 20m Termometro 10m 35

36 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MEMORIZZAZIONE E TRATTAMENTO DATI Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 36 00:00 01 maggio min TS 23:56 30 aprile 2010 Raccolta Dati Nomad 2 Data Logger

37 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MISURAZIONI Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 37 Anemometri a coppe U Anemometro sonico U, V, W Banderuole Dir Direzione sonico Dir Termometro T Max Avr. Std. Dev. Time of Max Avr. Std. Dev. Max Avr. Std. Dev. Time of Max Avr. Std. Dev. Avr. Std. Dev.

38 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MISURAZIONI: Analisi Dati Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 38 Stato di carica delle batterie Blocchi dovuti al ghiaccio Filtraggio di dati non validi: - V<12Volt - U 2 Dicembre 2009 Gennaio 2010 Febbraio 2010

39 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI CONFRONTO TRA I DATI Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 39 MM5 Mesoscale Model 5 th Generation WRF Weather Research Forecast SRTM Torre CMC1 Misure GTOPO30 30m sls

40 CONCLUSIONI Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 40 Con il presente lavoro è stato sviluppato un protocollo numerico, basato sul modello fluidodinamico di mesoscala WRF, per lo studio anemologico di aree ad orografia complessa; Il lavoro di implementazione del protocollo, che ha previsto lo sviluppo di una serie codici di pre e post processamento, è stato testato per lo studio del vento in aree a orografia complessa adottando delle modifiche per l'utilizzo con i formati di "terrain ad alta risoluzione SRTM; Sono state condotte simulazioni numeriche annuali su un dominio di calcolo con una torre anemometrica gestita dal DIISM dell'UNIVPM. Dal confronto dei numerici con gli sperimentali si è visto che: Il valore della velocità media annuale prevista da WRF, affetto da uno scostamento del 4.3% rispetto al valore medio misurato dall'anemometro della torre, risulta nettamente migliore di quello previsto da MM5, il quale si scosta dal valore di riferimento sperimentale del 19.3%; purtroppo si nota un non altrettanto buon comportamento di WRF, rispetto a MM5, per ciò che riguarda gli andamenti delle temperature a 10m sls. In questo caso MM5 fornisce dei valori di medie mensili e di andamenti giornalieri molto più aderenti a quelli forniti dal termometro della torre; per quanto riguarda le direzioni di provenienza dei venti, si nota che entrambi i modelli forniscono stime di angoli ruotati in verso antiorario. In particolare a 30m sls, MM5 fornisce dei valori di direzione che si scostano in media di 22.5° mentre WRF ha in generale una deviazione di circa 45°.

41 SVILUPPO Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 41 I risultati forniti da WRF sono stati confortanti in relazione alla stima della velocità media annuale, ma richiedono certamente ulteriori indagini al fine di capire i motivi che sono alla base della scarsa efficacia nella determinazione delle temperature e della provenienza dei venti. In ogni caso essi sono tali da incoraggiare sia il prosieguo del lavoro di sviluppo dei codici di pre e post processamento, sia e soprattutto il lavoro di sperimentazione dei nuovi modelli di parametrizzazione. Questi sono infatti continuamente aggiornati e potenziati dalla comunità scientifica che cura lo sviluppo di WRF. Risulta pertanto di notevole importanza testarne l'efficacia numerica, e l'individuazione dei più adatti allo studio della ventosità delle aree ad orografia complessa.

42 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 42

43 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 43

44 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 44

45 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 45

46 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 46

47 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 47

48 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 48

49 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 49

50 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 50

51 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 51

52 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre 30m sls Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 52

53 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Velocità medie mensili Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 53

54 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Velocità medie mensili Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 54

55 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Andamento diurno velocità Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 55

56 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Rose trimestrali Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 56 Maggio-Luglio 2009 Agosto-Ottobre 2009

57 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Rose trimestrali Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 57 Novembre-Gennaio 2010 Febbraio-Aprile 2010

58 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Temperature medie mensili Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 58

59 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Temperature medie mensili Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 59

60 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Temperature giornaliere Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 60

61 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Temperature giornaliere Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 61

62 SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre 30m sls Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 62


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