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

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 MarcheScuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria

Curriculum Energetica

OBIETTIVO



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

PMax id.=12ρ AU 3 → Δ P

P100∼1+ 3

δUU

Esempio: un errore di valutazione della velocità del 3% determina un errore di circa il 9% della massima potenza estraibile.



OBIETTIVO

3

La disponibilità di energia da fonte eolica in Italia è presente principalmente in aree

collinari/montuose caratterizzate da orografia complessa

CONSIDERAZIONI


Curriculum Energetica4

La Norma IEC 61400-1definisce le aree ad

orografia complessa

Complex terrain:surrounding terrain that features significant variations in topography and terrain obstacles that may cause flow distortion



CONSIDERAZIONI

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PROCEDURASTATO ATTUALE

Simulazioni di mesoscala

con modello MM5 (>1 anno)



Simulazioni di microscala

con modello PHOENIX

Condizionial

Contorno

6

Griglia 1000m Griglia 20m

CONSIDERAZIONI



Il modello di mesoscalaopera in condizioni bendifferenti secondo il tipo

di orografia!

7

SCALA DEI FENOMENISTATO ATTUALE



CODICE DI MICROSCALASTATO ATTUALE

NON risolve né tiene contodi importanti fenomeni che influenzano

il comportamento del flusso negli strati più bassi dell'atmosfera



Codicemicroscala

BC dacodice

mesoscala

Equazionidi NS

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LIMITAZIONI DEI CODICI DI MICROSCALASTATO ATTUALE

microfisica cumuli surface layer PBL radiazione superficie del terreno



Manca il trattamento di fenomeni fisici:

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LIMITAZIONI DEI CODICI DI MESOSCALASTATO ATTUALE

Mancano, essenzialmente, di una adeguata risoluzione di griglia che permetta un opportuno trattamento dell'influenza

dell'orografia del terreno sul campo di moto



LIMITAZIONI DEI CODICI DI MESOSCALASTATO 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)



IDEA ALLA BASE DEL LAVORO

Spingere al massimo la risoluzione di griglia scendendo nel campo del microscala ma

usando un codice di mesoscalache risolva/parametrizzi tutti quei fenomeni

trascurati dal codice CFD di microscala



Occorre far seguire all'aumento della risoluzione di griglia

un opportuno aumento del livello di definizione del modello del terreno!

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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



SRTMShuttle Radar Topography Mission

SRTMShuttle Radar Topography Mission

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Griglia 20m

Griglia 90m

Griglia 30”

15


Il codice sorgente del modello MM5 è stato modificato per permettere

l'ingestione dei file di dati orografici in formato SRTM



tuttavia ...Lo sviluppo di MM5 da parte della comunità scientifica è stato abbandonato da alcuni anni in favore del modello WRF

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WRF MM5

Sviluppato sin dall'inizio inmaniera modulare per accettarei modelli di parametrizzazione

via via prodotti daglisviluppatori

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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






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

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO



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

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOCOMPILAZIONE DEL CODICE



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

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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

2222




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

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOCOMPILAZIONE DEL CODICE: dm+sm



14-build_triangle.sh15-unpack_ncarg-5.2.1.sh16-build_openssl-1.0.0.sh17-build_libxml2-2.7.6.sh18-build_libdap-3.9.3.sh19-build_libdapnc-3.7.4.sh20-build_udunits1.sh21-build_proj-4.7.0.sh22-build_gdal-1.7.2.sh23-build_ncarg-5.2.1.sh24-build_netcdf-4.1.1.sh25-build_WRF-3.2.1.sh26-build_WPS-3.2.1.sh

00-build_openmpi-1.2.9.sh01-build_jpeg-v6b.sh02-build_zlib-1.2.3.sh03-build_udunits-2.1.19.sh04-build_szip-2.1.sh05-build_hdf5-1.8.5.sh06-build_libcurl-7.19.7.sh07-build_netcdf-4.1.1.sh08-build_HDF4-2r4.sh09-build_jasper-1.900.1.sh10-build_libpng-1.2.41.sh11-build_g2clib-with-changes-1.1.9.sh12-build_hdfeos2-16v1.sh13-build-hdfeos5-1.11.sh

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOFASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA



Griglia di calcolo:dimensione minima

Dx,y=200mDt=30sec

Onere computazionaleimposto dal CFL

Onere computazionaleimposto dal CFL

Griglia di calcolo:tradizionale

Dx,y=1000mDt=300sec

QUOTE CENTRI CELLA

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOFASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting)

D5: 24x200m=4.8KmD4: 24x600m=14.4KmD3: 24x1800m=43.2KmD2: 24x5400m=129.6KmD1: 24x16200m=388.2Km30” SRTM SRTM SRTM SRTM

D5: 48x1000m=48KmD4: 48x3000m=144KmD3: 48x9000m=432KmD2: 48x27000m=1296KmD1: 48x81000m=3888Km10m 5m 2m 30” 30”

SRTM

Gtopo30

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOFASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting)



Griglia20m

Grig

lia20

0m

Grig

lia10

00m

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOFASE DI TEST: Compilatore



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%+20%INTEL GNU

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOFASE DI TEST: Fisica



WRF

MM5

StessiModelli di

Fisica

StessiModelli di

Fisica

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOFASE DI TEST: Scalabilità



ScalabilitàBack casting

SMPARopenMP

Run normaleDMPAR

MPI

Una simulazioneUn nodo di calcolo

Una simulazionePiù nodi di calcolo

openMPMPI

openMPMPI

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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOESECUZIONE DEL CODICE



Pre-processingWPS

Ungrib

Geogrid

Metgrid

o/io/i

RunWRF

Real

Wrf nam

elis

t.inp

ut

nam

elis

t.w

ps

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Run_WPS

Run_WRFRun_case

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOTEMPI DI ESECUZIONE



5h20'/dd5h20'/dd

1h44'/dd1h44'/dd

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOESECUZIONE DEL POST



ppp_1

ppp_2

AV

FT

Roseprestazioni

ventosità

Weibull

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALIINDIVIDUAZIONE DEL DOMINIO DI CALCOLO



SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALITORRE ANEMOMETRICA CMC1



Anemometro a coppette e banderuola 44mAnemometro sonico 40mAnemometro a coppette e banderuola 30mAnemometro a coppette 20mTermometro 10m

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SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALIMEMORIZZAZIONE E TRATTAMENTO DATI



00:00 01 maggio 2009 10min TS10min TS 23:56 30 aprile 2010

RaccoltaDati

Nomad 2Data Logger

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALIMISURAZIONI



Anemometri a coppe U

Anemometro sonico U, V, W

Banderuole Dir

Direzione sonico Dir

Termometro T

MaxAvr.

Std. Dev.Time of Max

Avr.Std. Dev.

MaxAvr.

Std. Dev.Time of Max

Avr.Std. Dev.

Avr.Std. Dev.

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALIMISURAZIONI: Analisi Dati



Stato di carica delle batterieBlocchi dovuti al ghiaccio

Filtraggio di dati non validi:- V<12Volt- U<0.5m/s & StdDev=0 & TS>2

Dicembre 2009Gennaio 2010Febbraio 2010

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALICONFRONTO TRA I DATI



MM5Mesoscale Model 5th Generation

WRFWeather Research Forecast

SRTM SRTM

Torre CMC1

Misure

GTOPO30 GTOPO30

30m sls30m sls

CONCLUSIONI



Con il presente lavoro è stato sviluppato un protocollo numerico,basato sul modello fluidodinamico di mesoscala WRF, per lo studioanemologico di aree ad orografia complessa;Il lavoro di implementazione del protocollo, che ha previstolo sviluppo di una serie codici di pre e post processamento,è stato testato per lo studio del vento in aree a orografiacomplessa adottando delle modifiche per l'utilizzo con i formatidi "terrain“ ad alta risoluzione SRTM;Sono state condotte simulazioni numeriche annuali su undominio di calcolo con una torre anemometrica gestita dalDIISM dell'UNIVPM. Dal confronto dei numerici con gli sperimentalisi è visto che:

• Il valore della velocità media annuale prevista da WRF, affetto da uno scostamento del 4.3% rispetto al valore mediomisurato dall'anemometro della torre, risulta nettamentemigliore di quello previsto da MM5, il quale si scosta dalvalore di riferimento sperimentale del 19.3%;

• purtroppo si nota un non altrettanto buon comportamentodi WRF, rispetto a MM5, per ciò che riguarda gli andamentidelle temperature a 10m sls. In questo caso MM5 forniscedei valori di medie mensili e di andamenti giornalieri moltopiù 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 angoliruotati in verso antiorario. In particolare a 30m sls, MM5fornisce dei valori di direzione che si scostano in media di22.5° mentre WRF ha in generale una deviazione di circa 45°.

SVILUPPO



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.

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