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Tutor: Ch.mo Prof. Renato Ricci Coordinatore del Curriculum: Ch.mo Prof. Massimo Paroncini

Valutazione della risorsa eolica di aree ad orografia complessa per mezzo di analisi fluidodinamica numerica di mesoscala. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica. Tutor: Ch.mo Prof. Renato Ricci Coordinatore del Curriculum:

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Presentation Transcript

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

  2. Università Politecnica delle Marche Scuola 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

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

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

  5. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica CONSIDERAZIONI La Norma IEC 61400-1 definisce le aree ad orografia complessa Complex terrain: surrounding terrain that features significant variations in topography and terrain obstacles that may cause flow distortion 5

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

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

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

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

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

  11. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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 11

  12. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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) 12

  13. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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 Occorre far seguire all'aumento della risoluzione di griglia un opportuno aumento del livello di definizione del modello del terreno! 13

  14. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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 SRTM Shuttle Radar Topography Mission 14

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

  16. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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 Lo sviluppo di MM5 da parte della comunità scientifica è stato abbandonato da alcuni anni in favore del modello WRF tuttavia ... 16

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

  18. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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 18

  19. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica IDEA ALLA BASE DEL LAVORO 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. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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 20

  21. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE 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 21

  22. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE 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 22

  23. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE 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. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE: dm+sm 00-build_openmpi-1.2.9.sh 01-build_jpeg-v6b.sh 02-build_zlib-1.2.3.sh 03-build_udunits-2.1.19.sh 04-build_szip-2.1.sh 05-build_hdf5-1.8.5.sh 06-build_libcurl-7.19.7.sh 07-build_netcdf-4.1.1.sh 08-build_HDF4-2r4.sh 09-build_jasper-1.900.1.sh 10-build_libpng-1.2.41.sh 11-build_g2clib-with-changes-1.1.9.sh 12-build_hdfeos2-16v1.sh 13-build-hdfeos5-1.11.sh 14-build_triangle.sh 15-unpack_ncarg-5.2.1.sh 16-build_openssl-1.0.0.sh 17-build_libxml2-2.7.6.sh 18-build_libdap-3.9.3.sh 19-build_libdapnc-3.7.4.sh 20-build_udunits1.sh 21-build_proj-4.7.0.sh 22-build_gdal-1.7.2.sh 23-build_ncarg-5.2.1.sh 24-build_netcdf-4.1.1.sh 25-build_WRF-3.2.1.sh 26-build_WPS-3.2.1.sh 24

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

  26. SRTM Gtopo30 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 30” 30” Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting) 26

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

  28. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE 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% INTEL GNU 28

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

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

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

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

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

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

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

  36. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MEMORIZZAZIONE E TRATTAMENTO DATI Raccolta Dati 00:00 01 maggio 2009 10min TS 23:56 30 aprile 2010 Nomad 2 Data Logger 36

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

  38. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MISURAZIONI: Analisi Dati Stato di carica delle batterie Blocchi dovuti al ghiaccio Filtraggio di dati non validi: - V<12Volt - U<0.5m/s & StdDev=0 & TS>2 Dicembre 2009 Gennaio 2010 Febbraio 2010 38

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

  40. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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 un • dominio di calcolo con una torre anemometrica gestita dal • DIISM 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°. 40

  41. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 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. 41

  42. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Fine della Presentazione 42

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