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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
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
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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%
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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.
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OBIETTIVO
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La disponibilità di energia da fonte eolica in Italia è presente principalmente in aree
collinari/montuose caratterizzate da orografia complessa
CONSIDERAZIONI
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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
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CONSIDERAZIONI
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PROCEDURASTATO ATTUALE
Simulazioni di mesoscala
con modello MM5 (>1 anno)
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Simulazioni di microscala
con modello PHOENIX
Condizionial
Contorno
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Griglia 1000m Griglia 20m
CONSIDERAZIONI
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Il modello di mesoscalaopera in condizioni bendifferenti secondo il tipo
di orografia!
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SCALA DEI FENOMENISTATO ATTUALE
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CODICE DI MICROSCALASTATO ATTUALE
NON risolve né tiene contodi importanti fenomeni che influenzano
il comportamento del flusso negli strati più bassi dell'atmosfera
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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
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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
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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)
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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
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Occorre far seguire all'aumento della risoluzione di griglia
un opportuno aumento del livello di definizione del modello del terreno!
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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
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SRTMShuttle Radar Topography Mission
SRTMShuttle Radar Topography Mission
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IDEA ALLA BASE DEL LAVORO
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Griglia 20m
Griglia 90m
Griglia 30”
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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
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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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IDEA ALLA BASE DEL LAVORO
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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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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
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IDEA ALLA BASE DEL LAVORO
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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
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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
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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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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOCOMPILAZIONE DEL CODICE
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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
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOCOMPILAZIONE DEL CODICE
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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
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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
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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)
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Griglia20m
Grig
lia20
0m
Grig
lia10
00m
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOFASE DI TEST: Compilatore
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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
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WRF
MM5
StessiModelli di
Fisica
StessiModelli di
Fisica
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOFASE DI TEST: Scalabilità
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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
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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
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5h20'/dd5h20'/dd
1h44'/dd1h44'/dd
IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLOESECUZIONE DEL POST
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ppp_1
ppp_2
AV
FT
Roseprestazioni
ventosità
Weibull
SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALIINDIVIDUAZIONE DEL DOMINIO DI CALCOLO
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SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALITORRE ANEMOMETRICA CMC1
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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
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00:00 01 maggio 2009 10min TS10min TS 23:56 30 aprile 2010
RaccoltaDati
Nomad 2Data Logger
SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALIMISURAZIONI
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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
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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
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MM5Mesoscale Model 5th Generation
WRFWeather Research Forecast
SRTM SRTM
Torre CMC1
Misure
GTOPO30 GTOPO30
30m sls30m sls
CONCLUSIONI
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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
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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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