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Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria
Curriculum Energetica
Valutazione della risorsa eolica di aree ad
orografia complessa per mezzo di analisi
fluidodinamica numerica di mesoscala
Tutor:
Ch.mo Prof. Renato Ricci
Dottorando:
Ing. Pierpaolo Garofalo
Coordinatore del Curriculum:
Ch.mo Prof. Massimo Paroncini
X CIclo - Nuova Serie
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%
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OBIETTIVO
Esempio: un errore di valutazione della
velocità del 3% determina un errore di
circa il 9% della massima potenza
estraibile.
1
ΔP
δU
3
P Max id. = ρ AU →
100∼ 1+ 3
2
P
U
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CONSIDERAZIONI
La disponibilità di energia da fonte eolica
in Italia è presente principalmente in aree
collinari/montuose caratterizzate da
orografia complessa
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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
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PROCEDURA
STATO ATTUALE
Griglia 1000m
Griglia 20m
Simulazioni di
mesoscala
con modello
MM5 (>1 anno)
Simulazioni di
microscala
con modello
PHOENIX
Condizioni
al
Contorno
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CONSIDERAZIONI
Il modello di mesoscala
opera in condizioni ben
differenti secondo il tipo
di orografia!
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SCALA DEI FENOMENI
STATO ATTUALE
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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
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LIMITAZIONI DEI CODICI DI MICROSCALA
STATO ATTUALE
Manca il trattamento di fenomeni fisici:
microfisica
 cumuli
 surface layer
 PBL
 radiazione
 superficie del terreno

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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
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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)
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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 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!
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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
SRTM
Shuttle Radar Topography Mission
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IDEA ALLA BASE DEL LAVORO
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
Lo sviluppo tuttavia
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
WRF
MM5
Sviluppato sin dall'inizio in
maniera modulare per accettare
i modelli di parametrizzazione
via via prodotti dagli
sviluppatori
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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
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:
Collaudo
Costruzione
Avvio dieuna
test
di simulazione
un
su sistema
casi notevoli
completo
annuale
del modello
su
di tutte
un
al
ledominio
fine
librerie
di trovare
necessarie
del quale
la combinazione
sono
al suo
disponibili
funzionamento
piùi stabile
dati
died
parametri
anemometrici
indipendente
di microfisica,
provenienti
dagli aggiornamenti
dinamica
da una e
torre
futuri
griglia
gestita
del sistema
dal DIISM:
operativo
confronto
del cluster
tra i dati
di
numerici prodotti,
Dipartimento
con differenti risoluzioni di
griglia, da WRF e MM5 e quelli sperimentali
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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
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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
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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
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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
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO
FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA
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
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO
FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting)
SRTM
Gtopo30
D5: 48x1000m=48Km
D4: 48x3000m=144Km
D3: 48x9000m=432Km
D2: 48x27000m=1296Km
D1: 48x81000m=3888Km
10m 5m 2m 30” 30”
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
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO
FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting)
Griglia
200m
Griglia
1000m
Griglia
20m
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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.
INTEL
+20%
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GNU
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO
FASE DI TEST: Fisica
WRF
Stessi
Modelli di
Fisica
MM5
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO
FASE DI TEST: Scalabilità
Back casting
SMPAR
openMP
Una simulazione
Un nodo di calcolo
Scalabilità
openMP
MPI
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Run normale
DMPAR
MPI
Una simulazione
Più nodi di calcolo
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO
ESECUZIONE DEL CODICE
Pre-processing
WPS
Metgrid
Run_case
o/i
Real
Wrf
namelist.input
Geogrid
namelist.wps
Ungrib
Run
WRF
Run_WPS
Run_WRF
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO
TEMPI DI ESECUZIONE
5h20'/dd
1h44'/dd
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IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO
ESECUZIONE DEL POST
AV
ppp_1
prestazioni
FT
ppp_2
Rose
ventosità
Weibull
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SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI
INDIVIDUAZIONE DEL DOMINIO DI CALCOLO
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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
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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
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SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI
MISURAZIONI
Max
Avr.
Std. Dev.
Time of Max
Anemometri a coppe U
Avr.
Std. Dev.
Banderuole Dir
Max
Avr.
Std. Dev.
Time of Max
Anemometro sonico U, V, W
Direzione sonico Dir
Avr.
Std. Dev.
Avr.
Std. Dev.
Termometro T
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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
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SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI
CONFRONTO TRA I DATI
MM5
Mesoscale Model
GTOPO30
5th
WRF
Generation
30m sls
SRTM
Weather Research Forecast
SRTM
GTOPO30
Misure
Torre CMC1
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CONCLUSIONI
Con
lavoro
è stato sviluppato
un protocollo
numerico,
• ilIlpresente
valore della
velocità
media
annuale
prevista
da WRF,
basato sul modello fluidodinamico di mesoscala WRF, per lo studio
affettodida
uno
del 4.3% rispetto al valore medio
anemologico
aree
adscostamento
orografia complessa;
misurato
dall'anemometro
torre, risulta
Il lavoro
di implementazione
deldella
protocollo,
che hanettamente
previsto
migliore
di
quello
previsto
da
MM5,
il
quale
si
scosta
dal
• per quanto
le direzioni
di provenienza
dei venti,
lo sviluppo
di unariguarda
serie codici
di pre e post
processamento,
riferimento
del 19.3%;
sitestato
notadi
che
entrambi
i del
modelli
stime di angoli
è statovalore
per
lo studiosperimentale
ventoforniscono
in aree
a orografia
• ruotati
purtroppo
si nota
un non
altrettanto
buon
comportamento
in verso
antiorario.
In particolare
a 30m
sls,
MM5
complessa
adottando
delle
modifiche
per l'utilizzo
con
i formati
di
WRF,
a MM5,
per
ciòche
chesi
riguarda
gliin
andamenti
fornisce
dei valori
di direzione
scostano
media di
di "terrain“
ad rispetto
alta
risoluzione
SRTM;
mentre
WRF
haain
generale
deviazione
diun
circa
45°.
delle
10m
sls.
In una
questo
caso MM5
fornisce
Sono22.5°
statetemperature
condotte
simulazioni
numeriche
annuali
su
deidivalori
di medie
mensili
di andamenti gestita
giornalieri
dominio
calcolo
con una
torre eanemometrica
dal molto
aderenti aDal
quelli
forniti dal
della
DIISM più
dell'UNIVPM.
confronto
deitermometro
numerici con
gli torre;
sperimentali
si è visto che:
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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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