+ All Categories
Home > Technology > Cu stp 02_solar_resource

Cu stp 02_solar_resource

Date post: 18-Dec-2014
Category:
Upload: manuel-silva
View: 531 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
Description:
 
80
SOLAR THERMAL POWER GEEN 4830 – ECEN 5007 Manuel A. Silva Pérez [email protected] 2. Solar Resource
Transcript
Page 1: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR THERMAL POWER!GEEN 4830 – ECEN 5007!

Manuel A. Silva Pé[email protected]!

2. Solar Resource!

Page 2: Cu stp 02_solar_resource

Contents

}  The sun as energy source }  Sun‐Earth relationships }  Solar radiation measurements }  Quality control of solar radiation data }  Solar radiation estimation

}  From meteorological data }  Models for the estimation of the beam component }  From Satellite images

}  Databases and tools }  Typical Meteorological Years

1 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 3: Cu stp 02_solar_resource

El  espectro  electromagné0co  

The  electromagne.c  spectrum  is  a  con.nuum  of  all  electromagne.c  waves  arranged  according  to  frequency  and  wavelength.    Energy  =  h·∙f      Planck’s  constant  h  =  6.62·∙10-­‐34  J·∙s  

ENERGY  

3·∙106  GHz  

2 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 4: Cu stp 02_solar_resource

Bands  adopted  by  the  Interna.onal  Commission  on  Illumina.on  (Commission  Interna.onal  de  l'Eclairage,  CIE)  UV,  visible  e  IR  

λ  (nm)  

UV  C   UV  B   UV  A   Visible   IR  A   IR  B   IR  C  

400   3000  1400  760  315  280  100   106  

3·∙106   7.5·∙105   105   300  

 f  (GHz)  

0.3  m  (300  nm)  

3  m  (3000  nm)  

Shortwave  solar  radia.on   Longwave  solar  radia.on  

The  electromagne0c  spectrum  

3 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 5: Cu stp 02_solar_resource

Black  body  A  black  body  is  an  ideal  object  that  absorbs  100%  of  the  radia.on  that  hits  it.  It  also  emits  the  maximum  radia.on  at  all  wavelengths  and  all  direc.ons  at  a  given  temperature.  The  spectral  (  or  monochroma.c)  p  )  emissive  power  of  a  black  body.    ebλ  is  the  energy  emited  per  .me  and  area  units  at  each  wavelength,  and  it  is  a  func.on  of  temperature  

[ ]1/51

2 −⋅= TCb e

Ce λλ λ(W·∙m-­‐2  ·∙μm-­‐1)  Planck’s  equa.on  

KT m →→ µλ

4-281 mmW107427.3 µ⋅⋅=C Km104388.1 4

2 ⋅⋅= µC

4 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 6: Cu stp 02_solar_resource

For  a  black  body,  as  the  temperature  increases:  

0 5 10 15 20100

101

102

103

104

105

106

107

108

300 K

1000 K2500 K5777 K

Pot

enci

a em

isiv

a es

pect

ral (

Wm

-2µm

-1)

λ (µm)

λbe

-­‐ The  emissive  power  increases  for  every  wavelength  

-­‐  The  rela.ve  amount  of  energy  emifed  at  short  wavelengths  increases  

-­‐  The  posi.on  of  the  maximum  emissive  power  is  displaced  to  shorter  wavelengths  

Black  body  radia0on  

5 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 7: Cu stp 02_solar_resource

Stefan-­‐Boltzmann’s  Law  

The  total  emissive  power  is  the  radia.on  emifed  by  the  black  body  at  all  wavelengths,  and  is  given  by:  

[ ]∫−⋅

=∫=∞=

=

∞==

λ

λλ

λλ λ λ

λλ

0/51

0 12d

eCdee TCbb

4Teb σ=

Stefan-­‐Boltzman’s  constant    σ  =  5.6866·∙10-­‐8  W·∙m-­‐2K-­‐4  

Wien’s  Law  

The  wavelengths  corresponding  to  the  maximum  emifed  power  is  inversely  propor.onal  to  temperature   Tmax

8.2897=λ (μm)  

(W·∙m-­‐2)  

Black  body  radia0on  

6 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 8: Cu stp 02_solar_resource

The  irradiance  (at  a  point  of  a  surface)  is  the  radiant  power  of  all  wavelengths  incident  from  all  upward  direc.ons  on  a  small  element  of  surface  containing  the  point  under  considera.on  divided  by  the  area  of  the  element.  SI  unit  is  W·∙m-­‐2.    The  spectral  irradiance  is  the  irradiance  at  a  given  wavelength  per  unit  wavelength  interval.  The  SI  unit  is  W  m–3,  but  a  commonly  used  unit  is  W  m–2  μm–1.  

remit  

2

0 ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=

⋅rreI emit

bn λλ

Irradiance; spectral irradiance

7 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 9: Cu stp 02_solar_resource

8 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 10: Cu stp 02_solar_resource

Solar Spectrum. Solar constant

Solar Constant

NASA 1353WRC 1367

SCG (W·∙m-­‐2)  

SCG =  4921  kJ·∙m-­‐2·∙h-­‐1  

SCG =  0.082  MJ·∙m-­‐2·∙min-­‐1  

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0

500

1000

1500

2000

2500λnI 0

(W·∙m-­‐2  ·∙m-­‐1)  

λ  (μm)  

Total Radiative flux (at all wavelengths) inciding on a surface perpendicular to the sun rays at a distance of 1 AU

hfp://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am0/  9 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 11: Cu stp 02_solar_resource

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0

500

1000

1500

2000

2500

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0

500

1000

1500

2000

2500

λnI 0⋅

(W·∙m-­‐2  ·∙μm-­‐1)  

λ  (μm)  

Black  body  @  5777  K  Size  of  the  Sun  @  1  AU  

Extraterrestrial solar spectrum

Visible  http://mesola.obspm.fr/solar_spect.php

hfp://rredc.nrel.gov/solar/standards/am0/wehrli1985.new.html  

UV   IR  

The Sun as a blackbody

10 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 12: Cu stp 02_solar_resource

¡The Sun is a high quality energy source!

}  Aprox. 95% of the extraterrrestrial solar radiation can be converted to work

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

KKQ

TTQW SunSun

ambSun 5777

30011

GEEN 4830 – ECEN 5007 11

Page 13: Cu stp 02_solar_resource

Extraterrestrial solar radiation

I!0n =GSC

r0r

"#$

%&'2

=GSCE0

I!0 = I!0n cos!z

I!0 =GSC

r0r

"#$

%&'2

cos!z =GSCE0 cos!z

On a normal surface

On a horizontal surface

12 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 14: Cu stp 02_solar_resource

Average solar irradiance on the Earth

GSC = 1367 W·m-2

Earth  radius  =  6740  km.  The  intercepted  solar  radia.on  is  

propor.onal  to  πR2  

The  energy  received  on  1  day  is  distributed  on  an  area  4πR2  

The  average  solar  irradiance  on  the  top  of  the  atmosphere  is  342  W·∙m-­‐2    

 13 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 15: Cu stp 02_solar_resource

14 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 16: Cu stp 02_solar_resource

Rayleigh���diffusion Mie diffusion  

Beam ���irradiance  

Diffuse ���irradiance  

Albedo irradiance

Beam ���irradiance  

Interac.on  between  solar  radia.on  and  atmospheric  components  

15 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 17: Cu stp 02_solar_resource

(Clear  Day)  

Absorp0on  %  

8  

100%  

Air  molecules  1  

1  to  5  

0.1  a  10  

5  Dust,  aerosols  

Moisture  0.5  to  10  

2  to  10  

Diffuse  %  

Reflec0on  to  space  %  

Beam  

83%  to  56%  11%  to  23%   5%  a  15%  

Interac.on  between  solar  radia.on  and  the  Earth’s  atmosphere  

16 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 18: Cu stp 02_solar_resource

Scafering  (change  in  direc.on  per  air  molecules)  

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

0.3 1.3 2.3 3.3

Longitud onda (micras)

Coef

. tra

nsm

isió

n es

cate

rin

θz=20º z = 0 m.

Atmosphere  

Earth  

θz  

17 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 19: Cu stp 02_solar_resource

Atmosphere  

Earth  

θz  

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Longitud de onda (micras)

Coe

f. tra

nsm

isió

n oz

ono

Absorp.on  by  ozone    

θz=20º Lo=0.2

18 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 20: Cu stp 02_solar_resource

Lo  =  Ozone  layer  thickness  (cm)  

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Latitud (º)

Espe

sor c

apa

ozon

o (c

m) Enero

FebreroMarzoAbrilMayoJunioJulioAgostoSeptiembreOctubreNoviembreDiciembreNorte   Sur  

19 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 21: Cu stp 02_solar_resource

Absorp.on  by  gases  (CO2,  O2)    

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.3 0.8 1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8

Longitud de onda (micras)

Coe

f. tr

ansm

isió

n po

r mez

cla

de g

ases

θz=20º  z  =  0  m.  

Atmosphere  

Earth  

θz  

20 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 22: Cu stp 02_solar_resource

Absorp.on  by  water  molecules  

0

0.10.2

0.30.4

0.5

0.60.7

0.80.9

1

0.3 0.8 1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8

Longitud de onda (micras)

Coe

f. tr

ansm

isió

n po

r abs

orci

ón d

el

vapo

r de

agua

θz=20º  T=25ºC  RH=50%  

Atmosphere  

Earth  

θz  

21 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 23: Cu stp 02_solar_resource

Absorp.on  and  diffusion  by  aerosols  

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.3 0.8 1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8

Longitud de onda (micras)

Coe

ficie

nte

tran

smis

ión

aero

sole

s

θz=20º  α=1.3  β=0.15  τaa(absorp.on)  

τas(difussion)  

Atmosphere  

Earth  

θz  

22 GEEN 4830 – ECEN 5007

τa(total  afenua.on)  

Page 24: Cu stp 02_solar_resource

0

500

1000

1500

2000

0,3 1,3 2,3 3,3

Longitud de onda (micras)

W/m

2 · µm

Extraterrestre5777 KInIdhIT

Solar  radia.on  on  the  Earth’s  surface  

nd  =  94  θz=20º  z  =  0  m.  α=1.3  β=0.15  Ts=25ºC  RH=50%  Lo  =  0.3  

O3  

O2  

H2O  CO2  H2O  

23 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 25: Cu stp 02_solar_resource

CHARACTERISTICS  OF  SOLAR  RADIATION  Cycles  

Solar  energy  reaches  the  earth  in  a  discon.nuous  form,  resul.ng  in  different  cycles:

}  Daily  cycle:    }  accounts  for  50%  of  the  total  availability  of  daily  hours.  

}  Another  effect  of  the  daily  cycle  is  the  modula.on  of  the  received  energy  throughout  the  day.

}  Seasonal  cycle:    }  modula.on  of  the  received  energy  throughout  the  year.  

24 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 26: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR  RADIATION  CHARACTERISTICS  Low  density  

}  The  maximum  possible  amount  of  solar  radia.on  received  by  the  surface  of  the  atmosphere  at  1  AU  is  1367  W/m2    

}  Large  surfaces  are  needed  to  achieve  high  power  outputs.  

}  To  increase  the  density  concentra.on  should  be  used.  

}  Only  the  direct  component  of  solar  radia.on  can  be  concentrated.  

25 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 27: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR  RADIATION  CHARACTERISTICS  Dependence  on  geography  (la0tude)  

}  Under  clear  sky  condi.ons:  the  solar  radia.on  depends  mainly  on  the  la.tude.  

}  La.tude  effect  is  equivalent  to  the  modifica.on  of  the  angle  of  incidence  of  solar  radia.on.  

}  For  the  modula.on  of  the  received  energy  the  following  can  be  used:  }  Solar  tracker  }  Tilted  Plane    

}  The  inclina.on  of  the  recep.on  plane  means:  }   Modifica.on  of  the  la.tude  effect    }  Modifica.on  of  the  annual  distribu.on.  

26 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 28: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR  RADIATION  CHARACTERISTICS  Random  character  

}  Solar  radia.on  on  the  Earth's  surface  is  modulated  by  clima.c  condi.ons.  

}  Clear  sky  condi.ons  are  not  common.  }  The  la.tude  indicates  a  maximum  range,  but  the  energy  received  is  determined  by  local  clima.c  condi.ons.  

27 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 29: Cu stp 02_solar_resource

SUN-­‐EARTH  RELATIONSHIPS  Sun-­‐Earth  distance  

}  The earth revolves around the Sun in an elliptical orbit, with the Sun in one of its foci.

}  The amount of solar radiation incoming to the Earth is inversely proportional to the square of the Sun – Earth distance.

}  The distance is measured in astronomical units (AU) equivalent to the mean Sun ‐ Earth distance.  

28 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 30: Cu stp 02_solar_resource

SUN-­‐EARTH  RELATIONSHIPS  Declina0on  

}  Eclip.c  plane  (ECLP):  the  plane  of  Earth's  revolu.on  around  the  Sun }  Equatorial  plane  (EQUP):  the  plane  containing  the  equator   }  The  Polar  axis  is  .lted  23.5o  with  respect  to  the  normal  to  the  ECLP.  

w  ECLP  and  EQUP  cross  in  the  equinoxes  and  the  distance  is  maximum  in  the  sols.ces.  

w  The  angle  in  a  specific  moment  between  both  planes  is  called  DECLINATION  

29 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 31: Cu stp 02_solar_resource

SUN-­‐EARTH  RELATIONSHIPS    Rela0ve  posi0on  sun-­‐horizontal  surface  

w  Zenith angle (θ ) and solar elevation (α)

w  Azimuth (ψ) = angle between the observer meridian and the solar meridian

w  Hourly angle (ω) = angle between the sun position and the south meridian 15o=1hour; +E /‐W.␣

w  Sunrise angle (ωs) = sunset angle (horizon)

30 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 32: Cu stp 02_solar_resource

SUN-­‐EARTH  RELATIONSHIPS      Rela.ve  posi.on  Sun  -­‐  inclined  surface  

}  Considering  a  south  orienta.on,  the  diagram  shows  how  a  surface  inclined  β  in  a  la.tude  φ  is  similar  to  a  horizontal  surface  in  a  la.tude  φ-­‐β.  

31 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 33: Cu stp 02_solar_resource

EXTRATERRESTRIAL  SOLAR  RADIATION      Hourly  radia.on  over  horizontal  surface  

}  The  extraterrestrial  radia.on  on  a  normal  surface  (perpendicular  to  the  Sun´s  rays)  is  expressed  as:  

( ) 02

0 EIrrII scoscn ==

w  For  an  horizontal  surface  

zscEII θcos00 =

32 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 34: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR  RADIATION  ON  THE  EARTH  SURFACE      Direct  solar  radia.on  (beam)  

}  Is  the  radia.on  coming  directly  from  the  Sun  disk.  

}  It  has  a  direc.onal  character  and  can  be  concentrated.  

}  Accounts  for  approx.  90%  of  the  solar  radia.on  on  clear  sky  days,  and  can  be  null  in  cloud  covered  days.  

}  As  a  direc.onal  component,  the  contribu.on  on  a  surface  is  the  perpendicular  projec.on  over  this  surface:  beam  radia.on  is  the  radia.on  on  a  plane  perpendicular  to  the  sun´s  rays.  

I  =  B  cos  θ  It  can  be  maximized  with  solar  trackers.    

33 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 35: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR  RADIATION  ON  THE  EARTH  SURFACE      Diffuse  solar  radia.on  

}  Part  of  the  solar  radia.on  is  absorbed  by  the  atmospheric  components.  Another  part  is  reflected  by  these  components  producing  direc.on  changes  and  energy  reduc.on.  

}  Diffuse  radia.on  =  the  part  of  this  radia.on  that  reaches  the  earth´s  surface.  

}  Diffuse  radia.on  has  three  components:  }  Circumsolar  }  Horizon  band  }  Blue  sky  

34 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 36: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR  RADIATION  ON  THE  EARTH  SURFACE      Reflected  solar  radia.on  

}  Radia.on  coming  from  the  reflec.on  of  the  solar  radia.on  on  the  ground  or  on  other  nearby  surfaces.  

}  Usually  is  small,  but  in  occasionally  can  account  for  up  to  40%  of  the  solar  radia.on  on  a  given  surface.  

35 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 37: Cu stp 02_solar_resource

Meteorological  Sta0on  at  the  Seville  Engineering  School  (since  1984)    

Solar  radia0on  measurement    

36 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 38: Cu stp 02_solar_resource

Measurement  of  Solar  Radia0on  

         

                             

                             

                             §   Since  1830,  Herschel,  Beloni  and  Pouillet  developed  instruments,  capable  of          measuring  the  intensity  of  solar  radia.on  

§   Precise  determina.on  of  the  solar  constant  in  the  early  1900’s,  during  the  energy  crisis        and  solar  energy  development  in  1970s.  

§   Need  to  befer  understand  global  climate  change  in  the  1980s  and  1990s.  

37 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 39: Cu stp 02_solar_resource

Solar  radia0on  sensors  

GEEN 4830 – ECEN 5007 38

Page 40: Cu stp 02_solar_resource

Solar radiation sensors

GEEN 4830 – ECEN 5007 39

}  Rotating shadowband radiometer }  Measures global + diffuse }  Calculates direct from global +

difusse measurements

Page 41: Cu stp 02_solar_resource

Measurement  of  Solar  Radia.on  

                     

§   Broad-­‐band  global  solar  irradiance:  Pyranometer  

         

         §   Diffuse  radia.on  is  measured  with  a  pyranometer  and  a  shading  device  (disc,  shadow  ring,  or  band)    that  excludes  direct  solar  radia.on  

             §   Response  decreases  approximately  as  the  cosine  of  the  angle  of  incidence.  

§   Measures  energy  incident  on  a  flat  surface,  usually  horizontal  

40 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 42: Cu stp 02_solar_resource

Global  irradiance  }  Most  readily  available  data,  required  for  many  different  applica.ons  

}  Difficult  to  model  }  Sensi.ve  to  the  albedo  of  the  surroundings  

 Measurement  }  No  absolute  reference  for  calibra.on    }  Cosine  effect  (correc.on  required)  }  Many  instruments  available    

41 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 43: Cu stp 02_solar_resource

Global  irradiance  measurement  –  error  sources    

}  Calibra.on  errors  }  Stability    }  Non-­‐Linearity  }  Shadows  and  reflec.ons  from  the  surroundings  }  Cosine  effect  }  Spectral  transmissivity  of  the  dome  }  Thermal  offset  of  the  dome  }  Temperature  dependence  }  Cleanliness  of  the  dome  }  Leveling  

42 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 44: Cu stp 02_solar_resource

Diffuse  irradiance  measurement  –  error  sources    

Same  as  global,  plus  }  Geometry  of  shading  device  }  Incorrect  alignment  of  shading  device  

43 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 45: Cu stp 02_solar_resource

}  Easy  to  model  }  Sensi.ve  to  afenua.on    }  It  is  the  main  component  under  clear  

sky  

Measurement  }  Precise  calibra.on  (absolute  –cavity-­‐  

radiometer)  }  Requires  con.nuous  tracking  

 

5.7  º  

Eppley  Labs  pyrheliometer  (NIP)  &  tracker  

Direct  normal  (beam)  irradiance  measurement  

44 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 46: Cu stp 02_solar_resource

}  Calibra.on  errors  }  Calibra.on  stability  }  Linearity  }  Spectral  transmissivity  of  the  window  }  Incorrect  alignment,  obstacles  }  Temperature  dependence  }  Window  cleanliness    

 

Direct  normal  (beam)  irradiance  measurement  –  error  sources  

45 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 47: Cu stp 02_solar_resource

Measurement  of  Solar  Radia.on  The  Baseline  Surface  Radia.on  Network  (BSRN)  hfp://www.bsrn.awi.de/en/home/bsrn/  

 § The  BSRN  was  recently  (early  2004)  designated  as  the  global  baseline  network  for  surface  radia.on  for  the  Global  Climate  Observing  System  (GCOS).  The  BSRN  sta.ons  also  contribute  to  the  Global  Atmospheric  Watch  (GAW).  § Proposed  by  the  World  Climate  Research  Program  (late  1980s)  § Objec.ve:  high  accuracy  surface  irradiance  measurement  all  over  the  world  

§ Valida.on  of  satellite  es.ma.on  models  § Valida.on  of  radia.on  codes  for  climate  models  

46 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 48: Cu stp 02_solar_resource

Measurement  of  Solar  Radia.on  –  BSRN  Sta.ons  The  SURFRAD  network  Sta.on  at  Boulder,  CO.  La0tude:  40.13  degrees  North    Longitude:  105.24  degrees  West    Eleva0on:  1689  meters    Time  Zone:  Local  Time  +  7  hours  =  UTC    Installed:  July  1995      

The  Boulder  SURFRAD  instruments  are  located  on  the  deck  at  SRRB's  Table  Mountain  Test  Facility,  located  8  miles  north  of  Boulder.  These  instruments  are  part  of  a  larger  set  maintained  at  this  loca.on  and  used  for  annual  intercomparisons  and  other  research.    

47 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 49: Cu stp 02_solar_resource

Contents

}  Quality control of solar radiation data }  Solar radiation estimation

}  From meteorological data }  Models for the estimation of the beam component }  From Satellite images

}  Databases and tools }  Typical Meteorological Years

48 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 50: Cu stp 02_solar_resource

Quality control of solar radiation data

}  Different procedures, all based on data filtering by: }  Comparison with physical constraints, other measurements,

models. }  Visual inspection by experienced staff

}  An example follows (see also http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/qc_tnd/ for a different, more exhaustive procedure)

49 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 51: Cu stp 02_solar_resource

Quality  control  of  solar  radia.on  data  

1.  Physically  Possible  Limits  2.  Extremely  Rare  Limits  3.  Comparisons  vs  other  measurements  4.  Comparisons  vs  model  5.  Visual  inspec.on  

50 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 52: Cu stp 02_solar_resource

FILTER  1:  Physically  Possible  Limits    

Subscripts:  go  =  Global  horizontal,  do  =  diffuse  horzontal,  D  =  beam  

Io  =  extraterrestrial  irradiance;  Itop  =  irradiance  at  minimum  zenith  angle  

Units:  W  m-­‐2  

Lower  limit   Irradiance   Upper  limit  0   Igo   Io  

0   Ido   Itop+10  

0   ID   Io  

51 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 53: Cu stp 02_solar_resource

FILTER  2:  Extremely  Rare  Limits  

Subscripts:  go  =  Global  horizontal,  do  =  diffuse  horizontal,  D  =  beam  

Z:  zenith  angle;  m  =  air  mass;  Eo  =  Sun  –  Earth  distance  correc.on  factor  

Io  =  extraterrestrial  irradiance;  Itop  =  irradiance  at  minimum  zenith  angle  

Units:  W  m-­‐2  

52 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 54: Cu stp 02_solar_resource

FILTER  3:  Comparison  vs  other  measurements  

Lower  limit     Irradiance     Upper  limit  

(Igo-­‐Ido)-­‐50  Wm-­‐2   ID·∙cosZ   (Igo-­‐Ido)+50  Wm-­‐2  

ID·∙cosZ-­‐50  Wm-­‐2   Igo-­‐Ido   ID·∙cosZ+50  Wm-­‐2  

 |Igo-­‐Ido  –  ID  cos  z|±  50  Wm-­‐2  

  Subscripts:  go  =  Global  horizontal,  do  =  diffuse  horizontal,  D  =  beam  

Z:  zenith  angle;  m  =  air  mass;  Eo  =  Sun  –  Earth  distance  correc.on  factor  

Io  =  extraterrestrial  irradiance;  Itop  =  irradiance  at  minimum  zenith  angle  

Units:  W  m-­‐2  

53 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 55: Cu stp 02_solar_resource

FILTER  4:  Comparison  vs  model  

 Comparison  vs  a  model.  The  model  has  to  be  adapted  to  the  clima.c  characterisi.cs  of  the  Sta.on.    

   

   Example:  Hourly  beam-­‐to-­‐extraterrestrial  irradiance  plofed  against  clearness  index  (NREL’s  quality  control  procedure)    

54 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 56: Cu stp 02_solar_resource

FILTER  5:  Visual  Inspec.on  

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

-­‐8 -­‐6 -­‐4 -­‐2 0 2 4 6 8

hora solar

irrad

ianc

ias

W/m

2

IDmedidaigid

55 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 57: Cu stp 02_solar_resource

Visual  inspec.on  

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

200

400

600

800

1000

1200

1400

GMT(h)

I(W/m

2)

Estación: Cáceres (SAMCA) 18/11/2007

56 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 58: Cu stp 02_solar_resource

Time  offset  Incorrect  .me  stamp  

 

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Ighoras sol

t1torto

tocaso

t2

dm dt

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Ighoras solIgcorregida

torto tocaso

t2t2't1'

t1

57 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 59: Cu stp 02_solar_resource

CLASSICAL  ESTIMATION  OF          SOLAR  RADIATION  Models  depend  on  the  variable  to  es.mate  and  on  the  available  data  and  their  characteris.cs:  

}  Es.ma.on  of  daily  or  monthly  global  horizontal  or  direct  normal  irradia.on  from  sunshine  dura.on  

}  Es.ma.on  of  hourly  values  from  daily  values  of  global  horizontal  irradia.on    

}  Es.ma.on  of  global  irradia.on  on  .lted  surfaces  }  Es.ma.on  of  the  beam  component  from  global  horizontal  irradia.on    

}  Etc.  

58 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 60: Cu stp 02_solar_resource

Es.ma.on  of  daily  or  monthly  global  horizontal  irradia.on  from  sunshine  dura.on  }  Angstrom  –  type  formulas  

H/H0  =  a  +  b  (s/s0)  }  Where    

}  H  is  the  monthly  average  of  the  daily  global  irradia.on  on  a  horizontal  surface  

}  H0  is  the  monthly  average  of  the  daily  extraterrestrial  irradia.on  on  a  horizontal  surface  

}  s  is  the  monthly  average  of  the  daily  number  of  hours  of  bright  sunshine,    

}  s0  is  the  monthly  average  of  the  daily  maximum  number  of  hours  of  possible  sunshine    

}  a  and  b  are  regression  constants  

59 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 61: Cu stp 02_solar_resource

Es.ma.on  of  direct  normal  irradia.on  from  sunshine  dura.on  

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

hora solar / h

E bn /

W·m

-2

60 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 62: Cu stp 02_solar_resource

Decomposi0on  models  (es0ma0on  of  beam  and  diffuse  components  from  global  horizontal)  

GEEN 4830 – ECEN 5007 61

Page 63: Cu stp 02_solar_resource

Kd  –  KT  models  

Modelos Kt-Kd diarios

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Kt

Kd

Collares Muneer Liu-Jordan GTER00-05 Ruth and Chant GTERD00-05

62 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 64: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR  RADIATION  ESTIMATION  FROM  SATELLITE  IMAGES  

63 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 65: Cu stp 02_solar_resource

SOLAR  RADIATION  ESTIMATION  FROM  SATELLITE  IMAGES  

}  Energy  balance  

tase0 EEII ++=

( )aseg EIIA

I −−−

= 011

64 GEEN 4830 – ECEN 5007

Measured

Modeled

Measured - Estimated

Modeled

Page 66: Cu stp 02_solar_resource

THE  SATELLITE      Meteorological  satellites  

}  In  meteorology  studies  frequent    and  high  density  observa.ons  on  the  Earth's  surface  are  required.  

 Conven.onal  systems  do  not  provide  a  global  cover.  

w  An  important  tool  to  analyse  the  distribu.on  of  the  clima.c  system  are  the  METEOROLOGICAL  SATELLITES.  These  can  be:  

ð  Polar  satellites  

ð  Geosta.onary:  In  Europe,  the  system  of  geosta.onary  meteorological  satellites  is  called  METEOSAT      

65 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 67: Cu stp 02_solar_resource

THE  SATELLITE      Satellite  classifica.on  

Related  to  the  type  of  orbit  :  

Polar  satellites:  placed  in  polar  orbits,  modifying  its  perspec.ve  and  distance  to  the  Earth.    

 Resolu.on  1m  to  1km.  

Geosta.onary  satellites:  placed  in  the  geosta.onary  orbit  that  is,  the  place  in  the  space  where  the  Earth's  afrac.on  force  is  null.  It  is  an  unique  circumference    where  all  the  geosta.onary  satellites  are  situated  in  order  to  cover  the  whole  Earth's  surface.  The  resolu.on  of  these  satellites  are  maximum  at  the  equator,  and  decrease  in  all  direc.ons.  

66 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 68: Cu stp 02_solar_resource

METHODOLOGY      Advantages  

   

}  The  geosta.onary  satellites  show  simultaneously  wide  areas.    

}  The  informa.on  of  these  satellites  is  always  referred  to  the  same  .me  window.  

}  It  is  possible  to  analyse  past  climate  using  satellite  images  of  previous  years.  

}  The  u.lisa.on  of  the  same  detector  to  evaluate  the  radia.on  in  different  places.  

67 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 69: Cu stp 02_solar_resource

METHODOLOGY      Disadvantages  

   }  The  range  of  the  brilliance  values  of  cloud  cover  (90-­‐255)  and  of  the  soils  (30-­‐100)  overlap.    

}  The  digital  conversion  results  in  imprecision  for  low  values  of  brilliance.    

}  The  image  informa.on  is  related  to  an  instant,  while  the  radia.on  data  is  es.mated  in  a  hourly  or  daily  period.    

}  The  spectral  response  of  the  detector  is  not  in  the  same  range  of  that  of    conven.onal  pyranometers.  

68 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 70: Cu stp 02_solar_resource

METHODOLOGY      Physical  and  sta.s.cal  models  

}   The  purpose  of  all  models  is  the  es.ma.on  of  the  solar  global  irradia.on  on  every    pixel  of  the  image.  

}  The  exis.ng  models  are  classified  in:  physical  and  sta/s/cal  depending  of  the  nature  of  the  approach  to  evaluate  the  interac.on  between  the  solar  radia.on  and  the  atmosphere.  

}  Both  types  of  models  show  similar  error  ranges.  

69 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 71: Cu stp 02_solar_resource

METHODOLOGY      Physical  and  sta.s.cal  models  

STATISTICAL  MODELS  

}  Based  on  rela.onships  (usually  sta.s.cal  regressions)  between  pyranometric  data  and  the  digital  count  of  the  satellite.  

}  This  rela.on  is  used  to  calculate  the  global  radia.on  from  the  digital  count  of  the  satellite.    

}  Simple  and  easy  to  apply.    

}  They  do  not  need  meteorological  measurements.  

}  The  main  limita.ons  are:  

}  The  needed  of  surface  data.    

}  The  lack  of  universality.  

70 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 72: Cu stp 02_solar_resource

METHODOLOGY      Physical  and  sta.s.cal  models  

PHYSICAL  MODELS  

}  Based  on  the  physics  of  the  atmosphere.  They  consider:  

}  The  absorp.on  and  scafer  coefficients  of  the  atmospheric  components.  

}  The  albedo  of  the  clouds  and  their  absorp.on  coefficients.  

}  The  ground  albedo.  

}  Physical  models  do  not  need  ground  data  and  are  universal  models.  

}  Need  atmospheric  measurements.  

71 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 73: Cu stp 02_solar_resource

4.  DATA  BASES  AND  TOOLS  

EUROPE  }  HELIOCLIM1  and  HELIOCLIM.  

}  h+p://www.helioclim.net/index.html  }  h+p://www.soda-­‐is.com/eng/index.html  

}  ESRA  (European  Solar  Radia0on  Atlas).  }  h+p://www.helioclim.net/esra/  

}  PVGIS  (Photovoltaic  Gis)  }  h+p://re.jrc.cec.eu.int/pvgis/pv/    

}  SOLEMI  (Solar  Energy  Mining)  }  h+p://www.solemi.de/home.html  

USA    Na0onal  Solar  Radia0on  Database  

}  h+p://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/1991-­‐2005/tmy3  NASA  

}  h+p://eosweb.larc.nasa.gov/sse/        WORLD  }  METEONORM.  

}  h+p://www.meteotest.ch/en/mn_home?w=ber    }  WRDC  (World  Radia0on  Data  Centre)  

}  h+p://wrdc-­‐mgo.nrel.gov/    

72 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 74: Cu stp 02_solar_resource

The  Na.onal  Solar  Radia.on  Database  }  Project  Par.cipants  -­‐  Primary  project  funding  came  from  NREL  with  support  from  the  following  collaborators:    }  The  Atmospheric  Sciences  Research  Center,  State  University  of  New  York  at  Albany    

}  Climate  Systems  Branch,  Na.onal  Aeronau.cs  and  Space  Administra.on    

}  Na.onal  Clima.c  Data  Center,  U.S.  Department  of  Commerce    }  Northeast  Regional  Climate  Center,  Cornell  University    }  Solar  Consul.ng  Services,  Colebrook,  New  Hampshire    }  Solar  Radia.on  Monitoring  Laboratory,  University  of  Oregon.    

73 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 75: Cu stp 02_solar_resource

The  Na.onal  Solar  Radia.on  Database  }  Measured  Data  -­‐  About  40  sta.ons  in  the  updated  NSRDB  include  measured  solar  data,  supplied  by  these  agencies:    }  Atmospheric  Radia.on  Measurement  (ARM)  Program,  DOE    }  Florida  Solar  Energy  Center,  State  of  Florida    }  Integrated  Surface  Irradiance  Study  (ISIS)  and  Surface  Radia.on  Budget  Measurement  (SURFRAD)  Networks,  NOAA/ARL,  NOAA/ESRL/Global  Monitoring  Division    

}  Measurement  and  Instrumenta.on  Data  Center,  NREL    }  University  of  Oregon  Solar  Radia.on  Monitoring  Laboratory  Network    }  University  of  Texas  Solar  Energy  Laboratory.    

74 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 76: Cu stp 02_solar_resource

75 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 77: Cu stp 02_solar_resource

The  Na.onal  Solar  Radia.on  Database.  TMY3  }  The  TMY3s  are  data  sets  of  hourly  values  of  solar  radia.on  and  meteorological  elements  for  a  1-­‐year  period.  Their  intended  use  is  for  computer  simula.ons  of  solar  energy  conversion  systems  and  building  systems  to  facilitate  performance  comparisons  of  different  system  types,  configura.ons,  and  loca.ons  in  the  United  States  and  its  territories.  Because  they  represent  typical  rather  than  extreme  condi.ons,  they  are  not  suited  for  designing  systems  to  meet  the  worst-­‐case  condi.ons  occurring  at  a  loca.on.    

}  hfp://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/1991-­‐2005/tmy3.    

76 GEEN 4830 – ECEN 5007

Page 78: Cu stp 02_solar_resource

Statistical characterization of the solar resource

}  The statistical characterization of solar radiation requires long series of MEASURED data }  Sunshine hours – good availability }  Global horizontal (GH) – good availability }  Direct Normal (DNI) – poor availability

}  The statistical distribution of solar radiation depends on the aggregation periods }  Monthly and yearly values of global irradiation have normal

distribution }  The distribution of yearly values of DNI is not normal (Weibul?)

GEEN 4830 – ECEN 5007 77

Page 79: Cu stp 02_solar_resource

Solar resource assessment for CSP plants 1.  Estimate the solar resource from readily available information

1  Surface measurements 1  On site 2  Nearby

2  Satellite estimates 3  Sunshine hours 4  Qualitative information

2.  Set up a measurement station 1.  Datalogger 2.  Pyrheliometer 3.  Pyranometer (global and diffuse) 4.  Meteo (wind, temperature, RH)

3.  Maintain the station (frequent cleaning!)

GEEN 4830 – ECEN 5007 78

Page 80: Cu stp 02_solar_resource

Solar resource assessment for CSP plants

5.  Perfom quality control of measured data 6.  Compare estimates with measurements and assess solar

resource (DNI, Global) }  After 1 year of on-site measurements }  1 year is not significant:

}  long term estimates should prevail }  Analysis must be made by experts

7.  Elaborate design year(s) from measured data }  Time series -1 year- of hourly or n-minute values

}  Typical }  Percentiles (P50, P90, P10)

GEEN 4830 – ECEN 5007 79


Recommended