Tesi Di Dottorato Di Pierpaolo Garofalo

“Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page 1 — #1 “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page 2 — #2 “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page 3 — #3 Universita` Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze dell’Ingegneria Curriculum Energetica Valutazione della risorsa eolica di aree ad orografia complessa per mezzo di analisi fluidodinamica numerica di mesoscala Tesi di Dottorato di: Pierpaolo Garofalo Tutor: Ch.mo Prof. Renato Ricci Coordinatore del Curriculum: Ch.mo Prof. Massimo Paroncini X Ciclo - Nuova Serie “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page 4 — #4 “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page 5 — #5 Universita` Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze dell’Ingegneria Curriculum Energetica Valutazione della risorsa eolica di aree ad orografia complessa per mezzo di analisi fluidodinamica numerica di mesoscala Tesi di Dottorato di: Pierpaolo Garofalo Tutor: Ch.mo Prof. Renato Ricci Coordinatore del Curriculum: Ch.mo Prof. Massimo Paroncini X Ciclo - Nuova Serie “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page 6 — #6 Universita` Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze dell’Ingegneria Facolta` di Ingegneria Via Brecce Bianche – 60131 - Ancona, Italy “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page i — #7 Sommario Lo scopo della presente ricerca èstato lo sviluppo di un protocollo nu- merico volto allo studio di siti eolici ad orografia complessa al fine di valutarne la producibilitàenergetica mediante l’uso di codici numerici di mesoscala. A tale proposito sono stati utilizzati i due codici numerici di mesoscala attualmente piùusati per effettuare delle simulazioni annuali basate sia su griglie lasche che fini, del sito di interesse. Quest’ultimo èposizionato sul Col di Mezzo, una collina a metàstrada tra il monte Tolagna ed il monte Miglioni nell’area del comune di Monte Cavallo (Mc). I risultati numerici sono stati confrontati con i dati sperimentali forniti da una torre anemometrica della “ComunitàMontana di Cameri- no”, gestita dal Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Mate- matiche (DIISM) dell’UniversitàPolitecnica delle Marche (UNIVPM), posizionata nel centro del dominio di calcolo. Le aree ad orografia complessa sono quelle in cui le irregolaritàdel terreno sono tali da influenzare profondamente il campo di moto in maniera tale che i codici di microscala attualmente usati, sviluppati e affinati soprattutto per affrontare le situazioni di strato limite pla- netario stabile su terreni pianeggianti, non danno soluzioni del tutto soddisfacenti. E` ben noto infatti come l’energia in Italia sia soprattutto disponi- bile in quelle aree situate ad altitudini medio alte, dove le complessità del terreno ed i fenomeni convettivi giocano un ruolo cruciale nell’influenzare il campo di moto nei suoi valori medi, direzione e contenuto di turbolenza. L’approccio classico finora adottato nello studio delle risorse eoliche in siti ad orografia complessa prevede tre passi successivi: un primo passo consiste nella raccolta dei dati di scala globale, disponibili da archivi accessibili on line, ottenuti da modelli General Circulation Model (GCM) che risolvono lo stato dell’atmosfera a livello globale terrestre; il secondo passo consiste nel passare le condizioni al contorno fornite dai GCM ad un modello Limited Area Model (LAM) (per esempio un codice di mesoscala quale Mesoscale Model Fifth Generation (MM5) o Weather Re- i “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page ii — #8 search Forecast Mesoscale Model (WRF) del National Center for Atmp- spheric Research (NCAR)) che a sua volta risolve, la maggior parte delle volte parametrizzando i fenomeni meteo locali, le equazioni nelle scale che vanno dal migliaio di chilometri a pochi chilometri; il terzo passo consiste nel passare in termini di condizioni al contorno, i dati calcolati dal modello di mesoscala ad un modello Computational Fluid Dyna- mics (CFD) di microscala che risolve il campo locale di velocità(per esempio il modello PHOENICS). L’approccio perseguito in questa ricerca èstato basato sullo sfrutta- mento dei dati di orografia ad alta risoluzione Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), che la National Aeronautics and Space Administra- tion (NASA) mette a disposizione in rete, al fine di evitare il passo tre dell’approccio consueto. Sebbene siano disponibili dati relativi a riso- luzioni di griglia che arrivano a 30 metri, èstata scelta la griglia a 200 metri in quanto èrisultata un buon compromesso tra le necessitàdi avere una adeguata stabilitànumerica ed un peso computazionale non troppo oneroso. L’alta definizione dei dati SRTM ha permesso di spingere le poten- zialitàdi calcolo sia dell’ultima versione di WRF, che di MM5 alla risoluzione numerica di fenomeni locali che normalmente vengono para- metrizzati. In questo modo, il limite di quelle erano definite simulazioni ad alta risoluzione, basate su dati di orografia Global 30 Arc Second Elevation Data (GTOPO30) (ossia griglie di lato di circa 900m), èstato portato verso il nuovo valore di 200 metri. Tuttavia, al fine di poter sfruttare la risorsa offerta dai dati SRTM, il codice sorgente di MM5 ha dovuto essere alterato mentre WRF, giàpredisposto per ingerire i dati SRTM ha necessitato solo della scrittura di codice per la conversione dei dati in un formato compatibile. Il confronto dei dati numerici e sperimentali ha dato risultati inco- raggianti ed in buon accordo con i dati misurati sperimentalmente. ii “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page iii — #9 Abstract The goal of this research has been the development of a numerical protocol aimed to the study of complex orography sites in order to eva- luate available wind resources by means of mesoscale model software. At this purpose the two most widely used mesoscale numerical models, the National Center for Atmpspheric Research (NCAR) Mesoscale Mo- del Fifth Generation (MM5) and Weather Research Forecast Mesoscale Model (WRF), were used to run annual simulations based on both coar- se and fine grids on a domain area centred on Col di Mezzo, a hill located half way between Monte Tolagna and Monte Miglioni in the town-hall of Montecavallo (Mc). The results were compared to measu- red data available from the weather station mast owned by “Comunità Montana di Camerino, and supervised by Dipartimento di Ingegneria In- dustriale e Scienze Matematiche (DIISM) of UniversitàPolitecnica delle Marche (UNIVPM). Complex areas are those in which terrain orography is such that it influences profoundly the behaviour of wind field in a way that, commonly available micro scale codes, mostly developed, tailored and tuned to tackle the study of stable planetary boundary layer on flat terrain, often give unsatisfactory solutions. It is a well known fact that wind energy in the Country is mainly available in those areas located at relevant heights, where the complexities of terrain and convective phenomena play a crucial role in influencing the wind field mean values and direction as well as its turbulence content. The classical approach to studying wind resources in complex orography sites has been so far that relying on a three steps protocol: the first step consists in collecting data available from General Circulation Model (GCM) which solve numerically for the state of the atmosphere globally around the Earth; the second step consists in passing the boundary conditions provided by the GCM used in step one to a Limited Area Model (LAM) (e.g. NCAR mesoscale models such as MM5 and WRF) which in turn solves or more often parametrizes weather phenomena in scale ranges that go from thousands of kilometres to a few kilometres; iii “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page iv — #10 the third step consists in feeding in data, worked out by the mesoscale models used in step two, as boundary conditions to a Computational Fluid Dynamics (CFD) micro scale models (e.g. the PHOENICS model) which solves for the local wind field. The approach pursued in this research is based on the exploitation of National Aeronautics and Space Administration (NASA) Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) terrain orography data and aims to skip the third step of the classical approach. Even though SRTM data grid are available down to resolutions of thirty meters, a 200 metres grid was used. This grid dimension turned up to be acceptable both from the computational power demand and numerical stability point of view. The more powerful latest versions of WRF in particular, and MM5 mesoscale models were let to resolve for most of the local phenomena rather then relying on parametrization, thanks to finer grids whose use was made it possible by the availability of SRTM data. This way in this research the limits of what was commonly referred to as a hight resolution 30 seconds of degree grid (approximately 900 metres) was pushed forward to a finer 200 metres grid. However, in order to make use of such a fine grid, some alterations to the source code were necessary in the case of MM5 mesoscale model whereas some minor code writing was enough to enable the WRF model to ingest new high resolution SRTM terrain data. The comparison between numerical results and experimental data has showed that this new approach results in a step beyond in the evaluation of complex orography sites wind resources. iv “Tesi˙pdf” — 2012/1/24 — 17:50 — page v — #11 Introduzione Vale sempre la pena profondere un qualunque sforzo nella direzione dello sviluppo ed affinamento dei metodi numerici, che permettano una valutazione piùprecisa ed accurata della producibilitàenergetica di un sito eolico. Un margine di errore del 3% fatto sulla valutazione della velocità media annuale per un dato sito, determina infatti un margine di errore di quasi il 10% sulla valutazione dell’energia annuale prodotta. Un tale errore èil limite superiore da non superare, affinchéil finanziamento della realizzazione di un dato sito eolico sia ritenuto “interessante” da parte degli istituti bancari.

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