| Περίληψη: | Η βραχυπρόθεσμη (short–term) μεταβλητότητα των νεφών και οι απότομες μεταβολές στις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων είναι οι κύριοι ατμοσφαιρικοί παράγοντες, οι οποίοι ευθύνονται για τη μεγάλη χωρική και χρονική μεταβλητότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος (surface solar irradiance-SSI). Ειδικότερα, τα αιωρούμενα σωματίδια επιδρούν άμεσα στην ηλιακή ακτινοβολία μέσω των μηχανισμών σκέδασης και απορρόφησης και έμμεσα μεταβάλλοντας τη φυσική των νεφών. Επομένως η εκτίμηση της επίδρασης τους στην εξασθένηση ή μη της ηλιακής ακτινοβολίας αποτελεί το σημείο κλειδί για ενεργειακές μελέτες, οι οποίες αποσκοπούν στον υπολογισμό του μέγιστου ηλιακού δυναμικού μιας περιοχής και της αποδοτικότητα των ενεργειακών εφαρμογών.
Όσο αναφορά την εκτίμηση της μεταβλητότητας της SSI σε μεγάλη χωρική κλίμακα, έχουν προταθεί μέθοδοι συνεργιστικής χρήσης ατμοσφαιρικών παραμέτρων από δορυφόρο και δεδομένων ακτινοβολίας από μοντέλο (Kosmopoulos et al., 2017, Papadimas et al., 2012). Όμως, οι συγκεκριμένες μέθοδοι παράγουν δεδομένα ακτινοβολίας με υψηλή αβεβαιότητα (Bias) και χαμηλή χρονική ανάλυση συγκριτικά με αντίστοιχες μετρήσεις από επίγειους σταθμούς υψηλής ποιότητας BSRN (Baseline Surface Radiation Network). Επομένως, έχουν προταθεί, σε ένα μεγάλο σύνολο ενεργειακών μελετών, μεθοδολογίες προσαρμογής στη τοποθεσία (Site Adaptation Methods), με στόχο τη διόρθωση της αβεβαιότητας των εκτιμώμενων ακτινοβολιών, χρησιμοποιώντας βραχυπρόθεσμα και υψηλής ποιότητας επίγεια δεδομένα. Οι εφαρμοζόμενες τεχνικές για τη διόρθωση της αβεβαιότητας διακρίνονται σε: i) γραμμικής προσαρμογής (linear site adaptation), ii) μη γραμμικής προσαρμογής (non – linear site adaptation) και iii) περιοχικής προσαρμογής (regional site adaptation) στη τοποθεσία.
Στη παρούσα διπλωματική εργασία ο στόχος μας είναι: i) να παρουσιάσουμε τις διαφορετικές τεχνικές διόρθωσης (site adaptation methods) της αβεβαιότητας των εκτιμώμενων ακτινοβολιών (συνεργιστική χρήση δορυφόρου – μοντέλου) και ii) να εφαρμόσουμε κάποιες από αυτές τις τεχνικές σε εκτιμήσεις της ημερήσιας ακτινοβολίας, με στόχο τη διόρθωση των παραμέτρων αβεβαιότητας για περιοχές γύρω από τη Μεσόγειο και χρονικό διάστημα 7 ετών (2010 – 2017).
Σύμφωνα με το δεύτερο σκέλος της διπλωματικής εργασίας, εμείς αξιοποιήσαμε δεδομένα ακτινοβολίας από το ερευνητικό πρόγραμμα MENA Hybrid Solar System (HYMENSO, www.hymenso.eu). Ο στόχος του συγκεκριμένου προγράμματος ήταν να υποστηρίξει τη βέλτιστη εφαρμογή συγκεντρωτικών ηλιακών και φωτοβολταϊκών συστημάτων στην περιοχή της Βόρειας Αφρικής (Adrar, Ghardaia and Tataouine) και της Μέσης Ανατολής (Ma’an). Επομένως, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμός, ο οποίος εκτιμά την ημερήσια μεταβλητότητα της ολικής οριζόντιας και άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας (GHI και DNI) σε μεγάλη χωρική κλίμακα υπό συνθήκες: i) ανέφελου ουρανού (clear sky) και ii) μερικώς ή ολικώς νεφοσκεπή ουρανού (partly or overall cloudy sky).
Tα βήματα ανάπτυξης του αλγορίθμου διακρίνονται στα: a) ανάκτηση των ατμοσφαιρικών παραμέτρων από ένα φασματοφωτόμετρο μέτριας ανάλυσης της συλλογής 6 και 6.1 της NASA (MODIS v.6 και v.6.1) , το οποίο ήταν ενσωματωμένο σε δυο δορυφόρους πολικής τροχιάς, b) υπολογισμό των ακτινοβολιών για διαφορετικά ατμοσφαιρικά σενάρια από το μοντέλο Santa Barbara Disort (SBDART) και c) συνεργιστική χρήση των ατμοσφαιρικών παραμέτρων και των ακτινοβολιών του μοντέλου σε ένα σχήμα διαδοχικών γραμμικών παρεμβολών για τη παραγωγή των GHI και DNI ανά 15min στις υπό μελέτη περιοχές. Όμως οι εκτιμώμενες ακτινοβολίες χαρακτηρίζονταν από ένα παράγοντα αβεβαιότητας λόγω της συνεργιστικής χρήσης δορυφόρου - μοντέλου. Επομένως, αυτές έπρεπε να αξιολογηθούν απέναντι σε υψηλής ποιότητας επίγειες μετρήσεις από σταθμούς στις αντίστοιχες περιοχές. Οι στατιστικοί δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν για την συγκεκριμένη αξιολόγηση ήταν: i) το μέσο σφάλμα μεροληψίας (MBE) για την εκτίμηση της κατεύθυνση της αβεβαιότητας, ii) το μέσο απόλυτο και τετραγωνικό σφάλμα (MAE και RMSE) για την εκτίμηση του μεγέθους της αβεβαιότητας και iii) ο συντελεστής συσχέτισης (R).
Με βάση τα αποτελέσματα της αξιολόγησης, οι δείκτες MBE, MAE και RMSE βρέθηκαν θετικοί. Συγκεκριμένα, οι τιμές του MBE, MAE και RMSE ήταν 0.21kWh/m2, 0.42kWh/m2 και 0.57kWh/m2 για περιοχή Adrar, φανερώνοντας την καλύτερη απόδοση του αλγορίθμου μας στην εκτίμηση της GHI, ενώ οι αντίστοιχοι δείκτες ήταν 0.4kWh/m2, 0.65kWh/m2 και 0.79kWh/m2 για περιοχή Ma’an, δείχνοντας ότι ο αλγόριθμος υπερεκτιμούσε στο μέγιστο βαθμό τη GHI συγκριτικά με τις επίγειες μετρήσεις. Παρόμοια διαδικασία ακολουθήθηκε στη DNI, με τις στατιστικές παραμέτρους να υποδεικνύουν την αδυναμία του αλγορίθμου να ανιχνεύσει τις βραχυπρόθεσμες αλλαγές χρονικά και χωρικά της νέφωσης και των αερολυμάτων με υψηλή ακρίβεια. Επομένως, οι εκτιμώμενες DNI υπερεκτιμήθηκαν συγκριτικά με τις επίγειες μετρήσεις, με τι μέγιστες τιμές να παρατηρούνται στη περιοχή Ghardaia, με MBE, MAE και RMSE να είναι 1.32kWh/m2, 1.78kWh/m2 και 2.16kWh/m2 αντίστοιχα.
Εξαιτίας της ύπαρξης συστηματικών σφαλμάτων (MBE) στις παραγόμενες ακτινοβολίες, εφαρμόστηκαν μέθοδοι προσαρμογής στη τοποθεσία (site adaptation methods) για την εξάλειψη τους. Στο ερευνητικό πρόγραμμα HYMENSO εξετάστηκε η προσαρμογή των εκτιμώμενων ακτινοβολιών στη τοποθεσία μέσω: i) της γραμμικής προσέγγισης τους (linear site adaptation) στα επίγεια δεδομένα και ii) της βελτίωσης της αθροιστική συχνότητας κατανομής τους (CDF site adaptation method) συναρτήσει της κατανομής των επίγειων ακτινοβολιών. Ειδικότερα με τη χρήση της δεύτερης μεθόδου (CDF), επετεύχθει η εξάλειψη των συστηματικών σφαλμάτων (MBE=0kWh/m^2 ) των παραγόμενων ακτινοβολιών.
Στο 1ο κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, παρουσιάζονται οι προϋποθέσεις ώστε ένα σταθμός να παρέχει υψηλής ποιότητας επίγεια δεδομένα ακτινοβολίας. Επιπρόσθετα, γίνεται μια εισαγωγή στη μεθοδολογία της συνεργιστικής χρήσης δορυφορικών ατμοσφαιρικών δεδομένων – ακτινοβολιών μοντέλου για εκτίμηση της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (SSI).
Στο 2ο κεφάλαιο, γίνεται μια εισαγωγή στις υπάρχουσες τεχνικές για προσαρμογή των εκτιμώμενων ακτινοβολιών στη τοποθεσία (site adaptation methods) χρησιμοποιώντας επίγεια δεδομένα ακτινοβολίας υψηλής ποιότητας, ενώ προηγούμενες εργασίες παρουσιάζονται για τη μελέτη των συγκεκριμένων τεχνικών.
Στο 3 κεφάλαιο, γίνεται ανάλυση της μεθοδολογίας και των αποτελεσμάτων, εφαρμόζοντας τις τεχνικές διόρθωσης στις παραμέτρους αβεβαιότητας (MBE, MAE και RMSE) των παραγόμενων ακτινοβολιών από το ερευνητικό πρόγραμμα HYMENSO.
|
|---|
