ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΙΩΡΗΜΑΤΩΝ ΣΤΗ ΡΟΗ ΠΟΥ ΔΕΧΟΝΤΑΙ ΚΙΝΗΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ: ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΙΩΡΗΜΑΤΩΝ ΣΤΗ ΡΟΗ ΠΟΥ ΔΕΧΟΝΤΑΙ ΚΙΝΗΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ: ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΠΑΗΣ ΑΛΚΙΒΙΑΔΗΣ ΠΑΣΧΟΥ ΠΕΡΙΣΤΕΡΑ ΑΕΜ: ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2016

2 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ηλιακή ακτινοβολία Αιωρούμενα Σωματίδια (Aerosols) Βασική ιδέα... 9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Προσδιορισμός ολικής ακτινοβολίας για κάθε μέτρηση του αντίστοιχου AOD από το AERONET Απομόνωση μετρήσεων ολικής ακτινοβολίας που δεν επηρεάζονται από τα νέφη (σύγκριση με το μοντέλο uvspec) Υπολογισμός της προσπίπτουσας ροής από τη μετρημένη GHI και τη ζενίθια γωνία χρησιμοποιώντας το λόγο R για πραγματικό AOD Σύγκριση των αποτελεσμάτων για τα δύο AOD και εκτίμηση των μεταβολών σε ένα έτος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ηλιακή Ακτινοβολία Η ακτινοβολία που φθάνει στο άνω όριο της γήινης ατμόσφαιρας προέρχεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από τον ήλιο. Ο ήλιος θεωρείται τυπικός αστέρας και ακτινοβολεί ενέργεια από την ηλιακή επιφάνεια. Η ένταση της ακτινοβολίας αυτής αντιστοιχεί σε ακτινοβολία μελανού σώματος θερμοκρασίας 5700 Κ. Όμως ο ήλιος περιβάλλεται από ατμόσφαιρα ατόμων, ιόντων και περιστασιακά μορίων, τα οποία απορροφούν μέρος της εξερχόμενης ακτινοβολίας, επιλεκτικά σε κάποια μήκη κύματος, ενώ σε κάποια άλλα μήκη κύματος προσθέτουν ακτινοβολία μέσω εκπομπής, κάνοντας το φάσμα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας του ηλίου πιο σύνθετο. Επομένως το ηλιακό φάσμα διακρίνεται κυρίως στην: Υπεριώδη ακτινοβολία (λ<400nm) που αποτελεί το 9% της ολικής ενέργειας Ορατή ακτινοβολία (400 nm < λ < 700 nm) που αποτελεί το 45% της ολικής ενέργειας Υπέρυθρη ακτινοβολία (λ > 700 nm) που αποτελεί το 46% της ολικής ενέργειας Σε μήκη κύματος μεγαλύτερα από 2500 nm, η συνεισφορά της ηλιακής ακτινοβολίας είναι αμελητέα. Τα ακτινομετρικά μεγέθη που χρησιμοποιούνται ευρύτερα για τον υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη γη είναι η φασματική λαμπρότητα/ένταση, η φασματική πυκνότητα ροής και η φασματική ακτινική πυκνότητα ροής. Η φασματική λαμπρότητα ορίζεται ως η ακτινοβολούμενη ισχύς ανά μονάδα μήκους κύματος, ανά μονάδα επιφάνειας και ανά μονάδα στερεάς γωνίας της δέσμης των ακτίνων. Εκφράζει δηλαδή, την ισχύ Φ σε κάποιο φασματικό εύρος Δλ μιας δέσμης ακτινοβολίας που περιέχεται σε μία στερεά γωνία Ω και διαδίδεται κατά τη διεύθυνση (θ, φ) διαπερνώντας κάθετα μία επιφάνεια Α. Ο τύπος είναι L(λ, θ, φ) = d 3 Φ (W cosθdadλdω m 2 nm sr ) (1). Η φασματική πυκνότητα ροής εκφράζει τη φασματική ροή της ακτινοβολίας σε μία επίπεδη επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας και υπολογίζεται με τη βοήθεια της σχέσης 2π π/2 0 0 Ε(λ) = L(λ, θ, φ)cosθsinθdθdφ 4 (W m 2 nm) (2).

5 Η φασματική ακτινική πυκνότητα ροής εκφράζει τη φασματική ροή της ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας η οποία προσπίπτει σε μία σφαιρική επιφάνεια. Υπολογίζεται από τον τύπο 2π π/2 F(λ, θ, φ) = L(λ, θ, φ)sinθdθdφ 0 0 (W m 2 nm) (3). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιείται η πυκνότητα ροής η οποία προέρχεται από την ολοκλήρωση της φασματικής πυκνότητας ροής Ε(λ) σε ένα εύρος μηκών κύματος απο λ1 έως λ2: λ 2 Ε = Ε(λ)dλ (W m 2 ) (4). λ 1 Γενικά η ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα σώμα (ολική ακτινοβολία) αποτελείται από δύο συνιστώσες, την άμεση και τη διάχυτη. Η άμεση συνιστώσα αποτελείται από φωτόνια που προέρχονται κατ' ευθείαν από την πηγή (ήλιος, σελήνη, τεχνητή πηγή) και είναι στην πράξη μία δέσμη ακτίνων. Η διάχυτη συνιστώσα απαρτίζεται από φωτόνια που προέρχονται από διάφορες κατευθύνσεις και είναι αποτέλεσμα σκέδασης από τα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας (σωματίδια, μόρια), ανάκλασης από διάφορα αντικείμενα (έδαφος, νερό, χιόνι, κτίρια), ή εκπομπής (π.χ. γήινη ακτινοβολία, φθορισμός, χημειοφωταύγεια). Το πλέον χρησιμοποιούμενο ακτινομετρικό μέγεθος για τους τρεις τύπους (ολική, άμεση και διάχυτη) είναι η πυκνότητα ροής της ακτινοβολίας η οποία προέρχεται από την ολοκλήρωση της φασματικής πυκνότητας ροής E(λ) σε ένα εύρος μηκών κύματος απο λ1 έως λ2: λ 2 F = Ε(λ)dλ (W m 2 ) (5). λ 1 Η επιφάνεια αναφοράς για τη μέτρηση της άμεσης συνιστώσας είναι κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης της δέσμης ενώ για τις άλλες δύο η επιφάνεια αναφοράς είναι το οριζόντιο επίπεδο. Οι ακτίνες του Ήλιου δεν προσπίπτουν στην επιφάνεια κάθετα, αλλά σχηματίζουν με την κατακόρυφο του τόπου (ζενίθ) μία γωνία θ, την οποία και ονομάζουμε ζενίθια γωνία. Αν F 0 είναι η ροή της ηλιακής ενέργειας κάθετα στη διεύθυνση διάδοσής της, τότε η ροή ενέργειας F στο οριζόντιο επίπεδο δίδεται από τη σχέση F = F 0 cosθ (7). Επομένως γνωρίζοντας τη ζενίθια γωνία του ηλίου μια χρονική στιγμή μπορεί να υπολογιστεί η ροή ενέργειας που δέχεται ένας τόπος. Επιπλέον από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι η F γίνεται μέγιστη όταν το cosθ πλησιάσει στη μονάδα, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσης θ πλησιάζει στο μηδέν. Επειδή σε όλους τους τόπους η ζενίθια γωνία του Ήλιου είναι γενικά πολύ μεγαλύτερη του μηδενός, ο μόνος τρόπος να ελαττωθεί η θ είναι να μεταβληθεί η κλίση της επιφάνειας ώστε αυτή να γίνει κάθετη προς τη διεύθυνση των ακτίνων του Ήλιου. 5

6 Σχήμα 1: Ζενίθια γωνία και ροή ακτινοβολίας στο επίπεδο Συνδέοντας τα παραπάνω με την ολική ακτινοβολία και τις δυο συνιστώσες της η σχέση που τις συνδέει είναι η εξής: F GHI = F DHI + F DNI cosθ (6) όπου F GHI η ολική ακτινοβολία, F DHI η διάχυτη ακτινοβολία, F DNI cosθ η άμεση ακτινοβολία σε επιφάνεια κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας και θ η ζενίθια γωνία του ηλίου (γωνία πρόσπτωσης της άμεσης συνιστώσας). Η επίπεδη επιφάνεια στην οποία προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία δέχεται την άμεση συνιστώσα και ένα μέρος της διάχυτης που τυγχάνει να έχει τη διεύθυνση της επιφάνειας. Όταν μάλιστα η επιφάνεια αναφοράς είναι προσανατολισμένη κάθετα στις ηλιακές ακτίνες η συνολική ροή είναι F trc = F DNI + F DHI (1 θ z 180 ) + F GHI r f(θ z ) (7). Σχήματα 2 & 3: Συνειφορά άμεσης και διάχυτης συνιστώσας σε προσανατολισένη επιφάνεια 6

7 Η ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια της Γης παρουσιάζει σημαντικότατες μεταβολές στο χώρο και το χρόνο. Οι μεταβολές οφείλονται στη συνεχή μεταβολή της σχετικής θέσης της πηγής (Ήλιος) με τη Γη, τη γεωμετρία που διέπει τη διάδοσή της και τον τρόπο με τον οποίο προσπίπτει σε ένα σώμα, και τέλος τις αλληλεπιδράσεις της με διάφορα ατμοσφαιρικά συστατικά που συναντά κατά την διάδοσή της. Στην παρούσα εργασία αναλύονται η πρώτη και η τελευταία αιτία μεταβολών. Αν η τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο ήταν τέλεια κυκλική τότε η απόσταση που θα διήνυε η ηλιακή ακτινοβολία για να φτάσει στη Γη θα ήταν σταθερή καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Όμως η τροχιά της γης είναι περίπου ελλειπτική με τον Ήλιο να βρίσκεται στη μία από τις δύο εστίες της επομένως η απόσταση που διανύει η ηλιακή ακτινοβολία μεταβάλλεται από τη μέση απόσταση κατά τη διάρκεια του έτους, μεταβάλλοντας ταυτόχρονα και την τιμή της ηλιακής ακτινοβολίας. Για τη σωστή διαχείριση και επεξεργασία τέτοιων τιμών είναι αναγκαία η αναγωγή της ροής της ακτινοβολίας στη μέση απόσταση Ηλίου-Γης με τη βοήθεια της F mean (λ) = c se F N (λ) (8) όπου F mean η ροή ακτινοβολίας για τη μέση απόσταση Ηλίου-Γης, F N (λ) η ροή ακτινοβολίας για κάθε Ν μέρα του έτους με την αντίστοιχη απόσταση Ηλίου-Γης και c se ο συντελεστής αναγωγής ο οποίος προσδιορίζεται από την c se = [ cos ( 2πN )]2 (9). Η ηλιακή ακτινοβολία ως ηλεκτρομαγνητική αλληλεπιδρά με την ύλη με διάφορους τρόπους όπως η απορρόφηση και η σκέδαση. Όταν η ακτινοβολία διέρχεται από ένα μέσο (στερεό, υγρό ή αέριο) ένα μέρος των φωτονίων μπορεί να απορροφηθεί από τα συστατικά του και η εξερχόμενη ακτινοβολία από το μέσο θα είναι ασθενέστερη της εισερχόμενης. Ο αριθμός των φωτονίων που απορροφώνται εξαρτάται από τον αριθμό των εισερχόμενων φωτονίων, την πυκνότητα των συστατικών που το απορροφούν, τον συντελεστή απορρόφησης του κάθε συστατικού και το μήκος της διαδρομής που διανύουν τα φωτόνια στο μέσο. Εκτός από την απορρόφηση η ακτινοβολία μπορεί να υποστεί σκέδαση από το μέσο κατά την οποία η ακτινοβολία εκτρέπεται από τη διεύθυνση διάδοσής της προς μία άλλη. Η σκέδαση των φωτονίων εξαρτάται από το μήκος κύματος των φωτονίων και από τις διαστάσεις και τη σύσταση των συστατικών-σκεδαστών του μέσου. Η ατμόσφαιρα της Γης θεωρείται μέσο στο οποίο η ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να υφίσταται εξασθένιση λόγω απορρόφησης ή λόγω σκέδασης (ένα μέρος της να σκεδάζεται προς το διάστημα). 7

8 1.2 Αιωρούμενα Σωματίδια (Aerosols) Τα αιωρούμενα σωματίδια θεωρούνται ατμοσφαιρικοί ρύποι και ορίζονται ως τα στερεά ή υγρά σωματίδια που βρίσκονται σε διασπορά στον αέρα. Ανάλογα με τις πηγές τους τα αιωρούμενα σωματίδια διακρίνονται σε πρωτογενή και δευτερογενή. Τα πρωτογενή είναι αυτά που εκπέμπονται απευθείας στην ατμόσφαιρα από κάποια πηγή, ενώ τα δευτερογενή δημιουργούνται από φυσικές ή χημικές διαδικασίες μετατροπής αερίων ρύπων σε σωματίδια. Tα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους ρύπους της ατμόσφαιρας των κατοικημένων περιοχών και η ρύπανση της ατμόσφαιρας από αυτά αποτελεί ένα περιβαλλοντικό θέμα αιχμής που μελετάται εντατικά παγκοσμίως. Πρωτογενή είτε δευτερογενή, τα αιωρήματα επιδρούν σημαντικά και ποικιλόμορφα σε όλους τους τομείς του περιβάλλοντος. Συγκεκριμένα τα αιωρούμενα σωματίδια επηρεάζουν έμμεσα ή άμεσα το κλίμα, καθορίζουν την ποιότητα του αέρα, επηρεάζουν τη δημιουργία νεφών, την ατμοσφαιρική χημεία και τον τρόπο διάδοσης της ηλιακής ακτινοβολίας (ορατότητα, δορυφορικές εφαρμογές, UV). Οι επιδράσεις στην υγεία εξαρτώνται πολύ από το μέγεθος των σωματιδίων, τη σύστασή τους, τις οπτικές τους ιδιότητες και τους μηχανισμούς δημιουργίας τους. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην επίδραση στον τρόπο διάδοσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι σημαντικότερες φυσικές πηγές των αιωρούμενων σωματιδίων είναι σκόνη από πετρώματα και το έδαφος, ηφαιστειακή δραστηριότητα, καύση βιομάζας και αντιδράσεις μεταξύ φυσικών αέριων εκπομπών. Οι κυριότερες ανθρωπογενείς πηγές είναι καύσεις, βιομηχανική δραστηριότητα, μεταφορές, κατασκευές και αγροτική εκμετάλλευση της γης. Οι εκπομπές των σωματιδίων προκαλούν τη δημιουργία συγκεντρώσεων είτε στην Τροπόσφαιρα (βαρύτερα σωματίδια) είτε στην Στρατόσφαιρα (ελαφρύτερα σωματίδια). Το μέγεθος των αιωρούμενων σωματιδίων κυμαίνεται από λίγα nm έως δεκάδες μm. Αναφορικά με τις διαστάσεις τους διακρίνονται συνήθως σε 2 κύριες κατηγορίες οι οποίες είναι τα μικρά σωματίδια (D<2.5 μm) και τα μεγάλα σωματίδια (D>2.5 μm) 8

9 Τα αιωρούμενα σωματίδια απαντώνται στην ατμόσφαιρα σε διάφορες μορφές όπως: o Σκόνη: σχηματίζονται από διάβρωση ή κατακερματισμό στερεών υλικών και είναι στερεά σωματίδια σχετικά μεγάλου μεγέθους (D>1μm) o Ομίχλη: ορατά υδροσταγονίδια σε διασπορά στην ατμόσφαιρα συνήθως κοντά στο έδαφος o Κάπνα: σωματίδια που προκύπτουν από συμπύκνωση ατμών, κυρίως από πτητικές ουσίες ή ως αποτέλεσμα (προϊόν) οξειδωτικών αντιδράσεων (D<1μm) o Αχλύς: μικρά σωματίδια (D<1μm), μείγμα υδροσταγονιδίων, ρύπων και σκόνης. Μειώνουν την ορατότητα o Νέφος: συνδυασμός ομίχλης και καπνού o Καπνός: μικρά σωματίδια (D<0.01μm) που προέρχονται από ατελή καύση κυρίως άνθρακα ή άλλων καυσίμων, σε ικανή συγκέντρωση ώστε να είναι ορατά o Αιθάλη: συσσώρευση σωματιδίων άνθρακα που δημιουργούνται από την ατελή καύση ανθρακικών ενώσεων o Εκνεφώματα από την επιφάνεια της θάλασσας (sea salt aerosols): σχηματίζονται όταν ο άνεμος και τα κύματα εξαναγκάζουν φυσαλίδες αέρα να σκάνε στην επιφάνεια της θάλασσας (D>2μm) Τα αιωρούμενα σωματίδια μετρώνται με βάση διάφορες ιδιότητες τους. Ένας τρόπος μέτρησης-υπολογισμού της ποσότητας των αιωρούμενων σωματιδίων στης ατμόσφαιρα είναι το οπτικό πάχος (Aerosol Optical Depth). Το οπτικό πάχος των αιωρούμενων σωματιδίων αντιστοιχεί στη μέτρηση του πάχους των αιωρούμενων σωματιδίων τα οποία διανέμονται σε στήλη ατμοσφαιρικού αέρα που ξεκινά από την επιφάνεια της γης μέχρι την κορυφή της ατμόσφαιρας. 1.3 Βασική Ιδέα Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη, στην περιοχή της Θεσσαλονίκης, του βαθμού επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στην ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος σε χρονικό διάστημα ενός έτους. Οι αποδέκτες της ηλιακής ακτινοβολίας είναι κινητά φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία παρακολουθούν την κίνηση του ηλίου. Σκοπός της κίνησης των φωτοβολταϊκών είναι η επιφάνεια συλλογής να είναι πάντα κάθετη στη διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας. Το έτος που επιλέχθηκε για να γίνει η επεξεργασία ήταν το

10 Η επίτευξη του στόχου της εργασίας έγινε με την επεξεργασία και ανάλυση κάποιων δεδομένων. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα εξής: i. Μετρήσεις της ολικής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος (GHI) από πυρανόμετρο για το έτος 2013 ii. Μετρήσεις του AOD από το δίκτυο AERONET για το έτος 2013 iii. Χρήση υπολογισμένων φασμάτων άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας για όλο το ηλιακό φάσμα από το μοντέλο uvspec για διάφορα οπτικά πάχη αιωρημάτων (AOD) και ζενίθιας γωνίας (SZA) Η βασική ιδέα είναι η εξής: Από τις μετρήσεις της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο πυρανόμετρο να επιλεγούν μόνο αυτές που έγιναν με συνθήκες καθαρού ουρανού, χωρίς νέφη ώστε να αποκλειστεί ο παράγοντας των νεφών. Έπειτα να γίνει αντιστοίχηση των τιμών της ακτινοβολίας με το οπτικό πάχος των αεροζόλ του AERONET με τη βοήθεια του μοντέλου uvspec. Τελικά να γίνει σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων και της προβλεπόμενης ακτινοβολίας απουσίας αιωρούμενων σωματιδίων, δηλαδή για μηδενικό οπτικό πάχος. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1 Προσδιορισμός ολικής ακτινοβολίας για κάθε μέτρηση του αντίστοιχου AOD από το AERONET Το πρώτο χρονικά κομμάτι του πειραματικού μέρους αφορά την επιλογή των μετρήσεων της ακτινοβολίας χωρίς νέφη. Για να συμβεί αυτό έπρεπε πρώτα να γίνει σύνθεση των δεδομένων ώστε να είναι ταυτόχρονα αξιοποιήσιμα. Πιο συγκεκριμένα έγινε συγχώνευση του αρχείου από το AERONEΤ το οποίο περιείχε μετρήσεις των τιμών του οπτικού πάχους AOD σε διάφορες χρονικές στιγμές της ημέρας για όλο το έτος και των αρχείων από το πυρανόμετρο το οποίο περιείχε μετρήσεις της ολικής ακτινοβολίας για διάφορες χρονικές στιγμές της ημέρας για όλο το έτος. Η συγχώνευση έγινε με βάση τη χρονική στιγμή λήψης της μέτρησης του AOD στην οποία έγινε αντιστοίχηση της τιμής της ολικής ακτινοβολίας για χρονική στιγμή με μέγιστη χρονική απόκλιση ±5 από τη στιγμή λήψης του AOD. Μετά το τέλος της συγχώνευσης το αρχείο που δημιουργήθηκε αποτελούνταν από ένα πίνακα ο οποίος περιείχε στην πρώτη στήλη τις ημέρες του έτους που έγιναν οι μετρήσεις, στη δεύτερη την ώρα λήψης των μετρήσεων, στην τρίτη την τιμή του οπτικού πάχους (AOD), στην τέταρτη την τιμή της ολικής ακτινοβολίας που 10

11 GHI(W/m2) αντιστοιχούσε στην ώρα μέτρησης του AOD και στην πέμπτη στήλη την αντίστοιχη ζενίθια γωνία (SZA). 2.2 Απομόνωση μετρήσεων ολικής ακτινοβολίας που δεν επηρεάζονται από τα νέφη (σύγκριση με το μοντέλο uvspec) Η απομόνωση των μετρήσεων έγινε με τη βοήθεια του μοντέλου uvspec το οποίο υπολογίζει μέσω μαθηματικού μοντέλου την ολική, την άμεση και την έμμεση ακτινοβολία για συγκεκριμένες τιμές της ζενίθιας γωνίας που κυμαίνεται από 20 ο έως 80 ο, του οπτικού πάχους που κυμαίνεται από 0 έως 1.2 και του παράγοντα των υδρατμών με τιμές 5,10 και 15. Για κάθε τιμή του οπτικού πάχους κατασκευάστηκε διάγραμμα της ολικής ακτινοβολίας συναρτήσει της ζενίθιας γωνίας. Στο κάθε διάγραμμα βρέθηκε ότι η εξίσωση που συνδέει τις δύο μεταβλητές είναι πολυώνυμο 2 ου βαθμού. Οι εξισώσεις καθώς και κάποια ενδεικτικά διαγράμματα παρουσιάζονται παρακάτω AOD= y = x x SZA(θ) Σχήμα 4: Διάγραμμα της GHI συναρτήσει της SZA για AOD=0.4 11

12 GHI(W/m2) GHI(W/m2) AOD= y = x x SZA(θ) Σχήμα 5: Διάγραμμα της GHI συναρτήσει της SZA για AOD= AOD= y = x x SZA(θ) Σχήμα 6: Διάγραμμα της GHI συναρτήσει της SZA για AOD=0.9 12

13 Πίνακας Ι: Πολυώνυμα σύνδεσης ολικής ακτινοβολίας με ζενίθια γωνία AOD GHI=f(SZA) 0 y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x y = x x Ο αποκλεισμός των μετρήσεων με νέφη έγινε με τη σύγκριση της μετρούμενης ολικής ακτινοβολίας (GHI) με την αντίστοιχη ολική ακτινοβολία που αναμένεται σύμφωνα με το μοντέλο (GHIFIT). Η GHIFIT υπολογίστηκε εφαρμόζοντας τις εξισώσεις του μοντέλου, για κάθε μετρούμενο οπτικό πάχος, στο οποίο η ζενίθια γωνία αντικαταστάθηκε από τις αντίστοιχες τιμές του πυρανομέτρου. Επίσης για την GHIFIT λήφθηκε υπόψη και η απόσταση ηλίου γης η οποία διόρθωσε το αποτέλεσμα με τις σχέσεις (8) και (9). Το κατώφλι που χρησιμοποιήθηκε για την επιλογή των μετρήσεων χωρίς νέφη υπολογίστηκε από τη διαφορά ΔF = GHI GHIFIT. Όταν ΔF > 0 τότε σημαίνει ότι η μετρούμενη GHI είναι ενισχυμένη σε σχέση με την αναμενόμενη από το μοντέλο λόγω απουσίας νεφών. Οπότε επιλέχθηκαν όλες οι μετρήσεις που πληρούσαν αυτή την προϋπόθεση. Από την άλλη, όταν ΔF < 0 σημαίνει ότι η μετρούμενη GHI είναι μικρότερη της αναμενόμενης λόγω της παρουσίας νεφών τα οποία μειώνουν την ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος. Στην περίπτωση αυτή επιλέχθηκαν οι μετρήσεις με συνθήκες χαμηλής νεφοκάλυψης η οποία δεν επηρεάζει σημαντικά την ακτινοβολία. Θεωρήθηκε λοιπόν για αυτές τις μετρήσεις της GHI ότι όσες βρίσκονται πάνω από το 90% της αναμενόμενης GHIFIT θα επιλέγονταν ως μετρήσεις χωρίς νέφη όπως και έγινε. Επομένως μετά τη διαδικασία αυτή αποκλείστηκαν όλες οι τιμές της GHI με συνθήκες ύπαρξης νεφών και οι υπόλοιπες χρησιμοποιήθηκαν για επεξεργασία δεδομένων. 13

14 2.3 Υπολογισμός της προσπίπτουσας ροής από τη μετρημένη GHI και τη ζενίθια γωνία χρησιμοποιώντας το λόγο R για πραγματικό AOD. Στο βήμα αυτό υπολογίστηκε με τη βοήθεια του μοντέλου uvspec η άμεση και η διάχυτη συνιστώσα της ολικής ακτινοβολίας που θα μετρούσε το πυρανόμετρο όπου η διάχυτη ακτινοβολία θεωρήθηκε ισότροπη. Από το μοντέλο προσδιορίστηκε αρχικά ο λόγος R = DNI. Στο μοντέλο uvspec η άμεση συνιστώσα GHI προσπίπτει στο οριζόντιο επίπεδο (DNI cossza ). Στην προκειμένη περίπτωση όμως μελετάται σε φωτοβολταϊκό το οποίο περιστρέφεται παρακολουθώντας την κίνηση του ήλιου άρα έγινε αναγωγή της άμεσης συνιστώσας σε περιστρεφόμενο επίπεδο μέσω διαίρεσης με το cossza, δηλαδή DNI = DNI cossza. Μετά cossza υπολογίστηκε ο λόγος R και ακολούθως ο προσδιορισμός του λόγου R d = DHI για τη GHI διάχυτη συνιστώσα. Έπειτα υπολογίστηκαν οι εμπειρικές σχέσεις R = f(sza, AOD) και R d = f(sza, AOD) από το μοντέλο. Πιο συγκεκριμένα έγιναν τα διαγράμματα των λόγων R και Rd συναρτήσει της ζενίθιας γωνίας για κάθε τιμή του οπτικού πάχους AOD και βρέθηκε ότι η εξίσωση που συνδέει τις δύο μεταβλητές R-SZA και Rd-SZA είναι πολυώνυμο 4 ου βαθμού. Οι εξισώσεις καθώς και κάποια ενδεικτικά διαγράμματα παρουσιάζονται παρακάτω. Πίνακας ΙΙ: Πολυώνυμα σύνδεσης λόγου R με τη ζενίθια γωνία AOD R=f(SZA) 0 y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x

15 y=3.4615(e-7)x (E-5)x x x AOD= R SZA Σχήμα 7: Διάγραμμα του λόγου R συναρτήσει της SZA για AOD=0.2 y= (e-07)x (E-05)x x x AOD= R SZA Σχήμα 8: Διάγραμμα του λόγου R συναρτήσει της SZA για AOD=0.6 15

16 y=-2.1(e-07)x (E-05)x x x AOD= R SZA Σχήμα 9: Διάγραμμα του λόγου R συναρτήσει της SZA για AOD=0.8 Πίνακας ΙΙΙ: Πολυώνυμα σύνδεσης λόγου Rd με τη ζενίθια γωνία AOD Rd=f(SZA) 0 y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x y = x x x x

17 y = (10-8 )x (10-5 )x (10-4 )x x AOD=0.3 R SZA Σχήμα 10: Διάγραμμα του λόγου Rd συναρτήσει της SZA για AOD=0.3 y = (10-8 )x (10-5 )x (10-4 )x x AOD= R SZA Σχήμα 11: Διάγραμμα του λόγου Rd συναρτήσει της SZA για AOD=0.5 17

18 y = 2.928(10-8 )x (10-6 )x (10-4 )x x R AOD= SZA Model Adj. R-Square B B B B B Σχήμα 12: Διάγραμμα του λόγου Rd συναρτήσει της SZA για AOD=1 Με τη βοήθεια των εξισώσεων αυτών υπολογίστηκαν η άμεση (DNI) και διάχυτη (DGI) συνιστώσα της ολικής ακτινοβολίας που μετρήθηκε από το πυρανόμετρο ανάλογα με το οπτικό πάχος (AOD) και τη ζενίθια γωνία θ που αντιστοιχούν σε κάθε τιμή της ολικής ακτινοβολίας GHI. 2.4 Σύγκριση των αποτελεσμάτων για τα δύο AOD και εκτίμηση των μεταβολών σε ένα έτος. Για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε η ακτινοβολία που προσπίπτει κάθετα στην προσανατολισμένη επιφάνεια του φωτοβολταϊκού η οποία αποτελεί συνεισφορά της άμεσης κα της διάχυτης. Η ροή της ακτινοβολίας υπολογίστηκε από τη σχέση (7) στην οποία ο τρίτος όρος θεωρήθηκε αμελητέος. Δηλαδή (7) F trc = F DNI + F DHI (1 θ z 180 ). Αρχικά υπολογίστηκε η ροή Ftrc για όλες τις τιμές του οπτικού πάχους από τις μετρήσεις και μετά η ροή Ftrc0 για τιμή του AOD= 0 η οποία αντιστοιχεί στη ροή της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό αμετάβλητη χωρίς την επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων. Για τον υπολογισμό της Ftrc0 εφαρμόστηκαν για όλες τις μετρήσεις, δηλαδή για κάθε πιθανή τιμή του AOD, οι πολυωνυμικές εξισώσεις για τιμή του AOD= 0 και υπολογίστηκαν ομοίως οι λόγοι R0 και Rd0 ώστε να 18

19 υπολογιστούν η άμεση και διάχυτη συνιστώσα αν το οπτικό πάχος ήταν μηδέν. Μετά εφαρμόστηκε ξανά η σχέση (7) και έτσι υπολογίστηκε η ροή Ftrc0. Για τη σύγκριση της Ftrc με την Ftrc0 κατασκευάστηκαν διαγράμματα με τις Ftrc και Ftrc0 συναρτήσει του οπτικού πάχους και διαγράμματα με την επί τοις εκατό διαφορά των δύο ροών συναρτήσει του οπτικού πάχους για διάφορα εύρη γωνιών (Δθ±2 ο ). Στα πρώτα εφαρμόστηκε μια εκθετική γραμμή τάσης της μορφής y = y 0 + A exp(r 0 x) ανάμεσα στην Ftrc και το οπτικό πάχος με σκοπό τη στατιστική περιγραφή της μεταβολής της ακτινοβολίας. Στα δεύτερα η % διαφορά υπολογίστηκε από τον τύπο Α = F trc0 F trc F trc0 παρουσιάζονται παρακάτω. 100 (10). Μερικά από τα διαγράμματα Δθ=17-22 ο Ftrc0 Ftrc Exponential Fit of Ftrc 1300 y = *exp(-3.784*x) 1200 F(W/m 2 ) AOD Σχήμα 13: Διάγραμμα με την Ftrc και Ftrc0 συναρτήσει του AOD για Δθ=17 ο -22 ο 19

20 1150 Δθ=28-32 ο Ftrc0 Ftrc Exponential Fit of Ftrc 1100 y = *exp(-5.056*x) 1050 F(W/m 2 ) AOD Σχήμα 14: Διάγραμμα με την Ftrc και Ftrc0 συναρτήσει του AOD για Δθ=28 ο -32 ο Δθ=46-52 ο Ftrc Ftrc0 Exponential Fit of Ftrc 1200 y = *exp(-3.333*x) F(W/m 2 ) AOD Σχήμα 15: Διάγραμμα με την Ftrc και Ftrc0 συναρτήσει του AOD για Δθ=46 ο -52 ο 20

21 1000 Δθ=76-79 ο Ftrc Ftrc0 Exponential Fit of Ftrc 900 y = *exp(-3.671*x) F(W/m 2 ) AOD Σχήμα 16: Διάγραμμα με την Ftrc και Ftrc0 συναρτήσει του AOD για Δθ=76 ο -79 ο 12 Δθ=17-22 ο 10 8 % difference AOD Σχήμα 17: Διάγραμμα της % διαφοράς συναρτήσει του AOD για Δθ=17 ο -22 ο 21

22 Δθ=30-34 ο 8 6 % difference AOD Σχήμα 18: Διάγραμμα της % διαφοράς συναρτήσει του AOD για Δθ=30 ο -34 ο 20 Δθ=46-52 ο % difference AOD Σχήμα 19: Διάγραμμα της % διαφοράς συναρτήσει του AOD για Δθ=46 ο -52 ο 22

23 60 Δθ=76 ο -79 ο F(W/m 2 ) DNI AOD Σχήμα 20: Διάγραμμα της % διαφοράς συναρτήσει του AOD για Δθ=76 ο -79 ο Εκτός από τα παραπάνω διαγράμματα κατασκευάστηκαν και διαγράμματα της άμεσης ακτινοβολίας (DNI) συναρτήσει του οπτικού πάχους (AOD) για τις αντίστοιχες γωνίες με τα πάνω διαγράμματα. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν από το μοντέλο uvspec. Εδώ εφαρμόστηκε πολυωνυμική γραμμή τάσης 2 ου βαθμού στα διαγράμματα ώστε να γίνει δυνατή μια απλή σύγκριση της αναμενόμενης μείωσης της ηλιακής ακτινοβολίας με την αντίστοιχη πραγματική. Παρακάτω παρουσιάζονται μερικά από τα διαγράμματα που κατασκευάστηκαν από το μοντέλο uvspec θ=20 y = 230.3x x AOD Σχήμα 21: Διάγραμμα της DNI συναρτήσει του AOD για θ=20 από το uvspec 23

24 DNI DNI θ=30 y = 257.6x x AOD Σχήμα 22: Διάγραμμα της DNI συναρτήσει του AOD για θ=30 από το uvspec θ= y = x x AOD Σχήμα 23: Διάγραμμα της DNI συναρτήσει του AOD για θ=50 από το uvspec 24

25 DNI θ= y = x x AOD Σχήμα 24: Διάγραμμα της DNI συναρτήσει του AOD για θ=80 από το uvspec Μια απλή εκτίμηση της απώλειας της ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος εξαιτίας του οπτικού πάχους των αιωρούμενων σωματιδίων έγινε με τη βοήθεια των παραπάνω σχημάτων. Πιο συγκεκριμένα υπολογίστηκαν για συγκεκριμένες γωνίες (από 20 ο έως 80 ο με βήμα 10 ο ) και οπτικά πάχη (από 0 έως 08 με βήμα 0.2), η Ftrc από τις μετρήσεις και η άμεση ακτινοβολία DNI από το μοντέλο uvspec με τη βοήθεια των εκθετικών και πολυωνυμικών γραμμών τάσεων. Επιλέχθηκαν η άμεση συνιστώσα DNI και η Ftrc επειδή μπορούν να συγκριθούν μεταξύ τους αφού η Ftrc αποτελεί την ακτινοβολία λόγω συνεισφοράς της άμεσης και της διάχυτης συνιστώσας στην οποία όμως η διάχυτη συνεισφέρει σε μικρό ποσοστό. Έπειτα υπολογίστηκε για κάθε γωνία το ποσοστό μείωσης της ακτινοβολίας καθώς αυξάνεται το οπτικό πάχος σε σύγκριση με το ποσό της ακτινοβολίας για μηδενικό οπτικό πάχος. Οι μειώσεις της πραγματικής τιμής της ακτινοβολίας παρουσιάζεται στον πίνακα IV ενώ για την αναμενόμενη τιμή της ακτινοβολίας στον πίνακα V. 25

26 Πίνακας ΙV: Ποσοστά μείωσης της πραγματικής τιμής της ακτινοβολίας (Ftrc) θ AOD F trc % diff Πίνακας V: Ποσοστά μείωσης της αναμενόμενης τιμής της ακτινοβολίας (DNI) θ AOD DNI %diff

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Αρχικά διαπιστώθηκε ότι η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο συλλέκτη του φωτοβολταϊκού συστήματος (Ftrc) είναι μειωμένη σε σχέση με τη ακτινοβολία που θα έφτανε στο συλλέκτη αν στην ατμόσφαιρα δεν υπήρχαν ατμοσφαιρικά αιωρήματα (Ftrc0), δηλαδή αν AOD=0. Αυτό σημαίνει ότι η τιμή της ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται άμεσα από την παρουσία ή όχι ατμοσφαιρικών αιωρημάτων στην ατμόσφαιρα. Η διαπίστωση αυτή προήλθε από την παρατήρηση ότι η Ftrc0 βρίσκεται πάντα πιο πάνω από την Ftrc στα σχήματα 13, 14, 15 και 16. Εκτός από την απλή διαπίστωση της εξάρτησης μεταξύ της μεταβολής ροής της ακτινοβολίας και των ατμοσφαιρικών σωματιδίων αναζητήθηκε και μία στατιστική ποσοτικοποίηση αυτής της εξάρτησης. Έπειτα λοιπόν από τη σύγκριση μεταξύ της τιμής της ροής ακτινοβολίας που θα μετρούσε ο συλλέκτης, δηλαδή της Ftrc από τα σχήματα 13, 14, 15, 16 και της αναμενόμενης ροής της ηλιακής ακτινοβολίας που υπολογίστηκε από το μοντέλο uvspec, δηλαδή τη ροή της άμεσης συνιστώσας DNI από τα σχήματα 21, 22, 23, 24 δημιουργήθηκαν οι πίνακες IV και V με ενδεικτικές τιμές για τη ζενίθια γωνία (20, 50, 80) και το οπτικό πάχος των αεροζόλ (0.2, 0.4, 0.6, 0.8). Από τους δύο πίνακες συμπεραίνονται τα εξής: Για κάθε τιμή της ζενίθιας γωνίας καθώς αυξάνει το οπτικό πάχος των αεροζόλ αυξάνεται και το ποσοστό μείωσης της Ftrc. Στις μικρές γωνίες κυμαίνεται από 9 % έως 16 %, στις μεσαίες γωνίες από 17% έως 33 % και στις μεγάλες γωνίες από 41 % έως 75 %. Όσο αυξάνεται η ζενίθια γωνία αυξάνεται και το ποσοστό μείωσης της Ftrc. Για παράδειγμα, για οπτικό πάχος 0.4 το οποίο αποτελεί το μέσο οπτικό πάχος των αεροζόλ για τη Θεσσαλονίκη, η Ftrc για μικρές γωνίες μειώνεται κατά 13 %, για μεσαίες γωνίες μειώνεται κατά 26 % ενώ για μεγάλες γωνίες μειώνεται κατά 61 %. Η αναμενόμενη τιμή (DNI) που προκύπτει από το μοντέλο μειώνεται με όμοιο τρόπο με την Ftrc αλλά σε μεγαλύτερο βαθμό από αυτή. Για παράδειγμα, για οπτικό πάχος 0.4 η μείωση της Ftrc είναι περίπου η μισή από ότι της DNI για μικρές ζενίθιες γωνίες, ενώ για μεσαίες και μεγάλες γωνίες η μείωση της Ftrc είναι περίπου τα 2/3 από ότι της DNI. 27