• No results found

Selection and performance quantification of the most appropriate Clear‐ Sky Model for the forecasting of solar radiation at the Reunion Island

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Selection and performance quantification of the most appropriate Clear‐ Sky Model for the forecasting of solar radiation at the Reunion Island"

Copied!
46
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)

                                           

“Look at the sky. Ask yourself: Has the sheep eaten the flower,  Yes or no? And you will see how everything changes…” 

  Antoine de Saint Exupéry 

   

(3)

 

I NDEX NOTE  

 

Report Title  Selection and performance quantification of the most appropriate Clear‐

Sky Model for the forecasting of solar radiation at the Reunion Island  Curriculum  International Master PM3E 

Year  2013 

Author  Mickaël Edon 

Company  Réuniwatt 

No. of Employees  < 50 

Address  14, rue de la Guadeloupe  97490 Sainte‐Clotilde  France 

Company Tutor  Dr Sylvain Cros  Function/Position  R&D Engineer  School Tutor  Dr C. Mangwandi 

Keywords  Variable  renewable energy,  Photovoltaic  production  forecasting,  Clear‐

Sky  model,  Atmospheric  parameters,  Solar  irradiation,  validation  of  ground measurement, Detection of clear‐sky moments. 

Summary  The thesis is focused on solar irradiance forecasting methods and more  specifically on clear‐sky models (CSM). CSMs with many inputs are often  the most accurate but their performance remains very sensitive to local  climate  conditions.  Moreover,  availability  of  some  inputs  is  not  always  guaranteed at every location. The objective of the thesis is the selection  and  performance  quantification  of  the  most  appropriate  CSM  for  the  forecasting of solar radiation at the Reunion Island. 

Appendices  I. Model input data summary 

II. Model error (official and literature)  III. Process organigram 

IV.a Detail of results, table 

IV.b Detail of results, correlograms   

   

   

(4)

CONTENTS  

CONTENTS 

 

ACKNOWLEDGMENTS 

EXECUTIVE SUMMARY 

LIST OF FIGURES 

LIST OF TABLES 

1  INTRODUCTION 

1.1  O N ENERGY AT A WORLD S SCALE  

1.2  E NERGY SYSTEM ON THE  R ÉUNION ISLAND  

1.3  A N ISLAND WITH GREAT POTENTIAL FOR  S OLAR PHOTOVOLTAIC ENERGY  

1.4  R EUNIWATT ,  AN INNOVATIVE COMPANY   10 

1.5  S COPE :  CHOOSING THE MOST APPROPRIATE CLEAR SKY MODEL   10 

2  INTRODUCTION TO CLEAR‐SKY MODEL  11 

2.1  C LEAR ‐S KY ATMOSPHERIC EFFECTS   11 

2.2  O N THE IMPORTANCE OF USING AN APPROPRIATE  C LEAR  S KY  M ODEL   13 

2.3  C HOICE OF MODELS TO ANALYSE   14 

2.4  M ODEL _1  15 

2.5  M ODEL _2  15 

2.6  M ODEL _3  E RREUR  !   S IGNET NON DEFINI . 

2.7  M ODEL _4  16 

3  METHODOLOGY  16 

3.1  G ROUND MEASUREMENTS   16 

3.2  S ELECTION OF CLEAR SKY MOMENTS   17 

3.3  SOURCE OF ATMOSPHERIC PARAMETERS   20 

3.4  ASSESSING MODEL PERFORMANCE   23 

3.5  D EALING WITH GROUND MEASUREMENT UNCERTAINTIES   24 

4  MODEL PERFORMANCE  25 

4.1  S UMMARY OF RESULTS   25 

4.2  R ESULTS COMPARISON WITH THE LITERATURE   29 

(5)

CONTENTS  

4.3  S ELECTION OF THE MOST APPROPRIATE MODEL   31 

5  CONCLUSION  33 

BIBLIOGRAPHY  34 

APPENDICES  37 

I.   M ODEL  I NPUT DATA SUMMARY   38 

II.   M ODEL ERROR  ( OFFICIAL AND LITERATURE 39 

III.   P ROCESS  O RGANIGRAM   40 

IV. D ETAIL OF RESULTS ,  TABLE   41 

IV. D ETAIL OF RESULTS ,  CORRELOGRAMS   44 

     

   

(6)

Acknowledgments  

A CKNOWLEDGMENTS  

This MSc. thesis has been carried out at Reuniwatt, at the Reunion Island, and supervised by  Sylvain  Cros,  Earth  Observation  and  Climate  Business  Intelligence  Expert.  I  wish  to  express  my  sincere  appreciation  to  Sylvain  for  his  enthusiastic  support  and  excellent  supervision  within both Clear‐Sky Models and computer science.  

Particular thanks to Nicolas Schmutz, founder of Reuniwatt, for having welcomed me within  this  vibrant  and  ambitious  company.  I  am  also  very  much  grateful  to  Nicolas  for  having  inviting me to participate to the 1) International conference on solar forecasting in an insular  context  2)  “Journées  Européennes  du  Solaire”  3)  “Rencontre  avec  le  monde  économique  dans  le  cadre  du  débat  national  sur  la  transition  énergétique”.  Besides,  I  will  bring  back  home a very good memory of our lunches at La Jonque. I wish to Nicolas, and to the rest of  Reuniwatt  team,  a  complete  success  in  the  development  of  Soleka  and  future  projects  contributing to the energy autonomy of this lovely and unique island which is La Réunion. 

I  would  also  like  to  thank  the  all  staff  of  Reuniwatt  for  making  me  feel  welcome  and  contributed  to  a  fruitful,  creative  and  innovative  atmosphere.  Working  here,  with  such  enthusiastic colleagues, has been a really positive and enriching experience to me. 

Finally, I would also like to take this opportunity to express my gratitude to the great ME3  (extended)  family:  for  being  the  most  diverse  yet  most  integrated  group  of  extraordinary  talent I’ve ever had the chance to be part of. 

         

Industry Thesis Advisor   

Dr Sylvain Cros 

Earth  Observation  and  Climate  Business  Intelligence Expert  

Reuniwatt 

Academic Thesis Advisor Dr C. Mangwandi  Queen’s University Belfast

United Kingdom

   

Cover page photo: Mickaël Edon  

(7)

Executive summary  

E XECUTIVE SUMMARY  

As  part  of  solar  irradiance  forecasting,  there  is  a  need  for  values  of  solar  radiation  under  clear‐sky  conditions.  Uncertainty  of  solar  irradiance  under  clear  sky  can  affect  significantly  the forecast results accuracy. Clear‐sky models can compute this value, by using few or many  inputs.  Clear‐sky  models  (CSM)  with  many  inputs  are  often  the  most  accurate  but  their  performance  remains  very  sensitive  to  local  climate  conditions.  Four  models  have  been  tested in this study: 

‐ Model_1: A physical model requiring detailed inputs. 

‐ Model_2: An empirical model 

‐ Model_3: A physical model requiring simplified inputs. 

‐ Model_4:  A  very  new  physical  model  using  detailed  atmospheric  radiative  transfer  features. 

The  performance  quantification  has  been  established  by  using  ground  measurements  in  Sainte‐Marie (Réunion Island) covering 658 days, and during clear‐sky moments determined  by  the  Perez  et  al.  method.  Atmospheric  parameters  were  retrieved  from  the  Aeronet  database. 

The study has revealed that, unlike what is often agreed in the literature, a model accuracy  does not always depend on its number of inputs. Model_3, which require much less inputs  than  Model_2  and  Model_1,  have  given  more  accurate  results.  Using  more  local  atmospheric  input,  even  on  a  daily  basis,  has  not  been  effective  for  improving  accuracy. 

Model_4 was built with less approximation on atmospheric radiation phenomena; and is the  most accurate in this study. Model_3 is the most operational model, requiring the smallest  number of atmospheric parameters and yet it shows very satisfactory performance.  

Therefore, the most appropriate model to use, as part of solar radiation forecasting, would  be Model_4. Model_3 would be the most appropriate one if there was a need for a clear‐sky  model with small computation resources. 

       

Index  words:  Variable  renewable  energy,  Photovoltaic  production  forecasting,  Clear‐Sky  model,  Atmospheric  parameters,  Solar  irradiation,  Validation  of  ground  measurement,  Detection of clear‐sky moments. 

   

(8)

List of figures  

L IST OF FIGURES  

F

IGURE 

1‐1

 

E

NERGY SCHEMA OF THE 

R

EUNION 

I

SLAND

 ... 8  

F

IGURE 

1‐2

 

D

ISTRIBUTION BY POWER RANGE OF THE INSTALLED 

PV

 CAPACITY IN 

2010

 

(

DARK BLUE 

=

 NUMBER OF INSTALLATIONS

;

  LIGHT BLUE 

=

 INSTALLED CAPACITY

) ... 9  

F

IGURE 

2‐1

 

C

LEAR

SKY ATMOSPHERIC EFFECTS

 ... 11  

F

IGURE 

2‐2

 

R

ADIATION REDUCTION THROUGH ATMOSPHERIC EXTINCTION PROCESSES 

(

SOURCE

:

 

C.

 

H

OYER

‐K

LICK

:

 INTRODUCTION TO  SOLAR RESSOURCE ASSESSMENT

 ... 12  

F

IGURE 

2‐3

 

A

IR MASS EFFECT

 ... 13  

F

IGURE 

2‐4

 LOSSES ON INCIDENT IRRADIATION ON A TYPICAL 

PV

 CELL 

(

SOURCE

:

 TECHNIQUES DE L

INGENIEUR

) ... 13  

F

IGURE 

2‐5

 

A

CCURATE AND INACCURATE MODELLED GHI

 ... 14  

F

IGURE 

2‐6

 ACCURATE AND INACCURATE CLEAR

SKY INDEX

 ... 14  

F

IGURE 

3‐1

 

S

OLAR REFERENCE CELL USED FOR THE GROUND MEASUREMENTS

 ... 16  

F

IGURE 

3‐2

 IRRADIATION MAP AT SAINT

MARIE

,

 IN 

[

WH

/

M

2],

 FROM 

19

 AUG 

2010

 TO 

07

 JUN 

2012 ... 17  

F

IGURE 

3‐3

 

E

XTRA

TERRESTRIAL IRRADIATION

,

 MODELLED AND MEASURED IRRADIATION DURING ONE DAY

 ... 18  

F

IGURE 

3‐4

 

K

C

,

 KT AND KT

' ... 18  

F

IGURE 

3‐5

 SOLAR ELEVATION ANGLE H AND 

A

IR MASS 

(AM).

 

T

HE DASHED LINE SHOWS FIRST FILTER ON H

>15° ... 18  

F

IGURE 

3‐6

 

C

LEAR

SKY MOMENTS FOR H

>15°

 AND 

0,65<

KT

'<=1 ... 19  

F

IGURE 

3‐7

 

R

ELATIVE RMSE OF MODELLED

/

MEASURED IRRADIATION VERSUS KT

' ... 20  

F

IGURE 

3‐8

 

W

ATER VAPOUR BETWEEN 

2007

 AND 

2012

 IN 

S

AINT

‐D

ENIS

,

 AERONET DATABASE

 ... 22  

F

IGURE 

3‐9

 

I

NTERPOLATED 

AOD

 AT 

700

NM BETWEEN 

2007

 AND 

2012

 IN 

S

AINT

‐D

ENIS

,

 

A

ERONET 

D

ATABASE

 ... 22  

F

IGURE 

3‐10

 MONTHLY AVERAGE OF THE LINKE TURBIDITY FACTOR AT THE REUNION ISLAND

,

 SOURCE

:

 CONFIDENTIAL

 ... 22  

F

IGURE 

4‐1

 

M

EASURED AND MODELLED IRRADIANCE OF ALL MODEL ON A RELATIVELY CLEAR

SKY DAY

 ... 25  

F

IGURE 

4‐2

 

C

ORRELOGRAM OF ALL MODELS 

(GHI

 MINUTE

)

 FOR H

>15°

 AND 

0,65<K

T

'<=1 ... 26  

F

IGURE 

4‐3

 

M

ODEL RESULTS FOR MINUTE VALUES AND SOLAR ELEVATION ANGLE 

>

 

15°

 AND 

0,65<

KT

'<=1.

 

T

HE BLUE DASHED LINE  INDICATES THE ASSUMED 

5,2%

 UNCERTAINTY LIMITS

.

 

T

HE RED DASHED LINE INDICATES THE ASSUMED 

2%

 TYPE

‐B

 UNCERTAINTY  LIMITS

. ... 28  

F

IGURE 

4‐4

 

M

ODEL RESULTS FOR HOURLY VALUES AND SOLAR ELEVATION ANGLE 

>

 

15

 DEG AND 

0,65<

KT

'<=1.

 

T

HE BLUE DASHED LINE  INDICATES THE ASSUMED 

5,2%

 UNCERTAINTY LIMITS

.

 

T

HE RED DASHED LINE INDICATES THE ASSUMED 

2%

 TYPE

‐B

 UNCERTAINTY  LIMITS

. ... 29  

F

IGURE 

4‐5

 

A

CCURACY VERSUS OPERATIONALITY FOR EACH MODEL

 ... 31  

    L IST OF TABLES   T

ABLE 

3‐1

 

V

ERIFICATION OF THE APPLICABILITY OF THE 

Å

NGSTRÖM

L

AW

 ... 21  

T

ABLE 

4‐1

 

R

ESULTS FOR 

GHI

 MODELLED PER MINUTE STEP

.

 

F

ILTERS

:

 

0,65<K

T

’<=1

 AND H

>15°

 ON AT LEAST

,

 ONE CONTINUOUS  HOUR

. ... 26  

T

ABLE 

4‐2

 

R

ESULTS FOR 

GHI

 MODELLED PER HOURLY STEP

.

 

F

ILTERS

:

 

0,65<K

T

 

<=

 

1

 AND H

>15°

 AND AT LEAST ONE CONTINOUS  HOUR

. ... 27  

T

ABLE 

4‐3

 ORIGINAL MODEL OUTPUT AND MODIFICATION TO THE MODELS

 ... 30    

   

(9)

Introduction  

1 I NTRODUCTION  

1.1 O N ENERGY AT A WORLD ’ S SCALE  

Our  societies  are  facing  a  growing  need  for  energy  since  the  industrial  revolution,  and  particularly  since  the  Post‐World  War  II  era.  The  world  total  primary  energy  consumption  amounted  62’500  TWh  in  1971  and  137’500  TWh  in  2009  [1].  Energy  production,  Green  House  Gas  (GHG)  emissions  and  climate  change  are  strongly  correlated  [2].  The  energy  sector accounted for 68% of the global GHG emissions in 2009. On current trends, the world  is  on  track  for  a  warming  of  +6°C  by  the  end  of  the  century.  Because  our  world’s  energy  system is mostly based on finite fossil resources, the energy price increases along with the  growing  energy  demand.  The  recent  geopolitical  events,  such  as  the  2009  gas  supply  disruption  to  the  EU,  showed  that  the  energy  security  is  an  increasing  concern.  From  the  climate/environmental, economic and energy security point of view, it is now obvious that it  is vital to change the world’s energy system.  

Despite  these  clear  reasons  for  a  change,  investments  in  fossil‐fuel  technologies  are  still  greater  than  investments  to  best  available  sustainable  energy  technologies    [1].    The  potential of the various forms of renewable energies have not yet been fully appreciated. By  using  these  technologies,  together  with  changed  behaviour,  it  is  acknowledged  that  the  long‐term  increase  of  the  mean  global  temperature  can  be  limited  to  +2°C  [2].  Using  sustainable  energy  technologies  would  deliver  benefits  of  enhanced  energy  security  and  sustainable economic development, while also reducing human impact on the environment. 

The sun offers mankind virtually unlimited energy potential. Solar photovoltaic has been the  fastest‐growing energy technology over the period 2000‐2011. Installed capacity was equal  to 1,5 GW in 2000 and 65 GW in 2011 [3]. This energy’s potential is significant; according to  optimistic  scenarios  [4],  solar  photovoltaic  energy  could  account  for  20%  of  the  global  electricity generation in 2060. By disregarding externalities associated with the use of fossil‐

fuel  for  energy  production,  solar  photovoltaic  is  very  close  to  being  cost‐competitive,  especially in sunny countries. 

1.2 E NERGY SYSTEM ON THE  R ÉUNION ISLAND  

La Réunion is a French insular department situated in the Indian Ocean (21° South, 55° East). 

It has an area of 2512 km

2

 and its population equals 840’000 inhabitants. Like most islands, 

La  Réunion  is  strongly  dependant  to  fossil  fuels  (coal,  refined  gas  and  diesel)  for  its 

transportation  and  energy  sectors.  In  terms  of  primary  energy  consumption,  this 

dependency is about 90% (Figure 1‐1 [5]).  

(10)

Introduction  

 

FIGURE 1‐1 ENERGY SCHEMA OF THE REUNION ISLAND 

La  Réunion  used  to  be  energy  autonomous  some  thirty  years  ago  although  the  rapid  population growth and greater use of air conditioning has led to a bigger use of coal in the  electricity production as it accounts for 48,7% in 2012. The island is not interconnected with  any surrounding islands. It is also located in a cyclonic area, which imposes more constraints  on eg. solar and wind farm designs. In 2002, the regional administration set the objective of  energy  autonomy,  all  sectors  included,  at  the  horizon  of  2030  [6].  This  island  possesses  various  exploited  renewable  energy  sources  for  its  electricity  production.  These  are  hydro  (20,1%); sugar cane biomass (10%); solar photovoltaic, wind energy, biogas (3,7%). There are  also projects to exploit wave energy, geothermal energy and ocean thermal energy.  

During  the  last  years,  the  grid  operator  has  been  facing  a  great  increase  of  variable 

renewable  energy  source  in  its  capacity  mix,  mostly  due  to  solar  photovoltaic.  As  a 

consequence,  the  regulatory  limit  of  30%  of  instantaneous  production  by  variable  energy 

sources has been attained in 2011.  Increasing the capacity of variable renewable energy in 

the  network  decreases  its  stability.  The  management  of  the  equilibrium 

production/consumption  is  also  more  complex.  Consequently,  beyond  this  limit  the  grid 

operator is authorised to disconnect any photovoltaic plant whose nominal power is greater 

than 3 kilowatt‐peak (kWp). As seen on Figure 1‐2, it impacts a small number of installations 

but  most  of  the  total  capacity.  The  nominal  power,  in  kilowatt‐peak,  of  a  photovoltaic 

module  is  its  maximum  power.  In  order  to  increase  this  share,  the  Energy  Regulation 

Commission (CRE) has published in 2012 a request for quotation making storage and solar 

production forecasting compulsory for new solar plants. 

(11)

Introduction  

 

FIGURE 1‐2 DISTRIBUTION BY POWER RANGE OF THE INSTALLED PV CAPACITY IN 2010 (DARK BLUE = NUMBER OF INSTALLATIONS; 

LIGHT BLUE = INSTALLED CAPACITY) 

1.3 A N ISLAND WITH GREAT POTENTIAL FOR  S OLAR PHOTOVOLTAIC ENERGY   

Solar  photovoltaic  has  a  great  role  to  play  in  order  to  meet  the  objective  of  energy  autonomy. Its capacity has increased very sharply during the last years (42 MWp installed in  2009;  89  MWp  in  2010  [5]).  In  2011,  the  feed‐in  tariff  and  tax  incentive  dropped  so  the  regional administration decided to promote solar photovoltaic with an “energy cheque”[7]. 

In  2013,  the  installed  photovoltaic  capacity  is  153  MW,  90%  of  which  is  in  the  industry  sector. Because the space is limited on the island, there are projects where agriculture farm  and photovoltaic farm are combined [8].  

In  order  to  increase  the  solar  photovoltaic  capacity,  while  keeping  power  grid  stable  and  service reliable, forecasting and storage will be necessary compounds of future systems at La  Réunion. A production prevision will be needed one day before in order to plan the needed  production  capacity  mix.  The  prediction  will  be  refined  up  to  six  hours  before  and  a  thirty  minute prevision will allow anticipating steep ramp in the production capacity. Storage will  be  a  necessary  compound  in  order  to  smoothen  the  production  variability  of  photovoltaic  systems; it can also help to transfer energy during the peaks of consumption; and it can help  the grid operator to maintain network stability [9]. 

   

(12)

Introduction  

1.4 R EUNIWATT ,  AN INNOVATIVE COMPANY  

This  MSc.  thesis  is  carried  out  with  Reuniwatt.  Reuniwatt  is  a  young  and  innovative  company, settled in Reunion Island, France, in the Indian Ocean. Reuniwatt’s development is  based on three core activities: 

 Photovoltaic production forecasting 

 Deployment of networks of communicating smart sensors. Climatic data recording. 

Climatic database management 

 Energy mix expertise 

Being  deeply  involved  with  the  university  world  and  performing  R&D  on  solar  forecasting,  Reuniwatt  has  developed,  together  with  the  Université  de  la  Réunion,  the  project  Soleka  [10].  This  project  is  also  laureate  2013  of  the  “Concours  National  d’Aide  à  la  Création  d’Entreprise  de  Technologies  Innovantes”,  a  national  competition  for  companies  with  innovative technologies. Soleka is a tool intended to ease the insertion of variable energy in  the energy mix. Soleka will allow forecasting the production of solar photovoltaic plant thirty  minutes to  one day ahead. This will help the electric grid operator to  manage the balance  production  /  consumption  and  to  secure  the  electricity  supply  on  the  whole  island.  Soleka  will  also  model  the  photovoltaic  production  in  order  for  the  production  companies  to  size  their storage system. 

Reuniwatt is developing innovative solutions that will contribute to the energy autonomy of  the  Reunion  Island;  and  accompany  its  customers  in  the  realisation  of  their  industrial  investments that introduce cleaner processes.  

1.5 S COPE :  CHOOSING THE MOST APPROPRIATE CLEAR ‐ SKY MODEL  

Solar irradiance forecasting methods can be described as the prediction of cloud behaviour  over  a  specific  area.  This  information  is  then  combined  with  the  value  of  solar  radiation  under clear‐sky conditions for the same area at the same forecast time. Uncertainty of solar  irradiance under clear sky can affect significantly the forecast results accuracy.    

Atmospheric radiative transfer models can compute this value. The inputs are varying from  one model to another. The simplest models just take into account the solar elevation, while  more  detailed  ones  may  include  other  inputs  such  as  concentration  of  atmospheric  components  (aerosols,  water  vapor,  ozone),  elevation  of  the  site,  barometric  pressure  or  ground albedo, in order to better model atmospheric transmittance.  

Clear‐sky models (CSM) with many inputs are often the most accurate but their performance 

remains very sensitive to local climate conditions. Moreover, availability of some inputs are 

not  always  guaranteed  at  every  locations.  The  objective  of  the  study  is  the  selection  and 

performance  quantification  of  the  most  appropriate  CSM  for  the  forecasting  of  solar 

radiation at the Reunion Island. 

(13)

Introduction to clear-sky model  

The study is organized with the following tasks: 

 bibliography study identifying the most relevant and promising CSMs 

 CSM input data collection of the specific area.  

 Assessment  of  CSM  performance  by  comparing  their  outputs  to  instrumental  measurements. 

2 I NTRODUCTION TO CLEAR ‐ SKY MODEL  

2.1 C LEAR ‐S KY ATMOSPHERIC EFFECTS   

The extra‐terrestrial solar radiation arriving to Earth is a relatively stable characteristic. Due  to the elliptical shape of earth’s orbit, it varies by +/‐ 3% around its average value, the extra‐

terrestrial constant which is equal to 1,367 kW/m

2

. This radiation arrives as a beam on top of  earth’s atmosphere [11] and it is absorbed and scattered while passing through the different  layers of the atmosphere [12]. Absorption means that the energy is taken up by matter while  scattering means that radiation is deviated from straight propagation.  As seen on Figure 2‐1,  up  to  30%  of  the  incoming  extra‐terrestrial  solar  radiation  is  lost  by  absorption  and  up  to  25% of the total irradiation is scattered back to space [13].  

 

FIGURE 2‐1 CLEAR‐SKY ATMOSPHERIC EFFECTS 

(14)

Introduction to clear-sky model  

The  amount  of  radiation  that  reaches  the  ground  is  called  the  global  radiation.  It  is  composed of two components, the beam and diffuse compound   (2‐1).  The  diffuse compound, a fraction of the total diffused extra‐terrestrial radiation, is   between 5  and 22% of the global component [14].  

  (2‐1) 

Absorption occurs from different components at different spectral range. As seen in Figure  2‐2,  the  ozone  has  two  small  absorption  band  near  290  nm  and  600  nm.  Water  vapour  absorbs strongly in the infrared part of the solar spectrum. Carbon dioxide is another strong  absorber of infrared radiation.  

There  are  two  kinds  of  scattering  effects:  Rayleigh‐scattering  and  Mie‐scattering.  The  Rayleigh‐scattering  is  the  scattering  of  electromagnetic  radiation  by  particles  which  are  much smaller than the wavelength of the radiation. The Mie‐scattering is the scattering by  particles  whose  diameter  is  of  about  the  same  dimension  as  the  wavelength  or  larger. 

Rayleigh‐scattering  is  quite  exclusively  a  function  of  Air  Mass  while  the  Mie‐scattering  depends on local conditions. The Mie‐scattering has a strong forward pattern.   

The  atmospheric  gases  have  a  significant  absorption  band  in  the  visible  spectrum.  These  gases  are  mostly  biatomic  oxygen  O

2

  and  biatomic  N

2

,  which  accounts  for  20,95%  and  78,09% of the atmospheric gases respectively [15]. 

 

FIGURE 2‐2 RADIATION REDUCTION THROUGH ATMOSPHERIC EXTINCTION PROCESSES (SOURCE: C. HOYER‐KLICK: INTRODUCTION TO  SOLAR RESSOURCE ASSESSMENT 

The  amount  of  scattering  and  absorbing  depends  on  the  length  of  the  path  through  the  atmosphere, which is expressed as the Air Mass (AM). It is simply the ratio of the actual path  length to the path length when the sun is directly overhead. As seen in Figure 2‐3, the Air  Mass can be calculated from the solar zenith angle. 

A photovoltaic cell can only convert a theoretical maximum of 54% of the incident irradiation 

[16].  As  per  Figure  2‐4,  18%  of  the  incident  energy  in  the  infra‐red  part  is  lost.  The  high 

(15)

Introduction to clear-sky model  

energy  photons  generate  heat  which  leads  to  another  loss  on  the  ultra‐violet  and  visible  band.  This  loss  accounts  for  28%  of  the  total  incident  irradiation.  Therefore,  the  useful  incoming  irradiance  on  a  photovoltaic  cell  is  varying  due  to  scattering  by  aerosols  and  absorption by water vapour.  

 

FIGURE 2‐3 AIR MASS EFFECT 

 

 

FIGURE 2‐4 LOSSES ON INCIDENT IRRADIATION ON A TYPICAL PV CELL 

(SOURCE: TECHNIQUES DE L’INGENIEUR) 

2.2 O N THE IMPORTANCE OF USING AN APPROPRIATE  C LEAR  S KY  M ODEL  

Solar  photovoltaic  is  the  fastest  growing  source  of  renewable  energy  and  the  greatest  project  requires  considerable  financial  investments  [17].  The  knowledge  of  clear‐sky  irradiation reaching the ground is a key parameter in the field of solar radiation modelling  and  evaluation.  Because  equity  investors  evaluates  projects  based  on  the  return  on  investment, magnitude of capital cost and perceived risk [18], the solar resource needs to be  as  accurately  characterised  as  possible  as  it  has  a  direct  impact  on  the  plant  design  and  power output predictions. As an example, reducing the solar resource uncertainty by about  1% can allow the project to take on 1% more debt, and therefore reduce the capital cost of  the owner. For a 50 MW project, valued at USD 125’000’000, it means that the loan can be  increased by about USD 1’250’000 [18].  

R&D is being done at the Réunion Island in order to develop “guaranteed PV systems”, which  includes  production  forecasting  and  storage.  Forecasting  the  solar  resource  means  that  clear‐sky irradiation and cloud coverage need to be estimated as precisely as possible. The  clear‐sky index Kc (refer to 3.2 for its definition), which is proportional to the cloud coverage,  is  predicted  by  various  means  and  used  with  a  clear  sky  model  in  order  to  predict  the  incoming irradiation on e.g. a PV farm: the modelled irradiation is the product of the clear‐

sky index by the clear‐sky irradiation. The following Figure 2‐5 and Figure 2‐6 illustrate the  importance of using an accurate model: an inaccuracy on the clear‐sky model has the same  impact as over or under‐estimating the clear‐sky index. Therefore, the accuracy of the clear‐

sky model used has an impact on the accuracy of the predicted irradiation. 

(16)

Introduction to clear-sky model  

As part of a guaranteed PV system, the size of storage is directly proportional to the error in  forecasting  thus,  reducing  the  error  on  clear‐sky  irradiation  has  a  positive  impact  on  the  storage size (internal communication). 

FIGURE 2‐5 ACCURATE AND INACCURATE MODELLED GHI 

   

FIGURE 2‐6 ACCURATE AND INACCURATE CLEAR‐SKY INDEX 

  Along  with  the  model  accuracy,  its  operability  is  equally  important.  If  a  model  is  to  be  industrially used,  the  high  demand of  atmospheric  input  parameter may  be expensive  and  uneasy  to  use.  Therefore,  an  “appropriate”  model  depends  on  its  use  and  can  be  a  compromise  between  both.  The  study  aims  at  answering  what  is  the  most  appropriate  model to use for solar forecasting on the Réunion Island, from the accuracy and operability  point of view. 

2.3 C HOICE OF MODELS TO ANALYSE  

There  are  numerous  Clear‐Sky  models  [19].  The  simplest  ones  aim  at  calculating  the  radiation  that  arrives  on  a  specific  location  at  a  given  time.  Therefore  the  minimum  parameters that are needed by a clear sky model are the solar elevation angle, the date and  solar constant. More complexes models can include up to 8 atmospheric parameters, such as  the aerosols and the water vapour [20]. Whilst the inputs needed vary from one model to  another;  the  output  are  either  irradiation  (Wh/m

2

)  or  irradiance  (W/m

2

).  The  GHI  (Global  Horizontal Irradiance) is given along with the beam (BHI) and diffuse (DHI) compound.  

In  this  study,  four  models  are  selected  according  to  three  criteria:  (i)  they  must  be  easily  operational (ii) their quality needs to be recognized (iii) it must be already used in large‐scale  processes.  The  four  models  chosen  have  all  different  approaches  to  modelling  radiation. 

They are the following: 

Model_1:  This  model  is  well‐tried  and  easy  to  use;  it  is  currently  used  by  research 

laboratories and Reuniwatt at the Réunion Island. 

(17)

Introduction to clear-sky model  

Model_2:  This  model  has  a  good  precision  with  the  use  of  aerosol  and  water  vapour  parameters and is also widely used in the solar energy research community. 

Model_3:  This  model  has  3  simple  inputs  data  and  was  used  in  the  of  a  long  term  solar  radiation database over Europe.  

Model_4: This is a very new model. Atmospheric radiation computations are made with less  approximation than the others models, and it is usable with an integrated aerosol and water  database. 

Input data for each model can be classified as: astronomical; geographical; surface data; 

meteorological (column integrated); quantities related to atmospheric turbidity. A table  summarizing the model input data is available in Appendices I. 

2.4 M ODEL _1    

The  Model_1  is  a  simplified  clear  sky  model  for  direct  and  diffuse  insolation  on  horizontal  surfaces. The Model_1 is built from three different codes. In each of these codes, a multi‐

layered atmospheric model is constructed with defined atmospheric parameters. Once the  atmosphere  is  modelled,  each  code  is  used  to  calculate  the  radiative  transfer  at  a  given  location  and  time.  This  model  was  written  in  an  excel  spreadsheet  by  its  author,  and  translated into a Matlab script by Reuniwatt.  

2.5 M ODEL _2    

Model_2  was  developed  to  design  a  new  scheme  converting  meteorological  stationary  satellite images into solar irradiance map. In the Model_2, the irradiance is calculated based  on  radiative  transfer  models  (RTM)  and  the  Lambert‐Beer  relation.  The  main  input  parameters are the atmospheric water vapour column [cm] and atmospheric aerosol optical  depth [cm] [21]. The ozone content is taken constant at 340 Dobson units. The Model_2 is  empirical;  it  is  calculated  from  analytical  expressions  rather  than  RTM  calculations.  In  this  model, the aerosol optical depth (AOD) is taken for the whole broadband.  

2.6 M ODEL _3    

The Model_3 was created to build a solar energy atlas at continental scale. The Model_3 is  composed by two sets of models, one giving the irradiance and one giving hourly irradiation. 

Just like the Model_2, the Model_3 is also used to estimate solar radiation at ground level 

from satellite images [14]. The model is based on the Rayleigh optical depth (or thickness) 

parameterization and the Linke turbidity coefficient at air mass 2. The input parameter is the 

Linke turbidity [22]. This describes the optical thickness of the atmosphere due to both the 

absorption by the water vapour and the absorption and scattering by the aerosol particles 

relative to a dry and clean atmosphere. It summarizes the turbidity of the atmosphere, and 

hence the attenuation of the direct beam solar radiation [23]. The Model_3 model has been 

(18)

Methodology  

checked  against  the  previous  model  that  were  used  for  similar  usages  and  was  found  the  most robust and accurate [14] [24].  

2.7 M ODEL _4 

Model_4 is a very new fast clear‐sky and fully physical model that replace empirical relations  or simpler models used before [25] [26]. It uses the recent results on aerosol properties, and  total column content in water vapour and ozone produced by a global mapping initiative of  these  parameters.  The  comparison  with  state‐of‐the‐art  clear‐sky  models  showed  that  Model_4 surpasses them, especially regarding RMSE and correlation coefficient.  

3 M ETHODOLOGY  

3.1 G ROUND MEASUREMENTS  

In order to quantify the performance of each model, irradiation data during clear‐sky periods  is  needed  at  the  site  where  modelling  of  daily  irradiation  is  performed.  Measured  and  modelled irradiation can be correlated together only they cover the same time periods and  location.  In  this  study,  data  covering  658  days  /  starting  the  19

th

  August  2010  /  with  a  1  minute  resolution,  are  available  for  Sainte  Marie,  in  the  North  of  the  island  (Lat  ‐20,8925; 

Lon  55,5361).  These  irradiance  data  (in  [W/m

2

])  have  been  measured  with  solar  reference  cell  (Figure  3‐1)  and  converted  afterwards  to  irradiation  values  (in  [Wh/m

2

]).  The  solar  reference  cell  has  been  calibrated  with  a  thermopile  pyranometer  on  the  Reunion  Island. 

The following Figure 3‐2 shows the irradiation map of these data. 

 

FIGURE 3‐1 SOLAR REFERENCE CELL USED FOR THE GROUND MEASUREMENTS 

(19)

Methodology  

 

 

FIGURE 3‐2 IRRADIATION MAP AT SAINT‐MARIE, IN [WH/M2], FROM 19 AUG 2010 TO 07 JUN 2012 

3.2 S ELECTION OF CLEAR ‐ SKY MOMENTS  

Identifying clear‐sky moments is not an easy task because there is no objective definition of  a  true  clear‐sky  moment.  There  are  different  methods  used  to  identify  clear‐sky  moments  [27]. These are based on cloud cover and/or sunshine fraction, while others are based on a  combination  of  sky‐clarity  indices,  or  the  Linke  turbidity.  Keeping  cloudless  sky  based  on  cloud cover is not a good method due to the wide scattering of clouds. Furthermore, these  data  are  not  available  for  this  study.  A  combination  of  these  methods  will  bring  the  most  accurate results. 

In this study, the detection of clear‐sky moments is based on modified clearness indices K

t

’. 

The clearness index K

t

 does not depend upon a clear‐sky model. It allows characterizing the  insulation conditions at a given point of time when only the global component is known. It  depends on the extra‐terrestrial irradiance G

0

 and the solar elevation angle h. The clearness  index  K

t

  is  the  ratio  of  incoming  solar  irradiation  over  the  extra‐terrestrial  irradiation;  it  is  defined  as  per  [28].  The  clearness  index  is  a  measure  of  the  transparency  of  the  total  atmosphere. 

.

  (3‐1) 

The clearness index K

t

 depends on the solar elevation angle and tends to be under‐estimated 

for low solar elevation angle. In order to be used as a reliable sky condition descriptor, it can 

be corrected with the formula from Perez et al. (1990) [28], which uses the Air Mass AM. The 

modified clearness index, K

t

’ is defined as: 

(20)

Methodology  

, . ,

, , ,

  (3‐2) 

The clear sky index k

c

 is a very usefull parameter for solar forecasting. It is used to represent  the  clearness  of  the  sky,  ie,  how  much  irradiation  reaches  the  ground  at  a  certain  time  (GHI

site

),  compared  how  much  it  would  be  if  the  sky  was  clear  (GHI

cs

),  it  is  therefore  an  indicator on cloud coverage: 

  (3‐3) 

The following Figure 3‐3, Figure 3‐4 and Figure 3‐5  show  the different irradiation, indexes,  solar elevation angle and Air Mass during a typical day, with a clear‐sky in the morning and  clouds forming in the afternoon.  

 

FIGURE 3‐3 EXTRA‐TERRESTRIAL IRRADIATION, MODELLED AND MEASURED IRRADIATION DURING ONE DAY 

 

FIGURE 3‐4 KC, KT AND KT' 

 

FIGURE 3‐5 SOLAR ELEVATION ANGLE H AND AIR MASS (AM). THE DASHED LINE SHOWS FIRST FILTER ON H>15° 

(21)

Methodology  

In order to keep only moments with a clear‐sky, K

t

’ values are first filtered for h > 0°. When  the sun is below the horizon, the measured GHI may not be equal to 0 but, because AM is  calculated  with  h,  it  would  not  be  possible  to  calculate  K

t

’.  Furthermore,  K

t

’  values  for  h  comprised between 0 and 15° are not kept in order to eliminate all risks of errors caused by  shading  of  obstacles  just  above  the  horizon.  This  has  the  consequence  of  systematically  excluding  the  very  data  point  that  are  usually  modelled  with  the  lowest  accuracy  and  therefore, the performance assessment results are on the optimistic side [20] [19]. Then, K

t

’  values  are  filtered  for  0,65  <  K

t

’  ≤  1  in  order  to  only  keep  clear  sky  conditions,  as  per  the  Perez et al. method [28]. These limits are arbitrary but coherent with other classifications. At  last, only measurements fulfilling these conditions and covering at least one continuous hour  are kept.  

After following this methodology, 17,3% of the period covered by the 658 days filtered for h 

> 15°, are kept and are considered to have clear‐sky conditions. These moments can be seen  in  red  in  Figure  3‐6.  The  incoming  irradiation  doesn’t  have  a  single  value  for  a  given  solar  elevation  angle  because  it  depends  on  atmospheric  parameters,  which  have  a  seasonally  pattern, as explained in 3.3.  

 

FIGURE 3‐6 CLEAR‐SKY MOMENTS FOR H>15° AND 0,65<KT'<=1 

However, there are researchers that oppose the use of clear‐cut K

t

 value for defining clear‐

sky  moments  because  each  researcher  tend  use  his/her  own  values  depending  on  the  location and the month of the year [29]. To confirm the pertinent usage of the Perez et al. 

method, the RMSE of modelled and measured data was plotted for various K

t

’ (Figure 3‐7). 

Refer  to  0  for  explanation  on  the  RMSE  index  definition.  The  preliminary  results  with  the  Model_4  and  a  threshold  of  0,65  <  K

t

’  ≤1  are  very  good.  This  gives  confirmation  that  the  clear‐sky data kept in this study are of good quality and prove the validity of the Perez et al. 

method for the clear‐sky measured data.  

(22)

Methodology  

 

FIGURE 3‐7 RELATIVE RMSE OF MODELLED/MEASURED IRRADIATION VERSUS KT' 

3.3 SOURCE OF ATMOSPHERIC PARAMETERS  

Irradiance  is  affected  by  astronomical,  geographical  and  atmospheric parameters.  The  first  two classes can be obtained easily; they have a big impact on the predicted irradiance but  can be known very accurately. On the contrary, atmospheric parameters have large effects. 

The  Aerosol  Optical  Depth  (AOD)  (or  thickness)  has  the  greatest  impact,  and  then  come  Water  Vapour  (WV).  The  challenge  in  getting  accurate  parameters  is  that  they  changes  rapidly over both time and space, and are difficult to predict [20].  

The  aerosol  optical  depth  or  optical  thickness  (τ)  is  defined  as  the  integrated  extinction  coefficient  over  a  vertical  column  of  unit  cross  section.  In  other  words,  it  is  the  degree  to  which  aerosols  prevent  the  transmission  of  light  by  absorption  or  scattering  of  light; 

therefore it has no unit. The water vapour is defined as the amount of water which would be  obtained if all the water vapour in a specified column of the atmosphere were condensed to  liquid; therefore its unit is in cm

3

/cm

2

 or g/cm

2

 [30]. The Linke turbidity basically describes  the attenuation of the solar radiation in terms of a clean and dry atmosphere, and allows for  an accurate and efficient way to describe the solar radiation during a cloud free day [31]. It is  defined  as  the  number of  clean  and  dry  atmospheres  that  would  be  necessary  to  produce  the  same  attenuation  of  the  extra‐terrestrial  solar  radiation  that  is  produced  by  the  real  atmosphere [32]. 

Atmospheric  parameters  are  obtained  thanks  to  the  AErosol  RObotic  NETwork  (AERONET) 

database. The AERONET programme is a federation of ground‐based remote sensing aerosol 

network  established  by  the  NASA,  and  PHOTONS  (Univ.  of  Lille  1,  CNES,  and  CNRS‐INSU) 

[33].  Atmospheric  measurements  that  cover  the  studied  period  are  retrieved  from  their 

database.  They  were  done  in  Saint‐Denis,  which  is  just  a  few  kilometres  away  where  the 

irradiance measurements were made, thanks to a multiwavelength sunphotometer. 31’224 

measurements  were  made  between  the  May  2007  and  October  2012.  The  downloaded 

parameters are of level 2 in terms of quality assurance criteria [34].  

(23)

Methodology  

The  Linke  turbidity  is  available  online.  Monthly  climatic  values  are  given  for  a  specific  latitude and longitude.  

The data available for Saint‐Denis do not include the AOD at 700 nm, which is needed by the  Model_2 simplified. This AOD is evaluated thanks to the AOD at 500 and 550 nm [21], thanks  to the Ångström’s Law: 

  ( 3‐4) 

Where,  Τ

λ

  is  the  AOD  at  the  wavelength  λ,  β  is  the  Ångström  turbidity  coefficient.  It  represents the aerosol vertical quantity in the atmosphere, α is the wavelength exponent. It  is  linked  to  the  size  of  particles  and  varies  between  0  (for  big  particles)  and  4  (for  aerosol  with the size of molecules). 

Part of the AOD at 380 and 500 nm, which are needed are also missing. Consequently, these  data are inter/extrapolated with the same method. A verification is made when possible to  verify the accuracy of this method with the Aeronet data. The following Table 3‐1 validates  the inter/extrapolation made to fill holes in the database: the results found are sufficiently  good in comparison with the models’ sensitivity to these atmospheric parameters variation. 

The Model_1 and Model_2 are fed with daily, monthly average and climatic monthly average  atmospheric data. The monthly values are calculated from the daily ones if at least the data  75%  of  the  month.  The  climatic  monthly  averages  are  found  by  averaging  all  the  data  available between 2007 and 2012 for a given month. 

TABLE 3‐1 VERIFICATION OF THE APPLICABILITY OF THE ÅNGSTRÖM’S LAW 

 

The  Box  and  Whiskers  plots  (Figure  3‐8  and  Figure  3‐9)  show  the  variation  of  the  water  vapour  and  the  AOD  at  700  nm  between  2007  and  2012.  The  water  vapour  shows  a  clear  seasonal  pattern,  with  higher  value  during  the  austral  summers.  The  AOD  at  700  nm  is  relatively constant through the years, with very small peaks during the austral springs.  

Number of data 18121

Correlation coefficient 0,997

Variance of the difference of the 2 time series 1,4E‐05

mean difference  0,002

Relative mean error (mean difference / mean AOD500) 3,35%

Relative variance (variance / mean AOD500)  0,02%

Number of data 31224

Correlation coefficient 0,995

Variance of the difference of the 2 time series 3,3E‐05

mean difference  0,001

Relative mean error (mean difference / mean AOD380) 0,89%

Relative variance (variance / mean AOD380)  0,04%

Interpolation at AOD500

Extrapolation at AOD380

(24)

Methodology  

 

FIGURE 3‐8 WATER VAPOUR BETWEEN 2007 AND 2012 IN SAINT‐DENIS, AERONET DATABASE 

 

FIGURE 3‐9 INTERPOLATED AOD AT 700NM BETWEEN 2007 AND 2012 IN SAINT‐DENIS, AERONET DATABASE 

The Linke turbidity is retrieved with on a monthly step. Figure 3‐10 shows the variation of  this factor throughout the year: 

 

FIGURE 3‐10 MONTHLY AVERAGE OF THE LINKE TURBIDITY FACTOR AT THE REUNION ISLAND, SOURCE: CONFIDENTIAL 

(25)

Methodology  

The concentration of water vapour in the atmosphere has a strong seasonal pattern, with a  peak  during  the  austral  summer.  This  is  due  to  a  higher  average  irradiation  which  causes  more  evaporation.  The  variation  of  concentration  of  aerosol  in  the  atmosphere  is  due  to  several factors [35]. These are of anthropogenic sources such as agricultural, industrial, air‐

transportation,  etc.  and  of  natural  sources  such  as  dust  storms,  sea  salt  particles,  etc.  The  peak of aerosol concentration at the Réunion Island is due to slash‐and‐burn in Madagascar  during the dry season [36]. 

3.4 ASSESSING MODEL PERFORMANCE  

Accuracy  indicators  are  needed  in  order  to  compare  two  times  series  against  each  other,  such  as  measured  and  modelled  values.  Various  indicators  are  used  in  the  literature  [20] 

[19]; the most common being the Mean Bias Error (MBE) and the Root Mean Square Error  (RMSE).  

They are defined as: 

 

(3‐5) 

And, 

  

(3‐6) 

Where: 

 n is the number of couples of eg. measured and predicted values, 

  is the mean value of these measured and predicted values, 

  is the difference between the measured and the predicted value, 

The RMSE of a pairwise difference of two time series can serve as a measure on how far on  average the error is from zero. The MBE is the mean difference between the two time series. 

The relative RMSE and MBE, in percentage, give a value of the correlation between two time  series which is easier to compare with other models.  

The correlation coefficient is another useful accuracy indicator. It is a statistical measure of  how well the model approximates the real data points. It is defined as: 

∑ ∑

∑ ∑ ∑ ∑

  (3‐7) 

Where,  ̅ is the average of the first time series, and   is the average of the second one. 

Correlograms are also used to visually check the correlation quality between two time series. 

A correlogram is a scatter plot with each pair of the time series plotted on X and Y. A higher 

(26)

Methodology  

RMSE value will give a thicker line while a higher MBE will give the line a positive or negative  shift.  

The more accurate a model is, the smaller the RMSE and MBE are. A MBE can be corrected  unlike  the  RMSE,  which  is  a  value  intrinsic  to  the  model  performance  and  its  input  parameters.  A  “good”  value  for  a  RMSE  or  a  MBE  depends  on  different  aspects.  First  the  time step chosen for the modelling is very important, modelling irradiation every minute will  bring  a  higher  accuracy  than  modelling  it  every  hour,  which  involve  averaging  steps.  The  filters  used  have  an  impact  too.  The  quality  of  the  measured  irradiation  and  the  chosen  clear‐sky moments is also very important since it is meant to be a reference for the model. In  this  study,  a  more  stringent  filtering  on  K

t

’  allows  increasing  the  quality  of  the  clear‐sky  moments  kept.  The  choice  of  filters  on  e.g.  the  solar  elevation  angle  can  have  a  positive  impact, as stated in 3.2.  

There  are  different  thresholds  for  defining  “good”  RMSE  and  MBE  values  in  the  literature. 

(Badescu, 2011) defines a good calibration with global hourly irradiation if ‐5%<MBE<5% and  RMSE<15%.  (Gueymard,  2011)  ranks  models  with  a  MBE  equal  to  ±2%  and  RMSE  equal  to 

±5% as best ones. These thresholds are valid for irradiance value and solar elevation angle  greater than 15°. 

3.5 D EALING WITH GROUND MEASUREMENT UNCERTAINTIES  

Assessing  a  model  performance  would  ideally  be  done  against  a  reference  source  of  measurement  which  is  error‐free.  In  reality,  both  modelled  and  measured  data  series  are  uncertain and must still be compared together. This is why some researchers prefer to use  the terms of “difference” with the MBD and RMSD indicators rather than MBE and RMSE, as  chosen  in  this  study.  Not  being  able  to  appreciate  these  uncertainties  can  lead  to  false  conclusion.  For  example,  if  the  mean  difference  between  a  model  A  and  the  reference  measurements are ‐1% whereas it is 3% for model B, it is tempting to conclude that model A  is  more  accurate  than  model  B.  It  is  likely  to  be  exact  although  the  opposite  conclusion  would have been reached if it has been established that the measurements themselves had  a systematic difference of ‐2% compared to the value of the measurand [20].   

The measurements used in this study are obtained from a solar reference cell. This sensor is  a pertinent tool for measuring irradiance on a solar PV farm since both exhibit a matching  response which varies with climatic and astronomic parameters [18]. A solar reference cell  measures a spectrally corrected irradiance (i.e. usable fuel for PV systems as per Figure 2‐4). 

The cell used in this study, of the solar reference cell gives a broadband irradiance value [37] 

which  is  therefore  directly  comparable  with  broadband  models.  The  total  measurement 

uncertainty  is  the  combination  of  both  the  basic  calibration  and  field  measurement 

uncertainties.  As  said  in  3.2,  the  solar  reference  cell  has  been  calibrated  for  the  local  light 

spectrum  with  a  thermopile  pyranometer.  The  pyranometer  has  a  total  expanded 

uncertainty (95% confidence interval) of about 4,3% on broadband resource data [38]. The 

(27)

Model performance  

uncertainty  of  the  solar  reference  cell  is  known  to  be  below  3%  [37].  Therefore,  it  is  now  possible to calculate the total uncertainty with the composed uncertainty formula [39]: 

2

2

  ( 3‐8) 

Thus,  the  total  uncertainty  for  field  measurement  is  equal  to  5,2%.  Part  of  this  total  uncertainty consists of a systematic type‐B uncertainty. It represents a bias that cannot be  corrected in general. In this study, it is assumed to be equal to 2% [20].  

4 M ODEL PERFORMANCE  

4.1 S UMMARY OF RESULTS  

All models were tested with various atmospheric parameters as explained in 3.3, and over  different time step, one minute and one hour. Figure 4‐1 illustrates on a relatively clear‐sky  day, the 4

th

 of September 2010, the difference in modelling the GHI by the different models. 

Model_3 appears to be the least accurate during that day although it is not when looking at  it over many clear‐sky moments. A great number of measurements reduces the influence of  anomalies. 

 

 

FIGURE 4‐1 MEASURED AND MODELLED IRRADIANCE OF ALL MODEL ON A RELATIVELY CLEAR‐SKY DAY 

The following Figure 4‐2 is a correlogram showing all models correlations on one scatter: 

(28)

Model performance  

 

FIGURE 4‐2 CORRELOGRAM OF ALL MODELS (GHI MINUTE) FOR H>15° AND 0,65<KT'<=1 

It  shows  that  Model_4  performs  very  well  in  this  study;  it  has  the  thinnest  plot.  The  increasing plot thickness with the  GHI is due to the fact that errors are greater on greater  values. Model_3 is also performing well, with a small over‐estimation of the irradiation for  higher irradiation values. The Model_2 seems to have the thickest plot although it performs  better than Model_1 for lower irradiation values. A detail of the correlograms is given in the  appendices.  Model_4  is  used  differently  from  other  models.  It  has  input  data  which  are  different from other model, which may explain its superiority. 

The following Table 4‐1 gives the results for a GHI modelled every minute, and with filters on  0,65<K

t

’≤1  and  h>15°.  The  Table  4‐2  is  the  same  as  the  previous  table  except  that  the  simulations  are  made  on  an  hourly  basis.  The  details  of  results  are  available  in  the  Appendices.  

TABLE 4‐1 RESULTS FOR GHI MODELLED PER MINUTE STEP. FILTERS: 0,65<KT’<=1 AND H>15° ON AT LEAST, ONE CONTINUOUS HOUR. 

 

Model Mean value at  site [Wh/m2]

MBE  [Wh/m2]

Relative MBE  [%]

RMSE  [Wh/m2]

Relative  RMSE [%]

Correlation  coefficient

Number of  measurements

Model4 12.30 ‐0.14 ‐1.13% 0.46 3.78% 0.991 67386

Model2_cte 12.30 ‐0.26 ‐2.12% 0.70 5.69% 0.982 67386

Model2_Daily 12.32 ‐0.15 ‐1.25% 0.67 5.42% 0.981 50919

Model2_Monthly 12.30 ‐0.19 ‐1.52% 0.63 5.15% 0.984 67282

Model2_MonthlyClim 12.30 ‐0.22 ‐1.82% 0.65 5.32% 0.984 67386

Model1_cte 12.30 ‐0.56 ‐4.58% 0.77 6.29% 0.988 67386

Model1_Daily 12.32 ‐0.47 ‐3.85% 0.68 5.55% 0.989 50919

Model1_monthly 12.30 ‐0.50 ‐4.09% 0.70 5.68% 0.990 67282

Model1_monthlyClim 12.30 ‐0.55 ‐4.45% 0.74 5.98% 0.989 67386

Model3 12.30 ‐0.19 ‐1.52% 0.53 4.31% 0.990 67386

(29)

Model performance  

Table 4‐1 shows the number of measurements is in the same range for all models thus their  results can be directly compared. All the simulations present a correlation coefficient above  0,98;  which  can  be  considered  as  a  very  satisfactory  value.  Model_4  is  the  most  accurate  model; it has the lowest relative MBE, the lowest relative RMSE and the highest correlation  coefficient.  Model_3  comes  just  behind  with  values  of  relative  MBE  and  RMSE  close  to  Model_4.  The  Model_2  and  Model_1,  which  are  used  with  daily,  monthly  averaged  and  climatic monthly averaged atmospheric parameters are coming behind with a relative RMSE  above  5%.  Using  daily  parameters  does  not  give  Model_1  and  Model_2  a  significant  advantage  compared  to  e.g.  Model_3,  which  uses  monthly  averaged  atmospheric  parameters.  

It  is  worth  noting  that  the  relative  RMSE  of  Model_2  is  not  reduced  by  using  daily  parameters compared to monthly parameters. Model_1 exhibits contrary trends. This could  be due to the fact that the Model_2 is an empirical model and is more sensitive to noise in  its  input  parameters.  As  explained  in  2.4,  Model_1  is  a  radiative  transfer  model,  based  on  physical  equations.  The  use  of  varying  atmospheric  parameters,  coming  from  the  Aeronet  database,  does  improve  the  model  accuracy  so  much  compared  to  the  use  of  constant  parameters.   

All the models have a negative bias in these simulations, meaning they all over estimate the  irradiation.  

TABLE 4‐2 RESULTS FOR GHI MODELLED PER HOURLY STEP. FILTERS: 0,65<KT’ <= 1 AND H>15° AND AT LEAST ONE CONTINOUS HOUR. 

  All models have been tested on an hourly basis for several reasons, one being the calculation  time required. Table 4‐2 shows that Model_4 is still the best performing model in terms of  relative RMSE and correlation coefficient. Model_3 has a relative RMSE 1% greater although  its  relative  MBE  is  a  little  less  than  2%  better.  The  Model_2  Simplified,  which  was  slightly  better than Model_1 on a minute basis, is now less accurate on an hourly basis. This leads to  the fact that ranking of models may depend upon the time step chosen. 

All  models  are  less  accurate  on  an  hourly  basis.  It  is  worth  noting  that  the  number  of  measurements  has  fallen  drastically  from  the  minute  step  simulations  to  the  hourly  ones. 

The  sampling  size  (called  “number  of  measurements”  in  the  above  table)  is  an  important  factor  when  calculating  a  model  accuracy  and  when  comparing  two,  or  more,  models  together.  As  part  of  a  model  performance  quantification,  values  which  are  less  accurately 

Model Mean value at  site [Wh/m2]

MBE  [Wh/m2]

Relative MBE  [%]

RMSE  [Wh/m2]

Relative  RMSE [%]

Correlation  coefficient

Number of  measurements

Model4 752 ‐34.79 ‐4.62% 62.26 8.28% 0.965 2621

Model2_Daily 744 ‐39.95 ‐5.37% 84.95 11.41% 0.925 1875

Model2_Monthly 752 ‐43.40 ‐5.77% 84.72 11.26% 0.929 2609

Model2_MonthlyClim 752 ‐45.71 ‐6.08% 86.34 11.48% 0.928 2621

Model1_Daily 744 ‐54.18 ‐7.28% 77.42 10.40% 0.960 1875

Model1_monthly 752 ‐57.28 ‐7.62% 79.61 10.58% 0.960 2609

Model1_monthlyClim 752 ‐60.02 ‐7.98% 81.68 10.86% 0.960 2621

Model3 752 ‐21.38 ‐2.84% 70.52 9.37% 0.957 2621

(30)

Model performance  

modelled have a greater impact on the results accuracy if the sampling is small. This effect  has  been  verified  when  filtering  data  on  more  stringent  clear‐sky  conditions:  keeping 

“clearer”  clear‐sky  moments  and  thus  reducing  drastically  then  number  of  measurements  has a negative impact on the model accuracy results.   

Another reason why the hourly simulations give less accurate results than the minute ones is  because the clear sky moments are calculated using irradiation of site measurements with a  minute step which are, on average, considered as a clear‐sky. There could be the case of one  hour  considered  having  clear‐sky  conditions  with  short  moments  with  a  significant  cloud  coverage, or longer moments with a very light cloud coverage. On average, the irradiation  over one hour can be great enough so that this hour is considered as a clear‐sky. This source  of error can potentially lower the quality of the overall clear‐sky moments. When increasing  the lower threshold on the clearness index k

t

’ to 0,7; all models show better results on both  relative  MBE,  RMSE  and  on  the  correlation  coefficient.  By  doing  so,  the  number  of  measurements  does  not  decrease  a  lot;  consequently  there  is  no  negative  impact  on  the  results.  

The following Figure 4‐3 and Figure 4‐4 shows on a diagram the relative MBE and RMSE as  presented in Table 4‐1 and Table 4‐2. 

 

FIGURE 4‐3 MODEL RESULTS FOR MINUTE VALUES AND SOLAR ELEVATION ANGLE > 15° AND 0,65<KT'<=1. THE BLUE DASHED LINE  INDICATES THE ASSUMED 5,2% UNCERTAINTY LIMITS. THE RED DASHED LINE INDICATES THE ASSUMED 2% TYPE‐B UNCERTAINTY 

LIMITS. 

References

Related documents

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

Generally, a transition from primary raw materials to recycled materials, along with a change to renewable energy, are the most important actions to reduce greenhouse gas emissions

Both Brazil and Sweden have made bilateral cooperation in areas of technology and innovation a top priority. It has been formalized in a series of agreements and made explicit

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

Från den teoretiska modellen vet vi att när det finns två budgivare på marknaden, och marknadsandelen för månadens vara ökar, så leder detta till lägre

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

Parallellmarknader innebär dock inte en drivkraft för en grön omställning Ökad andel direktförsäljning räddar många lokala producenter och kan tyckas utgöra en drivkraft