Direct Normal Irradiance and circumsolar radiation: modelling, measurement and impact on Concentrating Solar Power

Abstract

In this work, the modelling and measurement of direct and circumsolar normal irradiance (DNI and CSNI, respectively) is studied, as well as their impact on the energy generation of concentrating solar power systems (CSP). To model DNI, two approaches are used: (i) developing a fast and simple model to estimate diffuse horizontal irradiance, and consequently, DNI; and (ii) assess the performance of three distinct state-of-the-art models with different degrees of complexity. Regarding the first approach, it was found that the developed model that considers the climate zone was able to outperform the models available in the literature. Regarding the second approach, it was found that the radiative transfer model libRadtran and the parametrization model SMARTS are the models that provide the best DNI predictions. In this way, libRadtran is used to generate a database of DNI and CSNI values. Then, a new CSNI model is developed to estimate CSNI for a half-opening angle of 2.5◦ that only requires solar radiation data as input. It was found that the proposed CSNI model outperforms the models available in the literature in almost all of the locations analysed. However, the half-opening angles of common CSP systems are lower than 2.5◦. Therefore, an upgrade of the CSNI model is developed that enables the determination of CSNI for a specific half-opening angle. The improved model is then able to predict the CSNI that reaches the CSP receiver and estimate the variation in the system’s intercept factor caused by CSNI variation. It was found that discarding CSNI could lead to up to a 7% difference between the measured DNI and the DNI that is captured by the CSP system. Furthermore, it was also found that higher rim angles are needed if the impact of CSNI variation is to be mitigated in parabolic trough concentrators; Resumo: Irradiância Direta Normal e radiação circunsolar: modelação, medição e impacto em Sistemas de Concentração Solar Neste trabalho, são estudadas a modelação e a medição da irradiância direta normal e circunsolar direta normal (DNI e CSNI, respetivamente), assim como o seu impacto na geração de energia em sistemas de concentração solar (CSP). São usadas duas abordagens para modelar a DNI: (i) desenvolvimento de um modelo simples e rápido para estimar a irradiância difusa horizontal e consequentemente a DNI; (ii) avaliar a performance de três modelos de última geração com diferentes graus de complexidade. Relativamente à primeira abordagem, verificou-se que o modelo desenvolvido e que considera a zona climática é capaz de superar os modelos disponíveis na literatura. Relativamente à segunda abordagem, verificou-se que os modelos de transferência radiativa libRadtran e de parametrização SMARTS são os que apresentam as melhores estimativas de DNI. Desta forma, o libRadtran é usado para gerar uma base de dados de valores de DNI e CSNI. De seguida, é desenvolvido um novo modelo para estimar a CSNI para um meio-ângulo de abertura de 2.5◦ que apenas necessita de dados de radiação solar. Verificou-se que o modelo desenvolvido supera os modelos disponíveis na literatura em quase todos os locais analisados. No entanto, o meio-ângulo de abertura de sistemas CSP comuns é inferior a 2.5◦. Por isso, foi desenvolvida uma atualização ao modelo que permite a determinação da CSNI para um meio-ângulo de abertura específico. O modelo atualizado é capaz de prever a CSNI que chega ao recetor do sistema CSP e estimar a variação do fator de interceção do sistema causada pela variação da CSNI. Verificou-se que descartar a CSNI pode levar a uma diferença de até 7% entre a DNI medida e a DNI que é intercetada pelo sistema CSP. Verificou-se ainda que para mitigar o impacto da variação da CSNI em concentradores cilindro-parabólicos é necessário ter rim angles maiores.