Measuring and estimating solar direct normal Irradiance using LIDAR, solar station and satellite data in qatar

Abstract

La medición precisa de la Irradiancia Directa Normal (DNI) es esencial para el diseño e implementación de proyectos CSP (energía solar concentrada). Qatar cuenta con abundante radiación solar; por lo tanto, el aprovechamiento de la misma es de gran interés en esta región, en particular para sistemas de concentración solar. Antes de embarcarse en dichos proyectos, se debe contar con datos de irradiancia directa normal confiables y de buena calidad. Actualmente, los mapas existentes de radiación solar en Qatar basados en mediciones a nivel de la superficie terrestre son rudimentarios. Los mapas solares basados en datos de satélite proveen una mayor cobertura espacial, pero con resoluciones espacial y temporal relativamente pobres, además de que los datos satelitales de radiaion solar aun no han sido calibrados con mediciones directas en Qatar, por lo que no proveen valores muy precisos de DNI. Por esto, datos confiables basados en mediciones directas con altas resoluciones son necesarios en regiones como Qatar, con medio ambiente desértico arenoso y con altas concentraciones de aerosoles. Dependiendo de su composición, un aerosol puede dispersar o absorber DNI. Entre más aerosoles hay presentes en el aire, mayor es la dispersión y/o absorción del componente directo de la radiación solar, lo que reduce la eficiencia de los sistemas de energía solar concentrada. Así, la calidad de la atmósfera tiene gran impacto sobre la viabilidad de las plantas CSP. El trabajo presentado en esta tesis se enfoca en el estudio del impacto de la calidad de la atmósfera en Doha, Qatar, específicamente los aerosoles, sobre la atenuación del haz solar directo. Esto se realiza por medio de una función de correlación entre la calidad atmosferica y mediciones de DNI. El resultado de esta correlación puede ser usado para calibrar mapas solares. Se utilizó un LIDAR para estimar la calidad de la atmósfera por medio de la medición de luz reflejada por los componentes de la atmósfera. Junto al LIDAR, una estación de monitoreo de la radiación solar se usó para medir directamente DNI. Con base en los resultados de este trabajo, los mapas solares de Qatar basados en satélite pueden ser corregidos, lo que permitirá la elaboración de una base de datos completa del recurso solar en Qatar.

Accurate measurements of Direct Normal Irradiance (DNI) are essential to Concentrated Solar Power (CSP) project design and implementation. Qatar has an abundant supply of solar radiation; therefore, harnessing solar energy is of particular interest in this region specifically for concentrated solar power systems. Before such projects are undertaken, good quality and reliable Direct Normal Irradiance of solar radiation data must be available. Existing solar energy maps of Qatar based on ground station measurements are primitive. Solar energy maps based on satellite data have a wider spatial coverage but relatively poor temporal and spatial resolutions, and satellite-derived solar data have not been calibrated with ground measurements in Qatar, and thus cannot provide accurate DNI. Therefore, reliable data based on high resolution ground measurements are required specifically for a country like Qatar, a region of harsh desert environment with dusty climate and high aerosol loads. Depending on its composition, an aerosol can scatter and/or absorb the DNI. The more aerosols in the air, the more scattering and/or absorption of the direct component of the solar radiation will take place and this will reduce the effectiveness of a concentrated solar power system. The quality of the atmosphere has thus a great impact on the viability of CSP farms. The work presented in this thesis is focused on studying the impact of the quality of the atmosphere in Doha, Qatar, specifically aerosol particles, on the solar direct beam attenuation. This is done by establishing a correlation function between the quality of the atmosphere and the measured DNI. The result of this correlation may be used to calibrate satellite solar maps. A LIDAR device is used to estimate the quality of the atmosphere by measuring the light backscattered by the constituents of the atmosphere. Beside the LIDAR, a Ground Solar Radiation Monitoring Station is used to measure directly the DNI. Based on the result of this work, satellite-derived solar maps of Qatar can be corrected and this will allow building a comprehensive solar radiation database for Qatar.