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Arbeitspaket 3

AP3: Strahlungstransport- und PV-Leistungsmodellierung


Ziel des Arbeitspaketes:

Ziel ist eine Verbesserung der Modellierung der natürlichen Einstrahlung des Sonnenlichts abhängig von der Wettersituation, sowie der Stromerzeugung einer PV-Anlage abhängig von ihren technischen Randwerten.

Strahlungs- und PV-Leistungsmodellierung:

Basis für alle Rechnungen ist das an der LMU entwickelte Strahlungstransportmodell libRadtran mit dem dreidimensionalen Modell MYSTIC. So kann der Weg der Solarstrahlung durch die Atmosphäre in ihrer spektralen Zusammensetzung im Detail berechnet werden ohne die sonst üblichen Vereinfachungen: Topographie wird ebenso berücksichtigt, wie geneigte Empfängerflächen und inhomogene Wolken.

Zentraler Arbeitspunkt ist hier, von groben Mittelwerten über mehrere Kilometer, wie sie aus herkömmlicher Vorhersage von Wettermodellen oder Satellitenbeobachtungen entstehen, auf die relevante kleinskalige Variabilität der Erzeugung durch Haus- und kleine Freilandanlagen in ihrer Verteilung in der Landschaft zu schließen. Erst damit wird eine genaue Charakterisierung der Stromerzeugung im Netz in bestimmten Wettersituationen möglich.

Bild 1: Daten eines Wettermodells, visualisiert als Meteosat-Beobachtung

Während wichtige Einflussfaktoren wie die Aerosolsituation oder die Absorption durch Ozon keinen starken lokalen Variationen unterworfen sind, sind Wolken in manchen Wettersituationen extrem kleinskalig, z.B. Schönwettercumulus-Felder, aber auch Gewittersituationen in der Region. Niemals wird die exakte Position der Wolken zu einem gegebenen Zeitpunkt vorhersagbar sein. Ihre statistische Verteilung aber und die von ihnen beeinflusste Verteilung der direkten und diffusen Globalstrahlung und ihre spektrale Zusammensetzung kann vorhergesagt werden. Wird diese natürliche Einstrahlung auf ein konkretes Raster von PV-Erzeugern im Raum Kempten angewendet, kann dann mit Hilfe detaillierter Anlagen-individueller spektraler PV-Leistungsmodelle die Stromerzeugung prognostiziert werden. Bei der Leistungsmodellierung wird der Strahlengang im Modul explizit simuliert und die PV-Leistung spektralabhängig berechnet. Das im Rahmen der Vorarbeiten an der HBRS bereits entwickelte PV-Leistungsmodell wird weiter verfeinert, indem u.a. die Modultemperatur analytisch bestimmt oder ein geeignetes Wechselrichtermodell angekoppelt wird. Alle Vorhersagedaten werden schließlich mit einer Reihe von unabhängigen Messdaten validiert. Hierzu sind zwei Messkampagnen im Allgäu im Herbst 2018 und im Sommer 2019 geplant (AP4).

In Bild 1 sind Daten eines Wettermodells gezeigt, visualisiert als Meteosat-Beobachtung.  Zu sehen sind Wettermodellläufe mit 12 km Auflösung (Ausschnitt Deutschland, Alpenraum, Polen), mit 3 km Auflösung (Ausschnitt Südost-Deutschland), 500 m (Ausschnitt München) sowie das passende Wolkenfoto über München. Offensichtlich wird so die Variabilität, die unterhalb typischer Wettermodellauflösung (3-12 km) oder Satellitendaten (5 km) unsichtbar bliebe.

Inverse Modellierung:

Bild 2: PV-Leistungsmodell

Neben dieser Vorwärtsmodellierung „von der Sonne bis zum Strom“ soll ein inverses Modell entwickelt werden, das aus der gemessenen PV-Leistung einer Anlage Strahlung und die Einflussparameter wie aktueller Sonnenstand und Anlagenausrichtung, optische Dicke von Wolken und Aerosol, Bedeckungsgrad, Wasserdampfgehalt der Atmosphäre, sowie die Bodenalbedo ableitet.

Dazu muss die Abhängigkeit der Stromerzeugung von diesen Größen mit dem Strahlungstransportmodell systematisch studiert werden, um sie später in einem mathematischen Inversionsverfahren zu nutzen. Sogenannte Jacobi-Matrizen (also die Ableitungen der direkten und diffusen Strahlung nach den relevanten atmosphärischen Parametern) müssen dabei mit Hilfe der verfügbaren (und teilweise weiterzuentwickelnden) Strahlungsmodelle gewonnen werden. Auch die Ergebnisse dieser Methode soll im Rahmen einer Messkampagne getestet werden (AP4).

Erste Vorarbeiten mit einem einfachen PV-Modell fanden bereits im Rahmen einer Dissertation an der Uni Heidelberg statt. Die diffuse und direkte Strahlung konnte dabei mit dem entwickelten Verfahren an wolkenfreien Tagen an einzelnen Standorten im Allgäu aus Leistungsdaten abgeleitet werden.

 


Verbundpartner:

LMU-MIM, H-BRS, IUP-HD, TROPOS, DLR


AP-Lead:

Bernhard Mayer (LMU-MIM)


Beteiligte Wissenschaftler:

Felix Gödde (LMU-MIM)
Bernhard Mayer (LMU-MIM)
Tobias Zinner (LMU-MIM)

Anna Herman-Czezuch (H-BRS)
Stefanie Meilinger (H-BRS)
Rone Yousif (H-BRS)

James Barry (IUP-HD)
Tina Buchmann (IUP-HD)
Udo Frieß (IUP-HD)
Klaus Pfeilsticker (IUP-HD)
Jan-Lukas Tirpitz (IUP-HD)

Hartwig Deneke (TROPOS)
Andreas Macke (TROPOS)
Jonas Witthuhn (TROPOS)

Marion Schrödter-Homscheidt (DLR)
Jethro Betcke (DLR)