Das Energiemeteorologische Labor

An der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg wird seit Frühjahr 2014 eine Wetterstation in Kooperation mit meteomedia betrieben. Die wetterspezifischen Daten wie beispielsweise Temperatur, Niederschlag und Globalstrahlung werden dann genutzt, um die Einflüsse des Wetters auf die Energieerzeugung durch Erneuerbare Energien zu analysieren und zu bewerten. Die Messungen werden ergänzt durch hochaufgelöste Strahlungsmessungen (direkte und diffuse Komponenten) sowie von PV-Erträgen unterschiedlicher Modultypen. Seit März 2015 werden Messungen an einem polykristallinen Silizium Modul durchgeführt. Seit Herbst 2015 kamen die Messungen an einem amorphen Siliziummodul dazu. Zusätzlich werden mit einer Wolkenkamera Bewölkungssituationen aufgenommen und analysiert, um deren konkreten Einfluss auf die einzelnen Strahlungskomponenten und damit auf Solarenergieerzeugung zu erforschen.
Hochschule Bonn-Rhein-Sieg

Diese Website gibt einen Überblick der einzelnen Messgeräte mit technischen Details, gemessenen Parametern und Verwertung der Daten. Die Daten des Energiemeteorologischen Labors werden sowohl für die Wetterprognosen durch Meteomedia als auch für Forschungsprojekte an der Hochschule verwendet. Aktuelle Forschungsaktivitäten des Energiemeterologischen Labors finden insbesondere im Rahmen des kooperativen Forschungsprojektes "Ertragsprognosen von Photovoltaikmodulen" und eines Promotionsprojektes, zu Auswirkungen von landnutzungsbedingten Aerosolveränderungen auf die solare Energieerzeugung, statt. Darüber hinaus werden Daten und Modelle im Rahmen von Master- und Bachelorarbeiten genutzt.

 

Messgeräte des Energiemeterologischen Labors

Wetterstation

Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg betreibt am Standort Sankt-Augustin eine WMO-konforme Wetterstation. Diese wird in Kooperation mit der Firma Meteomedia betrieben, die im Gegenzug standortoptimierte Wetterprognosen zur Verfügung stellt.
Die Sensoren der Station ermitteln 10minütige Mittelwerte für folgende Variablen:

  • Windrichtung
  • Windgeschwindigkeit
  • Lufttemperatur
  • Relative Luftfeuchtigkeit (berechnet)
  • Taupunkt (berechnet)
  • Erdoberflächentemperatur
  • Niederschlagsmenge
  • Niederschlagsstatus (ja/nein)
  • Globalstrahlung
  • Sonnenscheindauer

Die aktuellen Stationsmesswerte können Sie hier einsehen. Die Ergebnisse der Meteomedia-Prognose (in 3h Auflösung) für die kommenden 4 Tage finden Sie  hier.

 

Sun Tracker - Strahlungsmessungen

Mithilfe eines Sun-Trackers werden Global-, Diffus- sowie Direktnormalstrahlung gemessen.

Technische Details:
SOLYS 2 (Firma Kipp & Zonen)

  • Zwei Pyranometer, einer mit und einer ohne Beschattung, sowie ein Pyrheliometer (Kipp & Zonen)

  • Digitaler Combilog (Firma Theodor Friedrichs & Co.) mit einer zeitlichen Auflösung des Scans von 0.5s bis zu 1h (Zeiterfassung 1s to 12h)

  • eine Ethernet Verbindung ermöglicht die Kontrolle und den Daten Download vom Labor PC

Video der Cloud Camera Bilder vom 24. August 2015, zwischen 10:21 und 11:50 Uhr.

All Sky Camera / Cloud Camera - Bewölkung

Mithilfe einer Fischaugenkamera wird die Bewölkung über der Messstation als digitales Foto erfasst und der Bedeckungsgrad analysiert. Die Kamera beobachtet den Himmel und macht jede Minute  mit einem Fish Eye Objektiv  Bilder im 360 Grad Radius. Die Kamera macht gleichzeitig 2 Bilder, einmal normal belichtet und einmal unterbelichtet, die von der Software Find Cloud analysiert werden können. Datenaustausch zwischen Messstation und Labor ist via Ethernet realisiert. Die Bilder werden fortlaufend an den Kontroll PC gesendet.

Technische Details:
Cloud Cam ( Firma EKO)

Videomitschnitt der IP Kamera vom 24. August 2015, zwischen 10:21 und 11:46 Uhr.

IP-Camera - Überwachung der Messsation

Mit Hilfe einer IP Kamera werden die Instrumente der energiemeteorologischen Messstation auf dem Dach der HBRS am Campus Sankt Augustin überwacht. Die Kamera zeichnet ein Video auf und macht jede Minute ein Bild von den Instrumenten und Teilen des Himmels.

Photovoltaik Teststand

Photovoltaik Anlage I (polykristallines Silizium)

  • Modultyp: SolarWorld SW 235-poly

  • Ertragsmessung mit 1 minütiger zeitlicher Auflösung

Photovoltaik Anlage II (amorphes Silizium)

  • Modultyp: Dünnschicht Solarmodul 45 Wp21V, Contrad Electronic SE

  • Ertragsmessung mit 1 minütige zeitliche Auflösung

Spektrometer

Das Spektometer ergänzt die Strahlungsmessungen

  • Das Spektrometer misst das Spektrum der Globalstrahlung

  • In einem Wellenlängenbereich von 350 – 1700 nm

  • Messintervall: (<=1 Messung/Minute)

  • Auflösung: (FWHM: VIS ~1nm; NIR ~5nm; Schrittweite ~2nm)

  • Eingangsoptik ist eine Ulbrichtkugel

  • Hersteller ist die Firma CMS Schreder aus Östereich

  • Datenverbindung zum Labor-PC über eine Ethernet Verbindung (Kontrolle und Datenmanagment)

 

Softwarelizenzen des Energiemeteorologischen Labors

FindClouds (Firma EKO)

Die Software analysiert die Wolkenbilder, um die Himmelsbewölkung zu katalogisieren. Dazu verwendet die Software zwei Algorithmen, Blau/Rot, Blau/Grün Ratio (BRBG) sowie eine Klassifikation bezüglich der Wolkendetektion und Lichtdurchlässigkeit (CDOC). Diese basieren auf der Clear Sky Datenbank.

Integrated Simulation Environment Language (INSEL) (Firma Doppelintegal GmbH)

Mithilfe dieser Software können Wettereinflüsse auf unterschiedliche Arten der Regenerativen Energieerzeugung simuliert und analysiert werden.

  • Computer Simulation für Erneuerbare Energien Systeme auf der Basis einer graphischen Programmiersprache.

  • Genutzt werden meteorologische Parameter, die in die graphische Oberfläche der Software eingespeist werden. Hierfür können auch gemessene Daten genutzt werden.

  • Die Simulationsergebnisse können in verschiedenen Graphen betrachtet und mit unserer, in Echtzeit gemessenen,  PV Produktion verglichen werden.

 

PV*SOL (Firma Valentin-Software)

Dynamisches Simulationsprogramm zur Auslegung und Optimierung von Photovoltaik-Anlagen mit Speicherung in Batteriesystemen.

Weitere Features:

  • Optimierung von Polystringverschaltungen
  • Systembetrachtung PV-Anlage und Elektroauto
  • Analgenauslegung mit Hoch- und Niedertarifen
  • Auslegung von Off-Grid Systemen mit AC-kopplung

Bilder: PV*SOL

 

 

Simulationsmodelle

Worldwide Yield Simulation Model (WoYSi)

Das an der H-BRS entwickelten Ertragsmodell WoYSi basiert auf NASA Satellitendaten für Solarstrahlung und Temperatur (Monatsmittelwert) und einer Kopplung des atmosphärischen Strahlungscodes SMARTS (Gueymard, 1995) und des an der H-BRS entwickelten Spektralen Zwei-Diodenmodells (SpeZi) für c-Si PV-Module . Der spektrale Kopplungsansatz von WoYSi basierte auf der Tatsache, dass der vom PV-Modul erzeugte Photostrom eine spektral abhängige physikalische Größe ist, die explizit in der Gleichung des Zwei-Dioden-Modells berücksichtigt wird (Wagner, 2010). Das Ertragsmodell berücksichtigt Zelltemperatur, Standort, Sonnenstand und Modulausrichtung und resultierende Reflexionsverluste. Meteorologische Parameter wie optische Dicke, Aerosoltypen, Wolkenbedeckungsgrad, und das Vertikalprofil der Atmosphäre werden berücksichtigt, um hieraus Strahlungskomponenten und Spektren abzuleiten. Dabei kann je nach Standort zwischen vier verschiedenen vorherrschenden Aerosoltypen (ländlich, städtisch, maritim, Wüste) und sechs vertikalen Profilen (US Standard Atmosphäre, tropisch, arktischer Sommer und Winter und Sommer und Winter für mittlere Breiten) unterschieden werden. Der Tagesgang der Strahlung wird berücksichtigt. Die optische Dicke der Atmosphäre wird aus den Satellitendaten abgeleitet. Temperaturtagesgänge werden nach Reikosky et. al. (1989) approximiert. Die so ermittelten spektral aufgelösten monatlichen Strahlungsnormtage dienen als Input für die Ertragsmodellierung. Wir präsentieren erste Modellergebnisse und Vergleiche mit konventionellen PV-Ertragsprognosen, die bei der Anlagenplanung zum Einsatz kommen.

 

libRadtran

Zur Simulierung von Strahlungstransportprozessen (radiative transfer) kommt libRadtran (Mayer and Killing 2005, Emde et al. 2016) zum Einsatz. Bei diesem frei zugänglichen Softwarepaket handelt es sich um eine Bibliothek mit verschiedenen Verfahren zur Lösung von Strahlungstransportgleichungen.

Das implementierte Modell uvspec ist in der Lage die auf die Erde auftreffende Strahlung (Output) aus einer vorgegebenen Beschreibung der Atmosphäre (Input) zu berechnen. Von besonderem Interesse sind die Auswirkungen von Spurengasen, Aerosolen und Wolken auf die Strahlung.

 

FreeGreenius

FreeGreenius ist eine freie Software die am Institut für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurde.

FreeGreenius wurde zunächst entwickelt um Ertragsrechnungen von konzentrierenden Solaranlagen durchzuführen. Mittlerweile können auch Erträge anderer erneuerbarer Energiesysteme mit FreeGreenius berechnet werden. Dabei werden stündliche meteorologische Eingabeparameter (Windgeschwindigkeit und -richtung, Temperatur, Feuchte und Druck) benötigt um sowohl den Ertrag als auch die Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Anlagen abzuschätzen.

Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
Das an der HBRS entwickelte Simulationsmodell „Spektrales Zwei-Dioden-Modell“ SPEZI ermöglicht die Simulation der spektral aufgelösten PV-Erträge für kristalline Zellen aus den spektralen Strahlungskomponenten.

Die Photovoltaikanlage wird in der Umgebung MATLAB/Simulink® modelliert. In dem entwickelten spektralen Zwei-Dioden Modell (SpeZi) wird die Funktionsweise der PV-Zelle elektrisch als zwei Dioden mit zwei Widerständen (parallel und in Reihe) angenommen. Einzelne PV-Zellen können dann in Serie zu einem PV-Modul vereint werden. Weiterhin können mehrere Module zu einem Kraftwerk zusammengeschlossen und an einen Wechselrichter angeschlossen werden.

Mit Hilfe von Herstellerdatenblattangaben erfolgt die zum Teil analytische und zum Teil iterative Bestimmung von Modellparametern (Ishaque et al., 2011). Diese nutzt das Modell weiter um die Anlagenkennlinie sowie die maximal erreichbare elektrische Leistung (Maximal Power Point) in Abhängigkeit von wechselnden atmosphärischen Bedingungen zu berechnen. Die auf die Erde einfallenden Strahlungskomponenten (diffus, direkt) werden im Modell zu den auf die Ebene des PV-Moduls umgerechnet (Perez et al. 1990). Zusätzlich wird der vom Modul reflektierte Strahlungsanteil bestimmt und von der direkten Strahlungskomponente abgezogen (DeSoto et al. 2006).

Liegt eine spektrale Empfindlichkeit (Spectral Response) des PV-Moduls und die spektral aufgelöste Einstrahlung vor, kann der Einfluss der spektralen Zusammensetzung der Strahlung auf den elektrischen PV-Ertrag in Form eines sogenannten spektralen Missmatch Factors (sMMF) berechnet werden.