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 Photovoltaik (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.
Links im Bild: Suntracker zur Messung der direkten und diffusen sowie globalen Solarstrahlung; rechts im Bild: Wolkenkamera mit 180° Fischaugenoptik.

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

Schauen Sie sich gerne die aktuellen Stationsmesswerte von Meteomedia sowie die Ergebnisse der Meteomedia-Prognose (in 3h Auflösung) für die kommenden 4 Tage an.

 

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)

 

 

Simulationsmodelle

 

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.

Das an der HBRS entwickelte Simulationsmodell „Spektrales Zwei-Dioden-Modell“ SPEZI zur Simulation der Photovoltaikerträge von kristallinen Solarzellen aus den spektral aufgelösten Strahlungskomponenten.
Das an der HBRS entwickelte Simulationsmodell „Spektrales Zwei-Dioden-Modell“ SPEZI ermöglicht die Simulation der PV-Erträge von kristallinen Solarzellen aus den spektral aufgelösten Strahlungskomponenten.

Die Abbildung des Simulationsmodells „Spektrales Zwei-Dioden-Modell“ (SPEZI) stellt die folgenden vier wesentlichen Parameter dar, die für die Ertragsberechnung des Moduls erforderlich sind.

  1. Bestimmung der 2-Dioden Parameter mithilfe von Modulparametern (VMPP, ISC, ki, VOC, IMPP, NOCT, nz).
  2. Berechnung der Zelltemperatur anhand von Temperaturdaten (Tmax, Tmin).
  3. Berechnung der Reflektionsverluste. Hierzu erfolgt zunächst eine Sonnenstandsberechnung anhand des Standorts (Längen- und Breitengrad).
    In Kombination mit der Modulausrichtung (Azimut- und Neigungswinkel) wird der Einfallswinkel auf das PV-Modul bestimmt. Dieser Einfallswinkel wird dann unter Einbeziehung von Strahlungsdaten (möglichst spektral aufgelöst) zur Berechnung der Reflektionsverluste genutzt.
  4. Der Mismatch Faktor wird mithilfe der Strahlungsdaten (möglichst spektral aufgelöst) sowie unter Berücksichtigung der spektralen Empfindlichkeit des Moduls ermittelt.

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.