Summary ......................................................... i
Kurzfassung ................................................... iii
Inhaltsverzeichnis .............................................. v
Abbildungsverzeichnis ......................................... vii
Tabellenverzeichnis ............................................ ix
Abkürzungsverzeichnis ........................................... x
1. Einleitung ................................................... 1
1.1. Motivation .............................................. 1
1.2. Stand der Forschung ..................................... 6
1.3. Zielsetzung und Aufbau ................................. 10
2. Theoretische Grundlagen ..................................... 11
2.1. Solarstrahlung ......................................... 11
2.1.1. Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre ........... 11
2.1.2. Wechselwirkungen zwischen Strahlung und
Materie in der Atmosphäre ....................... 14
2.1.3. Der Einfluss von Wolken ......................... 18
2.2. Aerosole ............................................... 19
2.2.1. Entstehung und Zusammensetzung .................. 20
2.2.2. Optisch relevante Eigenschaften ................. 23
2.3. Energieerzeugung aus Solarstrahlung .................... 25
3. Daten ....................................................... 29
3.1. Das EURAD-Prognosesystem ............................... 30
3.2. Validierungsdaten ...................................... 35
3.2.1. Das AERONET-Messnetzwerk ........................ 35
3.2.2. Bodengestützte Messungen der solaren
Einstrahlung .................................... 40
3.2.3. Strahlungsberechnung aus Satellitendaten ........ 42
3.2.4. Solarstrahlungsprognose des ECMWF ............... 43
3.2.5. Solarstrahlungsprognose des EURAD-Systems ....... 46
4. Evaluation der Aerosolvorhersagen
4.1. Konzept der Analyse .................................... 48
4.2. Einfiuss räumlicher Besonderheiten ..................... 49
4.3. Zeitlich bedingte Abhängigkeiten ....................... 52
4.4. Meteorologische Einflussgrüßen ......................... 54
5. Das AFSOL - System .......................................... 58
5.1. Konzept ................................................ 58
5.2. Die Strahlungstransferroutine libRadtran ............... 6l
5.3. Sensitivitätsanalyse ................................... 64
5.4. Verwendete Eingangsdatensätze .......................... 69
5.4.1. Atmosphärischer Wasserdampfgehalt ............... 69
5.4.2. Ozongchalt der Atmosphäre ....................... 70
5.4.3. Bodenalbedo ..................................... 71
5.4.4. Wolkeninformationen ............................. 74
6. Evaluation der Strahlungsvorhersagen ........................ 76
6.1. Konzept ................................................ 76
6.2. Evaluierung der Strahlungsvorhersage für wolkenlose
Zeitpunkte ............................................. 79
6.2.1. Direktstrahlungsprognosen ....................... 79
6.2.2. Globalstrahlungsprognosen ....................... 82
6.3. Strahlungsvorhersagen für alle Wolkensituationen ....... 86
6.3.1. Prognosegenauigkeit ............................. 86
6.3.2. Analyse der Wolkenbedeckungsvorhersagen ......... 92
6.4. Spektral aufgeläste Strahlungsvorhersagen .............. 93
7. Fehlerbetrachtung und Anwendungsbeispiel .................... 95
7.1. Fehlerbetrachtung ...................................... 95
7.2. Aliwendungsbeispiel: Verwendung des AFSOL-Systems
zur Optimierung der Steuerung von solarthennischen
Kraftwerken in Spanien ................................ 103
8. Zusammenfassung und Diskussion ............................. 108
8.1. Zusammenfassung und Einordnung der Ergebnisse ......... 108
8.2. Ausblick .............................................. 114
Literaturverzeichnis .......................................... 116
Anhang ........................................................ 126
Eidesstattliche Erklärung ..................................... 137
Danksagung .................................................... 139
Lebenslauf .................................................... 141
Abbildungsverzeichnis
1.1. Entwicklung des Anteils des mit erneuerbaren
Energien erzeugten Stroms am Gesamtstromverbrauch .......... 1
1.2. Tagesgang des börsengehandelten Strompreises
in Spanien und der Direktnormal-strahlung in
Guadix (Südspanien) für den 22.08.2002 ..................... 4
2.1. Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre ..................... 12
2.2. Aufteilung der Globalstrahlung in Direkt -
und Diffusstrahlung ....................................... 13
2.3. Zusammenhang zwischen Sonnenzenitwinkel und
Direktnormalstrahlung ..................................... 13
2.4. Das normierte solare und terrestrische
Emissionsspektrum mit den Absorptionslinien
der wichtigsten absorbierenden Moleküle ................... 14
2.5. Bevorzugte Streurichtungen bei der Rayleigh-Streuung
und der Mie-Streuung ...................................... 17
2.6. Spektral aufgelöste Darstellung der
extraterrestrischen Einstrahlung und
der Global- und Direktnormalstrahlung
am Erdboden bei AM=1,5 .................................... 17
2.7. Aerosole unter dem Rasterelektronenmikroskop .............. 20
2.8. Anzahl - und Volumenspektrum von urbanem Aerosol .......... 22
2.9. Histogramme des Ångström-Koeffizienten
a für die AERONET-Stationen Lampe-dusa und Ispra .......... 25
2.10.10-Megawatt-PV-Anlage bei Pocking (Niederbayern);
privat genutztes Solar-thermie- und PV-System ............. 26
2.11.Spektrale Empfindlichkeit von gängigen
Solarzellentypen; Parabolrinnenkraftwerk
der Plataforma Solar de Almeria, Südspanien ............... 27
3.1. Schema des EURAD-Prognosesystems .......................... 31
3.2. Karte der AOT-Prognose für den 1.07.2003 .................. 34
3.3. Lage aller AERONET-Bodenmessstationen weltweit ............ 36
3.4. Sonnenphotometer des AERONET-Messnetzwerkes;
Verlauf der AOT550 in Avi-gnon, August 2003 ............... 37
3.5. NOAA-16-Aufnahmen eines Sandstaubausbruches
am 12. und 14.08.2003 ..................................... 38
3.6. Lage der verwendeten AERONET-Bodenmessstationen ........... 39
3.7. Lage der verwendeten Strahlungsmessstationen .............. 41
3.8. Schema der zeitliehen Interpolation der
ECMWF-Vorhersagen ......................................... 45
4.1. Streudiagramm der AOTsso-Werte; Histogramm der
absoluten Differenzen der AOT550 .......................... 49
4.2. Mittlere absolute Differenzen der AOT550
nach Stationen ............................................ 50
4.3. Sahara-Wüstenstaub über dem Mittehneer;
Tagesmittel der absoluten Differenzen derAOT550 ........... 51
4.4. Histogramm der absoluten Differenzen der AOT550
nach Monaten .............................................. 53
4.5. Histogramm der absoluten Differenzen der AOT550
nach Vorhersagetagen ...................................... 55
5.1. Schematisierter Aufbau des AFSOL-Systems mit
Eingangsparametern ........................................ 59
5.2. Einfiuss typischer Retrievalfehler verschiedener
atmosphärischer Parameter auf die
Direktstrahlung ........................................... 66
5.3. Einfiuss typischer Retrievalfehler verschiedener
atmosphärischer Parameter auf die
Globalstrahlung ........................................... 67
5.4. Einfiuss unterschiedlicher Aerosoltypen auf die
spektrale Einstrahlung .................................... 68
5.5. Schematische Darstellung der direktionalen
hemisphärischen und bihe-misphärischen
Reflexion ................................................. 73
6.1. Globalstrahlungs-Tagessumme für den 1.07.2003:
AFSOL-Vorhersage und Meteosat-7-Messungen ............... 77
6.2. Tagesverläufe der Global- und
Direktnormalstrahlung: Beispiel Portoroz,
20. und 23.07.2003 ........................................ 78
6.3. Relativer Bias und RMSE der Direktstrahlung
im wolkenlosen Fall, für verschiedene
europäische Regionen ...................................... 81
6.4. Vorhersagegenauigkeit der Direktstrahlung
im Tagesverlauf ........................................... 82
6.5. Histogramm der absoluten Differenzen der
Globalstrahlung im "Triple Clearsky" - Fall ............... 83
6.6. Karte der Validierungsstationen mit relativem
RMSE der AFSOL-Globalstrahlungsvorhersagen,
wolkenlose Situationen .................................... 84
6.7. Relativer Bias und RMSE der Globalstrahlung
im wolkenlosen Fall, für verschiedene
europäische Regionen ...................................... 85
6.8. Vorhersagegenauigkeit der Globalstrahlung
im Tagesverlauf ........................................... 86
6.9. Vorhersagegenauigkeit der Direktstrahlung bei
verschiedenen Wolkensituationen ........................... 87
6.10.Vorhersagegenauigkeit der Globalstrahlung bei
verschiedenen Wolkensituationen ........................... 88
6.11.Vorhersagegenauigkeit der Globalstrahlung nach
Prognoselänge, alle Wolkensituationen ..................... 89
6.12.Vorhersagegenauigkeit der Globalstrahlung nach
Monaten, alle Wolkensituationen ........................... 90
6.13.Mittlere Vorhersagegenauigkeit der Globalstrahlung
nach Monaten, alle Wolkensituationen ...................... 91
6.14.Vorhergesagte Wolkenbedeckungsgrade des ECMWF und
des EURAD-Modells ......................................... 93
7.1. Variogramm aus AERONET-Bodenmessungen für
Europa (Jahr 2003) ........................................ 96
7.2. Variogramm aus AERONET-Bodenmessungen für
Europa, die USA und den Nahen Osten mit
Saudi-Arabien (Jahre 2003-2005) ........................... 97
7.3. Variabilität der Bodennicssungen der
Globalstrahlung .......................................... 100
7.4. Bodenmessungen der Direktnormalstrahlung für
einen klaren und einen Staubsturmtag ..................... 104
7.5. Direktnormalstrahlung am Andasol-I-Standort
für den 27./28.07.2003 ................................... 105
7.6. Direktnormalstrahlung am Andasol-I-Standort
für den 19.-21.07.2003 ................................... 106
A.l. Beispiel für eine libRadtran-Eingangsdatei ............... 128
A.2. Karte der europäischen Großl;regionen,
wie sie zur Evaluierung der Strahlungsvor-hersagen
verwendet werden ......................................... 128
A.3. Vorhersagegenauigkeit der Direktstrahlung nach
Prognoselänge, alle Wolkensitua tionen ................... 129
Tabellenverzeichnis
1.1. Globale Aerosolklimatologien (Auswahl) ..................... 6
3.1. Zusammenfassung der Charakteristika der
EURAD-basierenden AOT-Vorhersagen ......................... 35
3.2. ELDONET-Validierungsstationen für spektrale
Teilbereiche .............................................. 42
4.1. Prognosegüte der AOT550 nach Monaten ...................... 53
4.2. Prognosegüte der AOT550 nach Tageszeit .................... 54
4.3. Prognosegüte der AOT550 nach Vorhersagedauer .............. 55
5.1. Standardannahmen für die Sensitivitätsanalysen
mit libRadtran ............................................ 65
5.2. Übersicht der Genauigkeitsanforderungen
an Eingangsdaten für die Strahlungsberechnung ............. 65
5.3. Häufige Aerosolmischlingen mit zugehцrigen
Ångström-Koeffizient ...................................... 68
5.4. Gängige Standardatmosphärenprofile mit Druck- und
Höhenangaben .............................................. 70
6.1. "Triple Clearsky": Vorhersagegenauigkeit der
Direktstrahlung ........................................... 80
6.2. "Triple Clearsky": Vorhersagegenauigkeit der
Globalstrahlung ........................................... 83
6.3. Kombinationsverfahren: Relative
Vorhersagegenauigkeit der Globalstrahlung ................. 91
6.4. Relative Prognosegüte der Globalstrahlung
(400-700 um) für "Triple-Clearsky"-Fälle .................. 94
7.1. Erzielte Einspeisevergütung für den
27./28.07.2003, verschiedene Vorhersagemodelle ........... 106
A.l. Übersieht und statistische Angaben zu den AERDNET-
Validierungsstationen .................................... 130
A.2. Übersicht und statistische Angaben der
Strahlungs-Bodenmessstationen ............................ 133
A.3. Prognosegüte der AOT550 nach Stationen ................... 134
A.4. Intervalle der Strahlungsberechnung mit libRadtran
bei Verwendung des correlated-k-Ansatzes ................. 135
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