Meteorologische Vorhersage zur Tauprognose im Heliostatenfeld

Kurzfassung

Am Standort des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Jülich wird als Versuchskraftwerk der Solarturm Jülich betrieben. Das solarthermische Kraftwerk bedeckt eine Grundfläche von circa zehn Hektar, auf der 2153 bewegliche Spiegel, die sogenannten Heliostaten, stehen. Die Heliostaten fokussieren das Sonnenlicht auf dem Turm, um schlussendlich die Wärme an den Wasser-Dampfkreislauf abzugeben (1). In diesem Forschungsrahmen werden ungefähr einmal im Monat Deflektometrie-Messungen durchgeführt, um die Spiegelgüte zu überprüfen. Die Messmethode basiert auf der Reflexion eines bestimmten Musters durch den Spiegel. Um äußere Einflüsse zu minimieren, werden diese Messungen in der Dunkelheit durchgeführt. Dazu müssen Mitarbeiter bei Nachtanbruch oder am früheren Morgen zur Arbeit kommen. Außerdem erfordern die Deflektometrie-Messungen die Abwesenheit von irgendeiner Form von Wasser auf den Spiegeln. Um die Tage zu bestimmen, an denen die Deflektometrie-Messungen durchgeführt werden können, muss das Vorhandensein von Tau auf den Spiegeln prognostiziert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde hierfür das von Beysens (2) entwickelte Tauvorhersagemodell eingesetzt. Die Eignung des Modells von Beysens für die Tauprognose auf dem Heliostat-Spiegel wurde auf zwei Arten geprüft. Im ersten Schritt wurden Taumengen durch das Modell mittels Messwerten aus dem Heliostatenfeld berechnet. Zu diesem Zweck wurde im Voraus ein Messstand an der Stelle des Heliostats AL34 aufgebaut. Im zweiten Schritt wurde die Verwendung von Vorhersagen aus dem Deutschen Wetterdienst zur Berechnung von Taumengen durch das Modell getestet. Über mehrere Nächte erwies sich die Tauprognose durch die Berechnung mittels der Vorhersagen als korrekter als mithilfe der Messwerte. Dies erklärt sich, basierend auf den anhand der Messwerte erzielten Ergebnissen, zum einen dadurch, dass das Modell Unzulänglichkeiten zur Tauprognose im Heliostatenfeld aufweist. Bei zu hohen Bedeckungsgradwerten hat das Modell von Beysens das Nichtvorhandensein von Tau ermittelt, während Tau zu diesen Zeitpunkten im Feld festgestellt wurde. Außerdem hat das Modell bei einem zu niedrigen Luftfeuchtebereich positive Taumengen berechnet. Zum anderen hat die Abweichung zwischen den Vorhersagen und den Messwerten des Bedeckungsgrades ermöglicht, die falsche Prognose für zwei Nächte auszugleichen. Diese korrekten Prognosen mittels der Vorhersagen scheinen aber einen Zufall darzustellen, da die Vorhersagen des Bedeckungsgrades keine anhaltende Tendenz im Vergleich zu den Messwerten gezeigt haben. Schließlich hat das Modell anhand von Messwerten im Heliostatenfeld nur zwei von 14 Fällen aufgewiesen, in denen ein Mitarbeiter zur Arbeit gekommen wäre und dabei das Vorhandensein von Tau verhindert hätte, die Deflektometrie-Messungen vorzunehmen. Von den fünf Nächten ohne Tau hat das Modell für drei Nächte die komplette Abwesenheit von Tau über die gesamte Nacht ermittelt. Dies bedeutet, dass 3 Nächte von fünf hätten für die Deflektometrie-Messungen genutzt werden können. Bezüglich der anderen falschen Prognosen hätten die Zweifel an dem Vorhandensein von Tau zur Planung der Deflektometrie-Messungen nicht geführt. Außerdem wurde die Verlässlichkeit des Modells durch eine Fehlerfortpflanzung berücksichtigt. In seinem Unsicherheitsbereich erweist sich das Modell als korrekt für fast jede stündliche Prognose. Das Verwendungspotenzial des Modells von Beysens wurde für den Anwendungsfall des Heliostat-Spiegels geprüft und seine Beschränkungen definiert und erläutert.