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Irradiance and cloud optical properties from solar photovoltaic systems

Barry, James und Meilinger, Stefanie und Pfeilsticker, K. und Herman-Czezuch, A. und Kimiaie, Nicola und Schirrmeister, Christopher und Yousif, Rone und Buchmann, Tina und Grabenstein, Johannes und Deneke, Hartwig und Witthuhn, Jonas und Emde, Claudia und Gödde, Felix und Mayer, Bernhard und Scheck, Leonhard und Schroedter-Homscheidt, Marion und Hofbauer, Philipp und Struck, Matthias (2023) Irradiance and cloud optical properties from solar photovoltaic systems. Atmospheric Measurement Techniques (AMT), 16, Seiten 4975-5007. Copernicus Publications. doi: 10.5194/amt-16-4975-2023. ISSN 1867-1381.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Offizielle URL: https://amt.copernicus.org/articles/16/4975/2023/amt-16-4975-2023.pdf

Kurzfassung

Solar photovoltaic power output is modulated by atmospheric aerosols and clouds and thus contains valuable information on the optical properties of the atmosphere. As a ground-based data source with high spatiotemporal resolution it has great potential to complement other ground-based solar irradiance measurements as well as those of weather models and satellites, thus leading to an improved characterisation of global horizontal irradiance. In this work several algorithms are presented that can retrieve global tilted and horizontal irradiance and atmospheric optical properties from solar photovoltaic data and/or pyranometer measurements. The method is tested on data from two measurement campaigns that took place in Allgäu, Germany in autumn 2018 and summer 2019, and the results are compared with local pyranometer measurements as well as satellite and weather model data. Using power data measured at 1 Hz and averaged to 1-minute resolution and a non-linear photovoltaic module temperature model, global horizontal irradiance is extracted with a mean bias error compared to concurrent pyranometer measurements of 5.79 W m−2 (7.35 W m−2) under clear (cloudy) skies, averaged over the two campaigns, whereas for the retrieval using coarser 15-minute power data with a linear temperature model the mean bias error is 5.88 W m−2 and 41.87 W m−2 under clear and cloudy skies, respectively. During completely overcast periods the cloud optical depth is extracted from photovoltaic power using a lookup table method based on a one-dimensional radiative transfer simulation, and the results are compared to both satellite retrievals as well as data from the COSMO weather model. Potential applications of this approach for extracting cloud optical properties are discussed, as well as certain limitations, such as the representation of 3D radiative effects that occur under broken cloud conditions. In principle this method could provide an unprecedented amount of ground-based data on both irradiance and optical properties of the atmosphere, as long as the required photovoltaic power data are available and are properly pre-screened to remove unwanted artefacts in the signal. Possible solutions to this problem are discussed in the context of future work.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/198588/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Irradiance and cloud optical properties from solar photovoltaic systems
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Barry, JamesIUP-HDNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Meilinger, StefanieHochschule Bonn-Rhein-SiegNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pfeilsticker, K.IUP, Universität HeidelbergNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Herman-Czezuch, A.Hochschule Bonn-Rhein-SiegNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kimiaie, NicolaHochschule Bonn-Rhein-SiegNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schirrmeister, ChristopherHochschule Bonn-Rhein-SiegNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Yousif, RoneHochschule Bonn-Rhein-SiegNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Buchmann, TinaIUP-HDNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Grabenstein, JohannesIUP-HDNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Deneke, HartwigTROPOS, LeipzigNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Witthuhn, JonasTROPOS, LeipzigNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Emde, ClaudiaClaudia.Emde (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gödde, FelixLMU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mayer, BernhardBernhard.Mayer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Scheck, LeonhardLMU-HErZ/DWDNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schroedter-Homscheidt, Marionmarion.schroedter-homscheidt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1854-903XNICHT SPEZIFIZIERT
Hofbauer, PhilippegridNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Struck, MatthiasegridNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:27 Oktober 2023
Erschienen in:Atmospheric Measurement Techniques (AMT)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:16
DOI:10.5194/amt-16-4975-2023
Seitenbereich:Seiten 4975-5007
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1867-1381
Status:veröffentlicht
Stichwörter:irradiance, clouds, photovoltaic system, power, measurement, observation, retrieval, inversion
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Energiesystemdesign
HGF - Programmthema:Energiesystemtransformation
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SY - Energiesystemtechnologie und -analyse
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Systemanalyse und Technologiebewertung
Standort: Oldenburg
Institute & Einrichtungen:Institut für Vernetzte Energiesysteme > Energiesystemanalyse, OL
Hinterlegt von: Schroedter-Homscheidt, Marion
Hinterlegt am:08 Nov 2023 11:10
Letzte Änderung:08 Nov 2023 11:10

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