Barry, James and Meilinger, Stefanie and Pfeilsticker, K. and Herman-Czezuch, A. and Kimiaie, Nicola and Schirrmeister, Christopher and Yousif, Rone and Buchmann, Tina and Grabenstein, Johannes and Deneke, Hartwig and Witthuhn, Jonas and Emde, Claudia and Gödde, Felix and Mayer, Bernhard and Scheck, Leonhard and Schroedter-Homscheidt, Marion and Hofbauer, Philipp and Struck, Matthias (2023) Irradiance and cloud optical properties from solar photovoltaic systems. Atmospheric Measurement Techniques (AMT), 16, pp. 4975-5007. Copernicus Publications. doi: 10.5194/amt-16-4975-2023. ISSN 1867-1381.
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Official URL: https://amt.copernicus.org/articles/16/4975/2023/amt-16-4975-2023.pdf
Abstract
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.
Item URL in elib: | https://elib.dlr.de/198588/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Document Type: | Article | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Title: | Irradiance and cloud optical properties from solar photovoltaic systems | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Authors: |
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Date: | 27 October 2023 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Journal or Publication Title: | Atmospheric Measurement Techniques (AMT) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Refereed publication: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gold Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In SCOPUS: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In ISI Web of Science: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volume: | 16 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DOI: | 10.5194/amt-16-4975-2023 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Page Range: | pp. 4975-5007 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Publisher: | Copernicus Publications | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ISSN: | 1867-1381 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Status: | Published | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Keywords: | irradiance, clouds, photovoltaic system, power, measurement, observation, retrieval, inversion | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Research field: | Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Program: | Energy System Design | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Program Themes: | Energy System Transformation | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Research area: | Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Program: | E SY - Energy System Technology and Analysis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Research theme (Project): | E - Systems Analysis and Technology Assessment | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Location: | Oldenburg | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Institutes and Institutions: | Institute of Networked Energy Systems > Energy Systems Analysis, OL | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Deposited By: | Schroedter-Homscheidt, Marion | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Deposited On: | 08 Nov 2023 11:10 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Last Modified: | 08 Nov 2023 11:10 |
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