Weltweites Model für direkte und indirekte Sonneneinstrahlung

Die Semesterarbeit befasst sich mit der Thematik der weltweiten Sonneneinstrahlung. Hierzu wurde ein Modell erarbeitet und vorgestellt, mit welchem es möglich ist, verschiedene Bestrahlungsanteile an jedem Punkt der Erde auf beliebig geneigten Empfangsflächen vergleichen zu können. Hierzu werden Messdaten der NASA verwendet, welche über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren gesammelt wurden [1]. Die Softwareumsetzung, sowie die Benutzerschnittstelle wurden mit Matlab realisiert. Das Modell wurde anschließend genutzt, um Standorte für die sinnvolle Nutzung der CPV Technologie zu finden. Dabei handelt es sich um ein Photovoltaiksystem, bei dem das direkte Sonnenlicht mit Spiegeln oder Linsen auf einen PV Chip gebündelt wird.

Zur Bestimmung der Sonneneinstrahlung werden verschiedene Parameter benötigt. Neben berechenbaren geometrischen Parametern, wie Abstand Sonne-Erde und Sonnenscheindauer, werden auch schwer bestimmbare Parameter, wie Bodentemperatur sowie Bewölkungs- und Luftverschmutzungsgrad benötigt. Diese lassen sich nur sehr schlecht prognostizieren. Daher greift das Programm auf Messwerte zurück, die in einem Zeitraum von 22 Jahren gesammelt wurden. Diese Daten wurden sowohl durch Bodenstationen als auch aus Satellitenbildern gewonnen. Die auf der Erdoberfläche auftreffende Sonneneinstrahlung wird in einen direkten und einen diffusen Anteil unterteilt. Dies beruht auf der Tatsache, dass das Sonnenlicht bei Eintritt in die Atmosphäre gestreut wird, wie in Bild 2 dargestellt wird. Ein besonders großer Bewölkungsgrad führt darüber hinaus zu einer Verschiebung zum diffusen Anteil hin.

Diese Betrachtung ist besonders wichtig im Hinblick auf die sog. CPV Technologie, welch wie zuvor erwähnt, nur den direkten Bestrahlungsanteil nutzen kann. Für eine Abschätzung, welche Teile der Erde besonders geeignet sind, wurden verschiedene Standorte hinsichtlich ihrer Bestrahlungsanteile verglichen. Hierzu wurde die gesamte Bestrahlungsstärke betrachtet sowie das Verhältnis des direkten zum gesamten Bestrahlungsanteils.

Darstellung der globalen direkten Strahlung im Verhältnis zur gesamten Strahlung auf einem horizontalen Empfänger. Je größer der ermittelte Wert, desto eher eignet sich die dazugehörige Position für die CPV Technologie.

Es zeigt sich, dass mit dem Programm die durchschnittliche monatliche Bestrahlung an jedem Punkt der Erde bestimmt werden kann. Hierbei kann die Position mit einem Raster von ein Grad Schritten festgelegt werden. Darüber hinaus kann die Bestrahlung auch für einen beliebig geneigten Empfänger berechnet werden.

Es konnte ebenfalls gezeigt werden, dass sich insbesondere Spanien und Nordafrika für die CPV Technologie besonders gut eignen.