Assessment of the solar energy potential in Greece using ground-based measurements, satellite observations and numerical simulations of radiative transfer models

Abstract

This PhD thesis deals with the estimation of the solar energy potential in Greece using satellite- and ground-based observations in conjunction with radiative transfer model (RTM) simulations. Firstly, using pyranometers of the Hellenic Network for Solar Energy and the National Observatory of Athens a verification of the 1- and 2-day ahead forecasts provided by the mesoscale model MM5 was performed. The total energy potential for each ground station is found to range from 1.5 to 1.9 MWh/m2 with cloudiness causing increments in the forecast error of the order of 10%. Subsequently, the impact of aerosols on surface solar radiation focusing on an extreme dust event was assessed, demonstrating great solar energy losses of the order of 80 and 50% for concentrated solar power (CSP) and photovoltaic installations, respectively. The above analyses of real-world scenarios contributes to the understanding and quantification of impact range of high cloud and aerosol loads on solar energy and the potential for forecasting power generation failures at sunshine-privileged locations where solar power plants exist, are under construction, or being planned. Simultaneously, a series of RTM-based state-of-the-art models was developed for the assessment of the solar energy potential and for providing accurate solar energy applications in real-time. These operational ready models based on high resolution Look Up Tables (LUT), Neural Networks (NN) and Multi-Regression Functions (MRF), are validated against ground-based measurements of the Baseline Surface Radiation Network (BSRN) and the Global Atmosphere Watch (GAW), while a sensitivity analysis of the cloud and aerosol effects on surface solar radiation (SSR) was performed as to ensure reliability under all sky and climatological conditions. The whole approach of this PhD thesis aims to be a step forward for the solar energy forecasting, the operationally feasible energy planning of solar power plants, the efficient exploitation of solar energy and contributing to the shaping of related policies.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την εκτίμηση του ηλιακού δυναμικού στον Ελλαδικό χώρο με επίγειες και δορυφορικές παρατηρήσεις και αριθμητικές προσομοιώσεις μοντέλων διάδοσης της ακτινοβολίας. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν πυρανόμετρα από το Ελληνικό Δίκτυο Ηλιακής Ενέργειας και το δίκτυο σταθμών του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών με σκοπό την αξιολόγηση προγνώσεων ηλιακής ενέργειας 1 και 2 ημερών μπροστά από το μοντέλο MM5. Το ολικό δυναμικό ηλιακής ενέργειας βρέθηκε να κυμαίνεται μεταξύ 1,5 και 1,9 MWh/m2 με τη νέφωση να προκαλεί αύξηση των σφαλμάτων πρόγνωσης της τάξης του 10%. Εν συνεχεία, εκτιμήθηκε η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην επιφανειακή ηλιακή ακτινοβολία, εστιάζοντας σε ένα έντονο επεισόδιο σκόνης, αναδεικνύοντας τις υψηλές απώλειες ηλιακής ενέργειας της τάξης του 80 και 50% για τα συγκεντρωτικά (CSP) και τα φωτοβολταϊκά (PV) συστήματα αντίστοιχα. Οι παραπάνω αναλύσεις πραγματικών σεναρίων και ατμοσφαιρικών συνθηκών συνεισφέρουν στην κατανόηση αλλά και στην ποσοτικοποίηση του εύρους της επίδρασης που έχουν τα νέφη και τα αιωρούμενα σωματίδια στην ηλιακή ενέργεια, αλλά και στις δυνητικές αστοχίες πρόγνωσης σε περιοχές με υψηλό ηλιακό δυναμικό όπως είναι η Ελλάδα. Ταυτόχρονα, αναπτύχθηκε μια σειρά από καινοτόμα μοντέλα εκτίμησης του δυναμικού ηλιακής ενέργειας τα οποία δύνανται να λειτουργούν επιχειρησιακά και σε πραγματικό χρόνο. Τα μοντέλα αυτά βασίζονται σε πίνακες προσομοιώσεων διάδοσης της ακτινοβολίας, σε τεχνικές υπολογιστικής επιτάχυνσης με νευρωνικά δίκτυα και εξισώσεις πολλαπλής παλινδρόμησης και δορυφορικά δεδομένα εισόδου πραγματικού χρόνου. Η αξιοπιστία τους επαληθεύτηκε με επίγειες μετρήσεις των δικτύων Baseline Surface Radiation Network και Global Atmosphere Watch από τη νότια Αφρική μέχρι τη βόρεια Ευρώπη, ενώ πραγματοποιήθηκε και μια ανάλυση ευαισθησίας των δεδομένων εισόδου (κυρίως νεφών και αιωρούμενων σωματιδίων) ως προς την επίδρασή τους στην ηλιακή ακτινοβολία. Η συνολική προσέγγιση του διδακτορικού στοχεύει στο να αποτελέσει ένα βήμα μπροστά στην πρόγνωση της ηλιακής ενέργειας, στον επιχειρησιακά εφικτό ενεργειακό σχεδιασμό των ηλιακών πάρκων, στην αποτελεσματική εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, αλλά και στο να συνεισφέρει στο σχηματισμό πολιτικών που αφορούν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.