SKYCAM – Lokale Vorhersage der Sonneneinstrahlung

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501515

Key words (English)

Prediction algorithms, Short term irradiance prediction, Direct and global irradiance, PV System performance, Grid integration

Short description (German)

Ziel dieses Projektes ist es, eine kurzfristige, präzise Vorhersage der Sonneneinstrahlung auf loka-ler Ebene (10-100 Meter). Dies soll mit günstigen 360°-Industriekameras und einer intelligenten Software realisiert werden. Über einen Zeitraum von 365 Tagen sollen alle 10-15 Sekunden Daten aufgenommen werden. Anwendungsgebiete reichen von Sonnenwärmekraftwerk, Diesel-PV-Sys-temen bis hin zum privaten Gebrauch für die private Speicheroptimierung.

Short description (English)

Meteorological information is used for the planning of energy systems, since the share of weather dependent renewable energies in the energy supply is increasing steadily. Thus, reliable and accurate evaluation and prediction of resources and their correlations are getting more and more important. The presented work is an active contribution to these topics with a focus on solar energy.

Final report (German)

Das Projekt SkyCam hat das Ziel verfolgt, mit Hilfe einer günstigen, Kamera-basierten Lösung die Sonneneinstrahlung auf lokaler Ebene zu bestimmen. Darauf basierend sollte Letztere für einen Zeitraum von mehreren Minuten in die Zukunft prognostiziert werden. Mit dieser Information könnten vor allem sogenannte Insellösungen profitieren, bei welcher Photovoltaik in Kombination mit Dieselgeneratoren zur Stromerzeugung zum Einsatz kommen. Da der Generator nicht permanent in Bereitschaft laufen müsste, könnte durch eine genauere Vorhersage der Verbrauch fossiler Brennstoffe stark reduziert werden. 
Mit Abschluss des Projekts stehen komplette Datensätze für die drei Teststandorte in Alpnach, Neuenburg und Bern zur Verfügung. Diese enthalten HDR-Bilder der gesamten Hemisphäre im Abstand von 10 Sekunden ergänzt durch die tatsächliche Sonneneinstrahlung gemessen mit einem Pyranometer. Für den Stereokamera-Standort Bern steht zudem die Wolkenhöhe, gemessen mit einem Ceilometer zur Verfügung. Um weitere Daten zu sammeln bleiben bis auf weiteres alle Stationen auch nach Projektabschluss in Betrieb.
Mit Hilfe eines neuronalen Netzwerks konnte zunächst die Einstrahlungsstärke ausschliesslich basierend auf den Bilddaten bestimmt werden. In einer Erweiterung dieser Algorithmen wurde ein erster Schritt in Richtung Vorhersage möglich. Wie zu erwarten war, nimmt deren Unsicherheit mit zunehmender Prognosezeit zu. Je nach Szenario (Art der Wolken etc.) schwankt die Genauigkeit der Vorhersage und erfüllt die Erwartungen zum Teil sehr gut, zum Teil aber auch nur unzureichend.

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• SKYCAM | Lokale Vorhersage der Sonneneinstrahlung - Final Report [PDF] 2'038 kB

Final report (English)

The aim of the SkyCam project was to determine solar radiation at the local level with the aid of a costeffective, camera-based solution. Based on this, the latter should be predicted for a period of several minutes into the future. With this information, so-called island solutions in which photovoltaics are used in combination with diesel generators to generate electricity could benefit in particular. Since the generator would not have to run permanently on standby, the consumption of fossil fuels could be greatly reduced by more precise prediction. 
Upon completion of the project, complete data sets will be available for the 3 test sites in Alpnach, Neuchâtel and Berne. These contain HDR pictures of the entire hemisphere in the distance of 10 seconds supplemented by the actual solar irradiation measured with a Pyranometer. The cloud height, measured with a Ceilometer, is also available for the Berne stereo camera location. In order to collect further data, all stations will remain in operation until further notice, even after project completion.
With the help of a neural network, it was initially possible to determine the irradiance exclusively on the basis of the image data. An extension of these algorithms made a first step towards prediction possible. As was to be expected, their uncertainty increases with increasing forecasting time. Depending on the scenario (type of clouds, etc.), the accuracy of the prediction fluctuates and partly fulfils expectations very well, but partly only insufficiently.

Final report (French)

L'objectif du projet SkyCam était de déterminer le rayonnement solaire au niveau local à l'aide d'une solution économique et basée sur une caméra. Sur cette base, cette dernière devrait être prévue pour une période de plusieurs minutes à l'avenir. Grâce à ces informations, les solutions dites insulaires, dans lesquelles le photovoltaïque est utilisé en combinaison avec des générateurs diesel pour produire de l'électricité, pourraient bénéficier en particulier. Comme le générateur n'aurait pas à fonctionner en permanence en mode veille, la consommation de combustibles fossiles pourrait être considérablement réduite par des prévisions plus précises. 
A l'issue du projet, des jeux de données complets seront disponibles pour les 3 sites d'essai à Alpnach, Neuchâtel et Berne. Ceux-ci contiennent des images HDR de l'hémisphère entier sur une distance de 10 secondes complétées par l'irradiation solaire réelle mesurée avec un pyranomètre. La hauteur des nuages, mesurée à l'aide d'un Ceilomètre, est également disponible pour la caméra stéréoscopique de Berne. Afin de recueillir d'autres données, toutes les stations resteront en service jusqu'à nouvel ordre, même après l'achèvement du projet.
A l'aide d'un réseau neuronal, il a d'abord été possible de déterminer l'éclairement énergétique exclusivement sur la base des données d'image. Une extension de ces algorithmes a permis de faire un premier pas vers la prédiction. Comme on pouvait s'y attendre, leur incertitude augmente avec l'augmentation du temps de prévision. Selon le scénario (type de nuages, etc.), la précision de la prévision fluctue et répond en partie très bien aux attentes, mais en partie seulement insuffisamment.