Die Installation einer hohen Anzahl an Photovoltaik (PV) Anlagen führt zu neuen Herausforderungen für die Stromnetze. Ziel dieser Arbeit ist es, meteorologische Auswirkungen auf Planung und Betrieb von Verteilungsnetzen mit einer hohen Konzentration von dezentralen PV-Anlagen zu untersuchen und Modelle zu entwickeln, um diese zu beschreiben. Zur Validierung der Modelle werden elektrische und meteorologische Daten aus einer detaillierten Messkampagne in einem Verteilnetz verwendet. Der erste Schwerpunkt der Untersuchungen liegt darauf, die maximale Einspeiseleistung einer verteilten PV-Flotte zu bestimmen. Dazu werden die meteorologischen Situationen mit maximaler Einspeiseleistung verteilter PV-Anlagen identifiziert und aufbauend auf diese Analyse ein PV-Clearsky-Modell für die maximale Leistung einer verteilten PV-Flotte bei klarem Himmel entwickelt. Die maximale Einspeiseleistung einer verteilten PV-Flotte in Deutschland ergibt sich an klaren Tagen mit 85 % der installierten STC (standard test conditions) Leistung. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit ist die Simulation der aktuellen Einspeiseleistung auf Verteilnetzebene auf Basis von meteorologischen Daten. Zur Abbildung der mittleren Einspeisung einer räumlich verteilten PV-Flotte wird eine Kombination aus mehreren Messpunkten und einer zusätzlich überlagerten Dämpfung vorgeschlagen. Daher wurde in dem Verteilnetz ein Messnetzwerk aus zehn Globalstrahlungssensoren eingerichtet. Mit diesem Ansatz wird für wechselhafte Tage bei einer 3-Sekundenauflösung ein $rmse$ von durchschnittlich drei Prozent erreicht, und die Rampen der fluktuierenden PV-Leistung adäquat abgebildet. Dieser Ansatz wird in einem weiteren Schritt angepasst um die momentane Einspeiseleistung auf Basis von Satellitendaten zu bestimmen. Auch hier zeigen sich vergleichbare Ergebnisse. <dt.>
The installation of a large number of photovoltaic (PV) systems leads to new challenges for electric power grids. This thesis discusses and develops models for meteorological impacts on planning and operation of distribution networks. Electrical and meteorological data from a detailed measurement campaign in a distribution network are used to validate the models. The first focus thereby is to determine the maximum feed-in power of a distributed PV fleet. With these results, a PV-Clearsky-Model is developed to determine the maximum PV-feed-in power for Germany. The maximum feed-in of a distributed PV fleet in Germany is found for clear sky situations with a limit of 85 % of the installed standard test condition power. The second focus of this work is the simulation of the current PV-feed-in power on distribution network level on the basis of meteorological data. To represent the average feed-in power of a spatially distributed PV fleet a combination of several measurement points and a superposed damping is suggested. For this purpose a network of ten global radiation sensors was set up in the distribution network. With this approach, an average $rmse$ of three percent at a 3-second resolution is achieved for days with a fluctuating cloudiness and the ramps of the fluctuating PV power can be modelled adequately. This approach is modified in a further step to determine the current PV-feed-in power on basis of satellite data, showing also good results. <engl.>
Zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung der Lokalisierung von elektromagnetischen Feldern in zufällig angeordneten dielektrischen Strukturen. Der zugrunde liegende physikalische Prozess der Anderson-Lokalisierung ist die kohärente Vielfachstreuung von Wellen und deren Interferenz. Die auf diese Weise hervorgerufene Lokalisierung erfolgt auf Sub-Wellenlängen Längenskalen, im Falle von Licht im Nanometerbereich. Dabei finden die Streuprozesse auf Zeitskalen von wenigen Femtosekunden statt. Die zeitaufgelöste Untersuchung von Nanostrukturen hinsichtlich ihrer Lokalisierungseigenschaften mit ultrakurzen Laserimpulsen in Verbindung mit hochaufgelöster Mikroskopie stellt die eigentliche Innovation dar. Die experimentelle Verifikation erfolgt unter Verwendung eines 2-Photonen-Mikroskops in Kombination mit einem interferometrischen Autokorrelator. Zufällig angeordnete Zinkoxid-Nanonadeln stellen dabei ein ideales Material zur Untersuchung der raum-zeitlichen Lokalisierungsdynamik von Licht dar. Untersuchungen an diesen Nanostrukturen zeigen dabei stark lokalisierte Photonmoden (Hotspots) mit verlängerten Lebenszeiten im fs-Bereich. Dabei ermöglicht die Untersuchung der räumlichen Feldverteilung und deren Fluktuation die Klassifizierung der Lokalisierungsstärke. Die gemessenen Photonmoden lassen sich somit in den Bereich der starken Lokalisierung einordnen. Dabei sind die Stärke der Lokalisierung und die Lebenszeit der Photonmode miteinander korreliert. Die Stärke der Lokalisierung hängt von vielen Faktoren, wie dem Durchmesser der einzelnen Nadeln sowie deren Abstand zur nächsten Nadel, ab. Dies bezüglich konnte gezeigt werden, dass die geometrischen Eigenschaften der Nadeln und ihre räumliche Verteilung entscheidende Faktoren für die Lokalisierung sind. Des Weiteren wurden goldbeschichtete Zinkoxid-Nanonadeln mit einem Photo-Emissions-Elektronen-Mikroskops (PEEM) untersucht. Diese Methode ermöglicht die Charakterisierung der von den Nadeln emittierten Elektronen und damit die Charakterisierung der lokalen elektrischen Felder mit noch höherer räumlicher Auflösung. Die im Falle dieser Arbeit verwendeten Laser Intensitäten liegen weit unterhalb der Schwelle für einen "random laser", jedoch kann eine solche Probe von Zinkoxid Nanonadeln bei hinreichend hoher Pumpleistung auch zum lasen angeregt werden. Unter Verwendung der zeitaufgelösten 2-Photonen-Mikroskopie konnte zum ersten Mal die raum-zeitliche Dynamik der Lokalisierung von Licht experimentell verifiziert werden. <dt.>
The main research aspect of this thesis is experimental evidence for the spatial and temporal localization dynamics of light in strongly scattering, randomly arranged dielectric media. The physical concept is the Anderson localization, an interference phenomenon based on multiply scattered electromagnetic waves. The localization of light occurs on subwavelength length scales of a few hundred nanometers. For this reason the scattering events occur on timescales of a few femtoseconds. The combination of time-resolved experiments using ultrashort laser pulses and high-resolution optical microscopy to examine the localization properties of nanostructures is the key method and innovation presented in this thesis. It is based on a technique of ultra fast second harmonic microscopy and interferometric autocorrelation. Randomly distributed zinc oxide nano-needles turned out to be well suited for the investigation of the localization of light. The investigation of these nanostructures showed strongly localized photon modes (hotspots) with increased photon mode lifetimes. The fluctuations of the local electric field allow the classification of the localization strength. The localized photon modes can be classified into the regime of strong localization (Anderson localization). This shows that the localization strength and the photon mode lifetime are correlated. Many parameters influence localization, like the diameter of the needles and the distance to another adjacent needle. Therefore, the geometric shape and distribution of the needles scattering the light is crucial for the localization. Furthermore, gold coated zinc oxide nano-needles have been investigated with a higher spatial resolution by using a photo-emission electron microscope (PEEM). It allows the detection of localized electron emission generated by localized light and surface plasmon polaritons. Within this work, the used laser intensities are kept below the threshold to avoid "random lasing" from the sample. Nevertheless even random lasing can be observed by using higher intensities to pump the nano-needle array. By using the above mentioned techniques, we were able to verify the spatial and temporal dynamics of the localization of light for the first time. <engl.>
Nanopartikel haben durch die Möglichkeit, ihre Zusammensetzung, Form und Größe zu kontrollieren, ein breites Feld an Einsatzgebieten. So können Nanopartikel in der Photovoltaik genauso wie in der Photochemie Anwendung finden. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese, Charakterisierung und das mögliche Einsatzgebiet von verschiedenen Cu-In-Zn-S-Legierungen dargestellt. Hierbei handelt es sich um ZnS/CuInS2 Nanopartikel für den Einsatz in Solarzellen und mit Kupfer mikrolegierte ZnIn2S4 Nanopartikel für den Einsatz in der Photochemie. Darüber hinaus wurden ZnS/CIS Nanopartikel einer mit ZnS umhüllt und mit Gold-Nanopunkten versehen. Ebenso wurden ZnIn2S4 Nanopartikel mit Gold-Nanopunkten versehen. Zur Charakterisierung werden UV/VIS- und IR Absorptionsspektroskopie, Photolumineszenzspektroskopie, Röntgendiffraktometrie, Transmissionselektronenmikroskopie und energiedisperse Röntgenspektroskopie genutzt. <dt.>
Nanoparticles have a wide field of possible applications, e.g. in photovoltaics or photochemistry, because their composition, size and shape can be controlled easily. This works shows the development of different Cu-In-Zn-S alloys, their characterization and possible applications. The colloidal synthesis includes ZnS/CuInS2 nanoparticles for photovoltaic, ZnIn2S4 nanoparticles for photochemistry redox-reactions and the creation of hybrid nanoparticles with ZnS shells and/or Au-nanodots on the particle surface. UV/VIS- and IR-absorption spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, X-ray diffraction, transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy are used to characterize the samples. <engl.>
HochschulschriftSeegangModellMeerZirkulationsmodellPotter CoveBuchtKing George Island, Süd-Shetland-InselnNumerisches ModellMeereskunde
Numerische Modelle wurden verwendet, um die Wellendynamik und die Strömungen in der Potter Cove zu untersuchen. Die Ausbreitung des Seegangs aus dem tiefen Ozean in die Bucht wurde mit Hilfe des Modells SWAN simuliert. Die Gezeitenpropagation wurde mit dem auf unstrukturierten Gittern basierenden Modell FVCOM untersucht, gefolgt von einer Gezeitenanalyse. Verschiedene FVCOM Simulationen mit unterschiedlichen Antriebsmechanismen (Gezeiten, Winde, Seegang) wurden durchgeführt, um ihren Einfluss auf die Strömungen in der Bucht zu untersuchen. Die Ergebnisse des Wellenmodells wurden mit NDBC Bojendaten, mit WAVEWATCH III Modelldaten und mit Satellitendaten validiert. Während Gezeiten nur einen geringen Einfluss auf die Zirkulation in der Potter Cove haben, bedingt der Wind in signifikantem Maße die Zirkulation in der Bucht. Die für die Erosion der Bodensedimente wichtige Bodenschubspannung wurde bestimmt. Die lokale Aufenthaltszeit und die "Flushing Zeit" wurden ebenfalls ermittelt. <dt.>
Numerical models are established to study the wave dynamics and circulation in Potter Cove and their interactions with the surrounding environments. Wave propagation from deep ocean to coastal waters was simulated using the SWAN wave model. And tidal propagation was studied using the unstructured-grid FVCOM model followed by a tidal analysis. FVCOM simulations with different tidal, wind and wave forcings were implemented to assess the relative importance of the forcings on the flow patterns in the cove. The model results were compared with the NDBC buoy data, WAVEWATCH III model results and satellite data. While tides have minimal influence on the circulation in Potter Cove, wind plays a significant role in the circulation patterns which are highly dependent on the wind speed and direction. Bed shear stresses were calculated to provide an insight on the bed sediment erosion characteristics in Potter Cove. The local residence and flushing times were also estimated. <engl.>