@phdthesis{Dem2003,
  author    = {Dem, Claudiu Dorin},
  title     = {Design and construction of a device for light scattering studies on airborne particles},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-9605},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {This thesis is concerned with the development of an on-line in-situ device for a chemical characterisation of flowing aerosols. The thesis describes the principles and most important features of such a system, allowing also on-line measurements using Raman spectroscopy as a diagnostic technique An analysis of the effect of forced oscillations on the motion of the particle dispersed in a gas flow is given in Chapter 2. Also the most important particle parameters are introduced. A review of the particle/fluid interaction in laminar air flows and the response of the particle is presented. In Chapter 3 the behaviour of the particle under different external conditions (ion bombardment and electric fields) is extended. A brief review of the most important particle charging theories (diffusion, field, and alternating potential charging) shows, that the effect of the electrical properties (represented by the dielectric constant) of the particles affects the charging process. A non-contact method for particle charge measurement was also presented. In the second part of the chapter, the interaction between the electric field and the charged particle for the purpose of particle trapping is illustrated. The most common systems like the two or four ring electrodynamic balance and the quadrupole trap are pointed out. In Chapter 4 a short review of the possibility of using scattered light to study aerosol particles is presented. First, the conditions and the facilities of using the Mie theory for particle size and refractive index determination are mentioned, then some features concerning the classical treatment of the Raman effect are presented Supported by the theoretical considerations exposed in Chapter 2, 3, and 4 the construction and the tests of different devices are presented in Chapter 5. Following the goal of the thesis, first an overview of the used materials and methods for particle generation is presented. Then, the constructed charging devices are described (from the mechanical and electrical point of view) and compared by measuring the acquired charge on the particle. Charged particles can be trapped in different containers. Two types of axially symmetric electrodynamic balances (two ring or an extended four ring configuration) were presented. For a deeper understanding these systems were studied using analytic and numerical methods. Considering the presented purpose of the work another type of trapping system has been developed, namely the quadrupole trap. A similar theoretical characterisation (in term's of Mathieu equation) as for the electrodynamic balance was presented pointing out some specific features of this system. The incoming particle stream will be focused to the centre of the system simultaneously also the applied DC and AC potential onto the tube electrodes, yields a stable trapping of one or more particles. Chapter 6 consists of two parts: the system for single particle and for many particles investigation. The individual devices presented in Chapter 5 are now put together. The first part presents the method and the experimental realisation of a set-up for solid particle injection. In order to suppress the phase injection disadvantage found for the electrodynamic balance a developed program processes the information obtained from a particle cloud through an adequate electronic detection system, and reduces the number of particles until just one single particle is trapped. The method for one particle investigation can be extended for many particles. Using the presented set-up the particles are moved from one quadrupole to another and transformed from a particle cloud to a particle stream. A linearity between an external vertical mounted detector and the formed image of the particle stream on the CCD camera has been observed and used for simultaneous detection of many particles by Raman spectroscopy. For both methods Raman results are presented. One limitation of Raman Spectroscopy is the relatively long integration time needed for adequate signal-to-noise ratio. There are two factors which influence the integration time: first the incident radiation and the detector sensitivity, and second the intensity of the Raman bands. Using a CCD detector, the desired detector sensitivity should be achieved. So, the improvement of the signal-to-noise ratio should be the next goal in the system development. In order to reduce the integration time an optical system including optic fibres and the integration of an FT-Raman module operating in the visible region is planed. The goal of this work was to develop and construct an instrument for on-line in-situ single particle investigation by Raman spectroscopy. With the presented experimental set-up and the developed program the purpose of the work, the on-line in-situ near atmospheric pressure aerosol investigation was achieved. The Raman spectroscopy has been used successfully for a chemical characterisation of the aerosol particles.},
  subject      = {Aerosol},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Breitkreuz2008,
  author    = {Breitkreuz, Hanne-Katarin},
  title     = {Solare Strahlungsprognosen f{\"u}r energiewirtschaftliche Anwendungen - Der Einfluss von Aerosolen auf das sichtbare Strahlungsangebot},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-28200},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {F{\"u}r eine dauerhaft gesicherte und umweltgerechte Energieerzeugung kommt den erneuerbaren Energien in Zukunft eine immer gr{\"o}ßere Bedeutung zu. Dies stellt eine große Herausforderung f{\"u}r die Entwicklung zuk{\"u}nftiger Energiesysteme dar, da erneuerbare Energietr{\"a}ger zeitlich und r{\"a}umlich zumeist hoch variabel zur Verf{\"u}gung stehen. Eine effiziente Integration solar erzeugter Energie in das bestehende Energieversorgungsnetz ist daher nur m{\"o}glich, wenn verl{\"a}ssliche Nahe-Echtzeit-Vorhersagen der am Erdboden verf{\"u}gbaren Einstrahlung und ein- bis dreit{\"a}gige Vorhersagen von Energieproduktion und -nachfrage zur Verf{\"u}gung stehen. Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Vorhersage der solaren Strahlung f{\"u}r die n{\"a}chsten Tage und Stunden im Hinblick auf Anwendungen in der Energiewirtschaft. Der dominante Atmosph{\"a}renparameter f{\"u}r die Abschw{\"a}chung der solaren Einstrahlung ist die Bew{\"o}lkung. Das gr{\"o}ßte wirtschaftliche Potential der Solarenergie liegt jedoch in Zeitr{\"a}umen und Regionen, in denen wenig Bew{\"o}lkung auftritt. Im wolkenlosen Fall beeinflussen vor allem Aerosole, feste und fl{\"u}ssige Partikel in der Atmosph{\"a}re, die direkte und diffuse Strahlung am Erdboden. Aerosole sind durch eine hohe zeitliche und r{\"a}umliche Variabilit{\"a}t gekennzeichnet, die die Bestimmung ihrer raumzeitlichen Verteilung und damit ihres Einflusses auf die Strahlung erschwert und einen hohen Aufwand zu ihrer Prognose erforderlich macht. Am Beispiel eines f{\"u}nfmonatigen europ{\"a}ischen Datensatzes (Juli-November 2003) werden Prognosen der aerosoloptischen Tiefe bei 550 nm (AOT550) untersucht, die aus Aerosolvorhersagen eines Chemie-Transport-Modells stammen. Es zeigt sich, dass im Vergleich mit Bodenmessungen die Aerosolprognosen mit einer mittleren Untersch{\"a}tzung von -0,11 und einem RMSE von 0,20 die geforderte Genauigkeit nicht ganz erreichen. Dabei stellen insbesondere die unregelm{\"a}ßig auftretenden Saharastaubausbr{\"u}che {\"u}ber dem zentralen Mittelmeer eine im Modell bisher nicht erfassbare Quelle großer Ungenauigkeiten in der AOT- und damit auch in der Strahlungsvorhersage dar. Entsprechend der hohen regionalen Aerosol-Variabilit{\"a}t finden sich zudem signifikante Unterschiede zwischen den Regionen, zum Beispiel eine deutliche Untersch{\"a}tzung des Aerosolaufkommens in der stark industriell belasteten Po-Ebene Norditaliens sowie gute Entsprechungen in abgelegenen Gegenden Nordeuropas. Basierend auf dieser Aerosol-Prognose und unter Einbeziehung weiterer Fernerkundungsdaten (Bodenalbedo, Ozon) und Parametern aus der numerischen Wetterprognose (Wasserdampf, Wolken) wird ein Prototyp f{\"u}r ein Vorhersagesystem der Solarstrahlung konzipiert und vorgestellt: das AFSOL-System (Aerosol-based Forecasts of Solar Irradiance for Energy Applications). An Hand der f{\"u}nfmonatigen Testepisode wird das AFSOL-System mit Vorhersagen des Europ{\"a}ischen Zentrums f{\"u}r Mittelfrist-Wettervorhersage (ECMWF), mit satellitenbasierten Beobachtungen der Solarstrahlung (Meteosat-7) und mit Bodenmessungen der Solarstrahlung verglichen. F{\"u}r den wolkenlosen Fall erzielt das AFSOL-Modellsystem eine deutliche Verbesserung der Direktstrahlungsprognosen gegen{\"u}ber den ECMWF-Vorhersagen, mit einer Reduktion des relativen Bias von -26\% auf +11\% und des relativen RMSE von 31\% auf 19\%. Dies kann auf die verbesserte Beschreibung des atmosph{\"a}rischen Aerosols zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden, die sich im Vergleich zu den am ECMWF genutzten AOT-Klimatologien ergibt, auch wenn insbesondere bei der Behandlung von W{\"u}stenstaubepisoden weiterhin Probleme auftreten. Auch die Globalstrahlungsprognosen erreichen im wolkenlosen Fall eine h{\"o}here Genauigkeit als die operationell verf{\"u}gbaren ECMWF-Vorhersagen, was sich in einer Verringerung des relativen Bias von -10\% zu +5\% sowie des relativen RMSE von 12\% zu 7\% zeigt. Im bew{\"o}lkten Fall jedoch k{\"o}nnen die Vorhersagen des AFSOL-Systems erhebliche Ungenauigkeiten aufweisen, die sich auf Grund von Problemen bei der Wolkenprognose des zu Grunde liegenden numerischen Wettervorhersagemodells ergeben. Abschließend wird in einer Fallstudie zur Verwendung der Vorhersagen f{\"u}r die optimale Betriebsf{\"u}hrung eines solarthermischen Kraftwerks in Spanien beispielhaft gezeigt, dass die Nutzung der AFSOL-Prognose im wolkenlosen Fall eine deutliche Gewinnsteigerung bei der Einspeisung ins {\"o}ffentliche Stromnetz durch den Handel an der spanischen Stromb{\"o}rse erm{\"o}glicht.},
  subject      = {Aerosol},
  language  = {de}
}