Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Sensoren um Globalstrahlung zu messen:
- Pyranometer mit einer Thermosäule
- Pyranometer mit einer Photodiode
Globalstrahlung ist definiert als die gesamte kurzwellige Sonnenstrahlung die vom Himmel auf eine horizontale Fläche am Boden trifft. Sie ist die Summe aus sowohl direkter als auch diffuser Strahlung hervorgebracht von reflektiertem oder gestreutem Sonnenlicht.
Dies bedeutet, dass die Globalstrahlung nicht in der gleichen Ebene gemessen wird in der die Solarmodule montiert sind!
Die Kenngröße Globalstrahlung (gemessen oder berechnet) wird verwendet, um die Einstrahlung von verschiedenen Orten vergleichen zu können.
Einheit: W/m2
Die höchste Genauigkeit für die Messung von Globalstrahlung bieten Pyranometer, die auf einer Thermosäule basieren. Die Sonnenstrahlung wird von der schwarz beschichteten Oberfläche der Thermosäule absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der Temperaturunterschied zwischen dieser beschichteten Oberfläche und dem Gehäuse wird von der Thermosäule gemessen, die aus mehreren in Serie verbundenen Thermoelementen besteht. Die Ausgangsspannung ist proportional zur Sonneneinstrahlung.
Die schwarze Detektorbeschichtung wird durch zwei Glasdome geschützt, die als Halbkugel geformt ein Sichtfeld von 180° ermöglicht. Dies bedeutet, dass der Sensor die Strahlung aus der gesamten oberen Hemisphäre wahrnehmen kann. Der äussere Glasdom schützt den Sensor vor Umwelteinflüssen wie Luftströmung, Regen und Schnee. Der innere Dom reduziert langwellige Strahlung, die der schwarze Detektor zurück zum Himmel abgibt.
Die Empfindlichkeit des Sensors ist abhängig vom Kosinus des Einfallwinkels der Sonneneinstrahlung. Die Strahlung, die senkrecht auf den Sensor trifft, wird mit einem Faktor von 1 multipliziert. Bei einem Winkel von 60° zum Azimut beträgt der Faktor 0,5 während Strahlung die horizontal mit einem Winkel von 90° (z.B. Mitternachtssonne) vollständig ignoriert wird.
Hier kann es von Vorteil sein, zusätzlich ein Pyranometer einzusetzen, dass nicht horizontal sondern im Gleichen Winkel wie die Solarmodule montiert ist.
Die Empfindlichkeit von Thermosäulen ist unabhängig von der Wellenlänge in einem Bereich von 200 bis 50.000 nm. Die Glasdome beschränken diesen Bereich auf ca. 285 bis 3.000 nm was in etwa dem kompletten Spektrum des Sonnenlichts entspricht.
Diese spektrale Unabhängigkeit ist der Hauptvorteil von thermisch basierten Pyranometern.
Pyranometer mit einer Photodiode sind vom Preis her wesentlich günstiger als solche mit Thermosäule. Der Nachteil ist aber die starke Abhängigkeit von der Wellenlänge (Siehe grüne Linie im Diagram weiter oben).
Ein Pyranometer wird üblicherweise gegen das Sonnenlicht bei wolkenlosem Himmel und einem “AM” (Air Mass) Wert von 1,5 kalibriert. AM 1,5 bedeutet, dass die Weglänge durch die Atmosphere 1,5 mal länger ist als sie bei senkrechter Einstrahlung wäre. Dieser Wert ist angemessen für Mitteleuropa während der AM Wert in der Arktis hingegen zwischen 3 und 5 variiert. Zusätzlich ist es oft bewölkt was beides in abweichenden Spektren resultiert. Dadurch ist speziell im sehr Hohen Norden die Genauigkeit deutlich geringer als bei thermischen Pyranometern.
In diesem Projekt wird ein Pyranometer mit Thermosäule zum Messen der Globalstrahlung verwendet. Zusätzlich soll ein Pyranometer mit Photodiode die Einstrahlung bei verschiedenen Winkeln zum Horizont messen.
Die Ausgangssignale von analogen Pyranometern sind sehr schwach (~10 µV/W mit Thermosäule, ~80 µV/W mit Photodiode).
Als Messelektronik werden in diesem Projekt Analog Devices 6B11 Module eingesetzt, die sowohl Signalverstärker, galvanische Trennung und Analog/Digital Konverter beinhalten.
Produzenten von Pyranometern:
| Kipp & Zonen | Delft - Niederlande | www.kippzonen.com |
| Hukseflux | Delft - Niederlande | www.hukseflux.com |