Wie wählt man das richtige Pyranometer aus: Thermosäule oder photoelektrisch?

Pyranometer spielen eine entscheidende Rolle bei der Messung der solaren Strahlungsflussdichte von einer darüberliegenden Hemisphäre im Wellenlängenbereich von 0,3 bis 3 μm. Die Wahl des richtigen Messgeräts kann die Überwachung der Solarenergie finanziell entscheidend beeinflussen. Die Leistungsunsicherheit von 4% eines 6-MW-Kraftwerks könnte dem Jahresgehalt eines Ingenieurs entsprechen.

Thermosäulen- und Photodiodenpyranometer sind die beiden wichtigsten Arten von Pyranometern, die wir in der Praxis häufig verwenden. Thermosäulenpyranometer messen die globale Sonnenstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 2800 nm. Photodiodenpyranometer verwenden Halbleitermaterialien, die Licht direkt in elektrische Signale umwandeln. Der Pyranometersensor wandelt die globale Bestrahlungsstärke in messbare elektrische Signale um. Die Genauigkeit wird durch die Materialempfindlichkeit, die Reaktionszeit und die Eigenschaften des Kuppelmaterials bestimmt.

Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise der verschiedenen Pyranometer-Technologien und vergleicht ihre Stärken und Schwächen. Sie finden klare Kriterien, die Ihnen eine fundierte Entscheidung ermöglichen, die Ihren spezifischen Anforderungen entspricht. Die genaue Datenerfassung ist ein wesentlicher Bestandteil der Solarenergieerzeugung, der meteorologischen Forschung und der landwirtschaftlichen Überwachung. Daher ist es wichtig, die Unterschiede zu verstehen.

Pyranometer-Technologien verstehen

Die Messung der Sonnenstrahlung basiert auf zwei dominanten Pyranometer-Designtechnologien. Gemäß den Definitionen der ISO 9060 lassen sich Pyranometer in zwei unterschiedliche technologische Ansätze unterteilen: Thermosäulentechnologie und Silizium-Halbleitertechnologie.

Welche Technologien werden in Pyranometern verwendet?

Thermosäulentechnologie dient als Grundlage herkömmlicher Pyranometer. Diese Sensoren arbeiten nach einem thermischen Grundprinzip: Der Temperaturunterschied zwischen sonnenbeschienenen und beschatteten Bereichen erzeugt eine messbare Spannung. Mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Thermoelemente bilden den Thermosäulensensor. Sonnenstrahlung trifft auf die geschwärzte Empfängeroberfläche und erwärmt die darunterliegenden aktiven (heißen) Kontaktstellen. Dadurch entsteht ein Temperaturunterschied zu den passiven (kalten) Kontaktstellen, die in thermischem Kontakt mit dem Pyranometergehäuse stehen.

Dieser thermoelektrische Effekt erzeugt eine geringe Ausgangsspannung – normalerweise etwa 10 μV pro W/m² –, was bedeutet, dass ein Messwert an einem sonnigen Tag etwa 10 mV erreicht. Jedes Thermosäulen-Pyranometer verfügt über eine einzigartige, durch Kalibrierung definierte Empfindlichkeit, die diese Mikrovolt-Ausgangsspannung in Messungen der globalen Bestrahlungsstärke in W/m² umwandelt.

Silizium-Halbleitertechnologie, auch genannt photoelektrische Pyranometer in der ISO 9060-Klassifizierung stellt den zweiten wichtigen Ansatz dar. Diese Instrumente verwenden Fotodioden, die Sonnenstrahlung durch den photoelektrischen Effekt direkt in elektrischen Strom umwandeln. Der Fotodiodensensor erzeugt bei Einwirkung von Photonen Elektron-Loch-Paare in Halbleitermaterialien und erzeugt so einen Strom oder eine Spannung, die der Strahlungsintensität entspricht.

Der größte Unterschied zwischen diesen Technologien zeigt sich in ihrer spektrale ReaktionsbereicheThermosäulenpyranometer messen ein breites Spektrum von 300 bis 2800 nm mit einer weitgehend flachen spektralen Empfindlichkeit. Pyranometer auf Photodiodenbasis erfassen nur einen Teil des Sonnenspektrums zwischen 400 nm und 1100 nm. Dieser engere Bereich macht Photodiodensensoren zu „spektral selektiven Geräten“.

Photovoltaik-Pyranometer entstanden Anfang der 2000er Jahre im Zuge der wachsenden Photovoltaikindustrie und entwickelten sich aus der Fotodiodentechnologie. Diese Instrumente erfassen die spektrale Reaktion von Photovoltaikzellen gezielt und eignen sich daher hervorragend zur genauen Überwachung der Leistung von PV-Systemen.

Die Wahl zwischen diesen Technologien erfordert eine sorgfältige Abwägung der Kompromisse. Thermosäulen-Pyranometer bieten mehrere Vorteile:

• Größerer Spektralbereich (Messung von 0,3 bis 2,8 Mikrometer)

• Geringere Empfindlichkeit gegenüber dem Winkel des einfallenden Sonnenlichts

• Stabilere Reaktion im Laufe der Zeit

• Geringere Temperaturabhängigkeit

• Höhere Genauigkeit für meteorologische Anwendungen

Ungeachtet dessen eignen sich Photovoltaik-Pyranometer hervorragend für bestimmte Anwendungen, insbesondere bei der Überwachung von Photovoltaikanlagen, da sie die tatsächliche spektrale Reaktion von Solarmodulen besser wiedergeben.

Wie funktionieren Pyranometer?

Pyranometer sind hochentwickelte Energiekonverter zur Messung der Sonneneinstrahlung. Diese Geräte erfassen das Sonnenlicht und wandeln es in messbare elektrische Signale um. Sie sind daher spezialisierte Thermometer für Solarenergie.

Der Aufbau eines Pyranometers umfasst drei grundlegende Teile:

• Eine schützende Außenkuppel (eine oder zwei) aus optischem Qualitätsglas

• Ein Sensorelement (Thermosäule oder Fotodiode)

• Ein Gehäuse, das die internen Komponenten schützt

Die Kuppel erfüllt einen wichtigen Zweck, indem sie Sonnenstrahlung durchlässt und unerwünschte Wellenlängen herausfiltert. Thermosäulenpyranometer verwenden beispielsweise Kuppeln, die Begrenzen Sie die spektrale Reaktion auf 300-2.800 Nanometer.

Der Sensor befindet sich unter dieser Kuppel und fungiert als Herzstück des Instruments. Das Detektorelement von Thermosäulen-Pyranometern enthält mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Thermoelemente, die eine Thermosäule bilden. Sonnenstrahlung trifft auf die geschwärzte Sensoroberfläche und erzeugt Wärme, die einen Temperaturunterschied zwischen den „heißen“ Kontaktstellen (unter der schwarzen Beschichtung) und den „kalten“ Kontaktstellen (in Kontakt mit dem Gehäuse) erzeugt.

Dieser Temperaturunterschied erzeugt durch den thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) eine Ausgangsspannung. Die Beziehung ist einfach: etwa 10 Mikrovolt pro W/m². An einem sonnigen Tag wird ein Ausgangssignal von etwa 10 Millivolt erzeugt.

Erklärung der Pyranometertypen

Auf dem heutigen Markt gibt es vier Haupttypen von Pyranometern, die jeweils anders funktionieren:

Thermosäulenpyranometer sind der am weitesten verbreitete Typ und messen sowohl direkte als auch diffuse Strahlung mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit. Ihr schwarz beschichteter Wärmesensor absorbiert die einfallende Strahlung und wandelt sie zur Messung in Wärme um.

Photodioden-Pyranometer enthalten Halbleitermaterialien, die Licht direkt in elektrischen Strom umwandeln. Diese Geräte bieten schnelle Reaktionszeiten und eine kompakte Größe, erfassen jedoch einen schmaleren Spektralbereich (400–1100 nm).

Siliziumzellen-Pyranometer erzeugen Strom auf Basis des Photovoltaikeffekts, proportional zur empfangenen Strahlung. Sie wiegen weniger als andere Modelle und eignen sich daher für bestimmte Anwendungen, sind jedoch nicht so genau wie Thermosäulen-Versionen.

Infrarot-Pyranometer erfassen langwellige Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Diese Spezialinstrumente profitieren vor allem in der Klimaforschung und der Wettervorhersage.

Beachten Sie, dass jeder Typ je nach Ihren Messanforderungen einzigartige Vorteile bietet. Ihre spezifischen Anwendungsanforderungen, Budgetgrenzen und Genauigkeitsanforderungen bestimmen, ob Sie sich für Thermosäulen- oder photoelektrische Technologie entscheiden sollten.

Thermosäulen-Pyranometer: Stärken und Grenzen

Die Thermosäulentechnologie gilt als Goldstandard für die Strahlungsmessung und basiert auf thermodynamischen Prinzipien. Die Komplexität dieser Instrumente wird deutlich, wenn wir ihre Konstruktion und Funktionsweise analysieren.

Funktionsweise von Thermosäulen-Pyranometern

Im Kern eines Thermosäulen-Pyranometers befindet sich ein thermoelektrisches Detektionssystem. Sonnenstrahlung trifft auf die geschwärzte Empfängeroberfläche und wird über viele Wellenlängen hinweg nahezu vollständig absorbiert. Die absorbierte Energie erzeugt Temperaturunterschiede zwischen den „heißen“ Kontaktstellen unter der geschwärzten Oberfläche und den „kalten“ Kontaktstellen am Gehäuse. Dieser Temperaturunterschied erzeugt eine geringe Spannung, die auf dem Seebeck-Effekt beruht – typischerweise etwa 10 µV pro W/m².

Thermosäulenkonstruktionen verwenden typischerweise mehrere Thermoelemente in Reihen- oder Reihen-Parallelschaltung. Hochleistungsmodelle verwenden heute Peltier-Elemente, die herkömmliche Metallthermoelemente durch Halbleitermaterialien ersetzen. Diese Instrumente verwenden halbkugelförmige Glaskuppeln zum Schutz ihrer empfindlichen schwarzen Detektorbeschichtung. Die Kuppeln ermöglichen eine Strahlungsdurchlässigkeit von 300 nm bis etwa 3000 nm.

Spektralbereich und Genauigkeit

Thermosäulenpyranometer zeichnen sich durch ihre gleichmäßige spektrale Absorption über das gesamte Sonnenspektrum (0,285 bis 2.800 µm) aus. Diese flache spektrale Reaktion ermöglicht die Messung der reflektierten Sonnenstrahlung, der Strahlung in geschlossenen Räumen wie Gewächshäusern und der Albedo bei paarweisem Einsatz.

Die Norm ISO 9060:2018 klassifiziert Thermosäulen-Pyranometer in drei Genauigkeitsklassen: A, B und C. Klasse A bietet die höchste Genauigkeit. Die Klassifizierung wird durch verschiedene Leistungsparameter bestimmt: Reaktionszeit, Nullpunktverschiebung, Instabilität, Nichtlinearität, Richtungsverhalten, Spektralfehler, Temperaturverhalten und Neigungsverhalten.

Temperaturstabilität und Langzeitdrift

Die Temperaturstabilität spielt eine entscheidende Rolle für die Messgenauigkeit. Thermopile-Pyranometer der Klasse A zeigen Temperaturabweichungen unter 5% zwischen -10 °C und 40 °C. Hochwertige Thermopile-Sensoren weisen dennoch eine Drift auf, die in der Regel weniger als 2% pro Jahr beträgt.

Wissenschaftler müssen diese Instrumente alle zwei Jahre neu kalibrieren. Untersuchungen zeigen, dass Kalibrierungsdrift die Zeitreihen der Sonneneinstrahlung verfälschen und die Trendverfolgung erschweren kann. Besondere Aufmerksamkeit muss den thermischen Abweichungen und Richtungsreaktionsfehlern gewidmet werden, die weiterhin eine Herausforderung darstellen.

Beste Anwendungsfälle für Thermosäulensensoren

Thermosäulen-Pyranometer zeichnen sich dank ihres breiten Spektralbereichs und ihrer Genauigkeit in mehreren wichtigen Anwendungen aus:

• Meteorologische Forschung, die hochpräzise Messungen erfordert

• Wetterüberwachung mit Standardinstrumenten

• Wissenschaftliche Forschung, die genaue Breitbandstrahlungsdaten erfordert

Ihr großer Dynamikbereich und die flache spektrale Reaktion machen sie ideal für Strahlungsmessungen mit variierender spektraler Verteilung. Die Stabilität und spektrale Gleichmäßigkeit rechtfertigen ihre höheren Kosten im Vergleich zu photoelektrischen Alternativen, insbesondere bei kritischen Messungen, die höchste Genauigkeit erfordern.

Photoelektrische Pyranometer: Funktionen und Kompromisse

Photoelektrische Pyranometer bieten in bestimmten Messsituationen einzigartige Vorteile gegenüber ihren Gegenstücken mit Thermosäule. Diese Geräte bieten eine alternative Technologie, die unterschiedliche Messeigenschaften mit weiteren Vorteilen in Einklang bringt.

Was ist ein photoelektrisches Pyranometer?

Ein photoelektrisches Pyranometer (auch als Photodioden-basiertes Pyranometer bekannt) verwendet eine Silizium-Fotodiode wandelt Sonnenstrahlung durch den photoelektrischen Effekt direkt in elektrischen Strom um. Die empfangene Strahlung erzeugt einen proportionalen Strom, und der Ausgangskreis erzeugt eine Spannung im Millivoltbereich. Diese Geräte fallen unter die ISO 9060:2018 Klasse C. Sie verfügen über eine Gehäusekuppel, einen Fotodiodensensor und einen Diffusor bzw. optische Filter.

Spektrale Reaktion und Empfindlichkeit

Optoelektronische Sensoren haben einen begrenzten Spektralbereich – typischerweise 360 bis 1120 nm. Dieser Bereich deckt nur einen Teil des Sonnenspektrums ab, was sie zu „spektral selektiven Geräten“ macht. Ihre Empfindlichkeit ändert sich mit unterschiedlichen Himmelsbedingungen. Wolken können zu Messfehlern von 10 bis 15% führen.

Diese Pyranometer zeichnen sich durch ihre schnelle Reaktionszeit von unter 1 Millisekunde aus. Dank dieser Geschwindigkeit eignen sie sich ideal für die Messung sich schnell ändernder Bedingungen.

Temperatureffekte und Abbau

Die Temperatur beeinflusst die Leistung von photoelektrischen Sensoren erheblich. Die Stromabgabe steigt mit jedem Grad Celsius um etwa 0,11 TP3T. Einige Modelle begegnen dieser Empfindlichkeit mit Heizelementen. Das SP-230 All-Season-Pyranometer beispielsweise verwendet eine 0,2-W-Heizung, um die Stabilität zu gewährleisten.

Diese Sensoren sind zudem mit verschiedenen Verschlechterungsproblemen konfrontiert. Zu den häufigsten Problemen zählen Verfärbung, Delamination, Alterung und Verschmutzung. Untersuchungen zeigen, dass Verschmutzung den größten Einfluss auf die spektrale Reaktion hat.

Wann sollte man sich für einen photoelektrischen Sensor entscheiden?

Photoelektrische Pyranometer funktionieren in diesen Szenarien am besten:

• PV-Anlagenüberwachung– ihre spektrale Reaktion passt besser zu Silizium-Solarzellen

• Projekte, die sehr schnelle Reaktionszeiten erfordern

• Orte, an denen es vor allem auf geringe Größe und geringes Gewicht ankommt

• Budgetbewusste Projekte, die eine hohe Genauigkeit erfordern

Benutzer können aus zahlreichen Ausgabeoptionen wählen. Die Sensoren unterstützen alles von einfachen unverstärkten Signalen bis hin zu digitalen Protokollen wie SDI-12 und Modbus. Diese Flexibilität hilft bei verschiedenen Überwachungskonfigurationen.

Diese Pyranometer sind eine praktische Wahl, wenn ihre Einschränkungen als Kompromisse gegenüber ihren Geschwindigkeits-, Größen- und Kostenvorteilen sinnvoll sind.

Leistungsvergleich: Thermosäule vs. Photoelektrisch

Die Wahl der Pyranometer-Technologien hängt von ihrer Leistung am Boden ab. Sehen wir uns an, wie die Instrumente im Vergleich zu den wichtigsten Leistungskennzahlen abschneiden.

Messgenauigkeit und Messunsicherheit

Moderne Thermosäulenpyranometer weisen aufgrund instrumenteller Faktoren, Betriebsbedingungen und Umweltvariablen Gesamtunsicherheiten von über 4% auf. Untersuchungen am Baseline Surface Radiation Network in der Schweiz ergaben Unsicherheiten in Globale horizontale Bestrahlungsstärke zwischen 1,8% und 2,4%.

Einige fotoelektrische Sensoren lieferten vielversprechende Ergebnisse. Tests mit den Fototransistoren BP103 und SFH3310 zeigten eine starke Korrelation mit Standard-Pyranometern. Sie ergaben bei Tests in der Trockenzeit niedrige mittlere quadratische Fehlerwerte von 6,58794 Wm−2 und 13,35216 Wm−2.

Unterschiede in der spektralen Reaktion

Der größte Unterschied zwischen diesen Technologien liegt in ihrer spektralen Empfindlichkeit. Thermosäulen-Sensoren können einen größeren Erfassungsbereich (ca. 300–2800 nm) erfassen. Das bedeutet, dass sie sowohl sichtbare als auch infrarote Strahlung messen. Photoelektrische Sensoren reagieren hingegen nur auf Wellenlängen zwischen 400 und 1100 nm. Sie sind daher „spektral selektive Sensoren“.

Die Himmelsbedingungen beeinflussen diese Messungen. Wolkenbedeckung und atmosphärische Zusammensetzung können zu stark variierenden Messfehlern führen.

Einfluss der Umweltbedingungen

Umweltfaktoren stellen beide Technologien vor Herausforderungen. Schmutzablagerungen auf Schutzkuppeln verringern die Messgenauigkeit, insbesondere bei wenig Regen. Temperaturschwankungen wirken sich unterschiedlich auf die Messwerte aus. Thermosäulensensoren bleiben in der Regel über verschiedene Temperaturbereiche hinweg stabiler.

Auch die Jahreszeiten beeinflussen die Funktionsfähigkeit dieser Geräte. Studien, die beide Technologien verglichen, zeigten interessante Ergebnisse. Photoelektrische Sensoren wiesen bei Nässe geringere Standardabweichungen (66,62 Wm−2) auf. Thermosäulenpyranometer funktionierten in Trockenperioden mit einer Standardabweichung von 45,53 Wm−2 besser.

Kalibrierungs- und Wartungsbedarf

Jede Technologie erfordert einen unterschiedlichen Wartungsaufwand. Gemäß der Norm IEC 61724-1 müssen Thermosäulensysteme der Klasse A wöchentlich gereinigt werden. Systeme der Klasse B alle zwei Wochen. Beide Technologien sollten alle zwei Jahre neu kalibriert werden.

Die Kalibrierung erfolgt nach spezifischen Normen wie ISO 9847. Sie können diese Geräte im Innenbereich gegen Referenzpyranometer oder über mehrere Tage im Außenbereich kalibrieren. Diese Methoden gewährleisten die Rückverfolgbarkeit der Messungen zur Weltradiometrischen Referenz in Davos, Schweiz.

Auswahl des richtigen Pyranometers für Ihre Anwendung

Bei der Auswahl eines Pyranometers müssen Sie Ihre Messanforderungen sorgfältig abwägen. Jede Anwendung erfordert unterschiedliche Sensorfunktionen. Daher ist die Wahl der richtigen Technologie für Ihren Zweck entscheidend.

PV-Anlagenüberwachung

Normen spielen bei Photovoltaikanwendungen eine entscheidende Rolle. Die IEC 61724-1:2021 besagt, dass für eine hochpräzise Überwachung Tau- und Frostschutz erforderlich ist. Für Messungen der Klasse A sind in der Regel belüftete Sensoren mit aktiver Heizung erforderlich. Die meisten Pyranometer anderer Hersteller erfüllen nicht einmal die Anforderungen der Klasse B, die eine Heizung erfordern. Ihr Sensor sollte über einen Überspannungsschutz verfügen, falls an Ihrem Standort elektrische Störungen oder transiente Spannungen auftreten.

Meteorologische Forschung

Wetternetzwerke benötigen typischerweise spektral flache Pyranometer der Klasse A oder B. Die Weltorganisation für Meteorologie empfiehlt für den Betrieb dieser Netzwerke Pyranometer „guter Qualität“. Sensoren mit sehr geringen Offsetfehlern eignen sich am besten zur Messung diffuser Strahlung, insbesondere bei Bewölkung oder in den frühen Morgenstunden.

Landwirtschaftliche Nutzung

Landwirte nutzen Pyranometer, um Bewässerungspläne zu optimieren, Wasser zu sparen und Kosten zu senken. Diese Werkzeuge helfen, die richtige Düngermenge zu bestimmen und Probleme im Pflanzenbau frühzeitig zu erkennen. Die Überwachung der Lichtverhältnisse hilft Landwirten, den optimalen Erntezeitpunkt zu wählen. Siliziumzellen-Pyranometer eignen sich in der Regel gut für landwirtschaftliche Zwecke.

Budget- und Wartungsüberlegungen

Die Gesamtkosten übersteigen den ursprünglichen Preis. Sie müssen Installation, Kalibrierung und Wartung berücksichtigen. Systeme der Klasse A müssen wöchentlich gereinigt werden, Systeme der Klasse B alle zwei Wochen. Anbieter mit weltweit Kalibrierungsdienste tragen zur Kostensenkung durch bessere Logistik bei. Intelligente Sensoren mit integrierter Diagnose und geringem Wartungsbedarf halten die Kosten langfristig niedrig.

Abschluss

Unsere eingehende Untersuchung der Pyranometer-Technologien zeigt deutliche Unterschiede zwischen Thermosäulen- und photoelektrischen Optionen. Thermosäulen-Pyranometer zeichnen sich durch einen breiteren Spektralbereich (300–2800 nm) aus und bieten eine hervorragende Genauigkeit für wissenschaftliche und meteorologische Anwendungen. Sie sind jedoch teurer und reagieren langsamer. Photoelektrische Sensoren reagieren schneller, sind günstiger und für viele praktische Anwendungen ausreichend gut. Ihr begrenzter Spektralbereich (400–1100 nm) macht sie in manchen Situationen weniger nützlich.

Ihre spezifischen Bedürfnisse sollten Ihre Wahl bestimmen. Die Überwachung von PV-Anlagen funktioniert besser mit photoelektrischen Sensoren, die die spektralen Reaktionen von Solarmodulen abbilden. Die meteorologische Forschung benötigt lediglich die Präzision und spektrale Breite, die Thermosäuleninstrumente bieten. Siliziumzellen-Pyranometer sind erschwinglich und bieten eine ausreichende Leistung für die Überwachung des Pflanzenwachstums in der Landwirtschaft.

Die Wartungskosten sind ebenso wichtig wie der ursprüngliche Kaufpreis. Systeme der Klasse A müssen wöchentlich gereinigt werden, während Systeme der Klasse B zwei Wochen zwischen den Reinigungen liegen können. Beide Typen funktionieren am besten, wenn sie alle zwei Jahre neu kalibriert werden, um die Genauigkeit zu gewährleisten. Diese laufenden Aufgaben beeinflussen Ihre Kosten im Laufe der Zeit erheblich.

Denken Sie vor Ihrer Entscheidung über Ihre Messziele, Genauigkeitsanforderungen und Wartungsfreundlichkeit der Geräte nach. Das richtige Pyranometer liefert Ihnen zuverlässige Daten, ohne dass Sie Geld für unnötige Funktionen verschwenden oder sich mit schlechter Leistung zufrieden geben müssen. Auch die Umgebungsbedingungen an Ihrem Standort spielen eine große Rolle – Temperaturschwankungen, saisonale Veränderungen und Staubansammlungen wirken sich auf jede Technologie unterschiedlich aus.

Das beste Pyranometer schafft ein Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und realen Einschränkungen wie Budget und Wartungsaufwand. Suchen Sie nach einer Technologie, die Ihren Messanforderungen und betrieblichen Einschränkungen gerecht wird, anstatt nach höchstmöglicher Genauigkeit zu streben.