Pyranometersensoren erklärt: Welcher Typ ist der richtige für Ihr Solarprojekt?

Der richtige Pyranometersensor kann über die Leistung und das Gewinnpotenzial Ihres Solarprojekts entscheiden. Zur Messung der Sonneneinstrahlung stehen Ihnen zwei Hauptoptionen zur Verfügung: Thermosäulenpyranometer und Referenzzellen-Solarstrahlungssensoren. Jede Option eignet sich am besten für unterschiedliche Anwendungen.

Pyranometer messen die globale Sonneneinstrahlung in Watt pro Quadratmeter (W/m²). Sie funktionieren besonders gut bei Wellenlängen von etwa 285 bis 3000 nm. Solarstrahlungssensoren gibt es in vielen Ausführungen mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten, Genauigkeitsstufen und Preisen. Thermosäulenpyranometer bieten hohe Genauigkeit mit Messunsicherheiten um ±2%Sie reagieren jedoch langsamer (bis zu 30 Sekunden) und sind teurer als Silizium-basierte Optionen. Daher ist es wichtig, diese Unterschiede zu kennen, bevor Sie Messgeräte für Ihre Solaranlage kaufen.

Was misst ein Pyranometer und warum ist es wichtig?

Ein Pyranometersensor misst die globale Sonneneinstrahlung – die Gesamtmenge an Sonnenenergie, die aus einem halbkugelförmigen (180-Grad-) Sichtfeld auf eine flache Oberfläche fällt. Der Sensor erfasst sowohl direktes Sonnenlicht als auch diffuse Strahlung über das gesamte Sonnenspektrum und wandelt diese Energie in messbare elektrische Signale um.

Sonneneinstrahlung verstehen

Die Sonneneinstrahlung gibt die Leistung pro Flächeneinheit an, gemessen in Watt pro Quadratmeter (W/m²). Diese Messung umfasst zwei wesentliche Komponenten:

• Direkte Strahlung – Sonnenlicht gelangt ohne Unterbrechung direkt von der Sonne zur Erde

• Diffuse Strahlung – Sonnenlicht, das von Wolken, atmosphärischen Partikeln gestreut oder von umgebenden Objekten reflektiert wird

Die Formel für die globale Bestrahlungsstärke (Eg↓) sieht folgendermaßen aus: Eg↓ = E⋅cos(θ) + Ed

E steht für direktes Sonnenlicht mit maximaler Intensität, θ zeigt den Winkel zwischen der Oberflächennormalen und der Sonnenposition und Ed steht für diffuses Sonnenlicht.

Die globale Bestrahlungsstärke liegt typischerweise zwischen 0 und 1400 W/m², kann aber durch Gebäude oder Schnee, die das Licht reflektieren, überschritten werden. An klaren Tagen mit lokalem Sonnenmittag liegt die Gesamtbestrahlungsstärke zwischen 700 und 1300 W/m², je nach Breitengrad, Höhe und Jahreszeit.

Die Sonne liefert 99,97% der gesamten Energie an die Erdoberfläche. Die Sonneneinstrahlung beträgt am Rand unserer Atmosphäre etwa 1.360,8 ± 0,5 W/m² – ein Wert, der als Solarkonstante bezeichnet wird.

Warum genaue Messungen für Solarprojekte unerlässlich sind

Präzise Daten zur Sonneneinstrahlung bilden die Grundlage für erfolgreiche Solarprojekte. Ingenieure nutzen diese Messungen, um optimale Standorte zu finden, indem sie die verfügbaren Solarressourcen bewerten, was sich direkt auf die Systemeffizienz und den Energieertrag auswirkt.

Pyranometersensoren helfen auch bei der Überwachung der Betriebsleistung. Betreiber können das Leistungsverhältnis eines Systems berechnen, indem sie die tatsächliche Leistungsabgabe mit der erwarteten Leistung anhand der Pyranometerwerte vergleichen. Dieses Verhältnis liegt typischerweise zwischen 75% und 85%. Ein plötzlicher Abfall kann auf die Notwendigkeit einer Reinigung, Reparatur oder Systemfehlerprüfung hinweisen.

Historische Daten zur Sonneneinstrahlung helfen, potenzielle Energieerträge vorherzusagen und PV-Anlagen während der Planungsphase richtig zu dimensionieren. Die Norm der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC 61724-1:2017) schreibt für Großanlagen bestimmte Typen und Mengen von Pyranometern vor, die sich nach Anlagengröße und -kategorie richten.

Messfehler können die finanziellen Ergebnisse erheblich beeinflussen. Die Finanzierbarkeit von Projekten und Investitionsentscheidungen hängen stark von der Qualität der Solarstrahlungsdaten ab. Ein gut abgestimmtes Sekundärstandard- oder spektral flaches Pyranometer der Klasse A sollte die tägliche Gesamtstrahlung mit einer Genauigkeit von 2% messen – dem empfohlenen Wert für die meisten Solarenergieanwendungen.

Erklärung der Pyranometersensortypen

Pyranometersensoren gibt es in zwei Haupttypen. Jeder Typ funktioniert anders und beeinflusst die Leistung in Anwendungen jeder Größenordnung. Sie müssen diese Unterschiede verstehen, um das richtige Gerät für Ihr Solarprojekt auszuwählen.

Thermosäulenpyranometer

Thermosäulenpyranometer nutzen den thermoelektrischen Effekt, um die Sonneneinstrahlung durch Temperaturunterschiede zu messen. Im Kern befindet sich eine Thermosäule mit mehreren Thermoelementen, deren aktive Kontakte unter einer schwarzen Beschichtung liegen, die die Sonnenstrahlung absorbiert. Diese Sensoren erzeugen etwa 10 μV pro W/m² und erzeugen bei Sonnenschein Ausgangsspannungen um die 10 mV.

Moderne Thermosäulen verfügen über eine oder zwei Glaskuppeln. Diese dienen zwei Zwecken: Sie begrenzen die spektrale Empfindlichkeit auf 300–2800 nm, erhalten das volle 180°-Sichtfeld und schützen den Sensor vor Konvektion. High-End-Modelle verwenden eine zweite Kuppel, die Instrumentenabweichungen reduziert und für ein besseres thermisches Gleichgewicht sorgt.

Photodioden-Pyranometer

Siliziumzellen-Pyranometer, wie sie auch genannt werden, verwenden Halbleiter-Fotodioden. Diese Fotodioden erzeugen durch den photoelektrischen Effekt Strom basierend auf dem empfangenen Licht. Sie reagieren schneller und sind günstiger als Thermosäulen-Varianten, weisen aber einige wesentliche Einschränkungen auf. Ihr Erfassungsbereich deckt nur einen Teil des Sonnenspektrums ab – 360–1120 nm bei Siliziumzellen- bzw. 400–1100 nm bei Fotodioden-Varianten.

Unterschiede in der spektralen Reaktion

Die Art und Weise, wie diese Technologien auf unterschiedliche Wellenlängen reagieren, ist ein wesentlicher Unterschied. Thermosäulensensoren erfassen Wellenlängen von 300–2800 nm, was dem gesamten Sonnenspektrum sehr nahe kommt. Photodiodensensoren erfassen einen kleineren Bereich von 360–1120 nm. Diese selektive Erfassung führt zu Messfehlern bei wechselnden Himmelsbedingungen. Siliziumzellen-Pyranometer weisen aufgrund dieser Einschränkung bei bewölktem Wetter höhere Fehler (10–15%) auf.

Reaktionszeit und Temperaturverhalten

Die Reaktionszeiten dieser Sensoren variieren stark. Siliziumzellen-Pyranometer reagieren in weniger als einer Millisekunde. Thermosäulenmodelle benötigen 15–60 Sekunden, um 95% ihres endgültigen Messwerts zu erreichen. Dank dieser schnellen Reaktion können Photodiodensensoren schnelle Änderungen der Bestrahlungsstärke besser erfassen.

Der Temperaturgang zeigt, wie sich die Empfindlichkeit mit der Umgebungstemperatur ändert. ISO 9060 definiert ihn als Empfindlichkeitsabweichung über ein 50-K-Intervall, ausgedrückt als Prozentsatz der Kalibrierungsempfindlichkeit. Pyranometer der Klasse A müssen einen Temperaturgang von 2% einhalten, während Geräte der Klasse C bis zu 8% abweichen dürfen. Der Temperaturgang von Thermosäulen-Pyranometern folgt typischerweise einer Polynomfunktion dritter Ordnung.

Vergleich der Leistung von Pyranometersensoren

Die Zuverlässigkeit der Messungen und die Wirtschaftlichkeit des Projekts hängen von der Leistung verschiedener Pyranometertypen ab. Bei der Auswahl von Instrumenten zur Solarüberwachung sind mehrere wichtige Faktoren zu berücksichtigen.

Genauigkeit und Unsicherheitsniveaus

Jede Pyranometerklasse weist eine unterschiedliche Messunsicherheit auf. Untersuchungen zeigen, dass hochwertige Thermosäulenpyranometer Unsicherheiten von ca. ±2,4% erreichen. Photodiodenbasierte Referenzgeräte weisen höhere Unsicherheiten von ca. ±5,0% auf. Ein Pyranometer der Klasse A kann bei guter Kalibrierung und Wartung die tägliche Gesamtbestrahlungsstärke innerhalb von ±2% messen.

Die Unsicherheitsberechnungen basieren auf einem Konfidenzniveau von 95%. Das bedeutet, dass der tatsächliche Wert nur eine 5%-Chance hat, außerhalb des angegebenen Bereichs zu liegen. Der Unsicherheitswert spielt eine entscheidende Rolle bei der Beurteilung der Kreditwürdigkeit und beeinflusst die berechnete Kapitalrendite.

Kosten- und Wartungsfaktoren

Die Preise für Pyranometer variieren je nach Typ. Pyranometer der Klasse A kosten mehr als Modelle der Klassen B oder C.

Die Gesamtbetriebskosten hängen ab von:

• Kalibrierungsanforderungen (alle 2 Jahre zur Einhaltung der IEC-Vorschriften)

• Reinigungshäufigkeit (wöchentlich für Systeme der Klasse A)

• Lüftungs- und Heizungssysteme

Um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, muss die Überwachung der Klasse A wöchentlich gereinigt und jährlich neu kalibriert werden. Große Solarprojekte verursachen aufgrund dieses Wartungsplans erhebliche Betriebskosten.

Normen und Zertifizierungen (ISO 9060, IEC 61724-1)

ISO 9060:2018 unterteilt Pyranometer in drei Genauigkeitskategorien: Klasse A, B und C. Jede Klasse hat maximale Kalibrierunsicherheiten: ±1,2% für Klasse A, ±1,5% für Klasse B und ±2,4% für Klasse C.

IEC 61724-1 definiert außerdem Überwachungssystemklassen (A, B, C) mit spezifischen Anforderungen an Pyranometer. Überwachungssysteme der Klasse A benötigen beheizte und belüftete Pyranometer, die wöchentlich gereinigt werden.

Integration mit Datenloggern und Systemen

Die Solarüberwachung funktioniert am besten mit kompatiblen Datenerfassungssystemen. Gute Datenlogger sollten eine Genauigkeit von 1 W/m² (10 μV) liefern. Dies verhindert Qualitätseinbußen bei der Messung.

Neue Pyranometersysteme verwenden häufig digitale Ausgänge mit Modbus RTU-Protokoll über RS-485. Dies erleichtert die Integration. IEC-Normen empfehlen eine Protokollierung mindestens alle 3 Sekunden und die Speicherung von 1-Minuten-Durchschnittswerten für eine optimale Datenerfassung.

Auswahl des richtigen Pyranometers für Ihr Solarprojekt

Die Anforderungen und Einschränkungen Ihres Projekts bestimmen, welches Pyranometer Sie wählen sollten. Hier erfahren Sie, welche Sensoren sich für verschiedene Solaranwendungen am besten eignen.

Kleine Wohnsysteme oder landwirtschaftliche und ökologische Überwachung

Hausbesitzer, die Solaranlagen installieren, legen mehr Wert auf Erschwinglichkeit als auf perfekte Präzision. Siliziumzellen-Pyranometer bieten eine gute Leistung, die den Anforderungen der meisten Hausbesitzer gerecht wird und gleichzeitig wirtschaftlich bleibt. Diese Sensoren helfen, die Systemleistung zu überwachen und größere Probleme wie Modulverschleiß oder übermäßige Verschmutzung zu erkennen. ES-S228A Modelle eignen sich gut für die Installation auf Dächern. Ein einzelner, gut platzierter Sensor reicht aus, da Systeme in Wohngebäuden in der Regel kleine Bereiche mit einheitlichen Bedingungen abdecken.

PV-Großkraftwerke

Solarparks benötigen detaillierte Überwachungslösungen. Industriestandards erfordern Pyranometer der Klasse A, die den Spezifikationen der IEC 61724-1 für Großanlagen entsprechen. Die ES-S228T ist mit über 65.000 weltweit im Einsatz befindlichen Einheiten zur Standardwahl für große Installationen geworden.

Kompromisse zwischen Budget und Präzision

Jede höhere Pyranometerklasse verdoppelt die Messgenauigkeit (von C über B bis A). Trotzdem ist diese Präzision teurer – sowohl finanziell als auch in der Wartung. Geräte der Klasse A müssen wöchentlich gereinigt und regelmäßig neu kalibriert werden. Mehrere Geräte der Klasse B oder C können an Orten, wo die Wartung schwierig ist, bessere Ergebnisse liefern als ein schlecht gewartetes Gerät der Klasse A. Bei Ihrer Wahl sollten Sie die Anschaffungskosten mit den langfristigen Kosten abwägen, basierend auf Ihren Genauigkeitsanforderungen und den verfügbaren Wartungsressourcen.

Abschluss

Das richtige Werkzeug für den Solarerfolg auswählen

Ihre spezifischen Projektanforderungen, Budgetgrenzen und Leistungsziele bestimmen die Wahl des Pyranometers. Dieser Artikel untersucht, wie diese wichtigen Sensoren die globale Sonneneinstrahlung messen. Diese Messungen bilden die Grundlage für erfolgreiche Solaranlagen.

Technologie macht einen großen Unterschied in der Messqualität. Thermopile-Sensoren bieten eine bessere spektrale Empfindlichkeit (300–2800 nm) und Genauigkeit (±2%). Sie reagieren langsamer und sind teurer. Photodioden-Sensoren reagieren schneller und sind günstiger, verlieren aber an Genauigkeit, insbesondere bei wechselndem Wetter.

Die Entscheidung geht über technische Spezifikationen hinaus. Sie müssen Ihre Anschaffungskosten mit den zukünftigen Betriebskosten abwägen. Dazu gehört auch, wie oft Sie kalibrieren müssen und welche Wartungsarbeiten Sie durchführen müssen. Normen wie ISO 9060:2018 und IEC 61724-1 helfen Ihnen, die Sensorfunktionen an die Anforderungen Ihres Projekts anzupassen.

Die Größe Ihres Projekts bestimmt, welcher Sensor am besten geeignet ist. Kleine Heiminstallationen funktionieren gut mit kostengünstigen Siliziumzellen-Pyranometern. Große Kraftwerke benötigen Thermosäulensensoren der Klasse A mit umfassenden Überwachungssystemen. Landwirtschaftliche Betriebe benötigen oft eine spezielle Wellenlängenabdeckung, die den Anforderungen der Pflanzen für die Photosynthese entspricht.

Ein gutes Pyranometer funktioniert nur dann einwandfrei, wenn es ordnungsgemäß gewartet und an die richtigen Datensysteme angeschlossen wird. Reinigen Sie es regelmäßig, kalibrieren Sie es planmäßig und protokollieren Sie die Daten korrekt. So gewährleisten Sie präzise Messwerte während der gesamten Lebensdauer Ihres Solarprojekts.

Diese Erkenntnisse helfen Ihnen bei der Auswahl des richtigen Messgeräts für Ihre Solaranlage. Mit dem richtigen Pyranometer können Sie Solarressourcen bewerten, die Systemleistung überprüfen und einen durchschlagenden Erfolg erzielen.

Kontaktieren Sie uns und besprechen Sie die Auswahl mit uns.

FAQs

F1. Was sind die wichtigsten Arten von Pyranometersensoren? Es gibt zwei Haupttypen von Pyranometersensoren: Thermosäulenpyranometer und Photodiodenpyranometer (Siliziumzelle). Thermosäulensensoren bieten eine höhere Genauigkeit und ein breiteres spektrales Ansprechverhalten, während Photodiodensensoren schneller und kostengünstiger sind.

F2. Wie genau sind Pyranometermessungen? Die Genauigkeit variiert je nach Sensortyp und -klasse. Hochwertige Thermosäulenpyranometer erreichen typischerweise Unsicherheiten von etwa ±2,41 TP3T, während photodiodenbasierte Geräte höhere Unsicherheiten von etwa ±5,01 TP3T aufweisen. Pyranometer der Klasse A können bei ordnungsgemäßer Kalibrierung und Wartung die tägliche Gesamtbestrahlungsstärke innerhalb von ±21 TP3T messen.

Frage 3: Welche Faktoren sollte ich bei der Auswahl eines Pyranometers für mein Solarprojekt berücksichtigen? Berücksichtigen Sie den Umfang Ihres Projekts, das Budget, die erforderliche Genauigkeit, die Wartungsmöglichkeiten und die spezifischen Anwendungsanforderungen. Berücksichtigen Sie außerdem die spektrale Empfindlichkeit, die Reaktionszeit, das Temperaturverhalten und die Kompatibilität des Sensors mit Ihrem Datenerfassungssystem.

F4. Wie oft sollten Pyranometer kalibriert und gewartet werden? Um die IEC-Konformität zu gewährleisten, müssen Pyranometer in der Regel alle zwei Jahre kalibriert werden. Überwachungssysteme der Klasse A müssen wöchentlich gereinigt und jährlich neu kalibriert werden. Regelmäßige Wartung ist entscheidend für genaue Messungen, insbesondere bei hochpräzisen Geräten.

F5. Sind teure Pyranometer für Solarprojekte immer besser? Nicht unbedingt. Pyranometer höherer Klasse bieten zwar eine höhere Präzision, erfordern aber auch mehr Wartung. In manchen Fällen können mehrere Sensoren niedrigerer Klasse eine bessere Gesamtleistung bieten als ein einzelnes, vernachlässigtes High-End-Gerät, insbesondere bei Großprojekten oder wartungsarmen Szenarien.