Messung der Sonnenstrahlung: Typen, Magnituden und Hauptinstrumente

Die Messung der Solarstrahlung ermöglicht es, die an einem Ort verfügbare Solarressourcen zu bewerten, Photovoltaikanlagen zu dimensionieren und die Energieeffizienz bereits installierter Systeme zu analysieren. Dazu werden verschiedene Instrumente verwendet, um die unterschiedlichen Komponenten der Strahlung zu messen, die die Erdoberfläche erreicht.

Darüber hinaus wird in manchen Fällen auch Sonnenschein gemessen, also die effektive Dauer der Sonnenstrahlung. Traditionell wird dieser Wert mittels Sonnenstundenmessgeräten ermittelt, die das Vorhandensein von wirksamer Sonne aufzeichnen, wenn die Bestrahlung etwa 120 W/m² übersteigt.

Arten von gemessener Sonnenstrahlung

Sonnenstrahlung wird je nach Herkunft und Verhalten in der Atmosphäre in verschiedene Komponenten zerlegt. Jede erfordert spezifische Messmethoden.

Direkte Strahlung (DNI)

Direkte Strahlung entspricht der direkten normalen Bestrahlung (DNI), also Strahlung, die direkt von der Sonne ausgeht, ohne von der Atmosphäre gestreut worden zu sein. Er wird auf einer Oberfläche gemessen, die senkrecht zu den Sonnenstrahlen steht.

Diese Art der Strahlung ist besonders relevant bei konzentrierten Solartechnologien (CSP) und in fortgeschrittenen Studien der Solarressource.

Globale (GHI) und diffuse Strahlung

Horizontale globale Strahlung (GHI) ist die Summe aus direkter und diffuser Strahlung, die auf eine horizontale Fläche fällt. Sie ist die am weitesten verbreitete Größe in der konventionellen Photovoltaik.

Diffuse Strahlung hingegen ist der Teil der Sonnenstrahlung, der vor dem Erreichen des Bodens von der Atmosphäre gestreut wurde, insbesondere bei trüben oder aerosolbedingten Bedingungen.

Infrarotstrahlung (Langwellenstrahlung)

Infrarot- oder langwellige Strahlung kommt größtenteils nicht direkt von der Sonne, sondern von der Atmosphäre und der Erdoberfläche, die nach der Aufnahme der Sonnenstrahlung thermische Energie abgeben.

Diese Komponente ist Teil des Energiegleichgewichts des Erd-Atmosphäre-Systems und ist in Klimastudien entscheidend.

Instrumente zur Messung der Sonnenstrahlung

Die Messung der Sonnenstrahlung erfolgt mit speziellen Instrumenten, die eine präzise Quantifizierung jeder Komponente ermöglichen. Die Auswahl der Ausrüstung hängt von der Art der Strahlung und dem erforderlichen Genauigkeitsgrad ab.

Pyrheliometer: direkte Strahlungsmessung (DNI)

Das Pyrheliometer ist das Referenzinstrument zur Messung der normalen direkten Sonnenstrahlung (DNI). Es fängt nur die Strahlung ein, die von der Sonnenscheibe ausgeht, und eliminiert so die diffuse Strahlung vollständig.

Um genaue Messungen zu erhalten, sollte es in einem Solarüberwachungssystem installiert werden, das es den ganzen Tag über mit der Sonne ausgerichtet hält, da jede Winkelabweichung die Messung beeinflussen kann.

Sie wird hauptsächlich in Referenzstationen, Klimaforschung und konzentrierten Solaranlagen (CSP) eingesetzt, wo direkte Strahlung der Schlüsselparameter ist.

Pyranometer: globale und diffuse Strahlungsmessung

Das Pyranometer ist das am weitesten verbreitete Instrument in der Photovoltaik-Energie. Sie misst die globale horizontale Strahlung (GHI), also die Summe aus direkter und diffuser Strahlung auf einer horizontalen Fläche.

Er funktioniert mit Wärmesensoren oder Photodioden, die durch eine Glaskuppel geschützt sind und eine gleichmäßige Reaktion unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung garantiert.

Mit Schattierungssystemen kann sie auch nur diffuse Strahlung messen, wodurch das Sonnenstrahlungsgleichgewicht aufgelöst werden kann.

Dieses Instrument ist unerlässlich, um die Energieproduktion von Photovoltaikanlagen zu schätzen und deren tatsächliche Leistung zu validieren.

Pyrgeometer: Messung der Infrarotstrahlung

Das Pyrgeometer misst langwellige Infrarotstrahlung, die von der Atmosphäre und der Erdoberfläche emittiert wird.

Sie misst nicht die direkte Sonnenstrahlung, sondern den Wärmeaustausch zwischen der Erde und ihrer Umwelt, weshalb sie in Energiebilanz- und Klimaforschungen verwendet wird.

Diese Sensoren filtern kurzwellige Strahlung heraus, um ausschließlich auf Infrarotstrahlung zu fokussieren, meist oberhalb von 4 μm.

Ultraviolette (UV-)Strahlungssensoren

Ultraviolette Strahlungssensoren messen die Intensität der UV-Strahlung von der Sonne, insbesondere in den UV-A- und UV-B-Bändern.

Obwohl sie die PV-Produktion nicht direkt beeinflussen, ist ihre Messung wichtig für die Analyse des Materialabbaus, der Alterung von Solarmodulen und der Sonneneinstrahlung in der Umwelt.

Diese Sensoren verwenden Photodioden und optische Filter, die ultraviolette Strahlung vom restlichen Sonnenspektrum isolieren.

Solarradiometer

Solarradiometer sind tragbare Instrumente, die dazu entwickelt wurden, die Strahlung in Echtzeit schnell zu messen.

Sie werden hauptsächlich bei technischen Inspektionen, der Überprüfung von Photovoltaikanlagen und Voruntersuchungen der Solarressource an einem Standort eingesetzt.

Obwohl sie nicht die Genauigkeit von Referenzinstrumenten erreichen, liefern sie zuverlässige Ergebnisse für operative Anwendungen. Einige Modelle verfügen über digitale Konnektivität, Datenerfassung und automatische Temperaturkompensation.

Solarmessstationen

In professionellen Anwendungen werden diese Instrumente häufig in Solarwetterstationen integriert, die Pyranometer, Pyrheliometer und Umweltsensoren kombinieren.

Diese Stationen ermöglichen eine vollständige Sicht auf die Solarressource sowie die Optimierung der Planung und Betrieb von Photovoltaikanlagen.