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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Sonneneinstrahlung messen


Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Hi!

Ich überlege mir gerade, wie ich am besten ein Gerät zur Messung der 
Sonneneinstrahlung bauen könnte.

Zwei verschieden Möglichkeiten schweben mir vor:
1.) Mit Hilfe einer Fotodiode BPW21 (oder so) und geeigneter Auswertung
2.) Mit einer "Präzisionssolarzelle"

Möglichkeit 1 habe ich bereits gebaut, das zeigt halt die Lichtstärke in 
lux an. Ich habe nur leider (noch) kein Referenzmessgerät um die 
Genaugkeit der Ergebnisse zu prüfen. lux kann man ja dann in W/m² 
umrechnen

Jedenfalls dachte ich mir das müsste doch einfacher mit einer 
Referenzsolarzelle gehen. Man hat die Solarzelle, Ihren U-I-Verlauf, 
sowie Nettofläche und Wirkungsgrad.
Die Zelle betreibt man dann in MPP-Punkt, den man ja aus dem DB kennt, 
misst da Spannung und Strom den die Zelle hergibt. Mit dem Wirkungsgrad, 
den man kennen muss, kann dann ja die eingestrahlte Leistung 
hochgerechnet werden.

Mein Problem ist nun, weiß jemand ob die zweite Möglichkeit sinnvoll 
ist, und was viel wichtiger ist, wo und ob man so eine Solarzelle 
überhaupt herbekommt??

Vielen Dank schon Mal
Philipp

Autor: Dieter R. (drei)
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Solarstrahlung misst man mit einem Pyranometer. Wikipedia sollte darüber 
was wissen. Eine Beziehung zwischen lux (lichttechnische Einheit) und 
W/m² (Energiedichte) besteht NICHT.

Die Frage ist, wozu das Ganze gut sein soll. Danach entscheidet sich das 
der Problemstellung angemessene Messverfahren. Und die zu verwendenden 
Maßeinheiten.

Autor: 1293 (Gast)
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Die Effizienz einer Solarzelle haengt stark von der Temperatur ab.

Autor: taxcon (Gast)
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Nun, die Bestrahlungstärke mit einer Solarzelle misst man nicht im MPP, 
sondern über den Kurzschlussstrom: Isc~G (dem man aus dem Datenblatt 
entnehmen kann). Der Kurzschluss-Strom hat einen fast zu 
vernachlässigenden Temperaturkoeffizienten (je nach dem wie genau die 
Sache werden soll) TK Isc=2,5mA/K. Bei einer industriellen 
monokristallinen 6" Zelle entspäche das das relativ TK Isc=0,025%/K.
Also nehm Dir einen Shunt (10mOhm) und schliesse die Zelle kurz. 
Dahinter ein geeigneten OPV mit geringem Offset und einstellbarer 
Verstärkung. Da der Kurzschlussstrom Fertigungsschänkungen unterliegt, 
solltest Du die Anordnung gegen ein Pyranometer kalibrieren.

mfg
taxcon

Autor: Dieter R. (drei)
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taxcon wrote:
> Nun, die Bestrahlungstärke mit einer Solarzelle ...

Nochmal: auch mit einer Solarzelle misst man keine Bestrahlungsstärke, 
sondern erhält ein Maß für den mit der spektralen Empfindlichkeit dieses 
Typs von Solarzelle UMGESETZTEN ANTEIL der Bestrahlungsstärke, also ein 
sowohl lichttechnisch als auch energetisch unsinniges Maß.

Vielleicht will der Fragesteller das ja gerade? Den Grund seiner Frage 
hat er uns leider nicht mitgeteilt. Nur sollte man dann nicht mit 
messtechnisch und physikalisch eindeutig vorbelegten Begriffen 
operieren.

Autor: Christian (Guest) (Gast)
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Solarzellen selektieren:
  sie nehmen nicht das Sonnenlicht auf - nur einen Teil.

Das hat zur Folge, dass das tagesabhängig ist - neben der Temp, wolken, 
...

Autor: Andreas K. (a-k)
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Analoge Varianten kämpfen mit dem Problem, dass ein üblicherweise linear 
strahlungsabhängiger Sensor Werte über etliche Zehnerpotenzen verteilt 
liefert. Will man nicht nur einen kleinen Teilbereich davon sauber 
messen, dann ist das nicht direkt per ADC auswertbar, sondern benötigt 
eine Messbereichsumschaltung oder muss erst analog logarithmiert werden. 
Den entsprechenden K(r)ampf kann man in ein paar Threads vor einigen 
Wochen beobachten (initiiert von "Patti").

Einfacher: Ein Sensor der eine lichtabhängige Frequenz liefert. Die 
nämlich lässt sich in weitem Bereich problemlos per Timer Capture 
messen, und auch gut über längere Strecken transportieren. Einfachste 
Lösung: TSL230RP (=> Micromaus), zu besichtigen auf www.c2j2m.de, DHW 
Graphs, log10(E).

Diese Lösung orientiert sich freilich eher an Solarwärme, weniger an 
Solarstrom, insofern stört die Infrarotempfindlichkeit eines Sensors 
nicht. Willst du eine gleiche spektrale Empfindlichkeit wie Solarzellen, 
musst wohl schon ein vergleichbare Solarzelle verwendet.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Dieter R. (drei)

>was wissen. Eine Beziehung zwischen lux (lichttechnische Einheit) und
>W/m² (Energiedichte) besteht NICHT.

Aber sicher! Über die empirisch ermittelte spektrale 
Augenempfindlichkeit.

http://de.wikipedia.org/wiki/Helligkeit

MfG
Falk

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Alexander Meier hat mal ein Laser-Leistungsmessgerät gebaut:
Laser-Leistungsmesstechnik [UKW-Berichte 3/02, S. 145-155, Baiersdorf, 
(2002)]
auf seiner Webseite stehen dazu diese beiden Tafeln zur Lichtmessung:
http://www.ame-engineering.de/pdf/spectrum.pdf
http://www.ame-engineering.de/pdf/lichttech.pdf

Autor: Christian (Guest) (Gast)
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Für was soll denn das genutzt werden ?

Als Schutz der Haut brauscht es UV
IR geht nicht durch Glas
Je nach PV-Typ werden leicht unterschiedliche Spektren absorbiert.
Solarwärme: Schwarz.


Da das nicht klar ist, ...

Autor: Günter R. (galileo14)
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Ich beschäftige mich seit einiger Zeit mit einem ähnlichen Thema. Ich 
habe an meinen Wohnzimmerfenstern elektrische Rolläden, mit denen im 
Sommer u.a. vermieden werden soll, daß es einerseits im Zimmer zu warm 
wird, andererseits sollen auch die hier befindlichen Gegenstände, Bilder 
etc. nicht "abstechen" (durch die Sonne vergilben). Daher möchte ich die 
Rolläden herunterfahren lassen, wenn die Strahlung einen bestimmten Wert 
überschreitet.

Ich möchte hier aber nicht einfach die Helligkeit messen, sondern ein 
Maß für die "Schädlichkeit" bzw. "Sonnenaggressivität" bestimmen, und in 
dessen Abhängigkeit die Rolläden steuern. Versteht ihr, was ich meine?

Kennt jemand hierfür einen Sensor, der eine geeignete 
Empfindlichkeitskurve hat? Ich möchte aber nicht den Umweg über eine 
Frequenz gehen, sondern das Signal logarithmieren und dann in den ADC 
geben.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Günter R. (galileo14)

>Ich möchte hier aber nicht einfach die Helligkeit messen, sondern ein
>Maß für die "Schädlichkeit" bzw. "Sonnenaggressivität" bestimmen, und in
>dessen Abhängigkeit die Rolläden steuern. Versteht ihr, was ich meine?

Ja, aber was soll das? Bist du ein Pendant?

MFG
Falk

Autor: Andreas K. (a-k)
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> Ich möchte aber nicht den Umweg über eine Frequenz gehen, sondern
> das Signal logarithmieren und dann in den ADC geben.

Erstens ist man über Umwege manchmal bedeutend schneller im Ziel.

Zweitens ist der einzig direkte Weg die direkte Lichtmessung, den ersten 
Umweg hast du über die Licht/Stromwandlung einer Fotodiode schon drin. 
Für einen ADC kommt dann noch der nachgeschaltete zweite Umweg in Form 
eines Strom/Spannungswandlers hinzu. Für Frequenz statt dessen ein 
Strom/Frequenzwandler (wenn die BPW21 schon da ist, kann das ein simpler 
TLC555 sein).

Lies mal durch, was die erwähnten Threads ergeben haben, hinsichtlich 
der Problematik von Messbereichsumschaltern (Leckstrom) und analogen 
Logarithmierern. Und danach sag nochmal, was einfacher ist: eine BPW21 
plus Präzisionslogarithmierer, eine BPW21 plus TLC555 oder ein kaum 
teureres fertiges IC mit Frequenzausgang.

Autor: 1293 (Gast)
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Vergiss den Messbereich. Fue die Schaedigung ist die lineare skala 
genuegend.  Kalibriert muss das Ganze auch nicht sein. Geh davon aus, 
dass bei wolkenlosem Himmel 1 kW pro Quadratmeter auf eine Flaeche 
senkrecht zum Licht kommen. Das genuegt zum Normieren.

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Angehängte Dateien:

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Wow, nicht schlecht! Da sind ja gar ein paar Ideen da!

Zur praktischen Anwendung des ganzen:
Man rechet ja für die Sonneneinstrahlung mit 1000W/m². Dieser Wert 
weicht nun je nach Jahreszeit und Breitengrad ab. Und ganu den Wert 
möchte ich messen.

Bei den 1000W/m² wird sicher Licht in jeder Wellenlänge mitgemessen, 
oder gelten diese Werte nur für einen gewissen Bereich?

Das es solche Geräte gibt, die mit Solarzellen messen, sieht man in dem 
Link:
http://www2.sma.de/de/solartechnik/produkte/kommun...

Der Sensor soll, anschließend samt Auswertung usw., ein Diagramm wie im 
Anhang dargestellt liefern

Autor: Andreas K. (a-k)
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> Der Sensor soll, anschließend samt Auswertung usw., ein Diagramm wie im
> Anhang dargestellt liefern

=> http://www.c2j2m.de - DHW Graphs - log10(E).

Autor: Dieter R. (drei)
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Falk Brunner wrote:
> Aber sicher! Über die empirisch ermittelte spektrale
> Augenempfindlichkeit.

Scherzbold. Die Beziehung ist nur bei gegebenem Spektrum eine Konstante. 
Das Sonnenspektrum ist aber variabel. Sollte auch auf Wikipedia stehen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Dieter R. (drei)

>Scherzbold. Die Beziehung ist nur bei gegebenem Spektrum eine Konstante.
>Das Sonnenspektrum ist aber variabel. Sollte auch auf Wikipedia stehen.

Auf wieviel 0,000000x Prozent genau willst du denn messen?

MFG
Falk

Autor: Dieter R. (drei)
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Oh, wir reden hier nicht über 0,x Prozent, sondern über FAKTOREN. Vor 
allem im IR, z. B. je nach Bewölkung.

Quelle z. B. 
http://ams.allenpress.com/archive/1520-0450/30/4/p...

Je nach Wellenlänge und Bewölkung beträgt in den dortigen Messungen der 
Faktor zwischen Standardspektrum und realem Spektrum ca. 0,6 bis 2,0

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Dieter R. (drei)

>Oh, wir reden hier nicht über 0,x Prozent, sondern über FAKTOREN. Vor
>allem im IR, z. B. je nach Bewölkung.

Ach so, naja. Obwohl IR für die Berechnung von LUX-W/m^2 wohl ziemlich 
egal sein sollte ;-)

MFG
Falk

Autor: Dieter R. (drei)
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Begreifen fällt wohl schwer. Wenn er lux misst oder die Energieabgabe 
einer photoelektrischen Solarzelle misst, dann misst er den IR-Anteil 
ÜBERHAUPT nicht. Der geht aber in die BESTRAHLUNGSSTÄRKE (=Messung der
Sonneneinstrahlung) in W/m² ein. Also im Extremfall: sichtbarer Bereich 
aus, Null lux, trotzdem kann man sich an der IR-Strahlung des 
Heizstrahlers die Birne verbrennen. Bei der Sonne ist es nicht ganz so 
extrem, aber im Prinzip ähnlich.

Der Ansatz des Fragestellers "lux kann man ja dann in W/m² umrechnen" 
ist falsch. Es gibt einen groben Näherungswert, mehr nicht. Wenn einem 
der reicht, braucht man gar nicht messen. Dann reichen die tabellierten 
Werte des Jahresganges.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Dieter R. (drei)

>Der Ansatz des Fragestellers "lux kann man ja dann in W/m² umrechnen"
>ist falsch.

Du hast ja Recht!

MFG
Falk

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Ah, dass man lux in W/m² nicht so einfach umrechnen kann, wusste ich 
nicht. Ich hab da so ein Dokument im Netz gefunden, wo eben die 
Umrechnung von lux in W/m² mit einem Faktor 0,016... oder so erfolgt.

Ich fasse mal kurz zusammen:
- Beleuchtungsstärke(lux) und Bestrahlungsstärke(W/m²) haben nur 
eingeschränkt, wenn überhaupt miteinander zu tun
- Zur Messung der Bestrahlungsstärke verwendet man sog. Pyrometer bzw. 
Pyranometer

Könnte man die Messung dann vieleicht über einen Umweg über die 
Temperatur realisieren? Die Friam THIES Klima bietet solche Geräte an, 
die funktionieren allem Anschein mit Thermoelementen

Autor: Dieter R. (drei)
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Pyranometer funktionieren mit Thermoelementen. Deshalb sind sie auch 
teuer, weil man viele Thermoelemente braucht.

Frage (oder wurde sie schon beantwortet, der Tread wird allmählich 
unübersichtlich): wozu soll das denn dienen? Wie genau sollte/muss es 
sein? Muss es unbedingt selbst gemessen sein? Man kann im Internet auch 
auf Wetterdaten zugreifen (ich weiß allerdings nicht wo, aber dafür gibt 
es in Meteorologie-Foren Experten). Strahlungsmessung, und dann auch 
noch einigermaßen exakt, ist wirklich nicht so ganz trivial.

Hier:

Ebay-Artikel Nr. 130128621747

gibt es eins. Total vergammelt, garantiert Schrott, deshalb kostet es 
auch nur US $259.99. Verkauf nur in USA, ist auch besser so.

Autor: 1293 (Gast)
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Ein Sensor misst was er misst. Ein Silizium Sensor misst sein Band mit 
seiner Gewichtung. Ein Thermischer Sensor macht das aehnlich. Was man 
nun machen kann ist extrapolieren, da man zB sagt, das Spektrum 
veraendert sich nicht im betrachteten Leistungsbereich. Wenn zb die 
Abnutzung von Teppichen, oder der Haut interessant ist, so interessiert 
der lineare Bereich von 50% bis 100%. Das ist zB keine bis wenig Wolken. 
Da bleibt das Spektrum annaehernd konstant. Wenn ne Wolkendecke da ist, 
so ist das UV weg, und die Leistungsdichte ist bei 20% oder weniger.
Also, nimm'ne Diode und normiere den Strom bei senkrechtem Einfall bei 
wenig bis keine Wolken auf 1kW/m^2. Dass sollte mit 10% iger Genauigkeit 
hinkommen. Nein, ist unabhaengig von der Jahreszeit.

Autor: Dieter R. (drei)
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10% Messgenauigkeit ist mutig. Alle Messfehler eingerechnet erreichen 
das mal gerade kommerzielle Pyranometer. Datenblatt hier:

http://www.fischer-barometer.de/datenblaetter/D461101.pdf

Genauigkeit der täglichen Summe 10%, d. h. Einzelwerte sind noch viel 
ungenauer. Nur absolute High-End-Geräte sind genauer.

Hier (Google hilft):

http://www.umnicom.de/Elektronik/Projekte/Wetterst...

hat jemand sowas selbst gebaut. Toll!!! Es ist aber wirklich 
anspruchsvoll und nichts für Leute mit Ungeduld oder dicken Fingern. Im 
Interesse der Messgenauigkeit sollte man die einzelnen Messflächen aber 
wohl nicht als Rauten ausbilden, sondern als Kreissegmente 
(Tortenstücke). So kenn ich das jedenfalls.

"normiere den Strom bei senkrechtem Einfall". Ist hier aber schwierig. 
Siehe Wikipedia, Wendekreis.

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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@1293

Die Idee gefällt mir. Die BPW21 mit samt Auswertung hab ich schon, da 
brauche ich also nur mehr im Programm den Umrechnungsfaktor ändern.

Die Genaugkeit ist auch nicht gar so wichtig, hauptsache es zeigt mir 
an, wann die sonne auf und unterging, und ob es klar oder trüb war.

Danke nochmals an alle, habt mir sehr geholfen!

mfg
Philipp

Autor: Dieter R. (drei)
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Und wozu soll das nun gut sein?

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Um annährend das Diagramm was ich oben im Anhang eingestellt habe zu 
bekommen.

Das Ganze wird dann auf einem Dach/Terasse... hingestellt und 
ausgerichtet. Aus den Daten sieht man dann, wann die Sonne über den 
Bergen steht, und vor allem wie lange sie scheint.

Das Ganze soll ich für einen Kollegen machen, der gerne wissen möchte ob 
sich auf seinem Dach eine PV-Anlage von Seiten der Sonneneinstahlung 
rentiert.

Autor: Dieter R. (drei)
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Vergiss es. Dafür gibt es Software, bei der man Standort und 
Umgebungsprofil eingibt. Die modelliert dann die zu erwartende 
Einstrahlung, und mit den Daten das Solarpanels bekommt man den Ertrag.

Das ist mindestens 10 x so genau wie dein Schätzometer. Und das Ergebnis 
gibt es sofort, und nicht erst nach einem Jahr. Wobei dieses eine Jahr 
zufällig verregnet oder besonders sonnig sein kann ...

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Genau diese Diskussion habe ich mit ihm auch schon gehabt. Jedenfalls 
bat er mich um solch ein Gerät.

Und für solche einstrahlungsmessungen gibt es ja auch ein paar 
interessante Seiten, z.b:

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radday.php?l...

Autor: Dieter R. (drei)
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Philipp Putzer wrote:
> Genau diese Diskussion habe ich mit ihm auch schon gehabt.

Gut. Dann lass die Sache sein und mach was sinnvolles. Z.B. passende 
Software suchen, mit der Freundin Essen gehen, die Welt retten, aber 
nicht so'n blödes "Messinstrument", das nichts gescheites misst.

Autor: heinre (Gast)
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Eine kurze google suche hat mir diesen anbieter von 
solarstrahlungssensoren ans tageslicht gefördert: 
http://www.greenteg.com/applications/heat-flux-sen...

Es handelt sich dabei um einen thermopile sensor, der die solarstrahlung 
in ein voltsignal umwandelt, das dann mit einem voltmeter oder einem 
logger ausgelesen wird.

Autor: nicht "Gast" (Gast)
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Aha.

Autor: Christian H. (netzwanze) Benutzerseite
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Ich schätze, dass der TO sein Problem in den letzten 6 Jahren bereits 
gelöst hat.

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