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Know how
für eine erfolgreiche Messkampagne
Solarmessung

Erfahren Sie in diesem Bereich, wie Sie von präzisen Solardaten in ihrem Projekt profitieren können: Vor dem Bau des Solarparks fließen die Daten in die Planung und Modulauswahl und im laufenden Betrieb können Sie die Wirtschaftlichkeit ihres Solarparks analysieren und Wartungskosten auf ein Minimum reduzieren. Wir erklären den Unterschied zwischen am Boden gemessenen Daten und Berechnungen anhand von Satellitenbeobachtungen und Wetterstationen. Darüber hinaus empfehlen wir Ihnen Messungen, die für den geplanten Solarpark wichtig sind. Ausführliche Informationen rund um die Solarmessung finden Sie auch in unseren Informationsbroschüren:
Download: Informationsbrochüre Solarmessung (englisch, PDF)
Download: Ammonit Solar Resource Assessment Systems (englisch, PDF)

 

Messung der Solarstrahlung

Damit ein geplanter Solarpark optimal ausgerichtet ist und gewinnbringend arbeiten kann, sollte die Sonnenstrahlung vorab am geplanten Standort gemessen werden. Für eine hohe Energieausbeute ist es außerdem ratsam, die produzierte elektrische Energie zu messen. Ob Photovoltaik oder CSP – jede Anwendung erfordert spezielle Messaufbauten, um die jeweils richtigen Parameter präzise zu messen. Die auf der Erde auftreffende Globalstrahlung setzt sich aus der Direktstrahlung (DNI – Direct Normal Irradiation) und der diffusen Strahlung (DHI – Diffuse Horizontal Irradiation) zusammen. Beides wird in folgender Formal dargestellt:

GHI = DHI + DNI · cos (θ) 
(wobei θ den Winkel angibt, in dem die Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche trifft)

An einem Tag mit wolkenlosem Himmel setzt sich die Sonnenstrahlung wie folgt zusammen: 100% GHI, 20% DHI und 80% DNI · cos (θ).

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Strahlungsarten und mit welchen Instrumenten diese gemessen werden können:

Strahlungsart Beschreibung Messinstrumente
GHI
Global Horizontal Irradiation
ammonit scheme ghi
Bezeichnet die auf eine horizontale Fläche auf der Erde treffende gesamte Sonnenstrahlung. Die Globalstrahlung setzt sich aus direkter und diffuser Sonnenstrahlung zusammen.

Anwendungen:
  • PV-Installationen
  • Vergleiche mit Solardatenbanken um MCP-Evaluierungen durchzuführen
  • Pyranometer (horizontal)
  • Referenzzelle
GTI
Global Tilted Irradiation
ammonit scheme gti
Bezeichnet die Summe der direkten und diffusen Sonnenstrahlung, die auf eine geneigte Oberfläche trifft.

Anwendungen:
  • PV-Installation
  • Pyranometer installiert im selben Neigungswinkel wie die Solarmodule
  • Referenzzelle
DNI
Direct Normal Irradiation
ammonit scheme dni
Bezeichnet den Teil der Sonnenstrahlung, der in einem 90°-Winkel direkt von der Sonne auf die Erde trifft.

Anwendungen:
  • CSP
  • CPV
  • PV-Installationen
  • Pyrheliometer, installiert auf einem Sonnennachführsystem
  • Rotating Shadowband Irradiometer
DHI
Diffuse Horizontal Irradiation
ammonit scheme dhi
Bezeichnet den Teil der Sonnenstrahlung, der nicht auf direktem Weg auf die Erde trifft, sondern durch Wolken und Luftpartikel in der Atmosphäre zerstreut wird.

Anwendungen:
  • PV-Installationen
  • Redundanzberechnungen für GHI → GHI = DHI + DNI · cos(θ)
  • Pyranometer mit Schattenring oder Schattenball, installiert auf einem Sonnennachführsystem
  • Rotating Shadowband Irradiometer

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Beeinflussende Parameter für die Sonnenenergiegewinnung

Sonnenstrahlung
Je höher die Strahlungsleistung der Sonne am geplanten Standort, desto höher kann auch die Energieausbeute des Solarparks sein. Abhängig von der Anwendung sollten die verschiedenen Strahlungsarten gemessen werden, z.B. Direktstrahlung für ein geplantes CSP-Kraftwerk.

Windgeschwindigkeit und Windrichtung
Die am Standort wirkenden Windkräfte helfen eine standfeste Unterkonstruktion für einen geplanten PV-Park zu bauen. Darüber hinaus können Aussagen über den kühlenden Effekt des Windes auf den Modulen getroffen werden.

Temperatur
Die Temperatur hat einen signifikanten Einfluss auf die Leistung der Solarzelle. Eine höhere Zelltemperatur führt zu einer niedrigeren Leistung und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad der Solarzelle. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Niederschläge und Verschmutzung (Sandstürme)
Information über Niederschlagshäufigkeit und –mengen, sowie Verschmutzungsgraden helfen bei der Klärung von Verlusten trotz hoher Sonnenstrahlung.

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Vergleich satelliten-basierter Messdaten vs. Bodenstation*

Die verfügbaren Daten basieren zu großen Teilen auf Satellitendaten. Diese Daten werden aus Sonnenstrahlung (Satellit) sowie Temperatur und Windgeschwindigkeit (Wetterstationen) berechnet. Jedoch haften diesen Berechnungen zahlreiche Unsicherheitsfaktoren an, so dass die Daten signifikante Abweichungen im Vergleich zu Messdaten von Bodenstationen aufweisen, insbesondere bei bedecktem Himmel. Des Weiteren beziehen sich die Satellitendaten auf eine große Fläche von ca. 1km², wohingegen die Bodenstation punktgenau misst.

Die Abweichungen bei GHI sind wesentlich kleiner als bei DNI. Korreliert man die Daten für GHI und Temperatur von satellitenbasierten Messungen und Bodenstationen, so erhält man gute Regressionswerte von R²=0,92 bzw. R²=0,97. Für DNI und Windgeschwindigkeit sehen die Werte jedoch ganz anders aus: R²=0,78 bzw. R²=0,5.

ammonit solar correlation

Wir empfehlen Ihnen daher am geplanten Standort für ihren Solarpark die Sonneneinstrahlung mit einer Bodenstation zu messen. Nur mit einer Messstation am Boden erhalten Sie präzise Daten, die Sie in die Planung ihres Solarparks einfließen lassen können.

*Die Daten basieren auf der Fallstudie "Validation of PV Performance Models using Satellite-based Irradiance Measurements" von Clean Power Research.


Darüber hinaus spielt die Auswahl der installierten Sensoren eine entscheidende Rolle für die Messergebnisse, z.B. Klassifizierung der Pyranometer. Wir unterstützen Sie mit unserer langjährigen Erfahrung und dem Know-how aus unzähligen Projekten weltweit bei der Auswahl der geeigneten Komponenten für ihr Solarmesssystem.

Unsere Solarmesssysteme entsprechen internationalen Qualitätsstandards. Wir konzipieren ihr individuelles Solarmesssystem entsprechend der geplanten Solarparkinstallation sowie den lokalen Bedingungen am Standort im Hinblick auf installierte Sensoren, Kommunikations- und Stromversorgungssystem.

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Solardatenbank PVGIS und SolarAtlas der World Bank Group

Im Rahmen der SOLAREC Initiative zum Ausbau der erneuerbaren Energien in der Europäischen Union wurde das PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) entwickelt. Das System umfasst weitreichendes Karten- und Datenmaterial für die Solarenergiegewinnung mittels PV für Europa, Afrika und Südwestasien.

PVGIS für Europa
PVGIS für Afrika und Südwestasien

Die World Bank Group hat einen Globalen Solar Atlas zur freien Verfügung online gestellt. Der Solaratlas wurde vom Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP) gefördert und dient der Potentialanalyse für Erneuerbare Energien in ausgewählten Ländern.

Global Solar Atlas

WorldBank-GlobalSolarAtlas

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Spezifikation der Strahlungssensoren nach ISO 9060

Pyranometer werden entsprechend der ISO 9060 Norm (Solar energy - Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct solar radiation) klassifiziert. Die Norm ist von der World Meteorological Organization (WMO) offiziell anerkannt. Entsprechend der ISO 9060 werden Pyranometer in drei Klassen eingeteilt:

  • Secondary Standard: Sehr hohe Qualität und beste Messergebnisse
    Anwendungsbereich: Meteorologie (BSRN Network); PV-, CPV- und CSP-Tests

  • First Class: Gute Qualität
    Anwendungsbereich: Messungen zur Überwachung des Treibhauseffekts

  • Second Class: Mittlere Qualität
    Anwendungsbereich: Wirtschaftliche Lösung für Messungen in Wetterstationen und bei Feldtests


ISO 9060 PYRANOMETER SPECIFICATIONS


SECONDARY STANDARD


FIRST CLASS


SECOND CLASS

Response time: time to reach 95% response  < 15s  < 30s  < 60s
Zero-offset:
Offset-A: response to 200 W/m² net thermal radiation, ventilated
Offset-B: response to 5 K/h change in ambient temperature

 + 7 W/m²
 ± 2 W/m²
 
 + 7 W/m²
 ± 2 W/m²
 
 + 7 W/m²
 ± 2 W/m²
Non-stability: % change in responsivity per year  ± 0.8%  ± 1.5%  ± 3%
Non-linearity: % deviation from responsivity at 500 W/m² due to change in irradiance from 100 ... 1000 W/m²  ± 0.5%  ± 1%  ± 3%
Directional response (for beam irradiance): the range of errors caused by assuming that the normal incidence responsivity is valid for all directions when measuring from any direction, a beam radiation whose normal incidence irradiance is 1000 W/m²  ± 10 W/m²  ± 20 W/m²  ± 20 W/m²
Spectral selectivity: % deviation of the product of spectral absorbance and transmittance from the corresponding mean, from 0.35 ... 1.5 μm  ± 3%  ± 5%  ± 10%
Temperature response: % deviation due to change in ambient within an interval of 50K, (e.g. -10 ... +40°C typical)  2%  4%  8%
Tilt response: % deviation in responsivity relative to 0 ... 90° tilt at 1000 W/m² beam irradiance  ± 0.5%  ± 2%  ± 5%
Achievable uncertainty (95% confidence level)
Hourly totals
Daily totals


 3%
 2%


 8%
 5%

 20%
 10%

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Erforderliche Messungen je nach geplantem Solarprojekt

Abhängig vom geplanten Solarpark wird empfohlen, bestimmte Messungen durchzuführen.

  Empfohlene Messung Systemkomponenten
Kleiner PV-Solarpark GHI und GTI
  • Datenlogger
  • Schaltschrank mit Solarstromversorgung und Kommunikationssystem
  • Pyranometer

Optional:

  • Pyranometer zur Messung des GTI (geneigt, wie Solarmodul)
  • 2 Solarreferenzzellen (horizontal und geneigt)

 

Mittlerer PV-Solarpark GHI, DHI und ermittelte DNI
  • Datenlogger
  • Schaltschrank mit Solarstromversorgung und Kommunikationssystem
  • Rotating Shadowband Irradiometer zur Messung von GHI, DHI und DNI (kalkuliert)

Optional:

  • 2 Solarreferenzzellen (horizontal und geneigt)
  • Pyranometer Delta-T SPN1 zur Messung von GHI, DHI und DNI (kalkuliert)
  • Pyranometer zur Messung des GTI (geneigt, wie Solarmodul)
Großer PV- und CPV-Solarpark GHI und DNI
  • Datenlogger
  • Schaltschrank mit Solarstromversorgung und Kommunikationssystem
  • Pyranometer
  • Pyrheliometer

Optional:

  • 2 Solarreferenzzellen (horizontal und geneigt)
  • Pyranometer zur Messung des GTI (geneigt, wie Solarmodul)
  • Rotating Shadowband Irradiometer zur Messung von GHI, DHI und DNI (kaluliert)
  • Delta-T SPN1 Pyranometer zur Messung von GHI, DHI und DNI (kalkuliert)
CSP-Kraftwerk GHI und DNI
  • Datenlogger
  • Schaltschrank mit Solarstromversorgung und Kommunikationssystem
  • Sonnennachführsystem
  • Pyranometer
  • Pyrheliometer

Optional:

  • Pyranometer mit Schattenring
  • Rotating Shadowband Irradiometer

 

Die Messsysteme können mit folgenden Sensoren ergänzt werden, um eine komplette Standortanalyse anzufertigen:

  • Temperatur- und Luftfeuchtesensor
  • Anemometer
  • Windfahne
  • Niederschlagssensor
  • Luftdrucksensor
  • Schmutzpartikelsensor

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Normen und Richtlinien für die Solarmessung

NREL "Best Practice Handbook for the Collection and Use of Solar Resource Data for Solar Energy Applications" (Feb 2015 / 63112)
Ausführliches Handbuch, dass alle Phasen eines Solarprojektes behandelt - angefangen von den notwendigen Messungen über Messaufbauten bis zu Vorhersagemethoden. Darüber hinaus werden im Handbuch Messinstrumente und deren Anwendungsbereiche sowie Quellen für Solardaten vorgestellt.
Download: NREL Best Practice Handbook for the Collection and Use of Solar Resource Data for Solar Energy Applications (Feb 2015 / 63112, englisch, PDF)

ISO 9060 Solar energy – Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct solar radiation
Mit der von der WMO (World Meteorological Organisation) anerkannten ISO 9060-Norm werden Pyranometer in drei Klassen eingeteilt: Secondary Standard für sehr hohe Qualität, First Class für gute Qualität und Second Class für mittlere Qualität der Messung. Siehe auch Pyranometer

IEC 61724:1998 Photovoltaic system performance monitoring – Guideline for measurement, data exchange and analysis
Die Norm beschreibt Parameter und Prozesse rund um die Überwachung und Analyse der elektrischen Leistung von PV-Systemen.

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