PyrNet

Das Pyranometer-Netzwerk (PyrNet) wurde 2013 in der Fernerkundungsabteilung des TROPOS für den  Einsatz in Feldmesskampagnen zur Erforschung kleinskaliger Variabilität der solaren Einstrahlung entwickelt und gebaut. Das Netzwerk besteht aus bis zu 100 mobilen Einzelstationen. Jede Station besitzt mindestens ein Pyranometer und einen Temperatur- und Feuchtesensor, um die solare Einstrahlung und grundlegende meteorologische Parameter mit hoher zeitlicher Auflösung zu erfassen. Die einzelnen Stationen können individuell bei Feldmessungen platziert werden. Dadurch wird es möglich kleinskalige räumliche und zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung unter verschiedenen Bedingungen zu beobachten. Eine umfassende Beschreibung des Netzwerks findet sich auch in Madhavan et al. (2016) und Barrientos-Velasco et al. (2020).

Das Pyranometer-Messnetz kam bisher bei mehreren Messkampagnen zum Einsatz

• Projekt HD(CP)2 2013:  Jülich (Fläche: 8x10 km); Melpitz (Fläche: 3x3 km)

• Kooperation Deutscher Wetterdienst IOPRAO 2014: Observatorium Lindenberg

• Feldexperiment MelCol 2015: Melpitz (Fläche: 3x3 km)

• Projekt (AC)³ - Polarsternfahrt PASCAL 2017: Eisscholle in der Arktis (Fläche: ca. 1x2 km)

• Projekt MetPVNet 2018 und 2019: Kempten (Allgäu) und Umgebung (Fläche 30x40 km)

Mit den Daten des Pyranometer-Netzwerkes ist die Erforschung des Wolken-Lebenszyklus und Strahlungseffekts, sowie die Verbesserung und Evaluation von Satelliten möglich.

Komponenten einer Pyranometer-Station

• Kurzwellige globale Strahlungsflussdichte: Jede Station besitzt ein Silizium-Photodioden-Pyranometer (Modell: ML-020VM, Vorgängermodell des Modells ML-01) um die globale solare Einstrahlung zu messen. Die spektrale Empfindlichkeit ist auf 0,3 bis 1,1 μm begrenzt, eine bekannte Einschränkung dieses Pyranometertyps, die auf die enge spektrale Empfindlichkeit der verwendeten Silizium-Photodiode zurückzuführen ist. Im Vergleich zu einem sekundären Standard-Pyranometer, auf Basis einer Thermosäule, hat dieser Sensor eine bessere Reaktionszeit, die eine Abtastfrequenz von 10 Hz ermöglicht. Dadurch kann kleinskalige Variabilität der abwärts gerichteten Bestrahlungsstärke aufgrund von Veränderungen am Himmel (z. B. Wolkenbewegungen) aufgezeichnet werden. Bei Feldexperimenten wird mit einer absoluten Unsicherheit der Bestrahlungsstärkebeobachtungen im Bereich von 5 % bis 10 % gerechnet, je nach atmosphärischem Zustand und Standortbedingungen (z.B. Verschmutzung der Sensoren zwischen den Wartungsintervallen, horizontale Fehlausrichtung, Einfluss durch nahe gelegene Strukturen).

• Kurzwellige geneigte Strahlungsflussdichte: Für die Feldmesskampagnen im Rahmen des MetPVNet Projekts wurden 30 Stationen mit einem zweiten Pyranometer (Modell: ML-020VM) erweitert. Dieses ist auf einer beweglichen Plattform montiert, welche mithilfe eines speziell für diesen Zweck entwickeltem Hilfsgerät anhand der Sonnenposition und/oder Kompass und Wasserwaage exakt auf einen gewünschten Kippwinkel eingestellt werden kann. Damit wurde im Rahmen von MetPVNet die solare Einstrahlung auf verschiedene Solar-Panel Installationen erfasst und ausgewertet.

• Luftfeuchtigkeit und Temperatur: Ein Mikromodul (Driesen&Kern DKRF 4001-P) kombiniert Sensoren für Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit für meteorologische Messungen. Die Temperatur wird mit einer Genauigkeit von etwa ±0,5 °C gemessen. Die relative Luftfeuchtigkeit wird mit einer Genauigkeit von etwa ±3,5 % gemessen.

• Globales Positionsbestimmungssystem (GPS): Das GPS-Empfängermodul (Fastrax UP501) liefert genaue Positionsdaten und zuverlässige Zeitangaben.

• Mikrocontroller-Logger-Platine: Das Logger-Board (Sparkfun Electronics Logomatic v2) dient zur Erfassung der Messdaten und deren Speicherung auf dem eingebauten SD-Kartensockel. Die Firmware wurde von TROPOS angepasst und basiert auf einer Community-Version der Logomatic-Firmware "Logomatic-Kwan v1.1".

• Stromversorgung: Als Stromversorgung wird eine 6V 4R25-2 Batterie verwendet (z.B. VARTA Longlife Worklight). Die Lebensdauer von ca. 10 Tagen ermöglicht kontinuierliche Beobachtungen in Wartungsintervallen von ca. einer Woche.