Primärkalibrierung von Solarzellen und Pyranometern

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit primären Kalibrierverfahren für Strahlungsempfänger. Unter dem Begriff Primärkalibrierung wird in der Radiometrie die Kalibrierung eines Strahlungsempfängers gegen ein radiometrisches Primärnormal verstanden. In dieser Arbeit wird als primäres Empfängernormal ein sogenanntes Hohlraumradiometer verwendet. Dieses wird im Weiteren zur Primärkalibrierung von Solarzellen und Pyranometern eingesetzt. Der experimentelle Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung und Untersuchung des in Kapitel 6 behandelten 'Direkt-Normalen-Primärkalibrierverfahrens' für Solarzellen unter direkter Solarstrahlung. In den Kapiteln zuvor werden wichtige theoretische und experimentelle Vorarbeiten zur Durchführung dieses Verfahrens geleistet. Die Arbeit gliedert sich folgendermaßen auf: Das Kapitel 1 'Grundlagen' teilt sich in drei Abschnitte auf. Zunächst wird der für die Arbeit relevante Rahmen der Radiometrie abgesteckt, die verwendeten Strahlungsgrößen definiert und die im Weiteren wesentlichen strahlungsphysikalischen Gesetze behandelt. Anschließend werden die Funktionsweise der verwendeten Strahlungsempfänger behandelt und ihre charakteristischen Größen eingeführt. Schließlich werden radiometrische Strahler- und Empfängernormale behandelt, mit denen im experimentellen Teil die Kalibrierungen durchgeführt werden. Insbesondere wird hier auf das schon eingangs erwähnte Hohlraumradiometer eingegangen. In Kapitel 2 wird mit einem Zweistrahl-Superpositionsverfahren die Nichtlinearität von Strahlungsempfängern untersucht. Mit diesem Verfahren ist es möglich, für den untersuchten Dynamikbereich der Strahlungsintensitäten eine Korrekturfunktion zum Ausgleich von Linearitätsfehlern aufzustellen. Eingesetzt wird diese Methode zum Korrigieren systematischer Linearitätsfehler bei den im Rahmen dieser Arbeit kalibrierten Strahlungsempfänger. Bei der erwähnten Primärkalibriermethode für Solarzellen im Freiland ist die spektrale Verteilung der direkten Solarstrahlung zu bestimmen. Diese kann mit Spektralradiometern während der Kalibrierung bis in das nahe Infrarot bestimmt werden. Zur Bestimmung des restlichen Teils des Solarspektrums werden in Kapitel 3 Modelle, mit denen die spektrale Transmission der Atmosphäre simuliert werden kann, eingeführt. Eine zu Beginn dieser Arbeit durchgeführte Sensitivitätsanalyse ergab, dass Fehler in der Messung des Spektrums einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit dieser Kalibriermethode haben. Aus diesem Grund wurde der Kalibrierung von Spektralradiometern und der Abschätzung ihrer Messunsicherheit in Kapitel 4 breiter Raum gegeben. In Kapitel 5 wird ein Primärkalibrierverfahren für Pyranometer im Freiland behandelt. Neben dem experimentellen Aufbau und der Durchführung der Messungen wird eine detaillierte Fehleranalyse der Messergebnisse gegeben. Es wird gezeigt, dass die Kalibrierkonstante von Pyranometern mit diesem Verfahren bis auf eine Unsicherheit von ca. 1,5 Prozent bestimmt werden kann. Jedoch liegen die Messunsicherheiten von Pyranometern im normalen Freilandbetrieb durch eine Vielzahl von Fehlerquellen nur bei ca. 3 bis 4 Prozent. Deshalb werden Korrekturverfahren zur Reduktion systematischer Fehlerquellen bei Pyranometern vorgeschlagen. Das eingangs erwähnte Direkt-Normale-Primärkalibrierverfahren für Referenzzellen wird in Kapitel 6 behandelt und stellt den Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Bei diesem Verfahren werden Solarzellen unter der direkt-normalen Sonnenstrahlung kalibriert. Hierbei wird auf die in den vorherigen Kapitel durchgeführten Arbeiten zurückgegriffen. In Kapitel 7 werden zwei Laborverfahren zur Primärkalibrierung von Solarzellen behandelt. Bei dem einen Verfahren wird ein Lampennormal zur Kalibrierung der Solarzellen verwendet, während bei dem anderen die spektrale Empfindlichkeit der Solarzelle gemessen wird. Mit beiden Verfahren sind im Rahmen dieser Arbeit Kalibrierungen durchgeführt worden. Schließlich werden in Kapitel 8 die mit den einzelnen Verfahren ermittelten Kalibrierkonstanten der Solarzellen verglichen. Abschließend werden in Kapitel 9 die einzelnen Primärkalibriermethoden bewertet und in der Zusammenfassung die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit aufgeführt.