Messen der Sonnenstärke mit einem Sonnensensor

02.02.2017

Ein Sonnensensor misst die Stärke der Einstrahlung der Sonne unabhängig von der Jahreszeit. Im Winter möchte man zum Beispiel jeden Sonnenstrahl nutzen um das Aufheizen der Räume durch Sonnenstrahlen zu unterstützen. Im Sommer soll die Einstrahlung der Sonne vermieden werden um die Räume kühl zu halten. Eine vage Wettervorhersage ist zeitlich und örtlich viel zu ungenau für die Erfassung der realen Sonneneinwirkung. Der hier vorgestellte Sonnensensor erfasst die deshalb Sonnenstärke durch Messung einer Temperaturdifferenz.

Vorwort

Der beschriebene Sonnensensor entspricht dem Entwurf von einem Homematic-User, der ihn hier im Forum von Homematic vorgestellt hat. Ich habe den Entwurf kopiert und für meine Zwecke verfeinert. Diese Bauweise lässt sich gut nachbauen und ist dennoch robust. Schließlich muss so ein Sensor jahrelang im Freien sein und die Einwirkung von Wind, Regen und Sonne aushalten.

Die Methode

Der Sonnensenor ermittelt die Sonnenstärke durch Messung der Temperaturdifferenz. Das funktioniert nach folgendem Prinzip.

Der Sensor misst die Temperatur an zwei Stellen:

  • Der erste Temperaturwert entspricht der Außentemperatur der Umgebung. damit dieser Fühler nicht von der Sonne unmittelbar bestrahlt wird, muss er im Schatten positioniert sein. Dazu legt man ihn zum Beispiel auf die Nordseite des Gehäuses.
  • Der zweite Temperaturwert wird gemessen in einem geschlossen Glasgehäuse, welches durch den sogenannten Treibhaus-Effekt von der Sonne erwärmt wird.

Die Erwärmung des zweiten Sensors erfolgt abhängig von der Sonnenstärke im Winter wie im Sommer. Der absolute Temperaturwert schwankt aber dennoch mit der Jahreszeit und lässt deshalb keinen Rückschluß auf die Sonnenstärke zu. Dies wird erst möglich, wenn man statt des Absolutwerts nun die Differenz von Sensor 2 und Sensor 1 ermittelt. Dadurch werden die Schwankungen der absoluten Temperaturen ausgeglichen und man erhält einen Wert, der die Einstrahlung der Sonne repräsentiert und größtenteils unabhängig von der Jahreszeit und der absoluten Außentemperatur ist.

Die verwendeten Teile Sensors

Für den Bau des Sensors werden folgende Teile benötigt:

  • Als Temperatursensor kommt der Differenztemperatur-Sensor HM-WDS30-OT2-SM von Homematic zum Einsatz. Er hat bereits zwei reale Temperaturfühler und liefert an seiner Software-Schnittstelle nicht nur beiden Absolutwerte der Temperatur, sondern auch direkt die Differenz zwischen Sensor 1 und Sensor 2.
  • Als Gehäuse kommt eine handelsübliche wetterfeste Aufputzschaltdose zum Einsatz aus dem Elektrofachhandel. Ich habe eine Dose gewählt, die 110mm x 110mm groß und 63mm hoch ist. Darin ist ausreichend Platz um die Bauteile unter zu bringen.
  • Zur Erzeugung des Treibhaus-Effekts habe ich ein Glas mit Kunststoffdeckel verwendet. Darin war mal Erdnuss-Butter falls das für jemanden wichtig ist. Dieses Glas hat sich als geeignet erwiesen, wegen der Größe (90mm hoch und 70mm Durchmesser) und weil es einen Kunstoffdeckel hat. Bei einem Metalldeckel besteht das Risiko, dass dieser irgendwann rostet und außerdem die Hitze zu lange speichert und den Messwert dadurch verfälscht.
  • Damit die Wärme im "Treibhaus" auch gut zum Sensor geführt wird, wurde ein Aluminium-Röhrchen als Wärmeleiter verwendet. dieses ist 70mm lang, hat einen Innendurchmesser von 5mm und einen Außendurchmesser von ca. 7mm.

Der Zusammenbau

Zunächst wird das Oberteil vorbereitet. Dazu wird der Deckel des Glases mittig auf den Deckel der Schaltdose gesetzt, mit Heißkleber verklebt und zusätzlich mit ein paar Holzschrauben verschraubt. Hier ist zu beachten, dass eins oder zwei kleine Löcher durchgebohrt werden, die offen bleiben, damit später bei Sonneneinstrahlung ein Druckausgleich zwischen dem Treibhaus im Glas und dem Gehäuse stattfinden kann.

Danach wird mittig ein passendes Loch gebohrt, durch das das Aluminiumröhrchen gesteckt wird. Dieses wurde anschließend mit Gummiringen gegen Verrutschen fixiert und ebenfalls mit Heißkleber befestigt. Damit es zu einem ordentlichen Treibhaus-Effekt kommt, wurde nun der Innenraum des Glasdeckels und das Röhrchen mit mattschwarzem Farbspray lackiert.
Im Gehäuse der Schaltdose wird der Homematic-Temperatursensor mit zwei kleinen Schrauben fixiert. Die Kabel bleibt aufgerollt damit es im Gehäuse nicht zu unübersichtlich wird.

Für den ersten Fühler wurde in einer Seitenwand ein Loch gebohrt, durch das dieser passgenau durchgesteckt wird und dicht sitzt. Der zweite Fühler wurde in das Röhrchen im Deckel geschoben. Wenn er zu locker sitzt, kann man ihn mit Isolierband etwas auffüttern bis er stramm im Röhrchen steckt.

Nun sollte man zunächst den Homematic-Sensor in Betrieb nehmen bevor man das Ganze verschließt und an Ort und Stelle montiert.

Die Befestigung

Der Sonnensensor muss möglichst hoch montiert werden, damit er die Sonnenstrahlen vom Aufgang der Sonne bis zum Untergang erfassen kann. Wer dazu nicht auf die Dachspitze des eigenen Hauses klettern will, kann sich einen alternativen Ort aussuchen. Im hundhome hat sich die Gartenhütte als passend erwiesen. Diese steht im Westen hinter dem Haus und somit günstig für die Abendsonne. Damit der Sensor am Vormittag möglichst früh von der Sonne erfasst wird, montiert man ihn erhöht auf einem Ständer. Dieser ist ein Standard-Tischbein aus eloxiertem Metall aus dem Baumarkt mit einer quadratischen Montageplatte, auf die die Schaltdose geschraubt wird.

Dieses Gestell wird an die Seitenwand der Hütte montiert. Damit die Stange am Dachüberhang der Gartenhütte vorbei kommt, wird ein zusätzlicher Holzklotz befestigt der den nötigen Abstand zur Wand herstellt. Mit entsprechenden Montageschellen aus dem Sanitärbedarf und den dazugehörigen Wandschrauben wird die Stange fest an der Hütte montiert.

Durch diese Position ist der Sonnensensor ausreichend der Sonne ausgesetzt und außerdem bleibt er gut zugänglich für Wartungsarbeiten wie zum Beispiel das Auswechseln der Batterien.

Die Erfassung der Messwerte

Das folgende Diagramm stellt die erfassten Messwerte der vergangenen sechs Tage dar. Die entsprechende Jahreszeit ist Ende Januar, Anfang Februar. Die Spitzen der Kurve zeigen die Temperaturdifferenz tagsüber und die Täler bei Nacht.

Die Interpretation der Ergebnisse:

  1. An den ersten drei Tagen war das Wetter sonnig. Die Außentemperatur war unter Null, aber die Sonne schien und der Himmel war klar mit maximal leichter Bewölkung. Die Temperatur-Differenz steigt auf 14 bis 16 Grad Celsius.
  2. Am vierten Tag zog sich nachmittags ab ca. 12:30 Uhr der Himmel zu. Obwohl die Außentemperatur angestiegen ist, fällt die Temperatur-Differenz deutlich auf unter 4 Grad. Celsius. Die Sonne war zu dem Zeitpunkt von Wolken bedeckt.
  3. Der fünfte Tag zeigte sich mit einem vollständig bewölkten Himmel über den ganzen Tag. Die Temperatur-Differenz kommt kaum über die 4 Grad.
  4. Nachts kommt es bei der Temperaturdifferenz zu Schwankungen, die auch kurzzeitig zu negativen Werten führen kann. Das ist eine messbare Ungenauigkeit, die sich in ihrer Auswirkung aber deutlich unterscheiden lässt von den erkennbaren Sonneneinstrahlungszeiten.
    Der Anstieg der Kurve unmittelbar nach Sonnenaufgang und bis zum erkennbaren Sonnenuntergang hebt sich eindeutig von den unwichtigen Schwankungen ab.

Fazit

Bisher sieht der Wertebereich gut aus und die sichtbare Leistung der Sonne passt sehr gut den gemessenen Werten des Sensors. Ziel ist es nun, über das Frühjahr und den Sommer weitere Messergebnisse zu erfassen uns zu prüfen, ob sich der Sensor ähnlich präzise verhält bzw. ob die Werte vergleichbar gut zur realen Sonnenstärke passen.
Danach wird dann eine Programmierung vorgenommen, die anhand der Messwerte und dem errechneten Sonnenstand bestimmen kann, bei welchen Fenstern die Rollläden automatisch geöffnet oder geschlossen werden. Aber dazu gibt es dann einen neuen Blogbeitrag. Man darf gespannt sein.

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