A meteorológiában, azon belül is mezőgazdasági célú időjárási megfigyelések és adatgyűjtések során (agrometeorológia) sokféle sugárzásmérőt használnak. Érdekes lehet például a napsütéses órák száma, vagy a teljes beérkező sugárzási teljesítmény, de - megfelelő mérőeszközökkel - megpróbálhatjuk megkülönböztetni és külön-külön mérni a közvetlen és szórt, a közvetlen és visszaverődő sugárzást - vagy külön-külön mérjük az egymástól elkülöníthető, különböző fizikai hatásokkal és azoknak megfelelő felhasználással bíró spektrumtartományokat. [Jó példa az utóbbira a PAR (Photosynthetically Active Radiation) mérő, amely a növények fotoszintézise szempontjából fontos hullámhossztartományban méri a besugárzási teljesítményt, valamint a - köztudottan egyre fontosabb - mérés, az élőlényekre gyakorolt komoly fiziológiai hatások miatt az UV-A-, UV-B- és UV-C-spektrumok mérése]

A pyranométer működése
Az egyik legfontosabb alapadat a globális sugárzás W/m²-ben kifejezett értéke, amelyet a világ igen sok pontján, így hazánkban is többnyire a nemzetközi sztenderdet megtestesítő CMP21 és CMP22 műszerekkel mérnek, állandó jelleggel és igen nagy pontossággal.
Az említett etalon műszerek az úgynevezett "pyranométerek", és a fizikai paramétereik alapján a napcellák, ill. napelemek precíziós bemérésének megoldására is ezek bizonyultak a legalkalmasabbnak.

Az 1. ábra a CMP hőelemes pyranométerek - szinte ideális - spektrális érzékenységét, valamint a napsugárzás tengerszinten tapasztalható spektrális eloszlását mutatja, továbbá - érdekességképpen - látható a szilícium pyranométer átviteli görbéje is.
Az ábráról mintegy "leolvasható" a lényeg: a pyranométer olyan sugárzásmérő, amely a Napnak a közvetlen és közvetett (a légkör részecskéin szóródott) sugárzását méri W/m²-ben, a teljes sugárzási spektrumtartományon (300 ... 2800 nm), 180°-os látószögben. Érzékelője általában hőelem, így működéséhez nem igényel külső energiát, viszont kimeneti jele mikrovolt-nagyságrendű, így továbbfeldolgozás előtt általában erősítésre szorul.
(Az eszköz elnevezése a görög nyelvből származik: pyr = tűz, ano = égbolt.) Felmerül a kérdés: miért használjunk - viszonylag költséges - pyranométert a napelemtáblák beméréséhez, teljesítményvizsgálatához, amikor referenciaként használt napelemcellával is megoldható a mérés?
A magyarázat az, hogy ha megfelelően kalibrált is a referenciacella, akkor sem mentes a napelemeket általánosan jellemző problémáktól: hőmérsékletfüggés, spektrális korlátok, öregedés. Ebből következően a napelemcella - a dolog természetéből (időjárás!) adódóan folytonosan változó mérési körülmények közepette - sosem lesz alkalmas olyan pontos és megbízható mérések elvégzésére, mint egy Kipp&Zonen-pyranométer.
Az adott konkrét méréstől és az energiaszámítás módjától függően a pyranométer több okból is előnyösebb.

1. A pyranométer függetlenül és pontosan méri a teljes napsugárzást, így a referencia-napelemcella típusa, minősége, gyártmánya nem torzítja a mérést, és összevethető mérési eredményeket fogunk kapni.
2. A pyranométer ISO-szabvány szerint kalibrált és minősített (míg a napelemcella csak az "STC", azaz a szabványosított vizsgálati feltételek mellett specifikált).
3. A pyranométer hosszabb válaszidővel rendelkezik, mint a napelemcella.
4. A pyranométernek igen kicsi a hőmérsékleti együtthatója.
5. Mind a referenciacella, mind a teljes napelemtábla sokkal érzékenyebb a felületek szennyeződésére, mint a pyranométer.
6. A hatásfok- és teljesítményszámítások sokkal pontosabbak pyranométeres mérésnél.

A fenti szempontok részletesebb magyarázata
1. A napelemek spektrális érzékenysége nem egy általános jellemző. A gyártástechnológiától (amorf, vékonyréteg, "triple-junction" stb.), valamint a cella/panel fedőrétegtől is függ például. Ezenkívül a Nap és a felhők helyzetének változása, a légköri páratartalom és szennyeződések változása/mozgása következtében a földfelszínt elérő sugárzás spektrális eloszlása is folyamatosan és nem elhanyagolhatóan változik. Ezzel szemben a pyranométerek a teljes 0,3 ... 3 (m hullámhosszúságú napsugárzási spektrumot érzékelik, és minden körülmények között megbízhatóan lehetővé teszik a Nap teljes rövidhullámú sugárzási energiájának mérését.
Ha egy napelemes telepen többféle gyártmányú/típusú napelemtáblát alkalmaznak (s ez a fokozatos fejlesztések/bővítések nyomán előfordulhat), akkor mindegyik fajtából kell referenciacella is. Pyranométerből viszont egyetlen is elég az egész rendszerhez! (Más kérdés, hogy nagyobb területet tekintve nem feltétlenül egyenletes a napsugárzás felületi eloszlása, és ezért a pontosabb mérési eredmények érdekében célszerű lehet több pyranométer kihelyezése.)
2. A legtöbb napelemtábla és referenciacella specifikációja csupán az ún. szabványos vizsgálati körülmények (STC - Standardized Test Conditions) szűk tartományában érvényes. Az STC adatai: +25 °C környezeti hőmérséklet, 1000 W/m² globális napsugárzás (amit pyranométerrel mérnek), AM = 1,5 (Air Masse = a levegő csillapító hatásának figyelembevétele) és nincs légmozgás.
Ezek a feltételek a valóságos viszonyoktól igen távol állnak, így a napelemek teljesítőképességéről valós képet csak a környezeti változásokra jóval kevésbé érzékeny pyranométertől várhatunk.
A pyranométereket több mint 80 éve alkalmazzák a Nap sugárzásának mérésére.
A sugárzási értékek mára kialakított nemzetközi adatbázisa pyranométeres méréseken alapul. A pyranométerek kalibrálása is megoldott, nagyon pontosan és megbízhatóan végezhető. A mérési képesség alapján történő osztályba sorolását az ISO 9060 szabványban, kalibrálásuk módját pedig az ISO 9847 szabványban rögzítették.
3. A gyakorlatban előnyös, hogy a pyranométer idő szerint integrál, kb. 5 s és 20 s között. Így ugyanis nem lesznek a mért adatokban hirtelen változások (tüskék, csúcsok, letörések), ha egy kisebb felhő elhalad, egy madár vagy repülő átrepül. A pyranométer korrekt egész napos összegzett értéket fog adni 20 s-os vagy nagyobb integrálási idővel.
4. A pyranométer hőmérsékletfüggése - típustól függően - nagyon alacsony lehet, akár 1%, 70 °C hőmérséklet-tartományban. Ez sokkal kisebb érték, mint bármely napelemé, ill. referenciacelláé.
5. Napjainkban terjedő nézet, hogy az optimális teljesítményhez a pyranométert rendszeresen tisztítani kell. De gondoljunk csak bele: a referenciacella lapos felületét biztosan még gyakrabban kell tisztítani, mint a pyranométer félgömb alakú dómját.
6. A napelemek jellemző adatainak (PR = teljesítményarány, ill. PI = teljesítményindex) kiszámítása sokkal hitelesebben történhet egy stabil és független referencia, vagyis a pyranométer segítségével, mint olyan referenciacellák használatával, amelyek sokkal pontatlanabbak, és maguk is a napelemek összes hátrányos tulajdonságával sújtottak. A pyranométer pontossága, típustól függően, akár 1%-os is lehet.

A napsugárzás pyranométeres mérésének, azaz a sugárzási adatok birtoklásának előnyei a napelemes erőművek esetében
1. A legmegfelelőbb napelemfajta (cella-technológia), ill. -rendszer (fix, vagy napkövetős) kiválasztható.
2. A felállítás optimális helye megválasztható.
3. A beruházásról szóló döntés konkrét adatokra alapozható.
4. A napelemtelep megfelelő működése állandóan megfigyelhető.
5. Karbantartási döntések mérések alapján hozhatóak.
6. A működés hatásfoka maximalizálható.
7. A rendszer működését jellemző kalkulációk folyamatosan végezhetőek.

Az első három pontban foglaltak segítséget nyújtanak a létesítendő napelemes erőmű fő paramétereinek optimális meghatározásában. Tudni kell, hogy - a telepítési helyszínt tekintve - néhány 10 km-es eltolódás az energiatermelésben akár több száz kWh/év különbséget jelenthet a terepviszonyok (hegy, völgy, tengerpart stb.) és a mikroklimatikus jelenségek (pl. jellemző felhősödési helyek) következtében. A pontos, pyranométeres méréseken alapuló számítások és a választott fotovoltaikus (PV) technológia ismeretében lehet a hitelt érdemlő pénzügyi kalkulációkat elvégezni a beruházással kapcsolatban.
A 4 ... 7. pont a működő rendszernél jelentkező előnyöket fogalmazza meg. (A monitorozással kapcsolatban meg kell említeni, hogy a napelemes rendszerekben használt inverterek közül számos rendelkezik nem csak referenciacella, hanem pyranométer fogadására alkalmas bemenettel is. Amennyiben ez a feltétel nem teljesül, akkor a CMP-sorozatú pyranométerekhez illeszkedő kijelző-, erősítő- és adatgyűjtő egységeket beszerezve hasznosíthatóak a mérési eredmények.)
A legfontosabb tényezők, amelyek befolyásolják a naperőmű várható teljesítményét

• A napelemek STC-specifikációja és az aktuális kimeneti adatok közötti eltérés.
• A hatásfok csökkenése alacsony besugárzási értékeknél.
• Árnyékolás (lombozat, kémény, állvány, felhő, ill. felhősödés).
• Hőmérséklet.
• Inverter hatásfoka.
• Veszteség a kábelezésen.
• A panelek szennyeződése, sérülése.

A naperőmű működésének mélyebb vizsgálatához, a működési adatokkal párhuzamosan, gyakran meteorológiai és egyéb adatokat is gyűjtenek.

• A napelemtáblák hőmérsékletét - hogy a hatásfok csökkenését jelezhessék.
• A szél- és esőadatok, valamint a sugárzási adatok függvényében a karbantartás (tisztítás) előre tervezhető. (Gondoljuk meg: a szél ráhordhatja a napelemekre, az eső pedig lemoshatja a felületükről a szennyet! Ám, ha kis nedvesítő eső után hordja a port a szél, akkor - szerencsétlen esetben - jelentős fedés is létrejöhet.)
• A szélsebesség ismeretében az állítható dőlésszögű, ill. napkövetős rendszereknél, túl erős szél esetén, megoldható az átállítás a legbiztonságosabb pozícióba.

Tekintettel arra, hogy a pyranométereket eddig inkább a meteorológiai, klímakutatási és agrometeorológiai berkekben ismerték, gyakran felvetődnek használatukkal kapcsolatos kérdések. Ezeket szedtük most csokorba, s válaszoljuk meg egyenként.

1. "Hány pyranométert tegyünk egy nagyobb méretű napelemes erőműhöz?"
Válasz: - A szükséges darabszám a biztonságos működtetés megkívánt szintjétől és a napelemmezők irányítottságától függ. Nagyobb telepeknél indokolt az állandó felügyeleti rendszer, amelynek lényeges alkotóeleme a pyranométer. Tekintettel arra, hogy akár meghibásodás, akár karbantartás, vagy a műszer időközönkénti rendszeres kalibrálása miatt kiesés előfordulhat, mindenképpen egynél több műszert javaslunk. Nagy kiterjedésű telepek két szélén elhelyezett pyranométerek segítségével pontosabb képet lehet alkotni a rendszer működési viszonyairól. Amennyiben pedig az erőművet több napelemcsoport alkotja, amelyek esetleg nem is egy irányba néznek, akkor minden csoporthoz egy pyranométert ajánlatos tenni.
2. "Okoz-e gondot, hogy a napelem irányérzékenysége eltér a pyranométerétől!?"
Válasz: - Nem, mert lényeges különbség csak alacsony napállásnál (hajnalban és alkonyatkor) tapasztalható. Olyankor viszont a nap sugárzási energiája csak kicsiny töredéke a nappalinak.
3. "Hogyan erősítsem fel a pyranométeremet?"
Válasz: - A napelemek hatásfokának, illetve teljesítményviszonyának (PR=Power Ratio) vizsgálatához a pyranométert pontosan a napelemek síkjával párhuzamosan kell rögzíteni. Ez azt jelenti, hogy a meteorológiai és agrometeorológiai mérésekhez szükséges, vízszintezést biztosító lábrészt le kell szerelni, és a pyranométert a napelemekkel párhuzamos síklapra szerelni. Ezt a mérést hívják ferdesíkú globális sugárzásmérésnek (Global Tilted Radiation).
A meteorológiai állomásokon a globális sugárzás (Global Radiation) mérésekor kell a pyranométert pontosan vízszintes helyzetben rögzíteni, a vízszintezőlábnak ott van szerepe.

4. "Hová helyezzük el a pyranométert a naperőmű területén belül?"
Válasz: - Ha egyetlen műszerünk van, azt érdemes nagyjából a napelemmező közepe táján elhelyezni. Ha kettő, akkor a két végén. Ha több, akkor elszórva és minél távolabb egymástól. Ha rúdon történik az elhelyezés, figyelni kell arra, hogy se a napelemeket, se a pyranométert ne árnyékolja semmi. Ha egy nagy kiterjedésű telep tengerparton vagy hegyek közelében van, akkor esetleg még a mikroklimatikus viszonyokat (felhők keletkezési vagy "felgyűlési" területe) is érdemes figyelembe venni. Ilyenkor egyik mérőkészülék legyen a gyakran felhős területen, a másik pedig a telep ellenkező, napos szélén.
5. "Mekkora mintavételi időtartamot (integrálási időt) célszerű választani?"
Válasz: - Ahhoz, hogy naponta korrekt napsugárzási értékeket kapjunk, elvileg minél sűrűbb mintavételezésre, illetve értéktárolásra lenne szükség. A felépítésből adódóan a pyranométerek időállandója (válaszideje) viszonylag hosszú, ezért 5 s alá nem lehet menni, viszont nem is szükséges. Igen gyakran az időintervallumot nem is ez határozza meg, hanem az adatfeldolgozó, vagy a naperőművet felügyelő szoftver, illetve algoritmus sebessége.
A másik eset, amikor a pyranométer külön adatgyűjtőhöz vagy meteorológiai állomáshoz csatlakozik. Ekkor 10 s-os mintavételi időköz és az integrált értékekre vonatkozó 1 perces tárolási időköz (1 perces átlagok tárolása) beállítása teljesen megfelelő lehet.
6. "Mennyi időnként kell újrakalibráltatni a pyranométert?"
Válasz: - Két évenként ajánlott, azon belül a Kipp&Zonen garantálja a kezdeti pontosság megmaradását. A hőelemes CMP-sorozatú pyranométerek érzékenysége évente kevesebb mint 1%-kal változhat. Ez messze jobb érték, mint bármilyen szilícium referenciaérzékelőé.
7. "Milyen karbantartást igényelnek a pyranométerek?"
Válasz: - A felső kategóriás pyranométerekben (CMP6, CMP11, CMP21, CMP22) található egy páragyűjtő patron, amely a dóm bepárásodását előzi meg. A patronban lévő anyag színváltozással jelzi, hogy cseréje szükséges. Ezt tehát rendszeresen ellenőrizni és cserélni kell. Az új patron általában minimum 6 hónapig kitart. A CMP3 modell teljesen zárt, szigetelt kivitelű, így nem tartalmaz patront. Mindegyik típusnál - szükség szerint - időnként tisztítani kell a dómrészt. A gyakorlatban a napelemes rendszer szokásos időszakos ellenőrzését általában összehangolják a pyranométerek említett apró karbantartási feladatainak elvégzésével.

A C+D Automatika Kft. honlapja