Präzise Solareinstrahlungsmessung mit Arduino UNO & Ethernet Shield

Benötigte Komponenten

Hintergrund

Professionelle Pyranometer (Solareinstrahlungsmesser) kosten 200–800 $. Dieses DIY-Projekt nutzt eine einfache Solarzelle als Sensor: Die erzeugte Spannung ist proportional zur Einstrahlung. Mit bekanntem Innenwiderstand der Zelle und deren Fläche lässt sich die Leistung (W) und damit die Bestrahlungsstärke (W/m²) berechnen. Kosten: Bruchteile eines Profi-Geräts.

Messprinzip

• Solzelle liefert Spannung U proportional zur Bestrahlungsstärke.
• Über einen bekannten Lastwiderstand R (≫ Innenwiderstand) fließt Strom I = U/R.
• Leistung P = U² / R.
• Bestrahlungsstärke E = P / A (A = Zellenfläche in m²).
• Arduino misst U über Analogeingang (0–1023 → 0–5 V).

Wichtige Parameter

• Arduino Analog-Referenz: 5 V (Board-abhängig prüfen)
• Max. Zellenspannung (Datenblatt): typ. ~5 V bei Taschenrechnerzellen
• Zellenabmessungen (Länge × Breite in mm) für Flächenberechnung
• Lastwiderstand: 10 kΩ (im Code als RESISTANCE = 10 für kΩ)

Aufbau

1. Solzelle: Plus (rot) → 10 kΩ → Analogpin A0; Minus (schwarz) → GND. Polung vorher mit Multimeter prüfen.
2. Ethernet Shield aufstecken (keine zusätzlichen Verdrahtungen nötig).

Code: Standalone (Serieller Monitor)

#define ANALOG_PIN A0
#define RESISTANCE 10        // kΩ
#define PANEL_LENGTH 60      // mm
#define PANEL_WIDTH 20       // mm

volatile float Area, Power, Radiation;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);
  delay(100);
}

void loop() {
  Area = PANEL_LENGTH * PANEL_WIDTH / 10000.0;          // m²
  Power = pow(analogRead(ANALOG_PIN), 2) / RESISTANCE; // mW? (siehe Hinweis)
  Radiation = Power / Area;                             // W/m²
  Serial.print("Solareinstrahlung: ");
  Serial.print(Radiation);
  Serial.println(" W/m²");
  delay(1000);
}

Hinweis: Die Formel pow(analogRead,2)/R ist eine vereinfachte Näherung. Für absolute Genauigkeit muss die ADC-Referenzspannung (5 V / 1024) berücksichtigt werden: U = analogRead * (5.0/1024.0), dann P = U*U / (R*1000) (R in Ω), E = P / A.

Code: Mit Ethernet Shield (Webserver)

Der Arduino hostet einen Mini-Webserver (Port 80), der alle 5 s automatisch aktualisiert (Refresh: 5) und die aktuelle Bestrahlungsstärke als HTML ausliefert. MAC- und IP-Adresse im Code anpassen.

#include <SPI.h>
#include <Ethernet.h>
// ... Definitionen wie oben ...
byte mac[] = {0xDE, 0x0D, 0x8E, 0xEF, 0xFE, 0xED};
IPAddress ip(192, 168, 1, 177);
EthernetServer server(80);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Ethernet.begin(mac, ip);
  server.begin();
  Serial.print("Server @ "); Serial.println(Ethernet.localIP());
}

void loop() {
  // ... Berechnung wie oben ...
  char msg[64];
  sprintf(msg, "Solareinstrahlung: %.2f W/m²", Radiation);

  EthernetClient client = server.available();
  if (client) {
    boolean blank = true;
    while (client.connected()) {
      if (client.available()) {
        char c = client.read();
        if (c == '\n' && blank) {
          client.println("HTTP/1.1 200 OK");
          client.println("Content-Type: text/html");
          client.println("Connection: close");
          client.println("Refresh: 5");
          client.println();
          client.println("");
          client.print(msg);
          client.println("
");
          break;
        }
        if (c == '\n') blank = true;
        else if (c != '\r') blank = false;
      }
    }
    delay(1); client.stop();
  }
}

Typische Werte

• Bewölkter Tag: 150–300 W/m²
• Sonniger Tag: bis 900 W/m² (Äquatornähe)

Schaltplan

Solzelle → 10 kΩ → A0, GND gemeinsam. Ethernet Shield aufgesteckt.