Der Photovoltaik-Anlagen Projektleitfaden - Solaranlagen Grundwissen von A-Z

Textprobe: Kapitel 2.1.1, Die Sonnenstrahlung: Die Strahlung der Sonne beträgt oberhalb der Erdatmosphäre durchschnittlich 1365 W/m2. Davon erreichen die Atmosphäre wegen der Kugelgestalt der Erde und der Sonnen-Abgewandten Nachtseite jeweils einer Erdhälfte aber nur 342 W/m2. Unter Sonnenstrahlung versteht man physikalisch einen Fluss von elektromagnetischen Wellen mit einer Energie von 8 J/ (cm2 x min.) bzw. 1,35 kW/m2 (Solarkonstante). Das Strahlungsspektrum beträgt: 10-16 m bis 106 m Wellenlänge. Das Spektrum wird unterteilt in ionisierende Strahlung, optische Strahlung und Hochfrequenzstrahlung. Die Strahlung wird verursacht durch die Reaktion von Wasserstoffatomkernen (Protonen) zu Heliumatomkernen (Kernfusion) mit über 14 Millionen °C im Kern der Sonne. Im SI-System ist die Energieeinheit das Joule (1J = 1Nm) und der Strahlungsfluss wird in der Einheit J/s m² angegeben, was gleichbedeutend der Einheit W/m² ist. In älteren Lehrbüchern ist als Einheit die cal gebräuchlich. Die Strahlung, die die Erde erreicht, stammt aus einem äußeren Bereich der Sonne, wo die Temperatur an der Sonnenoberfläche nur noch ca. 5000-6000 °C beträgt. Die höchste Strahlungsintensität und damit den Hauptanteil der Energie liefert der Bereich des sichtbaren Lichts von 380-750 nm Wellenlänge (violett bis rot) mit ca. 50 %, gefolgt von der Infrarot-Strahlung von 750 nm - 24 µm (nah bis weit) und der UV-Strahlung von 10-380 nm (extrem weit bis nah). Sowohl der Ultraviolettanteil (UV-C und UV-B) als auch der mittlere Infrarotanteil liefern mit je ca. 1% nur einen geringen Energiebeitrag (bezogen auf Meeresspiegelhöhe). Die Intensität der Sonneneinstrahlung auf eine horizontale Fläche ist abhängig von der auftreffenden Sonnenstrahlung und der Sonnenhöhe. Die auf die Erde treffende Sonnenstrahlung rührt aus der Temperatur der Sonnenoberfläche her. Hier die Bezeichnungen einzelner Wellenlängenbereiche des Sonnenspektrums. Die solare Einstrahlung auf die Erde liefert im Jahr über 219.000 Billionen kWh Energie. Das ist 2500 mal mehr, als die gesamte Weltbevölkerung verbraucht. In Deutschland beträgt die durchschnittliche Globalstrahlung etwa 1.075 kWh/m²a, was etwa 50% der Strahlungsintensität entspricht, die auf die Sahara trifft. Dazwischen, im Süden Spaniens und in Nordafrika, liegt der Wert bei 1.750 kWh/m². Außerhalb der Erdatmosphäre ist die Intensität der Sonnenstrahlung abhängig vom Abstand zwischen Erde und Sonne. Dieser Abstand beträgt ca. 150 Mio. km (= 1 AE oder 8,3 Lichtminuten). Dadurch dass der Abstand der Sonne zu Erde variiert, verändert sich die Bestrahlungsstärke zwischen 1325 W/m² und 1412 W/m². Der Mittelwert wird als Solarkonstante bezeichnet. Auf der Erdoberfläche wird diese Bestrahlungsstärke nicht erreicht, da beim Durchgang durch die Atmosphäre die Solar-Strahlung durch Reflexion und Absorption (Luftmoleküle, Staubteilchen oder Verunreinigungen der Luft reduzieren durch Streuung ebenfalls die Sonneneinstrahlung) eine Abschwächung erfährt, die unter dem Begriff Extinktion zusammengefasst wird. Bei schönem Wetter wird an der Erdoberfläche in der Mittagszeit eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² erreicht. Dieser Wert ist unabhängig vom Standort. Durch Reflexionen an vorbeiziehendenden Wolken können an locker bewölkten Tagen die höchsten Einstrahlungsspitzen auftreten. Diese können bis zu 1400 W/m² betragen. Summiert man den Energiegehalt der Sonneneinstrahlung über ein Jahr, so erhält man die jährliche Globalstrahlung in kWh/m². Dieser Wert ist regional, je nach der Entfernung zum Äquator und dem Sonnenabstand, sehr variabel.