Photovoltaik und Sonneneinstrahlung

Solarenergie im Fokus: Photovoltaik und Sonneneinstrahlung

Es gibt keinen Zweifel, dass die Sonnenstrahlung für Photovoltaikanlagen die wichtigste Grundvoraussetzung sind, um Solarstrom zu erzeugen. Deshalb ist es umso interessanter, sich mit dieser Thematik auseinanderzusetzen, das Grundprinzip sowie die Frage, ob sich Photovoltaik tatsächlich lohnt, beantworten zu können. 

Schnelle Informationen 

Um Photovoltaikanlagen zu betreiben, ist die Sonneneinstrahlung eine wichtige Kennziffer, mit der man den ungefähren Stromertrag prognostizieren kann. 

Für Messungen der Sonneneinstrahlung gibt es spezielle Karten der Wetterdienste oder spezialisierte Institute, die in der Lage sind, Echtzeit-Daten und Prognosen der zu erwartenden Sonneneinstrahlung zu erstellen. Solche Daten sind insbesondere für gewerbliche Photovoltaik-Anlagenbetreiber von großem Wert. 

Bei der auftreffenden Sonnenenergie auf die Erde sprechen wir von der Globalstrahlung oder direkter Sonneneinstrahlung. Im Gegensatz zur indirekten oder diffusen Sonneneinstrahlung, die jedoch auch ihre Berechtigung bei der Messung der Sonneneinstrahlung haben. 

Um die Sonnenenergie zu ermitteln, gibt es die sogenannte Globalstrahlungs-Formel. 

Der Inhalt im Überblick

1. Sonneneinstrahlung messen und prognostizieren
2. Definition und Werte 
3. Was bedeutet Globalstrahlung?
4. Indirekte Sonneneinstrahlung
5. Die Sonneneinstrahlung messen
6. Die Formel der Globalstrahlung
7. Wie wird die Strahlenintensität beeinflusst?
8. Fazit 

Photovoltaik und Sonneneinstrahlung stehen in direkter Verbindung zueinander. Die solare Einstrahlung ist der zentrale Wert des wirtschaftlichen Erfolgs einer PV-Anlage. Um den Ausbau von Solaranlagen zu beschleunigen, gibt es mittlerweile spezielle Karten des Deutschen Wetterdienstes, die die Anzahl der Sonnenstunden in den jeweiligen Regionen anzeigen. 

Sonneneinstrahlung messen und prognostizieren

Eine Möglichkeit, die Sonneneinstrahlung zu prognostizieren, bietet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Mit satellitenbasierten Echtzeit-Daten können brauchbare Echtzeitdaten für die Sonneneinstrahlung gegeben werden.

Die Beauftragung solcher Daten ist sicherlich für private PV-Anlagenbetreiber  zu viel des Guten, doch für PV-Großanlagen bzw. die Nutzung freier Konversionsflächen zur Installation einer Solaranlage förderlich. Denn gewerbliche Betreiber von PV-Anlagen können mit solch einem Verfahren der solaren Einstrahlung die daraus resultierende PV-Leistung genauer berechnen bzw. diese Daten zur Standortfindung nutzen. Die daraus resultierenden Vorhersagen zur Solarstromerzeugung fliessen in die wirtschaftliche Berechnung industrieller Solaranlagen ein. 

Definitionen und Werte 

 Als Solarstrahlung wird die gesamte Strahlung der Sonne auf die Erde bezeichnet. Aus wissenschaftlicher Sicht wird diese Einstrahlung auch als Solarkonstante (E0) bezeichnet. Um diese Bestrahlungsstärke in Zahlen auszudrücken, wird Watt pro Quadratmeter angezeigt. Außerhalb der Erdatmosphäre hat die Solarkonstante einen mittleren Wert von 1368 W/m2. Für uns auf der Erde ist dieser Wert jedoch unerheblich, da nur ein Bruchstück dieses Werts auf die PV-Anlage gelangt. Dennoch gehören diese Werte zum Grundverständnis der Solareinstrahlung. 

Leistungsoptimierer können Verschattungen durch bäume und Co. einer Photovoltaikanlage kompensieren.

Was bedeutet Globalstrahlung?

Fachleute sprechen bei der Sonnenenergie, die am Erdboden ankommt, von der Globalstrahlung, die ebenfalls in Watt pro Quadratmeter (W/m2) angegeben wird. Dabei unterteilt sie sich noch einmal in die direkte und indirekte Sonneneinstrahlung, die auch als diffuse Einstrahlung bekannt ist. Beeinflusst wird die Globalstrahlung von der täglich wechselnden Bewölkung. Ist der Himmel vollkommen wolkenlos, erreichen ca. 1000 W/m2 auf die Erdoberfläche. Je nach Intensität der Bewölkung kann dieser Wert auf 50 W/m2. abfallen. Das bedeutet jedoch: Auch bei bewölktem Himmel kann Solarstrom erzeugt werden, wenn auch entsprechend weniger.  

Der Prozess der Globalstrahlung ist ein wenig komplizierter als es auf den ersten Blick erscheint. Denn bevor die Solarstrahlung auf die Erde trifft, wird ein Teil dieser von der Atmosphäre reflektiert und geht unwiederbringlich für Solaranlagen verloren. Das bedeutet, es treffen nicht 100 Prozent der Globalstrahlung auf die Erde. Dennoch bewegt sie sich unbeirrt durch die Atmosphäre der Erde und trifft schließlich die Erdoberfläche. Daher sprechen wir von diesem Anteil auch von der direkten Sonneneinstrahlung. 

Indirekte Sonneneinstrahlung 

Der Weg der indirekten Sonneneinstrahlung dauert etwas länger. Denn bevor das Sonnenlicht auf der Erde ankommt, wird es gestreut, gebeugt, reflektiert oder auch gebrochen. Dies kann durch reflektierende Wolken geschehen oder durch vorhandene Aerosole, die sich in der Luft befinden. Aus diesem Grund ist die Kraft der diffusen Strahlung nicht mit der direkten Sonneneinstrahlung vergleichbar. Dennoch trägt sie ihren Anteil an der Solarstromerzeugung bei und sollte nicht außer Acht gelassen werden. 

Der große, globale Vorteil liegt in der nahezu immer gleichen Sonnenkraft und ihrer Strahlung. Ein großer Teil der Empfangsfläche liegt nicht senkrecht zur Sonne, sondern verteilt die Strahlung auf größer werdenden Flächen in Richtung der beiden Pole. Das bedeutet, an der Erdoberfläche kommt weniger direkte Sonnenstrahlung an. 

Hinzu kommt der Sonnenstand, der ebenfalls die Direktstrahlung reduziert. Mit den Jahreszeiten verändert sich demnach die Globalstrahlung und erreicht im Sommer ihren höchsten Stand. In den Wintermonaten, wenn die Sonne niedriger steht, trifft demnach weniger Sonnenenergie auf die Erde. Zusätzlich wird die Globalstrahlung auch durch die Atmosphäre verringert, wenn auch in geringem Maße. 

Die Sonneneinstrahlung messen 

Die Globalstrahlung, also die direkte Sonneneinstrahlung wird als Momentanwert ermittelt. Dabei werden Pyranometer genutzt, die die eintreffende Bestrahlungsstärke in Watt pro Kubikmeter misst. Dieser Wert ist für die Stromausbeute von Photovoltaikanlagen jedoch nur als Anhaltspunkt zu sehen, da er hohen Schwankungen unterliegt. Aus diesem Grund wird die gesamte Jahressumme angewendet, die einen durchschnittlichen Wert angibt. Dies ist notwendig, da aufgrund des natürlichen Jahreszeitenwechsel eine Tagesausbeute nicht aussagekräftig genug wäre. 

Die Formel der Globalstrahlung 

Aus diesem Grund kommt eine Formel für die Globalstrahlung zur Anwendung. In Deutschland gibt es durchschnittlich 8760 Sonnenstunden im Jahr. Berechnet wird die Jahressumme, indem die jeweilige Standort Globalstrahlung mit 8760 multipliziert und anschließend durch 1000 geteilt wird. 

Ein Beispiel bei einer durchschnittlichen Sonneneinstrahlung von 100 W / m2. 

100 W/m2 x 8760 Stunden / 1000 = 876 kWh/m2/a 

 Dieser Standort hätte demnach eine Globalstrahlung von 876 kWh. 

Wie wird die Strahlenintensität beeinflusst?

Das Auftreffen der Sonnenenergie bis zur Erde wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst. Es handelt sich also nicht um einen statischen Wert, sondern um eine stetig schwankende Strahlung, abhängig von:

• dem geologischen Breitengrad: Je näher zu den Polen, umso geringer ist die Sonneneinstrahlung 
• Der Sonnenstand: Je flacher der Winkel, umso geringer ist die Strahlung
• Die allgemeine Dauer vom Sonnenschein auf dem Erdball 
• Reflektierende Wolken
• Die Streuung bzw. Abstrahlung durch Schmutzpartikel und Staubteilchen in der Luft (Stichwort diffuse Sonneneinstrahlung)
• Die Luftverschmutzung
• Die Rückstrahlung durch die Wasseroberfläche oder Schnee bzw. anderen, sich spiegelnden Oberflächen 
• Die Höhenlage: Je höher umso höher ist auch die Himmelsstrahlung

Fazit

Für private PV-Anlagenbetreiber ist das Thema Sonneneinstrahlung interessant, aber nicht von großem Belang. Weitaus wichtiger ist das Wissen um die Standort Sonneneinstrahlung jedoch für industrielle oder gewerbliche Photovoltaikanlagen. Denn gerade bei Freiland-PV-Anlagen oder Konversionsflächen ist es vor der Installation der Solaranlage wichtig, die mögliche Stromausbeute zu kennen. Dafür sind die Werte der Sonneneinstrahlung nützlich, um die geplante Investition richtig einzusetzen. 

So könnt eine Photovoltaikanlage auf einem Satteldach eines Einfamilienhauses aussehen.