Diffuse Strahlung

• Was ist diffuse Strahlung? Diffuse Strahlung bezeichnet Sonnenlicht, das durch Wolken, Nebel oder Luftpartikel gestreut wird und indirekt auf Solarthermieanlagen trifft. Im Gegensatz zur direkten Strahlung kommt dieses Licht aus allen Richtungen am Boden an, liefert aber weiterhin nutzbare Solarenergie für moderne Kollektorsysteme.
• Nutzt Solarthermie indirektes Licht? Ja, moderne Solarthermieanlagen wandeln diffuse Strahlung effizient in Wärme um, selbst wenn der Himmel bewölkt ist. Hochleistungsabsorber in Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren fangen das gestreute Licht ein, sodass die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung auch bei unbeständigem Wetter zuverlässig mit wertvoller Umweltenergie funktionieren.
• Welche Kollektoren sind am besten? Vakuumröhrenkollektoren gelten als besonders leistungsstark bei diffuser Strahlung, da ihre Bauform Wärmeverluste minimiert. Sie nutzen das indirekte Licht effizienter aus als einfache Flachkollektoren. Diese fortschrittliche Solarthermie gewährleistet dadurch auch in lichtarmen Monaten einen stabilen Ertrag und reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen spürbar.
• Wie hoch ist der Strahlungsanteil? In Deutschland macht die diffuse Strahlung im Jahresdurchschnitt etwa 50 bis 60 Prozent der gesamten Globalstrahlung aus. Da direkte Sonnenstrahlen oft durch Bewölkung blockiert werden, ist die Verwertung dieser indirekten Solarenergie für die Wirtschaftlichkeit jeder thermischen Solaranlage von entscheidender Bedeutung im hiesigen Klima.
• Funktioniert Solarthermie im Winter? Thermische Solaranlagen produzieren auch im Winter Wärme, sofern diffuse Strahlung oder direktes Licht auf die Kollektorfläche trifft. Zwar fällt die Ausbeute geringer aus als im Sommer, dennoch unterstützt die gewonnene Solarenergie das Heizsystem effektiv und senkt die laufenden Heizkosten während der kalten Jahreszeit kontinuierlich.

Diffuse Strahlung weist im Gegensatz zu direkter Sonneneinstrahlung keine klare Richtung auf, dieses Licht kommt von allen Seiten. Es entsteht primär durch Lichtablenkung an Molekülen in der Atmosphäre, aber auch Reflexionen an der Erdoberfläche tragen dazu bei. Im Jahresmittel beträgt ihr Anteil in Deutschland etwa 50 Prozent an der Gesamtstrahlung. Im Sommer dominiert die direkte Einstrahlung, während im Winter oft nahezu ausschließlich diffuse Strahlung die Erdoberfläche erreicht.

Dazu tragen Nebel, Wolken, Luftverschmutzung oder auch eine hohe Luftfeuchtigkeit bei. Der Ertrag einer Photovoltaikanlage sinkt bei diffuser Einstrahlung erheblich. Das hängt nicht ausschließlich damit zusammen, dass diffuse Strahlung von den Solarmodulen schlechter verwertet werden kann. Eine wichtige Rolle spielt auch, dass unter den genannten Wetterbedingungen deutlich mehr Licht in der Atmosphäre absorbiert wird. Diese Kombination aus Absorption und Streuung des Sonnenlichts ist für den dramatischen Einbruch des Ertrags einer Photovoltaikanlage bei schlechtem Wetter verantwortlich. Es wird deutlich weniger Energie eingestrahlt, die darüber hinaus noch schlechter verwertet werden kann.

Ein wenig besser ergeht es Solarthermieanlagen. Die Absorber können jede Art von Strahlung recht gut verarbeiten, weswegen der Einbruch des Wirkungsgrads bei diffusen Lichtverhältnissen weniger dramatisch ausfällt. An einem sehr trüben Wintertag kann die eingestrahlte Leistung jedoch auf etwa 50 Watt pro Quadratmeter sinken, an einem Sommertag können es mehr als 1.000 Watt sein.

Marktreife haben bereits die Dünnschichtmodule erreicht, die bei diffuser Strahlung ein wenig besser abschneiden als Solarmodule aus kristallinem Silizium. Noch im Entwicklungsstadium befinden sich zwei weitere Technologien. Sogenannte Tandem-Solarzellen enthalten mehrere übereinander angeordnete Halbleiterschichten, die Licht aus unterschiedlichen Teilen des Spektrums nutzen. Das erweist sich unter allen Wetterbedingungen als vorteilhaft, besonders aber bei diffuser Einstrahlung.

Eine weitere Idee besteht in der Verwendung von Solarglas mit speziellen Brechungseigenschaften. Da diffuse Strahlung aus allen Richtungen einfällt, wird an speziellen Gläsern geforscht, die flach einfallendes kurzwelliges Licht verstärkt in Richtung des absorbierenden Halbleiters ablenken. Photovoltaik-Module aus Silizium können nur dieses kurzwellige Licht nutzen.

Solarzellen erzielen einen großen Teil ihres jährlichen Ertrags in den Sommermonaten, wenn die Sonne direkt auf die Solarmodule scheint. Eine geringfügige Steigerung des Wirkungsgrads bei diffuser Strahlung hat auf den jährlichen Ertrag nur kleine Auswirkungen. Bei allen diesbezüglichen technischen Verbesserungen muss daher geprüft werden, ob sie sich wirtschaftlich rechnen und ob gegebenenfalls der zusätzliche Energieaufwand bei der Produktion in einem vernünftigen Verhältnis zum Mehrertrag steht.