Direkte Strahlung

Nur ein Teil der Sonnenstrahlung erreicht die Erdoberfläche auf direktem Weg, der Rest wird in der Atmosphäre gestreut oder absorbiert. Der Ertrag einer Solaranlage wird maßgeblich von der direkten Strahlung bestimmt.

Die Absorptionsverluste in der Atmosphäre sind relativ hoch, sie hängen stark von der Länge des Strahlungswegs durch die Atmosphäre ab. Im Jahresmittel sind sie daher umso größer, je weiter ein Standort vom Äquator entfernt ist. Die an der Oberseite der Atmosphäre einfallende Sonnenstrahlung ist – soweit bis heute bekannt – nahezu unveränderlich, sie beträgt 1.367 Watt pro Quadratmeter. Dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet.

Auf der Erdoberfläche kommt davon nur ein Teil als direkte Strahlung an. In Deutschland beträgt die über das Jahr gemittelte Einstrahlung (diffuse und direkte Strahlung) rund 120 Watt pro Quadratmeter. Der genaue Wert hängt vom Standort ab, im Süden ist die Einstrahlung tendenziell höher als im Norden. Dementsprechend schwankt die während eines Jahres eingestrahlte Energie zwischen etwa 850 und 1200 Kilowattstunden pro Quadratmeter.

Die auf der Oberfläche ankommende Strahlung wird als Globalstrahlung bezeichnet. Etwa die Hälfte dieser Strahlung erreicht die Erde als direkte Strahlung, die andere Hälfte als diffuse Strahlung. Insgesamt beeinflussen also zahlreiche Faktoren den Ertrag einer Solaranlage an einem bestimmten Standort. Das kostenlose Tool PVGIS ermöglicht es, den Ertrag für jeden Standort recht präzise abzuschätzen.

Das größte Problem der diffusen Strahlung besteht aus technischer Sicht darin, dass sie keine Strahlungsrichtung aufweist, also von allen Seiten kommt. Damit trifft ein großer Teil der Sonneneinstrahlung unter sehr ungünstigen Winkeln auf die Glasabdeckung der Solarmodule beziehungsweise Solarkollektoren, was zu hohen Reflexionsverlusten führt.

Bei einer Solarthermieanlage werden diese Verluste zumindest zu einem kleinen Teil dadurch ausgeglichen, dass der Wirkungsgrad der Gesamtanlage bei niedrigen Temperaturen besonders hoch ist, weil kaum thermische Verluste auftreten. Komplizierter stellt sich die Lage im Fall der Photovoltaik dar.

Der Wirkungsgrad des Wechselrichters ist bei höheren Leistungen optimal, weswegen die Photovoltaik schlecht geeignet ist, um geringe Reststrahlung zu nutzen. Andererseits ist die Rayleigh-Streuung ein wesentlicher Streumechanismus in der Atmosphäre. Diese lenkt vor allem kurzwelliges Licht in Richtung der Erdoberfläche, weswegen der Himmel blau erscheint. Genau diese Wellenlängen können Solarmodule optimal nutzen.

Aus pragmatischer Sicht lohnt es sich für Anlagenbesitzer eigentlich nicht, sich über diffuse Strahlung allzu viele Gedanken zu machen, da sich daraus keine Konsequenzen ableiten lassen. Das Beste ist es, die Solarkollektoren beziehungsweise Solarmodule optimal zur Sonne auszurichten und so die Ausnutzung der direkten Strahlung zu optimieren. Auf die Nutzung des diffusen Strahlungsanteils kann man kaum Einfluss nehmen.