Direkte Strahlung

• Was ist direkte Strahlung? Direkte Strahlung bezeichnet jene Sonnenstrahlen, die ohne Streuung durch Wolken oder Partikel auf die Erdoberfläche treffen. Diese Form der Solarenergie ist besonders intensiv und bildet die wichtigste Grundlage für hohe Energieerträge bei der Nutzung effizienter Solarthermieanlagen im Eigenheim.
• Wie beeinflusst sie den Ertrag? Die direkte Strahlung bestimmt maßgeblich die thermische Leistung, da sie ungehindert auf die Absorber der Kollektoren trifft. Eine hohe Einstrahlung ermöglicht es der Solarthermie, das Wasser im Speicher deutlich schneller zu erhitzen, was die Effizienz des gesamten Systems zur Heizungsunterstützung spürbar steigert.
• Welche Ausrichtung ist optimal? Um die direkte Strahlung ideal zu nutzen, sollten Solarkollektoren nach Süden ausgerichtet sein. Ein Neigungswinkel zwischen 30 und 50 Grad maximiert die Aufnahme der Solarenergie, da die Sonnenstrahlen so in einem optimalen Winkel auftreffen und die Reflexionsverluste an der Glasoberfläche minimiert werden.
• Direkte vs. diffuse Strahlung? Während direkte Strahlung scharf konturierte Schatten wirft und punktgenau Energie liefert, ist diffuse Strahlung gestreut und richtungslos. Für maximale Temperaturen in der Solarthermie ist die direkte Komponente essenziell, da sie eine wesentlich höhere Energiedichte aufweist als das indirekte Licht an bewölkten Tagen.
• Was sind Reflexionsverluste? Reflexionsverluste entstehen, wenn direkte Strahlung in einem flachen Winkel auf die Kollektorglasfläche trifft und teilweise zurückgeworfen wird. Durch spezielle Antireflexbeschichtungen moderner Solarthermieanlagen lässt sich dieser Effekt reduzieren, wodurch mehr wertvolle Solarenergie in nutzbare Wärme für das Brauchwasser umgewandelt werden kann.

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.