Die Sonnenstrahlung

Als Sonnenstrahlung bezeichnet man die elektromagnetische Energie, die bei der Fusion des in der Sonne enthaltenen Wasserstoffes freigesetzt wird.

Die Intensität und die Verteilung der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche hängen von der Zusammensetzung der Atmosphäre ab: auf dem Erdboden liegt die Sonnenenergie innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 0,2 - 2,5 Mikrometer:

0,2 - 0,38 Mikrometer = Ultraviolett (6,4% der im Strahlungsbereich enthaltenen Gesamtenergie)
0,38 - 0,78 Mikrometer = sichtbarer Bereich (48%)
0,78 - 10 Mikrometer = infraroter Bereich (45,6%)

Der für kristalline Silizium-Solarzellen wandelbare Bereich beginnt bei 0,35 Mikrometern und schließt den gesamten Infrarotbereich ein.
Die Sonnenenergie ist zwischen 0,5 und 0,55 Mikrometer am höchsten.

Extraterrestrische Strahlung ("Solarkonstante"): 1.367 W/m² ± 3,3 % (auf Grund des unterschiedlichen Abstandes Erde - Sonne)

Um die Einwirkungen der Atmosphäre zu berücksichtigen, wurde die sogenannte Luftmasse AM1 (Air Mass One) eingeführt. Sie gibt die Dicke der Standardatmosphäre an, die von der senkrecht zur Erdoberfläche eintreffenden Strahlung durchlaufen und auf Höhe des Meeresspiegels gemessen wird.

AM = (1 - 0,1 * Höhe)/sin HS vergleichbar mit: 1 / sin HS, wobei HS dem Höhenwinkel der Sonne entpricht (Winkel zwischen der Sonnenlinie und der horizontalen Fläche)

Air Mass außerhalb der Atmosphäre: AM = 0
Bei einem Höhenwinkel der Sonne HS gleich 90°: AM = 1
Bei HS gleich 42°: AM = 1,5 (dieser AM wird in Labortests mit Solarmodulen zur Bestimmung ihrer Nennleistung berücksichtigt).

Bei einem Vergleich des Strahlungsspektrums am Erdboden bei AM1 mit dem Strahlungsspektrum im Weltraum bei AM0 stellt man beim Spektrum unter der Bedingung AM1 das Vorhandensein zahlreicher Löcher fest. Sie sind im Spektrum bei AM0 nicht vorhanden und auf folgendes zurückzuführen: 1) auf die Absorbierung durch Moleküle von Wasserdampf, Luftdampf und Luftstaub und 2) auf die Reflektierung der Strahlen ins All.

Globalstrahlung = Direktstrahlung + Diffusstrahlung + Reflexion ( = 1.000 W/m²). Im Winter ist der Prozentanteil der Diffusstrahlung (Streulicht) beträchtlich höher. Im Jahresdurchschnitt macht die Diffusstrahlung 55% der Globalstrahlung aus..

Bei der Berechnung der Dimensionierung von Photovoltaik-Systemen ist es angebracht, den Albedo-Koeffizient zu berücksichtigen, der die Reflexion vom Erdboden misst. Dieser Koeffizient hängt von der Beschaffenheit des Bodens ab..

Gras: 0,15 - 0,25
Neuschnee: 0,82
Trockener Asphalt: 0,09 - 0,15

Die Intensität der Sonneneinstrahlung am Erdboden hängt vom Neigungswinkel der einfallenden Strahlung ab. Je kleiner der Winkel, den die Sonnenstrahlen mit einer waagerechten Fläche bilden, desto größer ist die Dicke der Atmosphäre, die sie zu durchlaufen haben. Folglich ist die Strahlung, die auf der Oberfläche auftrifft, um so geringer.

Messsysteme (Solarmeter):

• Pyranometer: 2 Thermoelemente (eins im Kontakt mit der Atmosphäre und eins auf der Rückseite im Dunkeln). Der Spannungunterschied zwischen den beiden Elementen ergibt die Strahlung. Kostspielig (1.500 euro), präzise (1%).
• Bezugszellen: basiert auf einer kleinen Solarzelle. Geringerer Kostenaufwand (ca. 250 euro), geringere Präzision (5%).

Tabellen zur Sonnenstrahlung Diffusstrahlung + Direktstrahlung) --> kWh/m²/Tag: sollte für jeden Monat des Jahres zur Verfügung stehen, um die Ausmaße der Anlage je nach Art des Einsatzes korrekt berechnen zu können.

In unseren Breiten liegt die optimale Flächenneigung der Module (oder der Kollektoren bei Wäremanlagen), bei der ein Höchstmaß an Energie im Laufe des Jahres aufgenommen wird, bei ungefähr 35°. Wird das System überwiegend im Winter eingesetzt, sollte der Neigungswinkel 55° - 60° betragen. Aufgrund des unterschiedlichen Anteils von Direkt- und Diffusstrahlung können diese Winkel von Ort zu Ort variieren, auch innerhalb derselben Breite.