Sonnenstunden und Solarstrahlung: Photovoltaik-Ertrag berechnen

Wie hoch ist die Solarstrahlung? Was versteht man unter einer Sonnenstunde? Wie berechnet man den Ertrag einer Solaranlage anhand der Sonnenstunden?

• Die Globalstrahlung ("Solarstrahlung") beschreibt die Solarenergie in kWh pro m² und Jahr. In Deutschland kann mit rund 1.000 bis 1.100 kWh/m²a Sonnenstrahlung gerechnet werden.
• Als Sonnenstunde bezeichnet die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) einen 1-stündigen Sonnenschein, der mindestens auf eine Bestrahlungsstärke von 120 W/m² kommt. Im Durchschnitt rechnet man in Deutschland mit rund 1.550 Sonnenstunden pro Jahr.
• Die Berechnung des Solarertrags anhand der Sonnenstunden führt zu Minimal-Werten, anhand der Globalstrahlung zu Maximalwerten, da die individuellen Standortbedingungen nicht berücksichtigt werden.

Das Potential der Sonne als erneuerbare Energiequelle ist enorm: Übers Jahr landet eine Energiemenge von etwa 1,5 x 10¹⁸ Kilowattstunden (kWh) auf der Oberfläche der Erde. Zum Vergleich: Im Jahr 2010 lag der Weltenergiebedarf bei 1,4 x 10¹⁴ kWh. Die Sonne lieferte demnach das Zehntausendfache dessen an Energie, was in dem Bezugsjahr verbraucht wurde.

Die Intensität, mit der die Sonne im Schnitt ungedämpft auf die Erde gelangt, beträgt an der Grenze der Erdatmosphäre etwa 1.367 W/m². Dieser Wert ist die sogenannte Solarkonstante.

Von dieser Solarstrahlung trifft jedoch nur ein Bruchteil auf die Erdoberfläche – und damit die dort installierte Photovoltaik-Anlage – auf. Denn ein Teil der Sonnenstrahlen und damit auch ein Teil der Sonnenenergie wird von der Atmosphäre der Erde, besser: den darin befindlichen festen Schwebeteilchen wie Eiskristallen und Staub oder flüssigen Schwebeteilchen sowie den gasförmigen Bestandteilen gestreut und reflektiert.

Ein anderer Teil der Energie wird von der Erdatmosphäre absorbiert und direkt an Ort und Stelle in Wärme umgewandelt. Der Rest der Strahlung geht durch die Atmosphäre durch auf die Erdoberfläche. Auch dort werden die auftreffenden Strahlen teilweise reflektiert sowie absorbiert und in Wärme umgewandelt.

Welche Anteile reflektiert, absorbiert und durchgelassen werden, hängt vom jeweiligen Zustand der Erdatmosphäre ab, der wiederum maßgeblich von der herrschenden Luftfeuchtigkeit und Bewölkung beeinflusst wird.

Bei der Passage durch die Erdatmosphäre gehen etwa 30% der Strahlung durch Reflexion, Streuung und Absorption verloren, sodass noch etwa 70% der extraterrestrischen Solarstrahlung auf die Erdoberfläche treffen. Dieser mit Globalstrahlung bezeichnete Anteil lässt sich in eine direkte und eine diffuse Strahlung unterteilen.

Während die direkte Strahlung nur von der Sonne abgegeben wird, kommt die diffuse Strahlung aus der gesamten Himmelshalbkugel mit Ausnahme der Sonnenscheibe und wirft keinen Schatten. Das Verhältnis beider Strahlungsarten beträgt etwa 50:50. Je nach Wetterlage resultieren dann unterschiedliche Strahlungsleistungen.

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Die Sonnenscheindauer ("Sonnenstunde") stellt im Gegensatz zur Globalstrahlung eine einfach zu messende Größe dar: Das Monatsmittel der Sonnenscheindauer gibt die Zahl der Stunden an, an der die Sonne im Durchschnitt in einem Monat pro Tag mit einer bestimmten Intensität scheint.

In Deutschland beträgt die durchschnittliche jährliche Sonnenscheindauer je nach Ort zwischen 1300 und 1900 Stunden pro Jahr, im Mittel 1550 Stunden/Jahr.

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Um aus den Sonnenstunden nun die Solarstrahlung pro Jahr und den kWh Solarertrag bei einer PV-Anlage zu berechnen, kann man theoretisch folgende Rechenschritte (Beispiel-Rechnung: 5 kW_p PV-Anlage entspricht rund 30 m² Solaranlagenfläche mit Modul-Wirkungsgrad 15%) vornehmen:

0,12 kW/m² * 1550 h/a = 186 kWh/m²a

186 kWh/m²a * 30 m² * 0,15 = 837 kWh/a

Dies Ergebnis ist jedoch sehr ungenau und beschreibt nur den minimal möglichen Solarstromertrag in kWh, da gemäß der vorgenannten Sonnenstunden-Definition eine Sonnenstunde ab Erreichen eines Strahlungswertes von 120 W/m² als Sonnenstunde gewertet wird.

In der Praxis liegen die Strahlungswerte einer Sonnenstunde jedoch deutlich hierüber. Daher kann man zur näherungsweisen Berechnung des PV-Stromausbeute einer Solaranlage pro Jahr besser die Globalstrahlung heranziehen:

1000 kWh/m²a * 30 m² = 30.000 kWh/a

Eine Sonnenstunde hätte demnach eine durchschnittliche Strahlungsleistung von

30.000 kWh/a / 30m² / 1550 h = 645,16 W/m²

Da die Sonnenscheindauer und die Globalstrahlung jedoch nicht kleinräumige Abhängigkeiten wie etwa die Neigung und Ausrichtung der PV-Anlage oder die Verschattung mit einbeziehen, sind die so berechneten Durchschnittswerte nicht geeignet, um anhand der durchschnittlichen Strahlungsleistung einer Sonnenstunde auf den Solarertrag einer Solaranlage zu schließen. Diese würden damit nämlich zu hoch ausfallen.

Daher ist auch ein Umrechnen der Sonnenstunden nicht zielführend. Die Umrechnung macht jedoch Sinn, um den Solarertrag unterschiedlicher PV-Anlagen an unterschiedlichen Standorten in kWh/m²*Sonnenstunde miteinander zu vergleichen.

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Auch wenn sich nicht genau festlegen lässt, ab welcher Solarstrahlung und Sonnenstundenzahl sich der Betrieb einer PV-Anlage lohnt, weil der Ertrag, den die Anlage aus den verwertbaren Strahlen erzeugt, auch von individuellen Standort-Faktoren wie

• der Nennleistung der Anlage,
• der Dachneigung,
• der Ausrichtung des Daches gen Sonne (Himmelsrichtung) und
• der lokalen Verschattung

abhängt, kann man mit Hilfe unseres Photovoltaik-Rechners bereits vorab ermitteln, ob sich eine Photovoltaik-Anlage bei den an ihrem Standort gemessenen Werten für die Solarstrahlung und Sonnenstunde lohnt.

Experten-Tipp: Eine genaue Analyse der in der Praxis gemessenen Ertragsdaten von PV-Anlagen finden Sie für jeden Ort und Postleitzahl auch unter www.phovo.de

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