Letzte Aktualisierung: 18.11.2022

Experten-Wissen: Definition und Berechnung der Solarstrahlung

Die Solarstrahlung ist die (nahezu) unerschöpfliche Energiequelle der Sonne und kann in vielfältigster Form zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt werden. Energie-Experten informieren über die Zusammensetzung und Eigenschaften der Solarstrahlung und erklären, wie Sie die Solarstrahlung maximal nutzen können.

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Das Wichtigste in Kürze

  • Das Sonnenlicht ist das für uns sichtbare elektromagnetische Spektrum der Solarstrahlung.
  • Solarstrahlen lassen sich in Ultraviolette (UV)- und Infrarote (IR)-Strahlung unterteilen.
  • Wolken, Staub, Wassertröpfchen & Co. reflektieren, streuen und absorbieren rund 30 % der Sonnenstrahlung.
  • Die auf der Erdoberfläche eintreffende Solarstrahlung variiert je nach Messpunkt (Breitengrad und Standort) und Jahres- bzw. Tageszeit.
  • Über Photovoltaikanlagen können die Energie der Solarstrahlen in Strom umgewandelt werden.
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Solarstrahlung: Energie für Alle(s)

Der Ursprung der Sonnenstrahlung: Physikalische Eigenschaften der Sonne

Die physikalische Zusammensetzung und die resultierenden Reaktionen der Sonne definieren die Sonnenstrahlung. Bei der Fusionsreaktion von Wasserstoff (H) zu Helium (He) entsteht eine unvorstellbare Wärmeenergie von ca. 20.000.000 K (Kelvin). Die Solarstrahlung an der Oberfläche der Sonne beträgt rund 62,6 Megawatt pro Quadratmeter (MW pro m2).

Tabelle: Physikalische Eigenschaften der Sonne (Quelle: V. Quaschning (2016) Understanding Renewable Energy Systems).
Eigenschaften Kennzahlen
Durchmesser 1.392.000 km
Oberfläche 6,088*1012 km2
Wasserstoff 75 %
Helium 23 %
Andere 2 %
Masse 1,99*1030 kg
Dichte 1,41 g/cm3
Kerntemperatur 20*106 K
Oberflächentemperatur 5765 K

Die natürliche Schwankung der Strahlungsleistung der Sonne ist so gering, dass die Strahlungsleistung als nahezu konstant angenommen werden kann. Die Strahlungsenergie der Sonne wurde durch die sog. Solarkonstante definiert. Die Solarkonstante beträgt 1.367 W/m2 (oder auch J/m2s) und definiert sich als die Menge an aufgenommener Sonnenenergie in Joule pro Flächeneinheit (Quadratmeter, m2) und Zeiteinheit in Sekunden, die auf eine senkrecht zur Strahlung stehende, plane Oberfläche außerhalb der Erdatmosphäre bzw. am äußeren Rand der Atmosphäre auftrifft.

Die sichtbare Solarstrahlung

Das Sonnenlicht ist das für uns sichtbare elektromagnetische Spektrum der Solarstrahlung. Die elektromagnetische Strahlung setzt sich aus Photonen (Lichtteilchen) zusammen. Die Lichtteilchen im Spektrum der Solarstrahlung unterscheiden sich durch Energie (W/m2/nm) und Frequenz \(\lambda\) in Nanometer (SI-Symbol: nm). Die Photonen, bzw. die Solarstrahlen lassen sich in Ultraviolette (UV)- und Infrarote (IR)-Strahlung unterteilen. Die für den Menschen sichtbare Solarstrahlung hat eine Wellenlänge von 380 nm (violettes Licht) bis 780 nm (rotes Licht). Die Frequenz beträgt zwischen 789 Hz und 384 Terahertz (THz).

Solarstrahlung auf der Erdoberfläche

Die Erdatmosphäre und das Klima beeinflussen maßgeblich, wie viel der Sonnenstrahlung tatsächlich auf den Erdboden gelangt. Die wie eine Schutzhülle um die Erde liegende Atmosphäre schwächt die Sonnenstrahlung ab. Wolken, Staub, Wassertröpfchen & Co. stellen sich den Sonnenstrahlen in den Weg und reflektieren, streuen und absorbieren rund 30 % der Sonnenstrahlung. Besonders Ozon (O3), Kohlenstoffdioxid (C02) und Wasserdampf (H2O) weisen eine hohe Absorptionsfähigkeit der Photonen auf. Weiterhin variiert die Solarstrahlung auf der Erdoberfläche je nach Messpunkt (Breitengrad und Standort) und Jahres- bzw. Tageszeit.

Experten-Wissen Air Mass (AM): Die Luftmasse (AM) bezeichnet die Proportion der Atmosphäre, die von den Solarstrahlen durchdrungen werden muss, bevor diese die Erdoberfläche treffen. AM ist gleich "1", wenn die Sonnenstrahlen im 90° Winkel zur Erdoberfläche einstrahlen - die Sonne also im Zenit steht. Unter AM = 1,5 treffen die Solarstrahlen im 41,8° Winkel zum Boden auf die Erdoberfläche.

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Berechnung der Solarstrahlung

Die Solarstrahlung setzt sich aus Photonen mit unterschiedlicher Wellenlänge und Frequenz zusammen. Die Energie der Solarstrahlung (E) berechnet sich wie folgt:

\(E = {h\cdot c \over \lambda}\)

 

Wobei E die Energie der Photonen bei einer bestimmten Wellenlänge (λ), h die Planck’s Konstante und c die Geschwindigkeit des Lichts ist.

  • Planck’s Konstante h = 6,6260755*1034 Js
  • Lichtgeschwindigkeit c = 2,99792458*108 m/s

Für die Berechnung der potenziellen Solarerträge bieten sich verschiedene Berechnungstools an. Über den Solar-Rechner können Sie einfach und unkompliziert die Solarstrahlung für Ihren Standort berechnen. So wissen Sie direkt, ob und wann sich eine Photovoltaik- oder Solarthermie-Anlage lohnt.

Die Europäische Kommission führt mit der Datenplattform PVGIS ein intuitives Tool zur Berechnung der lokalen Solarstrahlung. Bei der Weltbank finden Sie eine weitere Datenplattform (Global Solar Atlas) zur Berechnung der Solarstrahlung. Mit dem Global Solar Atlas steht Ihnen ein umfassendes Tool zur freien Verfügung. Die Anbieter Solargis oder Meteonorm stellen Möglichkeiten zur Berechnung der Solarstrahlung.

Tabelle: Strahlungsleistung der Sonnenenergie nach Wetterlage und Jahreszeit.
Wetterlage Sommer Winter Jahres-Durchschnitt
klarer bis leicht diffuser Himmel 600 bis 1.000 W/m2 300 bis 500 W/m2 600 W/m2
leicht bis mittel bewölkter Himmel 300 bis 600 W/m2 150 bis 300 W/m2 338 W/m2
stark bewölkter bis nebelig-trüber Himmel 100 bis 300 W/m2 50 bis 150 W/m2 150 W/m2
Durchschnittswerte (alle Wetterlagen) 483 W/m2 225 W/m2 363 W/m2

Solarstrahlung nutzen: So schöpfen Sie das Potential aus!

Die nutzbare Solarstrahlung auf der Erdoberfläche bzw. durch Photovoltaik- und Solarthermie-Anlagen setzt sich aus der direkten Solarstrahlung (DNI) und der diffusen Solarstrahlung (DIF) zusammen. Die gesamte horizontal Einstrahlung des Sonnenlichts wird als globale horizontale Solareinstrahlung (GHI) bezeichnet.

Die Solarstrahlung trifft in Deutschland nie im 90° Winkel zur Oberfläche ein, die Sonne steht „über Deutschland“ also nie im Zenit. Damit die Solarstrahlung maximal genutzt werden kann, werden Solarmodule mit Neigungswinkel aufgestellt. Die Solarstrahlung ist maximal, wenn die Sonnenstrahlen im 90° Winkel direkt einstrahlen. Der Begriff Global tilted irradiation (GTI) bezeichnet die gesamte Solarstrahlung je nach Neigungswinkel der Solareinstrahlung. Je nach Breitengrad, Jahres- und Tageszeit ergibt sich demnach ein optimaler Neigungswinkel für eine Photovoltaik- oder Solarthermie-Anlage.

Die Solarenergie kann vielfältig genutzt werden. Photovoltaikanlagen wandeln die Energie der Solarstrahlen in Strom um. Wärme- bzw- Kälteenergie ist die zweite Energieform, die durch die Solarstrahlung erzeugt werden kann. Solarthermie-Anlagen versorgen sowohl private Haushalte als auch industrielle Prozesse mit Wärme.

Mit der konzentrierten Solarenergie (CSP) Technologie werden Solarstrahlen über Spiegel bzw. Reflektoren konzentriert gesammelt, sodass eine enorme Wärme entweder für die Strom- oder die Wärmeversorgung genutzt werden kann.

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Häufige Fragen (FAQ) zur Solarstrahlung

Wie hoch ist die Solarstrahlung der Sonne?

Die Solarstrahlung, die von der Sonne ausgeht, beträgt 1.367 W/m2 und kann mit Hilfe der Solarkonstante beschrieben werden. Die Solarstrahlung auf der Erdoberfläche variiert jedoch stark.

Wie hoch ist die Solarstrahlung in Deutschland?

Die durchschnittliche Solarstrahlung in Deutschland beträgt rund 363 W/m2, wobei die lokale Solarstrahlung je nach Breitengrad, Jahreszeit und Wetter stark variiert.

Wann ist die Solarstrahlung am höchsten?

Die Energie der Solarstrahlung ist am höchsten, wenn die Solarstrahlen im 90° Winkel zur Erdoberfläche (AM = 1) bei minimaler Absorption, Streuung und Reflektion in der Atmosphäre einstrahlen.

*Foto: Robert A. Rohde - commons.wikimedia.org / keine Änderungen / CC BY-SA 3.0

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