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Letzte Aktualisierung: 18.03.2024
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Wir sparen für Sie bis zu 37% - durch unseren Experten-Vergleich!Wie ist die Solarkonstante definiert? Wie wird ihr Mittelwert hergeleitet? Welche Faktoren beeinflussen sie? Wie lässt sie sich berechnen?
Die Solarkonstante ist die langjährig ermittelte außerirdische (extraterrestrische) Bestrahlungsstärke der Sonne, die bei einem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne und unbeeinflusst von der Atmosphäre senkrecht zur Strahlrichtung auf die Erde trifft. Wobei hier die Bezeichnung „Konstante“ gängig ist, gleichwohl die Solarkonstante keine sogenannte Naturkonstante ist. Sie wurde 1982 von der Weltorganisation für Meteorologie auf im Mittel E0 = 1.367 Watt pro Quadratmeter festgelegt. "E" steht dabei für das Formelzeichen der Bestrahlungsstärke.
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Diese Strahlungsintensität wird auch solarer Strahlungsfluss und extraterrestrische (außerirdische) Sonnenbestrahlungsstärke genannt. Wichtig: Gleichwohl die Solarkonstante im engeren Sinne keine Naturkonstante ist, wird sie in der Theorie per Definition wie eine behandelt.
Die Weltorganisation für Meteorologie hat 1982 einen Mittelwert für die Solarkonstante festgelegt. Entsprechend dieser Herleitung beträgt der Mittelwert:
E0 = 1.367 W/m2
Die Solarkonstante lässt sich gemäß der oben genannten Definition auch als Energiedosis in Energiemenge in Joule (J) pro Fläche in m2 und Zeiteinheit in Sekunden (s) herleiten:
E0 = 1.367 J/m2s
Ebenso gilt die Angabe der Solarkonstanten als Energiedosisrate in Masse pro Zeiteinheit:
E0 = 1.367 kg/s3
Ein Mittelwert wurde deshalb festgelegt, weil die Solarkonstante naturgemäß schwankt. Der Grund für die Schwankungen ist der: Die Erde umrundet die Sonne im Verlauf eines Jahres in einer exzentrischen Bahn, so dass der Abstand zwischen Sonne und Erde entsprechend variiert: jahresperiodisch zwischen 147,1 mal 106 Kilometern (km) und 151,1 mal 106 km. Mit dem variierenden Abstand Erde–Sonne variiert auch die extraterrestrische Bestrahlungsstärke zwischen 1.325 und 1.420 W/m2.
1367 W/m2 |
136.7 mW/cm2 |
0.1367 W/ cm2 |
1.367 x 106 erg/cm2 s |
127.0 W/ft2 |
0.03267 cal/ cm2 s |
1.960 cal/ cm2 min. |
1.960 Ly/min. (thermochemical cal/cm2 min.)a |
1.957 Ly/min. (mean cal/cm2 min.)a |
433.4 Btu/ft2 hr |
0.1204 Btu/ft2 s |
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Auf lange Sicht wächst die Strahlungsleistung der Sonne um etwa ein Prozent alle 100 Millionen Jahre, weil sich die Sonne auf natürlichem Weg zu einem sogenannten Hauptreihenstern entwickelt. Zum Vergleich: Kurz nach ihrer Entstehung hatte die Sonne eine Leuchtkraft, die nur etwa 70 Prozent der aktuellen Leuchtkraft betrug.
Die Strahlungsleistung der Sonne wird stets in Bezug zu einer Fläche angegeben, auf die die Sonnenstrahlen im rechten Winkel (senkrecht) treffen. Weicht der Einstrahlungswinkel davon ab, weil die Sonne nicht senkrecht über der bestrahlten Oberfläche steht, berechnet man ihre Strahlungsleistung in Bezug auf die bestrahlte Fläche so:
E0 mal sin(α) α
entspricht dabei dem Einfallswinkel der Strahlen auf die Oberfläche.
Angesichts der eben getroffenen Aussagen zum Einstrahlungswinkel wird offensichtlich, dass auch die Lage einer Empfangsfläche für Solarstrahlung (sprich: der Standort einer Solaranlage) auf dem Erdball die Menge der Solarstrahlen beeinflusst, die dort auftreffen, und somit deren Solarertrag mitbestimmt.
Nicht ohne Grund wird die Solarkonstante als extraterrestrische Größe ermittelt: Denn 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 diese.
Damit der Einfluss der Erdatmosphäre unberücksichtigt bleibt, wird die Solarkonstante seit Ende der 1970er-Jahre im Weltall gemessen – koordiniert vom Königlichen Meteorologischen Institut von Belgien. So beobachtet der Satellit Soho mit Hilfe des Radiometers Virgo seit 1995 stetig die Sonne.
Mit der Solarkonstanten wird auch die Strahlungsleistung Phi Φ der Sonne berechenbar. Dazu muss die Solarkonstante mit der Oberfläche A einer Hüllkugel um die Sonne mal genommen werden, wobei die Kugel den Radius des mittleren Erdabstands r = 149,6 mal 109m aufweist:
Φ = E0A = E0 mal 4πr2 = 3,845 mal 1026W
Wer die Solarkonstante kennt, kann außerdem berechnen, wie hoch die Strahlungsleistung der Sonne ist, die stetig auf die Erde trifft. Sie ergibt sich als Produkt aus der Multiplikation der beiden Faktoren:
Solarkonstante mal Fläche der Erdkontur
Dabei kann die Erdkontur annähernd als ein Kreis mit Erdradius angenommen werden, so dass man auf einen Wert von 174 Petawatt (PW) für die Strahlungsleistung kommt, die vom Absender Sonne auf der Erde auftrifft.
Mit dieser Angabe lassen sich Diskussionen argumentativ untermauern, die sich um das Potential von Erneuerbaren Energien drehen, insbesondere das Potential von Solarenergie, aus der sich mit
erzeugen lässt. So betrug der Energiebedarf der Weltbevölkerung im Jahr 2010 140 Petawattstunden (PWh). Das heißt: In nur einer Stunde strahlt die Sonne fast so viel Energie auf die Erde, wie in einem Jahr dort von uns Menschen gebraucht wird.
Und beim Diskutieren bleibt es nicht. Das Wissen um die Solarkonstante hilft auch beim Planen von wirtschaftlich betriebenen Solaranlagen und bei deren technischer Umsetzung. So kann mit der Solarkonstante unter Berücksichtigung der Strahlungsverluste aufgrund der oben angeführten Einflussfaktoren berechnet werden, welcher Solarertrag an einem bestimmten Standort mit einer Solaranlage realisierbar ist. Somit hilft die Solarkonstante beim Bewerten von Solaranlagen und macht diese auch miteinander vergleichbar.
Tipp: Auf der Solar-Webseite phovo.de finden Sie alle in der Vergangenheit in der Praxis gemessenen Solarstromerträge von PV-Anlagen in jeder Stadt in Deutschland. Hier können Sie ganz einfach ablesen, mit welche Ertragswerten Sie bei Nutzung einer PV-Anlage realistisch rechnen können.
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