2. Physikalische Grundlagen

Die Sonne stellt für uns eine unerschöpfliche Energiequelle dar. Diese zu nutzen ist das Ziel der Solaranlagen, über Solarzellen zur Erzeugung elektrischer Energie oder über Sonnenkollektoren zur Erzeugung von Wärmeenergie. Eine Solaranlage ist im Prinzip also nichts anderes als ein Energieumwandler. Leider läßt sich nicht die komplette Strahlungsenergie der Sonne in elektrische bzw. Wärmeenergie umwandeln. Den ersten Verlustmechanismus stellt unsere Atmosphäre dar. Wie sich diese auf das Sonnenspektrum auf der Erde auswirkt, soll dieses Kapitel klären.

Physikalisch kann die Sonne annähernd als ein Schwarzer Strahler mit einer Oberflächentemperatur von 5.785 K und einer Strahlungsleistung von 6,35 kW/cm² betrachtet werden.[1] Oberhalb der Erdatmosphäre liegt entsprechend eine extraterrestrische Strahlung von 1350 W/m² vor. Auf dem Weg durch die Atmosphäre wird die spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung durch Absorption und Streuung verändert.[2] Vor allem durch Wasserdampf, Sauerstoff und Kohlendioxid wird die meist selektive Absorption verursacht, woraus sich Bandlücken ergeben. Lediglich Ozon absorbiert in einem breiten Spektrum von 200 bis 700 nm und filtert somit, wie untenstehende Abbildung zeigt, einen großen Teil der UV-Strahlung (links des sichtbaren Bereichs) aus.

Abbildung 2.1 zeigt das Spektrum eines schwarzen Körpers (a) sowie das Sonnenspektrum über der Atmosphäre (b) und auf der Erde (c):[3]

Für den Betrieb von Solaranlagen ist die Globalstrahlung von Bedeutung. Sie ist die Summe aller direkter, diffuser und reflektierter Strahlung, die auf eine horizontale Ebene auftritt. Die direkte Strahlung kommt unmittelbar von der Strahlungsquelle, also der Sonne, und läßt sich an ihrem scharfen Schattenwurf erkennen. Die diffuse Strahlung wird auf ihrem Weg durch die Atmosphäre gestreut und trifft daher ungerichtet und weniger stark in ihrer Intensität auf die Erdoberfläche. Die reflektierte Strahlung hat ihren Ursprung in der Reflexion der Sonnenstrahlung in der Umgebung eines jeden Hauses, z.B. durch Fensterscheiben. Die Globalstrahlung ist abhängig von dem Verhältnis der direkten zur indirekten Strahlung, dem Einfallswinkel und der Länge des Weges durch die Atmosphäre.

Das Verhältnis zwischen direkter und indirekter Strahlung ist abhängig von der Anzahl der in der Atmosphäre zur Verfügung stehender Streukörper (z.B. Wolken, aber auch einfach hohe Luftfeuchtigkeit) und der Länge des Weges durch die Atmosphäre.

Die Abhängigkeit vom Einfallswinkel läßt sich über das Lambert´sche Gesetz beschreiben:

J: Strahlungsstrom

b : Einstrahlwinkel

J0: Strahlungsstrom bei senkrechtem Einfall

Die Bedeutung der Länge des Weges durch die Atmosphäre läßt sich folgendermaßen erklären: Auf dem Weg durch die Atmosphäre kann die Strahlung absorbiert oder gestreut werden. Bei Absorption nimmt der Strahlungsstrom exponentiell ab:

J: Strahlungsstrom

J0: Strahlungsstrom vor Eintreffen in die Atmosphäre

t: Absorptionskoeffizient

l: Länge des Weges durch die Atmosphäre

 

Um diese Änderung zu charakterisieren, führte man den Begriff der "Air Mass" (AM) ein.

Abbildung 2.2 zeigt AM-Werte für verschiedene Tage im Jahr in Berlin:[4]

 

AM0 steht dabei für die Strahlung vor dem Eintreten in die Atmosphäre, AM1 kennzeichnet den senkrechten Einfall des Sonnenlichts auf die Erdoberfläche. Umgerechnet in den Strahlungsstrom ergeben sich für die "Air Mass" in etwa folgende Werte:[5]

 

Informationen über die Strahlungsbedingungen lassen sich vielerorts tabellarisch oder als Karte finden. Als Quellen seien hier erwähnt der Deutsche Wetterdienst, Klimaatlanten und die vielen Veröffentlichungen der meteorologischen Institute, die in der Regel auch über das Internet zu erreichen sind. Eine detaillierte Auflistung der Globalstrahlung über einen Zeitraum von 5 Jahren in verschiedenen Städten Deutschlands läßt sich bei Fox (1998) finden.

Eine grobe Betrachtung der mittleren Globalstrahlung über Deutschland zeigt Werte von etwa 800 bis 1300 kWh pro Jahr und m² mit einem deutlichen Süd-Nord-Gefälle.

Abbildung 2.3 zeigt die Verteilung des langjährigen Mittels der Globahlstrahlung in Deutschland:[6]

 

Auf dem Weg durch die Atmosphäre ist der Strahlungsstrom also verschiedenen Verlusten ausgesetzt. Bei der Betrachtung verschiedener Anlagetypen wird zusätzlich ersichtlich, daß von ihnen wiederum nur ein Teil der ankommenden Strahlung in Nutzenergie umgesetzt werden kann; diese Betrachtung erfolgt bei der Diskussion der verschiedenen Anlagetypen.

Der interessierte Leser erhält bei Quaschning[7], Fox[8], Müller[9] und anderen detaillierte Informationen über die physikalischen Vorgänge sowie deren mathematischer Beschreibung, sowohl in Anbetracht der Strahlung als auch in Anbetracht der Solaranlagen.

1 Leser H. (Hrsg.), 1997: 789

2 Institut für Elektrische Energietechnik (TU Berlin), Online-Information vom 12.11.1998

3 Wahnfried A. W., Online-Information vom 06.07.1999

4 Quaschning V., 1998: 46

5 Institut für Elektrische Energietechnik (TU Berlin), Online-Information vom 12.11.1998

6 Kaltschmitt M., Wiese A., 1997

7 Quaschning V., 1998

8 Fox U., 1998

9 Müller U., 1997

 

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