Bestrahlungsstärke

Definition und Auswirkungen von Bestrahlungsstärke | Bedeutung für die Photovoltaik

Inhalt des Wiki-Artikels

• Bestrahlungsstärke – die Intensität der solaren Strahlung
• Berechnung der Bestrahlungsstärke
• Bestrahlungsstärke der UV-Strahlung
• Bedeutung der Bestrahlungsstärke für die Photovoltaik

Bestrahlungsstärke – die Intensität der solaren Strahlung

Die Bestrahlungsstärke ist die Intensität der solaren Strahlung, die auf eine Oberfläche trifft. Sie wird auch Strahlungsstromdichte genannt. Die Bestrahlungsstärke bezieht sich auf die gesamte Leistung der eintreffenden elektromagnetischen Energie und wird in Formeln durch ein E dargestellt. Aufgrund der Erdrotation und des elliptischen Kreisens der Erde um die Sonne ändert sich die Bestrahlungsstärke ständig.¹

Berechnung der Bestrahlungsstärke

Die Bestrahlungsstärke lässt sich mit Hilfe der Strahlungsleistung Φ, die auf eine im Abstand R um den Winkel ε gegen die Strahlrichtung geneigte Fläche A pro Flächeneinheit trifft, und der Strahlstärke berechnen:

Das Internationale Einheitensystem legt für die Bestrahlungsstärke die Einheit Wm^–2 fest, die auch durch W/m² wiedergegeben werden kann.²

Bestrahlungsstärke der UV-Strahlung

Neben der sichtbaren Strahlung sendet die Sonne auch nicht sichtbare aus, nämlich infrarote und ultraviolette Strahlung. Letztere wird kurz UV-Strahlung genannt. Sie ist dermaßen energiereich, dass bereits niedrige Bestrahlungsstärken ausreichen, um gesundheitliche Schäden beim Menschen zu hinterlassen. Haut und Augen sollten deshalb vor der UV-Strahlung geschützt werden. Außerdem ist wichtig, dass die international anerkannten Grenzwertempfehlungen eingehalten werden, so dass es nicht zu akuten Schädigungen kommt und chronische Effekte begrenzt werden. Die Gesamtstrahlungsleistung der Sonne liegt bei etwa 3,8 • 10²⁶ Watt (W), auf der Erde kommen circa 1,7 • 10¹⁷ W an. Außerhalb der Atmosphäre der Erde liegt die gesamte Bestrahlungsstärke bei 1367 W/m², dies ist die sogenannte Solarkonstante. In der Atmosphäre wird Sonnenstrahlung gestreut, reflektiert und absorbiert, so dass in den Breitengraden von Deutschland noch etwa 1000 W/m² auftreffen. Bei hohem Sonnenstand und klarem Himmel erreicht die Bestrahlungsstärke einen Wert von etwa 1120 W/m². Die relativen Anteile an sichtbarer und nicht sichtbarer Strahlung zeigt die folgende Tabelle:

Durchläuft die Sonnenstrahlung die Erdatmosphäre, wird die UV-Strahlung großteils durch das Ozon in der Stratosphäre und der Troposphäre absorbiert. Wie stark die Absorption ist, hängt von der Wellenlänge ab. Liegt sie unter 330 Nanometer (nm), ist die Filterfunktion hoch. Bei Wellenlängen unter 290 nm lässt sich die spektrale UV-Strahlung nicht mehr nachweisen, wenn sie in den hiesigen Breitengraden auf die Erde trifft, selbst in den Sommermonaten nicht, in denen die Bestrahlungsstärke höher als im Winter ist. Verringert sich die Ozonkonzentration in der Atmosphäre, erhöht sich die spektrale Bestrahlungsstärke.

Durch die UV-Strahlung können Haut und Zellen Schaden nehmen. Sonnenbrand entsteht durch eine zu intensive UV-Bestrahlung. Zudem kann eine zu starke UV-Strahlung Hautkrebs und Infektionen der Haut zur Folge haben. Der erwartbare Tagesspitzenwert der UV-Bestrahlungsstärke wird durch den UV-Index angegeben. Je höher der UV-Index ist, desto höher ist auch die Bestrahlungsstärke, die Skala ist nach oben offen. Wird die Haut nicht geschützt, kann bei einem hohem UV-Index schnell ein Sonnenbrand auftreten. Besonders der Sonnenstand hat einen großen Einfluss auf den UV-Index, der sich mit der Jahreszeit, der Tageszeit und der geografischen Breite ändert. Darüber hinaus ist er von der Ozonkonzentration in der Atmosphäre, dem Bewölkungsgrad und der Höhenlage eines Ortes abhängig. Der UV-Index wird entweder durch Messungen am Boden oder anhand von Berechnungen auf Basis von Satellitenmessdaten der UV-Bestrahlungsstärke ermittelt.³

Bedeutung der Bestrahlungsstärke für die Photovoltaik

Die Bestrahlungsstärke spielt auch in der Photovoltaik eine Rolle, dort bezeichnet sie die Lichtleistung, die auf einem Quadratmeter Solarmodul eintrifft. Sie wird von der Strahlungsrichtung beeinflusst. Um die Leistung, die auf ein Solarmodul fällt, zu berechnen, ist entweder die Bestrahlungsstärke oder die Strahlungsintensität, die in Formeln durch ein D dargestellt wird, erforderlich. Diese gibt die Leistung der Lichtstrahlen, die auf einem Quadratmeter Fläche senkrecht auftreffen, an. Die Strahlungsintensität ist immer größer oder gleich der Bestrahlungsstärke. Ebenso wie die Bestrahlungsstärke wird die Strahlenintensität in der Einheit W/m² angegeben. Berechnet wird die auf das Solarmodul auftreffende Leistung (P_E) mit dem Produkt aus der Strahlungsintensität und der Lichtfläche (A_L) oder dem Produkt aus der Bestrahlungsstärke und der Solarmodulfläche (A_S). Beachtet werden muss außerdem der Wirkungsgrad (η), der den Prozentsatz zwischen genutzter und aufgewendeter Leistung angibt. Die Formeln zur Berechnung lauten:

Die Bestrahlungsstärke und damit auch die Leistung werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Die Sonnenstrahlung besteht aus direkter und diffuser Strahlung, die zusammen die globale Bestrahlungsstärke ergeben. Die wellenlängenabhängigen Spektralanteile der Sonnenstrahlung werden in der Atmosphäre unterschiedlich stark geschwächt. Zum Beispiel werden bei einem hohen Anteil an Wasserdampf in der Luft Strahlungsanteile um die 900 nm und 1100 nm absorbiert. Abhängig von der Zusammensetzung der Atmosphäre und dem in ihr zurückgelegten Weg der Sonnenstrahlung verändern sich die Bestrahlungsstärke, die Intensität und die Spektralverteilung des Lichts. Ist der Himmel stark bewölkt, wird ein Großteil der direkten Sonnenstrahlung blockiert und die Bestrahlungsstärke nimmt ab. Zudem beeinflusst das Kreisen der Erde auf einer elliptischen Bahn um die Sonne die Bestrahlungsstärke.⁴