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Globalstrahlung

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

06.09.2020

Letztes Update

20.04.2022

Globalstrahlung – Formel zur Berechnung, Nutzung von Strahlungsenergie, Sonnenscheindauer

Inhalt des Wiki-Artikel

Globalstrahlung – Formel zur Berechnung, Strahlungsenergie und Sonnenscheindauer

Die Globalstrahlung ist als Summe aus diffuser und direkter Sonnenstrahlung definiert, die am Boden von einer horizontalen Ebene empfangen wird. Unter direkter Sonnenstrahlung ist die Strahlung zu verstehen, die Schatten wirft, während die diffuse Himmelsstrahlung gestreut wird und keine Schatten bildet. Bei hohen Sonnenständen und blauem Himmel setzt sich die Globalstrahlung aus circa drei Vierteln direkter und einem Viertel diffuser Sonnenstrahlung zusammen. Steht die Sonne niedrig, beträgt der Anteil der direkten Strahlung nur noch ungefähr ein Drittel.1

Formel für die Globalstrahlung

Die Globalstrahlung wird in der Einheit Watt (W) pro m² oder Kilojoule (kJ) pro Minute und cm² angegeben, wobei es sich um eine Leistungsdichte beziehungsweise eine Energieflussdichte handelt. Die Formel zur Umrechnung lautet wie folgt:

1 kJ/min cm² = 1,67  105 W/m²

Des Weiteren lässt sich die Einheit Watt in Kilowattstunde (kWh) umrechnen:

41,67 W/m² = 1 kWh/m² d

Strahlungssummen, die sich über einen längeren Zeitraum ergeben, werden als Bestrahlung oder Energiedichte bezeichnet. Für die Strahlungssummen gilt die Formel:

1 kJ/cm² = 2,78 kWh/m²

Für die Betrachtung des Energiehaushalts muss die Globalstrahlung zu Rate gezogen werden, da die alleinige Betrachtung der direkten Sonnenstrahlung zu falschen Werten führen würde. Die jährliche Strahlungsleistung ist standortabhängig, beispielsweise beträgt sie für Stuttgart-Hohenheim im Durchschnitt 127 W/m² beziehungsweise 1116 kWh/m² a. Die Globalstrahlung steht in enger Verbindung mit der Sonnenscheindauer, je länger die Sonne scheint, umso höher fällt der Wert der Globalstrahlung aus. In Deutschland liegt die Sonnenscheindauer im Durchschnitt zwischen 1300 und 2000 Stunden im Jahr und die Globalstrahlung zwischen 780 und 1240 kWh/m². Interessant sind die Strahlungsverhältnisse für die energetische Betrachtung im Hinblick auf den Raumwärmebedarf in der Heizperiode, die sich von September bis Mai erstreckt.2

Strahlungsenergie aktiv und passiv nutzen

Solare Strahlungsenergie wird bereits seit Jahrtausenden für die Wärmegewinnung genutzt. Mit dem technischen Fortschritt wurden die Nutzungsmöglichkeiten erweitert. Die Globalstrahlung unterliegt allerdings tages- und jahreszeitlichen Schwankungen, die Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Solarenergie haben. Ist der Himmel wolkenfrei, erreicht die Intensität der Strahlung bis zu 1000 Watt pro Quadratmeter. An bedeckten Tagen im Winter beträgt sie teils nur 50 Watt pro Quadratmeter oder sogar noch weniger. Sowohl der Sonnenstand als auch der Grad der Bewölkung beeinflussen die Menge der Strahlungsenergie, die den Boden erreicht. Während die Strahlungsleistung in Deutschland abhängig vom Standort eine Energiemenge zwischen 900 und 1200 kWh erreicht, sind in der Sahara circa 2200 kWh pro Quadratmeter und Jahr möglich.

Die Strahlungsenergie der Sonne kann direkt oder indirekt genutzt werden. Die aktive Nutzung umfasst die Umwandlung in elektrischen Strom mittels Photovoltaik und durch Sonnenlicht erzeugte Wärme unterschiedlicher Temperaturen: Es gibt die Hochtemperaturnutzung und die Niedertemperaturnutzung. Solarthermische Kraftwerke arbeiten mit Hochtemperaturnutzung und nutzen anders als die Photovoltaik nicht die Globalstrahlung, sondern nur den Anteil der direkten Sonnenstrahlung. Deshalb lohnt sich der Bau von solarthermischen Kraftwerken besonders in den sonnenreichen Regionen der Erde. Die Niedertemperaturnutzung wird vor allem durch Solarkollektoren auf Dächern verwirklicht, die für warmes Wasser im Haushalt sorgen.

Passiv wird die Globalstrahlung zur Erwärmung und zur Beleuchtung von Gebäuden genutzt. Über Fenster, Wintergärten oder die Dämmung wird Strahlungsenergie gesammelt, die dann als Wärme ans Innere des Hauses weitergegeben wird. In sogenannten Passivhäusern ist in der Regel nicht einmal eine zusätzliche Heizung notwendig. Aber selbst wenn der Wärmebedarf nicht komplett über die passive Nutzung der Solarenergie gedeckt werden kann, wird er deutlich gesenkt, so dass große Einsparungen beim Heizen möglich sind. Zudem kann die Globalstrahlung auch für eine indirekte Beleuchtung nutzbar gemacht werden, indem zum Beispiel lichtlenkende Fassadenelemente zum Einsatz kommen.3

Globalstrahlung und Sonnenscheindauer

Nicht nur der Mensch, auch Pflanzen nutzen die Globalstrahlung. Die solare Strahlungsenergie ist notwendig für die Photosynthese. Pflanzen absorbieren das Sonnenlicht und nutzen die Energie für chemische Synthesen. Auch für den Menschen gewinnt die Solarenergie immer mehr an Bedeutung, denn mit ihr ist es möglich, nachhaltig Wärme und Strom zu erzeugen: 1000 kWh können etwa 100 Liter Öl ersetzen. Werden fossile Energiequellen durch regenerative substituiert, lassen sich die Emissionen, die durch die Energieerzeugung verursacht werden, deutlich senken.

Im Süden Deutschlands ist die Globalstrahlung intensiver als im Norden. Mit Hilfe der Sonnenscheindauer kann die Einstrahlung näherungsweise ermittelt werden. Die tatsächliche Sonnenscheindauer ist stark von der Klimazone abhängig, vor allem Wolken halten Sonnenlicht ab. Aber auch Smog, Sandstürme und Vulkanausbrüche verringern den Sonnenschein. In den meisten Regionen steigt die Sonnenscheindauer mit abnehmender geografischer Breite, Ausnahmen bilden die Tropen und zum Teil die Polargebiete. Österreich übertrifft Deutschland im Hinblick auf die Sonnenscheindauer durchschnittlich um zehn Prozent. Definiert ist die Sonnenscheindauer als Zeitspanne, während der die direkte Sonnenstrahlung senkrecht zur Sonnenrichtung zumindest 120 W/m² beträgt. Im Mittel liegt die durchschnittliche Sonnenscheindauer in Deutschland bei 1550 Stunden pro Jahr. Die folgende Tabelle zeigt, wie der Zustand des Himmels und die Jahreszeit die Globalstrahlung beeinflussen:

Himmelszustand Globalstrahlung im Sommer Globalstrahlung im Winter
klarer bis leicht diffuser Himmel 600 bis 1000 W/m2 300 bis 500 W/m2
leichte bis mittlere Bewölkung 300 bis 600 W/m2 150 bis 300 W/m2
stark bewölkt bis nebelig-trüb 100 bis 300 W/m2 50 bis 150 W/m2

 

Weltweit gibt es die längste Sonnenscheindauer auf der Insel Kreta und in den US-amerikanischen Städten Boulder im Staat Colorado und Phoenix in Arizona, nämlich satte 300 Tage Sonnenschein im Jahr.4

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