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Insolation

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

05.01.2021

Letztes Update

17.08.2022

 

Insolation – Definition – Bedeutung in der Meteorologie und für Photovoltaikanlagen

Inhalt des Wiki-Artikels


Insolation – Definition und Beispiele aus der Praxis

Insolation ist ein Begriff, der in verschiedenen Bereichen Verwendung findet. In der Meteorologie steht Insolation für die Sonneneinstrahlung, in der Geochemie für die Wirkung von Sonnenstrahlen auf Gesteine und die damit einhergehende Verwitterung. Auch in der Medizin ist der Begriff gebräuchlich. Die Definition für den medizinischen Bereich besagt, dass die Insolation entweder eine Bestrahlung des Körpers, besonders des Kopfs, durch die Sonne ist, die über das normale Maß hinausgehen kann, oder eine durch eine solche Bestrahlung verursachte Schädigung – zum Beispiel ein Sonnenstich.1

Die Insolation in der Meteorologie

In der Meteorologie bezeichnet Insolation die Strahlung der Sonne auf die Erde beziehungsweise deren Dauer. Die Sonneneinstrahlung besteht aus der kurzwelligen, sichtbaren und langwelligen Sonnenstrahlung, welche die Erde erreicht. Jene wird auch Solarstrahlung genannt und meint die elektromagnetische Strahlung, die von der Sonne emittiert wird. In der Atmosphäre wird die Sonnenstrahlung gestreut und ein teils absorbiert. Die Strahlung, die auf der Erde ankommt, wird Insolation genannt.2

Stärke der Sonneneinstrahlung

Die Sonneneinstrahlung ist in den verschiedenen Klimazonen der Erde unterschiedlich stark. In den äquatorialen Regionen ist die Insolation am stärksten, die Sonnenstrahlen treffen senkrecht auf eine relativ kleine Fläche und heizen die Umgebung auf. An den Polen kommen die Strahlen der Sonne in einem flacheren Winkel an, so dass sich die Solarenergie auf eine größere Fläche verteilt – deshalb ist es in den Polarregionen kälter. Aufgrund der unterschiedlich starken Insolation entstehen also die Klimazonen der Erde. Darüber hinaus sind auch die Jahreszeiten und das Wetter Resultat von mehr oder weniger intensiver Sonneneinstrahlung.3

Stromerzeugung mit Insolation

Von der Sonne gelangt so viel Strahlungsenergie auf die Erde, dass mehr als der weltweite Bedarf an Energie damit gedeckt werden könnte. Noch dazu handelt es sich dabei um eine regenerative Energiequelle, die nach menschlichen Maßstäben unversieglich ist. Auf Gesamtdeutschland bezogen sind pro Jahr 1600 Sonnenstunden zu erwarten, eine besonders starke Insolation gibt es in Baden-Württemberg. Mittels einer Photovoltaikanlage lässt sich die Strahlungsenergie in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Wie effektiv die PV-Anlage Strom erzeugt, hängt von der auftreffenden Einstrahlungsleistung ab. Außerdem beeinflussen der Neigungswinkel und die Ausrichtung der Photovoltaikanlage sowie die Abschattung im Tages- und Jahresverlauf den Energieertrag.4

PV-Anlagen haben einen maßgeblichen Anteil an der Stromerzeugung in Deutschland. Sie setzen sich aus der eigentlichen Solaranlage, die bei Sonneneinstrahlung Gleichstrom erzeugt, und einem Wechselrichtersystem, das den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, zusammen. Photovoltaikanlagen, die mit dem öffentlichen Stromnetz gekoppelt sind und aufgrund dessen elektrische Energie einspeisen können, werden laut dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gefördert. Während sich PV-Anlagen auch für Regionen mit geringerer Insolation wie Deutschland eignen, lohnt sich der Bau von solarthermischen Kraftwerken nur in Gegenden mit einer sehr starken Sonneneinstrahlung.5

Bedeutung der Insolation für den Hausbau

Die Insolation findet nicht nur bei der Installation von PV-Anlagen, sondern auch bei der Planung von Gebäuden Berücksichtigung. Je nachdem, wie viel Sonneneinstrahlung zu erwarten ist, sind gegebenenfalls Sonnenschutzelemente vorzusehen. Bei einem Passivhaus ist die Ausrichtung sogar entscheidend, gen Süden werden bei den energieeffizienten Häusern große Fenster eingeplant, um Sonnenwärme einzufangen. Daten zur Globalstrahlung können unter anderem beim Deutschen Wetterdienst erfragt werden. Zu beachten ist, dass die statistischen Werte der lokalen Insolation in der Realität abweichen können, wenn die Sonneneinstrahlung durch benachbarte Gebäude, Gebäude oder andere Objekte, die Schatten werfen, abgeschwächt wird.6

Berechnung der direkten Sonneneinstrahlung

Die Insolation wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) gemessen. In der Klimaforschung werden Bohrkerne analysiert, um Zeitreihen für die Sonneneinstrahlung zu bestimmen. Denn die Insolation unterliegt einem zeitlichen Wandel, da sich die Umlaufbahn der Erde über Jahrmillionen ändert. Bei der Untersuchung von Standorten im Hinblick auf ihre Wärmegunst wird oft allein die direkte Sonneneinstrahlung berücksichtigt, da die Bodenverhältnisse und der Bewuchs nicht für jeden Standort ermittelt werden können. Die direkte Insolation lässt sich unabhängig von diesen Parametern unter Berücksichtigung von Hangrichtung und -neigung berechnen.

In Formeln wird die direkte Sonneneinstrahlung durch ein I dargestellt. Für die Berechnung der direkten Insolation sind die folgenden Angaben erforderlich:

  • Io – Solarkonstante: Strahlungsintensität der Sonnenstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre
  • am – Transmissionskoeffizient der Atmosphäre (von deren Schichtdicke abhängig)
  • Tm – Trübungsfaktor der Atmosphäre
  • β – Winkel zwischen Sonnenstrahlen und Bezugsfläche

Sind die gelisteten Faktoren bekannt, lässt sich die direkte Insolation mit Hilfe dieser Formel ermitteln:

I=Io ∙ exp(–am Tm) ∙ sin β

Der Winkel β ergibt sich aus der Beziehung zwischen geografischer Breite, Sonnendeklination, Stundenwinkel, der Hangrichtung und der Hangneigung des Standorts. Durch das Berechnen der direkten Insolation lassen sich Standorte hinsichtlich der lagebedingten Unterschiede im Tages- und im Jahresverlauf miteinander vergleichen. Darüber hinaus kann die tageszeitliche Verteilung der Bewölkung einbezogen werden, um die Standorte weiter klimatisch aufzugliedern. Die Bewölkung ist eng mit der Sonnenscheindauer verknüpft. Sind die direkte Insolation (I), die tatsächliche Sonnenscheindauer (SS) und die maximal mögliche Sonnenscheindauer (SSmax) bekannt, lässt sich die tatsächliche Sonneneinstrahlung (STRA) mit der folgenden Formel berechnen:7

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