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Solarstrahlung

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

05.01.2021

Letztes Update

18.08.2022

 

Solarstrahlung – Definition, Zusammensetzung, Stromerzeugung mit Solarenergie

Inhalt des Wiki-Artikels

Definition, Risiken und Nutzen der Solarstrahlung

Die Solarstrahlung oder Sonnenstrahlung ist laut Definition die von der Sonne ausgehende elektromagnetische Strahlung. Extraterrestrische Strahlung wird die außerhalb der Erdatmosphäre auftreffende Solarstrahlung genannt, während die auf der Erde auftreffende Sonnenstrahlung als Globalstrahlung bezeichnet wird. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre wird die Sonnenstrahlung reflektiert, gestreut und absorbiert, so dass sie mit einer geringeren Intensität auf den Planeten trifft. Die Globalstrahlung besteht aus der direkten Sonnenstrahlung, die ohne Ablenkung die Erdatmosphäre durchquert, und der diffusen Sonnenstrahlung, die beispielsweise durch Wolken gestreut ist.1

Spektralbereiche der Sonnenstrahlung

Neben sichtbarer emittiert die Sonne auch für das menschliche Auge nicht sichtbare Strahlung. Die Solarstrahlung setzt sich aus drei Spektralbereichen zusammen:

  • Ultravioletter Bereich (UV)
  • Sichtbarer Bereich (VIS)
  • Naher und mittlerer Infrarotbereich (IR)

Die optische Strahlung des sichtbaren Bereichs bringt Licht und Wärme auf die Erde. Sie liefert den Großteil der von den Pflanzen für ihr Wachstum benötigten Energie. Wie stark die Sonnenstrahlung auf die Erde trifft, hängt von der Tages- und der Jahreszeit, der Bewölkung, dem Breitengrad und der Höhenlage ab. Vor allem im Hinblick auf den UV-Anteil in der Solarstrahlung ist die Bestrahlungsstärke von Bedeutung, da schon relative niedrige Werte gesundheitliche Risiken für Haut und Augen bergen. Mögliche Folgen einer zu intensiven Bestrahlung sind zum Beispiel ein Sonnenbrand oder eine Bindehautentzündung. Dies rührt daher, dass die UV-Strahlung besonders energiereich ist. Durchquert die Solarstrahlung die Erdatmosphäre, wird sie großteils vom Ozon in der Stratosphäre und der Troposphäre absorbiert. Von der Erdoberfläche wird die ankommende UV-Strahlung teils absorbiert, teils reflektiert. Wie groß der Anteil an reflektierter Strahlung ist, wird durch die Bodenbeschaffenheit beeinflusst. Erde, Gras und Wasser reflektieren bis zu zehn Prozent, Sand sowie Schaumkämme auf dem Meer bis zu 20 Prozent und Neuschnee, Eis und Gletscher bis zu 80 Prozent der eintreffenden Strahlung.2

Pyranometer zum Messen der Strahlung

Pyranometer sind Messgeräte, die in der Meteorologie, der Klimatologie, der Bauphysik und bei Forschungen zur Solarenergie verwendet werden. Sie setzen sich aus einer geschwärzten Thermosäule, einer Glaskuppel und einem vor Umwelteinflüssen schützenden Abdeckschirm zusammen. Die Thermosäule besteht aus hintereinander geschalteten Thermoelementen und übernimmt die Funktion des Messfühlers. Sie erzeugt eine zur Strahlung proportionale elektrische Spannung, mit Hilfe eines Kalibrierfaktors kann so die Bestrahlungsstärke der Globalstrahlung ermittelt werden. Mit einem Pyranometer lassen sich außerdem der direkte und der diffuse Strahlungsanteil messen. Da Pyranometer die Sonnenstrahlung als Energiequelle nutzen, benötigen sie keine externe Energiequelle.3

Pyrheliometer und Sonnenscheinautograf

Das Pyrheliometer ist ein Messgerät, das in der Meteorologie genutzt wird, um die direkte Solarstrahlung zu messen. Über den Erwärmungsgrad eines Detektors kann die Bestrahlungsstärke ermittelt werden. Der Sonnenscheinautograf zeichnet die Sonnenscheindauer eines Tages auf. Eine Glaskugel bildet das Herzstück des Sonnenscheinautografen, sie dient als Brennglas. Durchqueren Sonnenstrahlen die Kugel, treffen sie auf eine Brennfläche mit einem Zeitstreifen aus Papier oder Plastik. Die gebündelte Solarstrahlung brennt eine Spur in den Streifen, anhand derer die Sonnenscheindauer bis auf eine Zehntelstunde genau bestimmt werden kann.4

Mit Solarstrahlung Energie erzeugen

In der Photovoltaik (PV) wird die Solarstrahlung zur Energieerzeugung genutzt. Sonnenenergie ist praktisch unbegrenzt verfügbar und gehört somit zu den erneuerbaren Energien. Der Energiegehalt der Solarstrahlung übertrifft den weltweiten Energiebedarf. Allerdings steht Solarenergie nur dann zur Verfügung, wenn die Sonne scheint. Wie viel Strom eine Photovoltaikanlage erzeugen kann, ist zudem von der Bestrahlungsstärke abhängig, so dass die Energieausbeute im Winter geringer als im Sommer ausfällt. Aus Sonnenstrahlung kann nicht nur Strom, sondern auch Wärme gewonnen werden. Solarthermieanlagen wandeln Sonnenenergie in thermische Energie um, die beispielsweise zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung genutzt werden kann.5

Einfluss der Sonnenstrahlung auf das Klima

Änderungen der Sonnenstrahlung haben Klimaveränderungen zur Folge. Die Solarstrahlung durchläuft diverse Zyklen unterschiedlicher Dauer und unterliegt dadurch Schwankungen. Änderungen der Solarstrahlung, die das Klima beeinflussen, treten nach derzeitigem Forschungsstand in Perioden von Zehntausenden bis hin zu Hunderttausenden Jahren auf. Schwankungen der Sonnenstrahlung sind allerdings nur eine Ursache von Klimaveränderungen. Seit der Industrialisierung übt der Mensch einen immer größeren Einfluss auf das Klima aus. Die Wissenschaft geht davon aus, dass der Anstieg der mittleren globalen Temperatur großteils auf durch Menschen verursachte Treibhausgase, die sich in der Atmosphäre anreichern, zurückzuführen ist, während die Solarstrahlung dabei nur eine untergeordnete Rolle spielt.6

Die Solarstrahlung in Deutschland

In Deutschland werden meteorologische Prozesse sowie die Struktur und Zusammensetzung der Atmosphäre in erster Linie durch den Deutschen Wetterdienst (DWD) überwacht. Dieser sammelt unter anderem Daten zur Solarstrahlung und veröffentlicht regelmäßig Deutschlandkarten zur Globalstrahlung. Für den wirtschaftlichen Betrieb von Solaranlagen sind Daten über die Sonneneinstrahlung unabdingbar. In Deutschland gibt es im Durchschnitt 1600 Sonnenstunden pro Jahr, im Süden des Landes fällt die Sonneneinstrahlung höher aus als im Norden. Die Globalstrahlung wird seit 1937 von der Wetterstation Potsdam aufgezeichnet, Mitte der 1970er begann der Deutsche Wetterdienst, ein Messnetz einzurichten. Die Strahlungsdaten werden mit Hilfe eines Pyranometers bestimmt. Neben diesen Daten stellt der DWD Rasterwerte der Globalstrahlung kostenfrei zur Verfügung, die auf Basis von satellitenabgeleiteten Strahlungsdaten über die Abgleichung mit Bodenmessungen ermittelt werden. Seit 2016 veröffentlicht der Deutsche Wetterdienst darüber hinaus Rasterwerte und Karten zur diffusen und direkten Solarstrahlung in Deutschland.7

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