Indirekte und direkte Sonneneinstrahlung und ihr Effekt auf Photovoltaikanlagen
Photovoltaikanlagen gestehen Strom aus der Sonneneinstrahlung. Um die Leistung von Photovoltaikanlagen nachvollziehen zu können, müssen wir uns kurz den Strahlungshaushalt der Erde ansehen.
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Die Solarstrahlung
Die gesamte Strahlung unserer Sonne bezeichnen wir als Solarstrahlung. Diese Bestrahlungsstärke kennt man auch unter dem Begriff der Solarkonstante (E0), angegeben in Watt pro Quadratmeter W/m2. Die Solarkonstante besitzt außerhalb der Erdatmosphäre im Mittel den Wert 1361 W/m2. Von dieser Energie gelangt aber nur ein kleiner Teil bis ganz nach unten zum Solarmodul.
Die Energie, die schlussendlich tatsächlich auf den Erdboden trifft, heißt Globalstrahlung. Auch die Globalstrahlung wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) angegeben. Sie unterteilt sich in die direkte und die indirekte (diffuse) Sonneneinstrahlung. Die Globalstrahlung wird von der Bewölkung beeinflusst. Bei wolkenlosem Himmel treffen in einer Sekunde rund 1.000 W/m² auf die Erdoberfläche, bei bedeckten Himmel kann der Wert bis auf 50 W/m² und darunter sinken.
Das Video hat den Sachverhalt gut dargestellt, aber wir können es für unsere Zwecke ein wenig abkürzen: die Atmosphäre reflektiert einen Teil der eintreffenden Solarstrahlung. Dieser Teil ist für die Nutzung durch Solaranlagen verloren. Die verbleibende Energie setzt ihren Weg durch die Atmosphäre fort und trifft entweder direkt und ohne Umwege auf die Erdoberfläche - dieser Anteil ist die direkte Sonneneinstrahlung.
Die indirekte Sonneneinstrahlung (oder auch diffuse Strahlung) hat einen etwas längeren Weg hinter sich, bis sie auf dem Erdboden angekommen ist: Das Licht wird vor dem Auftreffen gestreut, reflektiert, gebeugt oder gebrochen. Das geschieht beispielsweise durch Reflektion an Wolken oder Aerosolen in der Luft. Die Kraft von indirekter Sonneneinstrahlung ist nicht vergleichbar mit direkter Sonneneinstrahlung, trägt beim Betreiben einer Photovoltaikanlage jedoch ihren Teil zum Ertrag bei.
Solarstrahlung
- Solarkonstante: Die gesamte Sonneneinstrahlung - im Mittel 1361 W/m2
- Globalstrahlung: Der Anteil an direkter und indirekter Sonneneinstrahlung, der auf dem Erdboden ankommt
Bestrahlungsstärke und Sonneneinstrahlung der Sonne in Deutschland
| Wetterverhältnisse | Sommer | Winter |
| größtenteils klarer 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 |
| starke Bewölkung bis trüber Nebel | 100 bis 300 W/m² | 50 bis 150 W/m² |
| Jährliche Sonnenscheindauer in Deutschland | 1300 bis 1900 Stunden pro Jahr | 1550 Stunden pro Jahr im Mittel |
Quelle: Leitfaden „Sonnenstrahlung“, Fachverband für Strahlenschutz e.V.
Die Globalstrahlung beeinflusst in direktem Maße den Ertrag einer Photovoltaikanlage (neben technischen Faktoren und Ausrichtung der Anlage zur Sonne). Die Jahressumme variiert in Deutschland zwischen 982 kWh/m² und 1.191 kWh/m² je nach Region. Um die Sonneneinstrahlung zu messen, ist der Winkel zwischen Sonnenstrahl und Solarmodul wichtig, der so genannte Einstrahlwinkel. Dieser ändert sich auch je nach Tages- und Jahreszeit und kann durch die Dachneigung beeinflusst werden.
Der Deutsche Wetterdienst weist in Karten die monatlichen und jährlichen Summen der Globalstrahlung aus.
Die Sonneneinstrahlung beträgt in Deutschland jährlich etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter. Im Sommer ist die Einstrahlung dabei um das 5-fache höher als im Winter. Die Höhe der Sonneneinstrahlung ist abhängig von der Bewölkung, der Tageslänge und der Höhenlage über dem Meeresspiegel. Außerdem beeinflusst der Sonnenstand, welcher durch die unterschiedlichen Jahreszeiten und der geographischen Breite bestimmt wird, die Intensität der Sonne und damit die Leistung der Photovoltaik.
In Deutschland verändert sich die Intensität und die Form der Sonneneinstrahlung über das Jahr deutlich. Die höchsten Werte erreicht die Sonneneinstrahlung in den Monaten Mai, Juni, Juli und August. Doch auch in den Monaten September bis April kommt – dank immer weiter verbesserten Wirkungsgrads und Schwachlichtverhalten der Solarmodule – genügend Sonneneinstrahlung an, um die Rendite einer Photovoltaikanlage zu sichern.
Sonnenstunden in Deutschland
Die Anzahl der Sonnenstunden in Deutschland beträgt jährlich rund 1.300 bis 1.900 Stunden. Zum Vergleich – ein Jahr hat 8.760 Stunden. Die höchsten Werte erreicht dabei Süddeutschland, darauf folgen Nord- und Mitteldeutschland. Als Sonnenstunden bezeichnet man dabei die jährliche Anzahl der Stunden, in denen die Sonne direkt auf die Erdoberfläche trifft, ohne von Wolken verdeckt zu werden. Die genauen Werte für Ihre Region auch in Bezug auf die Sonneneinstrahlung erhalten Sie auf den Internetseiten des Deutschen Wetterdienstes.
Photovoltaik Voraussetzungen: Durchschnittliche Sonnenstunden pro Monat in Deutschland | Bildquelle: Heizungsfinder
Weiterführendes zu Planung und Rendite: Ab welcher Anzahl von Sonnenstunden lohnt sich eine Photovoltaikanlage?
Generell kann man in unseren Breiten von einer flächendeckenden Rentabilität einer Photovoltaikanlage ausgehen. Entscheidend ist eher die Auslegung der Anlage und ihre konkreten Standortbedingungen: Viele Faktoren wie beispielsweise die Nennleistung der Anlage, die Dachneigung, die Dachausrichtung und die Verschattung beeinflussen den Ertrag der Photovoltaikanlage.
Grundsätzlich reicht die Sonneneinstrahlung und Anzahl der Sonnenstunden in Deutschland aus, um mit einer Photovoltaikanlage Gewinn zu erwirtschaften. Unverbindliche Angebote erhalten Sie von Photovoltaik-Fachbetrieben.