Grundlagen der Solarenergie und Strahlungsgeometrie

1. Solarenergie und Strahlung

1.1.1. Solare Strahlung

Die solare Strahlung setzt sich zusammen aus: 7% UV-Strahlung, 47% sichtbarem Licht und 40% Infrarotstrahlung.

1.1.2. Die Solarkonstante

Die Solarkonstante ist die Menge solarer Energie pro Zeiteinheit, die auf eine Fläche außerhalb der Erdatmosphäre auftrifft, und zwar in einem Abstand von der Sonne, der der durchschnittlichen Entfernung Sonne-Erde entspricht. Die Konstante variiert leicht, da der Abstand zwischen Sonne und Erde nicht konstant ist.

1.1.3. Der Effekt der Atmosphäre

Aufgrund der atmosphärischen Schicht gelangt nicht die gesamte von der Sonne abgefangene Strahlung bis zur Oberfläche. Der maximale Wert der Bestrahlungsstärke an der Oberfläche beträgt meist 1100 W/m².

1.1.4. Arten der Sonneneinstrahlung

Es gibt drei Komponenten der Sonneneinstrahlung:

• Direkte Strahlung: Dies ist die Strahlung, die von der Sonne empfangen wird, ohne bei ihrem Durchgang durch die Atmosphäre abgelenkt zu werden.
• Diffuse Strahlung: Dies ist die Strahlung, die ihre Richtung ändert, hauptsächlich durch Reflexion und Diffusion in der Atmosphäre.
• Albedo (Reflektierte Strahlung): Dies ist die Strahlung, die Oberflächen durch Reflexion der direkten und diffusen Strahlung vom Boden oder anderen Objekten erhalten.

Die direkte Strahlung ist die größte und wichtigste Komponente für die Anwendung der Sonnenenergie. Der Anteil der direkten, diffusen und Albedo-Strahlung, den der Boden erhält, hängt von meteorologischen Bedingungen, der Neigung der Oberfläche zur Horizontalen und dem Vorhandensein reflektierender Oberflächen ab.

1.1.5. Messgrößen der Strahlung

• Einstrahlung (Irradiation): Dies ist die Energiemenge, die über einen bestimmten Zeitraum auf eine bestimmte Fläche fällt.
• Bestrahlungsstärke (Irradiance): Dies ist die momentane Strahlung, die auf eine bestimmte Fläche fällt. Sie wird in W/m² gemessen.

1.1.5.1. Einstrahlung auf einer Oberfläche

Die Menge der Energie durch direkte Strahlung hängt von der Neigung der Oberfläche ab. Der Wert ist maximal, wenn die Strahlung senkrecht auftrifft. Die Gesamtstrahlung wird mit einem Gerät namens Pyranometer gemessen.

1.2. Solargeometrie

Die Position der Sonne ändert sich je nach Jahreszeit, was zu unterschiedlichen Schattenwürfen führt.

• Solarhöhe (Elevationswinkel): Dies ist der Winkel zwischen der scheinbaren Position der Sonne am Himmel und der Horizontalen des Standortes.
• Sonnenazimut: Dies ist der horizontale Winkel, der zwischen der Position der Sonne und der Richtung des wahren Südens gebildet wird.

Die Solarhöhe und der Azimut der Sonne sind zu einem bestimmten Zeitpunkt an verschiedenen Orten auf dem Planeten unterschiedlich.

1.3. Sonnenzeit und Stundenwinkel

1.3.1. Sonnenzeit

Die Anzahl der Sonnenstunden ist die Zeitspanne zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang. Sie hängt vom geografischen Standort und der Jahreszeit ab.

1.3.2. Definitionen und Begriffe

• Breite (Latitude): Der Winkel zwischen der Normalen des geografischen Punktes und der Äquatorebene.
• Länge (Longitude): Der Abstand eines Ortes vom Nullmeridian. Im Bereich der Solarenergie werden Längen im Osten negativ und im Westen positiv bewertet.
• Wahre Sonnenzeit: Die lokale zivile Zeit, korrigiert um die Längendifferenz und die Zeitgleichung.
• Stundenwinkel: Der Quotient aus 360° und 24 Stunden. Jede zivile Stunde entspricht 15°.
• Einfallswinkel (Angle of Incidence): Der Winkel zwischen der direkten Strahlung auf den Kollektor und der Senkrechten zum Solarkollektor.