Nur etwa die Hälfte des Sonnenlichts erreicht in Deutschland die Erdoberfläche auf direktem Weg. Der Rest verstreut sich in der Atmosphäre. Die sogenannte diffuse Strahlung kann von Photovoltaik Modulen deutlich schlechter verwertet werden. Dennoch leistet auch sie einen großen Beitrag zur grünen Energieerzeugung. Wir zeigen, was die diffuse Strahlung ist und welchen Wert sie hat.
Inhaltsverzeichnis
Was ist diffuse Strahlung?
Diffuse Strahlung bezieht sich auf elektromagnetische Strahlung, die in verschiedene Richtungen gestreut wird, wenn sie auf eine Oberfläche trifft. Im Gegensatz zu der gerichteten Ausführung, die in einer bestimmten Richtung gebündelt ist, streut sie sich in viele Richtungen. Dies geschieht, wenn Licht oder andere Formen elektromagnetischer Strahlung auf eine unregelmäßige oder raue Oberfläche trifft und dort reflektiert, gestreut oder gebrochen wird.
Ein typisches Beispiel für diffuse Strahlung ist das Sonnenlicht an einem bewölkten Tag, wenn die Wolken die Sonnenstrahlen streuen und das Licht über den Himmel verteilen, anstatt es in einer geraden Linie zum Boden zu führen. Diffuse Strahlung spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen wie der Meteorologie, Solarstromerzeugung und der Beleuchtungstechnik.
Charakteristika der diffusen Strahlung
Diese Strahlung weist im Gegensatz zu direkter Sonneneinstrahlung keine klare Richtung auf. Stattdessen kommt das Licht kommt von allen Seiten. Es entsteht primär durch Lichtablenkung an Molekülen in der Atmosphäre, aber auch Reflexionen an der Erdoberfläche tragen dazu bei. Im Jahresmittel beträgt ihr Anteil in Deutschland etwa 50 Prozent an der Gesamtstrahlung. Im Sommer dominiert die direkte Einstrahlung, während im Winter oft nahezu ausschließlich diffuse Strahlung die Erdoberfläche erreicht.
Welche Bedeutung hat die diffuse Strahlung für die Solarenergie?
Die Nebel-Strahlung hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Photovoltaikanlagen. Obwohl sie weniger intensiv ist als die direkte Sonneneinstrahlung, kann sie bis zu 50 % der gesamten Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche ausmachen, wie oben bereits erwähnt. An bewölkten Tagen, an denen die direkte Sonneneinstrahlung stark reduziert ist, macht sie mitunter den Hauptanteil der Energiegewinnung durch Photovoltaikanlagen aus.
Darüber hinaus spielt die diffuse Strahlung auch eine Rolle bei der Verschattung von Solarmodulen. Durch die Streuung des Lichts in der Atmosphäre werden auch verschattete Module von der diffusen Strahlung erreicht, wodurch ein gewisser Energieertrag erzielt werden kann.
Welche Faktoren beeinflussen die diffuse Strahlung?
Die Menge der Diffus-Strahlung, die auf die Erdoberfläche trifft, hängt von verschiedenen Faktoren ab:
- Wolkenbedeckung: Je dichter die Wolkenbedeckung, desto höher ist der Anteil der diffusen Strahlung.
- Aerosole: Aerosole wie Staub und Rauchpartikel können die diffuse Strahlung erhöhen.
- Albedo: Die Albedo beschreibt das Reflexionsvermögen der Erdoberfläche. Je heller die Oberfläche, desto mehr diffuse Strahlung reflektiert die Anlage und streut sie zurück in die Atmosphäre.
- Standort: Der Standort spielt ebenfalls eine Rolle. In der Nähe des Äquators ist die diffuse Strahlung aufgrund der geringeren atmosphärischen Dichte höher als in den Polarregionen.
Messung der diffusen Strahlung
Die gestreute Strahlung messen die Fachleute mit speziellen Pyranometern. Diese Messgeräte erfassen die gesamte solare Strahlung, die auf eine horizontale Fläche trifft, und können den Anteil der diffusen Strahlung berechnen.
Vergleich zu Solarthermieanlagen
Ein wenig besser ergeht es Solarthermieanlagen. Die Absorber können jede Art von Strahlung recht gut verarbeiten, weswegen der Einbruch des Wirkungsgrads bei diffusen Lichtverhältnissen weniger dramatisch ausfällt. An einem sehr trüben Wintertag kann die eingestrahlte Leistung jedoch auf etwa 50 Watt pro Quadratmeter sinken, an einem Sommertag können es mehr als 1.000 Watt sein.
Strategien zur besseren Nutzung diffuser Strahlung in Solarzellen
Marktreife haben bereits die Dünnschichtmodule erreicht, die bei diffuser Strahlung ein wenig besser abschneiden als Solarmodule aus kristallinem Silizium. Noch im Entwicklungsstadium befinden sich zwei weitere Technologien. Sogenannte Tandem-Solarzellen enthalten mehrere übereinander angeordnete Halbleiterschichten, die Licht aus unterschiedlichen Teilen des Spektrums nutzen. Das erweist sich unter allen Wetterbedingungen als vorteilhaft, besonders aber bei diffuser Einstrahlung.
Eine weitere Idee besteht in der Verwendung von Solarglas mit speziellen Brechungseigenschaften. Da diffuse Strahlung aus allen Richtungen einfällt, wird an speziellen Gläsern geforscht, die flach einfallendes kurzwelliges Licht verstärkt in Richtung des absorbierenden Halbleiters ablenken. Photovoltaik-Module aus Silizium können nur dieses kurzwellige Licht nutzen.
Diffuse Strahlung: Dominanz der direkten Einstrahlung
Solarzellen erzielen einen großen Teil ihres jährlichen Ertrags in den Sommermonaten, wenn die Sonne direkt auf die Solarmodule scheint. Eine geringfügige Steigerung des Wirkungsgrads bei diffuser Strahlung hat auf den jährlichen Ertrag nur kleine Auswirkungen. Bei allen diesbezüglichen technischen Verbesserungen prüft man, ob sie sich wirtschaftlich rechnen und ob gegebenenfalls der zusätzliche Energieaufwand bei der Produktion in einem vernünftigen Verhältnis zum Mehrertrag steht.
Fazit – Trotz diffuser Strahlung ist ein PV-Ertrag möglich
Die diffuse Strahlung ist ein wichtiger Faktor für die Solarenergie. Sie trägt zu einem erheblichen Teil zur Energiegewinnung durch Photovoltaikanlagen bei und spielt auch bei der Verschattung von Solarmodulen eine Rolle. Die Menge der diffusen Strahlung hängt von verschiedenen Faktoren ab und man misst sie mit speziellen Pyranometern.
FAQ – Häufig gestellte Fragen zur diffusen Strahlung
Was ist diffuse Strahlung?
Diese Strahlung bezeichnet eine elektromagnetische Strahlung. Sie streut sich in verschiedene Richtungen, wenn sie auf eine Oberfläche trifft, im Gegensatz zu gerichteter Strahlung, die in einer bestimmten Richtung gebündelt ist.
Wie entsteht diffuse Strahlung?
Diese Strahlung entsteht, wenn Licht oder andere elektromagnetische Strahlung auf eine unregelmäßige oder raue Oberfläche trifft und dort reflektiert, gestreut oder gebrochen wird. Dies kann durch natürliche Prozesse wie die Streuung von Sonnenlicht durch Wolken oder durch menschliche Aktivitäten wie die Verteilung von Licht in einem Raum durch Oberflächen geschehen.
Welche Rolle spielt diffuse Strahlung in der Meteorologie?
In der Meteorologie spielt diffuse Strahlung eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Wetters, insbesondere der globalen Energiebilanz der Erdatmosphäre. Die Verteilung von Sonnenlicht auf der Erdoberfläche, sowohl direkt als auch diffus, beeinflusst das Wettergeschehen und hat Auswirkungen auf Phänomene wie Wolkenbildung, Temperatur und Verdunstung.
Wie beeinflusst diffuse Strahlung die Solarstromerzeugung?
Bei der Solarstromerzeugung spielen sowohl direkte als auch nebelhafte Strahlung eine Rolle. Während direkte Strahlung von der Sonne auf die Solarzellen trifft, um elektrische Energie zu erzeugen, trägt die Strahlung dazu bei, dass Solarzellen auch bei bewölktem Himmel Energie erzeugen können, da sie auch von gestreutem Licht profitieren.
Wie nutzt man nebelhafte Strahlung in der Beleuchtungstechnik?
In der Beleuchtungstechnik kommt die diffuse Strahlung oft zum Einsatz, um eine gleichmäßige und angenehme Beleuchtung in einem Raum zu erzielen. Indem sich das Licht an Oberflächen streut, reduziert sich die Blendung. Zudem lässt sich so eine weiche, gleichmäßige Ausleuchtung erreichen, was insbesondere in Büros, Wohnräumen und öffentlichen Gebäuden wichtig ist.
Gibt es Möglichkeiten, diffuse Strahlung zu messen?
Ja, es gibt verschiedene Instrumente wie Pyranometer und Pyrheliometer. Diese dienen dazu, die Einstrahlung von Sonnenlicht, einschließlich direkter und diffuser Strahlung, zu messen. Diese Messungen sind wichtig für die Analyse von Klimadaten, die Planung von Solarenergieanlagen und die Entwicklung von Beleuchtungssystemen.
Kann man gestreute Strahlung für spezielle Anwendungen gezielt beeinflussen?
Ja, es gibt verschiedene Techniken, um diffuse Strahlung zu manipulieren oder zu optimieren, je nach Anwendungsbereich. Zum Beispiel werden spezielle Oberflächenstrukturen entwickelt, um Licht diffus zu streuen oder zu reflektieren. Und dieses wird dann etwa in der Architektur für eine effiziente Tageslichtnutzung oder in der Solartechnik für eine verbesserte Energieerzeugung genutzt.
