Solarstrahlung

Leben auf der Erde wäre ohne die Energie, die von der Sonne zur Erde gelangt, nicht möglich. Die Sonne strahlt eine Gesamtleistung von \(4 \cdot 10^{23}\,kW\) aus, wovon nur ein winziger Bruchteil, etwa ein knappes halbes Milliardstel, die Erdoberfläche erreicht. Bei senkrechtem Einfall beträgt die Strahlung, die in die Erdatmosphäre gelangt, \(1,37\,\frac{kW}{m^2}\). Dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet. Dadurch ergibt sich ein jährlicher Energiefluss von \(5,6 \cdot 10^{24}\,J\). Die Sonnenenergie macht etwa \(99,9\,\%\) des gesamten Energieanteils der Erde aus, während der restliche Energieumsatz von Vulkanen, Gezeiten, Erdwärme und dem Primärenergieverbrauch stammt, der etwa \(0,006\,\%\) beträgt. Da etwa \(0,1\,\%\) der einfallenden Sonnenstrahlen in Biomasse gespeichert werden und es möglich ist, Sonnenenergie direkt zu nutzen oder in elektrische Energie umzuwandeln, liegt es nahe, sich mit der dafür erforderlichen Technologie zu befassen. Uns stellt sich die Frage, welcher Anteil der Sonnenenergie in unseren Breitengraden tatsächlich nutzbar ist. Im Hochsommer, bei klarem Himmel, liegt die Strahlungsleistung in Deutschland bei etwa \(1000\,\frac{W}{m^2}\). Bei bewölktem Himmel variiert dieser Wert je nach Stärke der Bewölkung zwischen \(600\,\frac{W}{m^2}\) und \(300\,\frac{W}{m^2}\). An einem trüben Wintertag sinkt er sogar auf nur noch \(100\,\frac{W}{m^2}\). Für die Berechnung von Solarzellenleistungen ist es jedoch wichtig, die durchschnittliche Leistung über das gesamte Jahr hinweg zu berücksichtigen, einschließlich Tag und Nacht. In Deutschland beträgt diese durchschnittliche Strahlungsleistung über die gesamte Zeitspanne der \(8766\,Stunden\), die ein Jahr hat, etwa \(114\,\frac{W}{m^2}\). Die Gesamtenergiemenge pro Fläche und Jahr ergibt sich somit zu \(\frac{E}{(m^2\cdot a)} = \frac{P}{m^2}\cdot t = 114\,\frac{W}{m^2}\cdot8766\,h≈ 1000\,\frac{kWh}{(m^2\cdot a)}\). Unter der Annahme eines Wirkungsgrades von \(15\,\%\) könnte eine Solarzelle mit \(1\,m^2\) Fläche daher ungefähr \(150\,kWh\) elektrische Energie pro Jahr erzeugen. Nicht berücksichtigt ist bei dieser Abschätzung der Umstand, dass Angebot und Nachfrage der erzeugten elektrischen Energie über die Monate hinweg, aber auch im Lauf des Tages fast invers zueinander verlaufen. Dies führt wiederum dazu, dass – auch abhängig von der Größe der Anlage – nur ein Teil der umgewandelten Energie tatsächlich genutzt wird. Im weiteren Verlauf werden wir uns mit Strahlungsenergie im Zusammenhang mit Sonnenkollektoren, Photovoltaik und auch der Speicherung der umgewandelten Energie beschäftigen.