Hallo, in diesem Video
geht es um das Solarenergieangebot,
die physikalische Eigenschaften der Solarstrahlung
und die Höhe des weltweiten Solarangebots,
weltweit und auch in Deutschland.
Zunächst zur Wellenlängenabhängigkeit der Solarstrahlung.
Sie sehen hier die
Strahlungsintensität der Solarstrahlung,
aufgetragen über der Wellenlänge.
Was die Sonne
theoretisch an Strahlung abgibt,
das ist diese hier
gestrichelt eingezeichnete
gelbe Linie,
das ist das Strahlungsspektrum
eines idealen schwarzen Körpers
bei 5.900 Kelvin Temperatur.
Das entspricht etwa
der Oberflächentemperatur der Sonne.
Ein solcher idealer schwarzer Körper,
wie die Physiker sagen, würde diese Strahlung abgeben.
Wenn man jetzt
am Außenrand der Erdatmosphäre misst,
auf der ISS zum Beispiel,
dann kann man diese
orangene Verteilung messen und
das ist in etwa das,
was die physikalische Theorie dafür vorhersagt.
Auf der Erde kommt natürlich nicht so viel an.
Was auf der Erde ankommt,
ist hier eingezeichnet
mit diesen Einbuchtungen
hier auch das Farbspektrum des sichtbaren Lichtes,
etwa
zwischen 350 bis 800
Nanometer Wellenlänge.
Links davon bei kürzeren Wellenlängen
ist das UV-Licht (ultraviolettes Licht), rechts davon
bei längeren Wellenlängen
ist die Infrarotstrahlung.
Es kommt nicht so viel an,
weil wir Strahlungsminderungen haben,
durch Stoffe in der Atmosphäre, Partikel,
Staubpartikel, zum Beispiel Ozon.
Das Ozon knabbert vor allem hier, filtert
vor allem hier
die ultraviolette Strahlung
aus dem Strahlungsspektrum heraus.
Oder Wasserdampf, was dann hier für
diese tiefen Einbuchtungen auch
verantwortlich ist.
Das Spektrum, was hier dargestellt ist,
gilt für Air Mass(AM) 1,5.
Das ist etwa die Dicke der Atmosphäre
am Äquator.
In Deutschland
haben wir etwa eine
maximale Einstrahlung von 1.000 Watt
pro Quadratmeter,
die wir auf der horizontalen Fläche messen können.
Hier am Außenrand der
Atmosphäre sind es,
summiert über alle Wellenlängen,
also das Integral unter dieser Kurve,
1.400 Watt pro Quadratmeter.
Die Solarstrahlung kann man in zwei Teile aufteilen.
Der erste Teil, das ist die direkte Strahlung,
aus der Richtung der Sonne
mit einem bestimmten Winkel je nach Sonnenstand
und den kann man, diesen
Strahlungsterm kann man dann aufteilen
in einen senkrechten Strahlungsanteil,
senkrecht zur Erdoberfläche
und einen parallelen Strahlungsanteil,
nach geometrischen
Gesetzmäßigkeiten.
Der zweite Strahlungsanteil ist
diffuse ungerichtete Strahlung.
Aus verschiedenen Gründen ist die Strahlung ungerichtet.
Sie ist nämlich die Summe
aus verschiedenen Anteilen.
Zunächst mal findet Streuung in der Atmosphäre statt,
an Partikeln, an Molekülen,
Rayleigh- und Mie-Streuung,
man hat von der Umgebung
reflektierte Solarstrahlung von
Gebäuden, Glasflächen, Wasserflächen.
Auch das verursacht
ungerichtete Strahlung.
Und es kommt als dritter Term
die atmosphärische Gegenstrahlung hinzu
von Molekülen, die vorher Strahlung aufgenommen haben,
die von der Erdoberfläche
Richtung Weltall gerichtet ist.
In Deutschland ist der Anteil der diffusen Strahlung
im Jahresmittel über 50 %
also die direkte Strahlung
dominiert in Deutschland nicht.
Das ist in anderen Ländern
z.B. Wüstenregionen natürlich
ganz anders.
Die Summe aus direkter und diffuser Strahlung
nennen wir Globalstrahlung.
Hier eine Weltkarte
für die Globalstrahlung
auf horizontale Flächen.
Sie sehen hier eine Bandbreite zwischen 800 und 2.700
Kilowattstunden Solarenergie
pro Quadratmeter.
Das ist vielleicht eine Bandbreite,
die man größer eingeschätzt hätte
zwischen den Regionen der Welt.
Bei dieser Einschätzung
kommt zum Tragen, dass wir direkte Strahlung
sehr viel intensiver wahrnehmen
als diese diffuse Strahlung und
die diffuse Strahlung aber dennoch
einen nennenswerten Anteil der
Solarstrahlung ausmachen kann.
Die Spitzenwerte werden hier
zum Beispiel in der Sahara erreicht
oder hier in den Anden,
also an Stellen der Erde,
die nahe am Äquator sind,
denn dort ist der Strahlungsweg tendenziell kurz,
und an Stellen der Erde
mit hoher geodätischer Höhe,
also in Gebirgsregionen und in Regionen,
wo es eine
geringe Bedeckungshäufigkeit gibt,
also wenige Wolken, z.B, in solchen
Wüstenregionen und auch hier oder
hier.
Wir liegen hier in Deutschland
in diesem grünen,
blau-grünen Bereich in der
Gegend von 1.000 bis 1.100
Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr.
Hier eine Deutschlandkarte der Solarstrahlung.
Wir haben im Mittel
1.054 Kilowattstunden pro
Quadratmeter und Jahr.
Der kleinste Wert wird hier
im Sauerland angegeben mit
950 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr,
Der größte
hier in Süddeutschland,
mit 1.260 Kilowattstunden
pro Quadratmeter und Jahr.
Das sind im übrigen Mittelwerte
der Jahre 1981 bis 2010.
Tendenziell haben wir steigende
Solarstrahlungsmengen aufgrund des
Klimawandels.
Man sieht lokale Unterschiede:
wir haben insgesamt einen Anstieg der Solarstrahlung
vom Norden in den Süden,
das hängt einfach mit dem Breitengrad zusammen,
der Süden ist näher am Äquator.
Und das hier in den
Alpen dann die Spitzenwerte erreicht werden,
hängt auch mit der Höhenlage zusammen
und dem
lokalen Wettergeschehen.
Das drückt sich auch aus
in der Bedeckungshäufigkeit,
die von Westen nach Osten etwas abnimmt,
weil Westdeutschland stärker
dominiert ist von dem
Atlantikwettergeschehen
und der Osten schon etwas stärker
vom osteuropäischen
Kontinentalklima geprägt ist.
Die Unterschiede von Jahr zu Jahr,
die sind gar nicht so groß,
wie man das ursprünglich fühlen würde.
Das ist wieder dieser Aspekt,
dass wir direkte Solarstrahlung
stärker empfinden als diffuse Solarstrahlung.
Plus minus 15 % kann man hier feststellen.
Das waren Betrachtungen auf die horizontale Fläche.
Jetzt eine Grafik zu der Frage,
Wie groß ist denn die Solarstrahlung
auf eine geneigte Fläche?
Und da muss man natürlich
den Neigungswinkel berücksichtigen
und in welche Richtung die Fläche schaut,
in welche Himmelsrichtung.
In dieser Grafik sind diese beiden Parameter angegeben,
nämlich der Neigungswinkel
der Fläche und
der sogenannte Azimutwinkel,
also hier der Azimutwinkel von 0 Grad,
wenn die Fläche nach Süden orientiert ist (geneigt) ist
oder von minus 90 Grad,
wenn Sie nach Osten geneigt ist.
Nach Westen wären es plus 90 Grad, das ist spiegelgleich.
Nach Norden ist es ein Azimutwinkel von 180 Grad.
Wie ist diese Grafik nun zu lesen?
Nun, wenn man eine geneigte Fläche hat,
muss man zunächst
den Azimutwinkel festlegen
und die Azimutgerade
aus dem Ursprung des Diagramms
z.B. 50 Grad nach Osten anlegen
Der Schnittpunkt der Gerade
mit einem Neigungswinkel
von z.B. 30 Grad
ergibt diese Gerade.
Der Neigungswinkel von 30 Grad ist dieser Halbkreis.
Ja, und der 30°-Halbkreis
mit dieser Azimut-Gerade
hat hier seinen Schnittpunkt.
Damit liegen wir direkt auf der Grenze
zwischen Dunkelrot und Orange.
Das wären hier 95 % Solarstrahlung.
Ja, und da
muss man natürlich fragen,
was ist denn 100 % ?
Wodran orientiert man sich?
100 % wäre hier diese maximale Solarstrahlung.
Die Fläche ist
nach Süden geneigt
und zwar mit etwa 35 Grad.
Dieses Diagramm gilt im Übrigen für Würzburg.
Aber auf so eine Fläche haben wir auch
keine Angabe über die
Solarstrahlung absolut.
Die haben wir aber für die horizontale Fläche,
das ist dieser weiße Punkt hier,
mit 0 Grad Neigung,also horizontal und
das liegt hier
in dieser dritten Farb-Kategorie,
also hier in dieser Kategorie
zwischen 85 und 90%,
hier wäre 85%, hier 90%,
also hier haben wir circa 88 %.
Wenn man aus einer Strahlungskarte
wie dieser abgelesen haben,
dass absolut im Sauerland 59 circa Kilowattstunden
pro Quadratmeter und Jahr Solarstrahlung vorliegen,
dann entspricht das 88 %
und das, was ich gerade als Schnittpunkt
ermittelt habe
mit diesem 30 Grad Halbkreis,
das hatten wir gesagt, sind 95 %.
Also 88 % entspricht 950
Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr
und die 95 % entsprechen dann
x Kilowattstunden pro Quadratmeter
und das kann man
mit einem Dreisatz ausrechnen.
Das ist die allgemeine Handhabung dieses Diagramms.
Ich erwähne noch zwei Erkenntnisse,
erstens
die maximale Einstrahlung
das hatte ich gerade schon genannt:
Die maximale Einstrahlung liegt vor,
wenn die Fläche 35 Grad nach Süden geneigt ist.
Das sind 12 % mehr als auf die
Horizontale. Hier haben wir 88 %,
hier haben wir 100 %,
also 12 Prozentpunkte mehr.
Und zweitens, aus meiner Sicht eine
ganz wichtige Erkenntnis.
Wenn man eine sehr ungünstige Neigung hat,
plus minus 90 Grad im Azimutwinkel,
also nach Osten und Westen guckend,
nach Osten oder Westen guckend
und einen Neigungswinkel von 50 Grad,
dann ergibt sich
dieser Schnittpunkt,
hier blau markiert
bei 100, 95, 90, 85, 80 %
also 80 Prozentpunkten.
Das sind 20 Prozentpunkte
weniger als bei einer perfekt ausgerichteten,
also nach Süden optimal geneigten Fläche.
Also, so besonders groß
ist der Unterschied zwischen einer
vermeintlich nicht geeigneten Fläche
und einer optimal
ausgerichteten Fläche gar nicht.
Die letzte Folie zu diesem Thema
zeigt die Globalstrahlung im Jahres- und Tagesgang.
Hier der Jahresgang.
Die blaue Linie
zeigt die tägliche Globalstrahlung.
Das sind Messwerte
aus Düsseldorf für 2020.
Und
die roten Balken
sind die aufaddierten
Globalstrahlungswerte
für die einzelnen Monate.
Der typische Verlauf ist klar:
Im Winter gibt es weniger Solarstrahlung als im Sommer.
In 2020 war hier
(Januar, Februar, März, April, der Mai, also)
der Mai war ein sehr sonnenreicher Monat,
also nicht der Juni oder der Juli in diesem Fall.
Das ist natürlich
von Jahr zu Jahr unterschiedlich.
Sie sehen die schwankenden Tageswerte,
die von der Tageslänge und vom Sonnenstand
und von der Bedeckungshäufigkeit und
Bedeckungsintensität abhängig sind,
also vor allem von der Wolkenbildung,
bei uns nicht so sehr von der Luftverschmutzung,
weil wir in der Regel recht saubere Luft haben.
Aber in anderen Ländern mit mehr Smog
kann das natürlich anders ausssehen.
Die Globalstrahlungs-Leistungen,
in der BRD sind natürlich
minimal 0 Watt pro Quadratmeter,
nämlich nachts scheint keine Sonne
und maximal bei klarem Himmel
auf eine horizontale Fläche im Sommer
etwa 1.000 Watt pro Quadratmeter und im
Winter bei 500 Watt pro Quadratmeter.
Falls man aber dann die Fläche (nicht horizontal sondern)
senkrecht zur Sonne ausrichtet, (steigen diese Werte).
- denn bei klarem Himmel sind die diffusen
Strahlungsanteile ja gering
und es dominieren direkte Strahlungsanteile,
und wenn dann die Fläche
senkrecht zur Sonne ausgerichtet ist,
so erhält die Fläche höhere Strahlungen.
Im Sommer müsste die Fläche nicht so stark geneigt werden,
im Winter etwas stärker,
weil die Sonne im Winter ja flacher steht.
Ja,
so viel zum Strahlungsangebot der Sonne.
Ich hoffe das hilft Ihnen weiter.