Globalstrahlung

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Strahlungsarten, Einflussfaktoren und regionale Globalstrahlung

Installation einer PV-Anlage © Simon Kraus, stock.adobe.com
Installation einer PV-Anlage © Simon Kraus, stock.adobe.com

Die Globalstrahlung bildet eine wichtige Eingangsgröße für die Ertragsberechnung einer Photovoltaikanlage. Unter diesem Begriff versteht man die solare Strahlung, die auf einen Quadratmeter horizontale Empfangsfläche im Laufe eines Zeitraumes – meist eines Jahres – auftrifft. Der Beitrag klärt über den Unterschied zwischen Direktstrahlung und Diffusstrahlung auf, nennt die Einflussfaktoren auf die Globalstrahlung und weist auf die regionalen Besonderheiten für den Erfolg einer PV-Anlage hin.

Globalstrahlung erklärt
Die Globalstrahlung erklärt

Summe aus Direktstrahlung und Diffusstrahlung

Die Globalstrahlung setzt sich aus Direktstrahlung und Diffusstrahlung zusammen.

Die direkte Sonnenstrahlung ist die Strahlung, die von der Sonne ausgehend auf direktem Weg auf die Erde trifft. Ein anderer Name für die Direktstrahlung ist schattenwerfende Strahlung.

Bei der diffusen Sonnenstrahlung wird ein Teil der Sonnenstrahlung auf dem Weg durch die Erdatmosphäre von Wolken, Luftfeuchtigkeit und Partikeln in der Luft beeinflusst. Die Strahlen werden gestreut, d.h. in unterschiedliche Richtungen geleitet. Diese auch gestreute Strahlung oder diffuse Himmelsstrahlung genannte Strahlung kann bei durchgehend bewölktem Himmel bis zu 100 % der Globalstrahlung ausmachen. Im Jahresdurchschnitt liegt der Anteil der Diffusstrahlung an der Globalstrahlung in Deutschland bei rund 50 %.

Diffuse Strahlung erklärt
Die diffuse Strahlung erklärt
Tipp: Der Deutsche Wetterdienst DWD misst laufend die Daten der Direktstrahlung und der Diffusstrahlung in Deutschland. Auf der Website können Karten mit den monatlichen Werten der letzten 5 Jahre abgerufen werden. So können Interessierte selbst die Entwicklung der Klimaveränderung beobachten.
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Einflussfaktoren auf die Globalstrahlung

Die Globalstrahlung ist keine Konstante, sondern abhängig von Standort, Tages- und Jahreszeit sowie vom Wetter. Mit steigendem Sonnenstand wird der Weg durch die Atmosphäre kürzer und die Absorption und Streuung geringer. Damit ist die Globalstrahlung prinzipiell in südlicheren Breiten höher und im Sommer größer als im Winter. Aber auch die jeweiligen Wetterbedingungen beeinflussen die Globalstrahlung. So sinkt die nutzbare Energiemenge der Sonne bei starker Bewölkung oder Nebel auf einen Bruchteil des Werts bei strahlendem Sonnenschein.

Die Globalstrahlung hat einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag
Die Globalstrahlung hat einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag

Pyranometer dienen der Messung des Momentanwerts. Die Einheit der erfassten Bestrahlungsstärke ist W/m². Der sog. Energieeintrag ergibt sich durch Summierung der eingestrahlten Energie über bestimmte Zeiträume, beispielsweise Stunden, Tage oder Jahre. Jahreseinträge werden in kWh/m²*a angegeben. Beispiel: Ein Jahreseintrag von 1.200 kWh/m²*a entspricht einer über das Jahr gemittelten Einstrahlleistung von 137 W/m². Dafür wird der Jahreseintrag einfach durch 8760 Stunden dividiert.

Der Standort entschiedet ebenfalls über die Leistung: Wo steht die PV-Anlage in Deutschland?
Der Standort entschiedet ebenfalls über die Leistung: Wo steht die PV-Anlage in Deutschland?

Durchschnittliche und regionale Globalstrahlung

Für die Planung einer Photovoltaikanlage sind die Jahressummen der Globalstrahlung eine zentrale Ausgangsgröße. Schaut man sich die Weltkarte an, fällt auf, dass die Verfügbarkeit der Solarenergie in Äquatornähe am höchsten ist und dass sie nach Norden und Süden immer stärker abnimmt. So betrug 2016 die Globalstrahlung in Kenia ca. 2.400, in Spanien ca. 1.650 und in Großbritannien ca. 900 kWh/m2*a.

Globalstrahlung Deutschland Jahressumme © Deutscher Wetterdienst
Globalstrahlung Deutschland Jahressumme © Deutscher Wetterdienst

Für Deutschland hat der Deutsche Wetterdienst DWD in den vergangenen Jahren eine steigende Strahlungsenergie ermittelt. Lag die mittlere jährliche Globalstrahlung bisher bei etwa 900-1.000 kWh/m2, wird der Wert heute mit 950-1.150 kWh/m2 angegeben. 2020 war ein besonders sonnenreiches Jahr mit einem gesamtdeutschen Durchschnittswert von 1.171 kWh/m2. Die Karte erklärt auch die Zahlen „von – bis“: Der untere Wert bezieht sich auf die strahlungsärmeren Regionen Norddeutschlands, der obere Wert auf den Süden der Republik. Mittlere Strahlungswerte verzeichnen die östlichen und zentralen Regionen sowie die Küsten. Fazit: Der Unterschied zwischen Nord- und Süddeutschland beträgt ca. 20 %.
Tipp: Das „Photovoltaic Geographical Information System” PVGIS ist ein Tool zur Ertragsermittlung von Photovoltaikanlagen. Es wird von der Europäischen Kommission betrieben und jedem Interessierten kostenlos zur Verfügung gestellt.

Globalstrahlung auf geneigte Flächen

Die Globalstrahlung auf eine geneigte Photovoltaikanlage unterscheidet sich i.d.R. von der bisher definierten Globalstrahlung auf eine horizontale Empfängerfläche. Einerseits enthalten die Module zusätzlich die vom Erdboden reflektierte Sonnenstrahlung, z. B. durch Wasserflächen oder eine Schneedecke. Andererseits ist der Beitrag der Diffusstrahlung auf geneigte Flächen geringer als auf horizontale Flächen. Der Direktstrahlungsanteil hängt vom Einfallswinkel ab, welcher sich aus dem Sonnenstand und dem Neigungswinkel der Fläche ergibt. Dies ist für eine exakte Berechnung zu berücksichtigen.

Tipp: Bei kritischen Standorten sollte neben der Messung der Strahlung zur Sicherheit auch eine Verschattungsanalyse durchgeführt werden.

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Globalstrahlung auf einen Blick

Und so sieht die Realität beim Standortfaktor Globalstrahlung aus:

Faktor Ergebnis
Durchschnittswerte
  • Deutschland: 1050 kWh/m2*a
  • Norddeutschland: < 1000 kWh/m2*a
  • Süddeutschland: > 1200 kWh/m2*a
Einflussfaktoren
  • Direktstrahlung bei klarem Wetter
  • Diffusstrahlung bei Wolken, Nebel, Luftverschmutzung
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