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SO FUNKTIONIERT PHOTOVOLTAIK

Licht liefert Energie. Dies ist bereits seit Millionen von Jahren so.

Pflanzen nutzen dies in Form der Photosynthese und der daraus entstehenden Energie zum Wachsen. In ihrer natürlichen Umgebung sorgen der Lauf der Sonne und die jahreszeitlich bedingte Einstrahlungsdauer und -intensität des Sonnenlichts dafür, dass Pflanzen stets mit ausreichend Licht versorgt werden. Unsere natürliche Lichtquelle auf der Erde ist die Sonne. Diese erzeugt nicht nur Licht, sondern auch Wärme, denn ansonsten wären wir in unserer aktuellen Umwelt nicht lebensfähig. Die Sonne liefert hierbei einen riesigen, unerschöpflich funktionierenden Fusionsreaktor. Das jährlich auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenlicht erzeugt eine Energiemenge, die etwa dem 7 000- bis 8 000-fachen des weltweiten Primärenergiebedarfs entspricht.

Die Grafik „Jährlich verfügbare Solarstrahlungsenergie“ (siehe Seite 12) veranschaulicht das Verhältnis der jährlichen Sonneneinstrahlung (gelber Würfel) zum kleinen weißen Würfelchen des Weltenergieverbrauchs und gegenüber den kleineren Würfeln – rot, grau, grün und schwarz – der Reserven an fossilen Energiestoffen. Bedacht werden muss, dass der große Würfel das weitgehend konstante jährliche solare Energieangebot darstellt, wogegen sich die kleineren Würfel der fossilen Energieträger von Jahr zu Jahr verkleinern – zwar langsam, aber stetig. Dagegen steigt der jährliche Energieverbrauch (weißer Würfel) ebenfalls zusehends an.

Jährlich verfügbare Solarstrahlungsenergie im Vergleich zu den Energiereserven fossiler Stoffe sowie dem jährlichen Weltenergieverbrauch

Solare Strahlung

Aufgrund der natürlichen Sonnenlaufbahn schwankt die Bestrahlungsstärke auf der Erde – einmal durch den natürlichen Tagesverlauf der Sonne sowie durch deren Jahresverlauf. Zudem ist dies regional wetterabhängig, also davon, wie oft es bewölkt ist oder ein klarer Himmel vorherrscht.

Bei einer senkrecht zur Sonneneinstrahlung ausgerichteten Fläche beträgt die Einstrahlung in Deutschland außerhalb der Atmosphäre zwischen 1 325 W/m² und 1 420 W/m². Die Luftschicht der Erde reduziert die Sonneneinstrahlung durch Reflexion, Absorption und Streuung, sodass bei wolkenlosem Himmel am Boden die Bestrahlungsstärke rund 1 000 W/m² erreicht. Hierbei handelt es sich um die direkte Sonneneinstrahlung.

Verschiedene Strahlungsanteile aus direkter und indirekter Strahlung auf ebener sowie geneigter Fläche

Bei der solaren Einstrahlung auf den Erdboden kommt neben der direkten Einstrahlung noch die diffuse oder reflektierte Strahlung hinzu. Diese ergibt sich zum Beispiel bei einem durchgehend bewölkten Himmel. Durch die Lichtreflexion an den Wolken können tagsüber bei wechselnder Bewölkung Spitzenwerte der Einstrahlung bis zu 1 400 W/m² erreicht werden. Die Summe dieser Strahlungsarten nennt man Globalstrahlung (in Watt pro Quadratmeter). Summiert man die Leistung der Einstrahlung auf ein Jahr, so erhält man die jährliche Globalstrahlung (in Kilowattstunden pro Quadratmeter).

In Deutschland liegen die mittleren Jahressummen der Globalstrahlung im langfristigen Mittel zwischen 940 kWh/m² bis rund 1 290 kWh/m². Dabei ergibt sich ein deutliches Süd-Nord-Gefälle.

Die jährliche Sonnenscheindauer liegt bei 1 300 bis 1 900 Stunden. Die regional unterschiedlichen Jahreseinstrahlungen lassen sich aus der Einstrahlungskarte des Deutschen Wetterdienstes recht deutlich erkennen (siehe Abbildung Seite 13). Unter der Adresse dwd.de (Stichwort: Strahlungskarten) können die jeweils monatsaktuellen Karten eingesehen werden.

Die Grafik zeigt das langfristige Mittel. In den einzelnen Jahren kann die Einstrahlung vom Durchschnittswert abweichen. Die Streubreite liegt bei einer langfristigen Betrachtung bei etwa +/- 15 Prozent. In den letzten 20 Jahren gab es hierzu bereits sehr auffällige Jahre. So lag zum Beispiel das Jahr 2004 mit etwa 14 Prozent deutlich über dem Mittelwert. 2013 hingegen waren die Einstrahlungswerte regional sogar bis zu etwa 18 Prozent niedriger. In den letzten Jahren seit 2018 ist das Wetter durch extrem heiße Sommermonate geprägt – mit entsprechend gestiegener solarer Einstrahlung.

Die bisherigen Strahlungsbetrachtungen beziehen sich auf eine ebene Fläche auf dem Boden. Durch eine Direktbestrahlung auf eine geneigte, zur Sonne ausgerichtete Fläche – zum Beispiel einem Dach mit Südneigung – ergeben sich höhere Einstrahlungswerte. Dabei addieren sich neben der direkten und diffusen Bestrahlung noch mögliche reflektierende Strahlungen vom Erdboden. Das Optimum einer starren Dachneigung liegt vom Süden Deutschlands nach Norden hin zwischen 30 ° und 40 °. In Norddeutschland wirken sich wegen des dort „niedrigeren“ Sonnenstandes steilere Dächer günstiger aus als im süddeutschen Raum.

Abweichende Dachneigungen sowie Ausrichtungen verringern auf natürliche Weise die solare Einstrahlung – bisweilen sehr deutlich, was sich prozentual über Grafiken für verschiedene Standorte visualisieren lässt.

Beispiel: Bei einem nach Südwesten geneigten Dach (Azimuth 45 °) und einer Dachneigung von 30 ° ergibt sich eine Einstrahlung von rund 1100 Watt/m², welche gegenüber einer idealen Südausrichtung mit 1 150 Watt/m² um rund 50 Watt/m² abweicht.

Durch technische Einrichtungen lässt sich die Einstrahlung auf eine bestimmte Fläche sogar noch weiter erhöhen. Bei Freiland-Photovoltaikanlagen gibt es mancherorts sogenannte „Nachführanlagen“. Hier werden die Modulflächen auf Montagesystemen betrieben, die dem Sonnenverlauf automatisch folgen, sowohl vertikal als auch horizontal. Damit erfolgt eine optimale Ausnutzung der täglichen Sonneneinstrahlung über den gesamten Tagesverlauf, deren Einstrahlungswerte gegenüber einer „starren“ Südausrichtung bei bis zu 40 Prozent höher liegen kann.

Die auftreffende Strahlungsenergie der Sonne setzt sich aus direkter und diffuser Einstrahlung zusammen (Daten für Würzburg von Meteonorm).

Jährliche Sonneneinstrahlung in Deutschland im langfristigen Mittel