Die Sonneneinstrahlung und ihr Einfluss auf die Photovoltaik

Die Effizienz einer Photovoltaikanlage ist abhängig von der Dauer und Stärke der Sonneneinstrahlung. Die Sonne ist ein besonders wertvoller Energielieferant, wobei gerade bei Photovoltaikanlagen auf den optimalen Neigungswinkel zu achten ist. Je genauer eine PV-Anlage ausgerichtet ist, desto höher ist ihr Leistungsertrag.

Mit der optimalen Ausrichtung kann das Spektrum des Sonnenlichts länger auf die PV-Module treffen. Dadurch wird erzielt, dass die Leistung der PV-Anlage erhöht wird. Es ist daher empfehlenswert, schon bei der Planung festzustellen, wie die Sonneneinstrahlung am eigenen Standort ausfällt und die optimale Ausrichtung der PV-Module festzulegen.

In diesem Beitrag erfahren Sie alles Wissenswerte über die Sonneneinstrahlung in Deutschland und deren Bedeutung für eine PV-Anlage.

Sonneneinstrahlung ist Strahlungsenergie, die von der Sonne ausgestrahlt wird und auf die Module trifft. Die Sonnenstrahlen, die auf die Erde treffen, werden als Globalstrahlung bezeichnet. Hierbei ist jedoch nicht nur die direkte Sonnenstrahlung, sondern auch das diffuse Sonnenlicht gemeint.

Diffuses Sonnenlicht entsteht durch Wolkenbildung oder Smog und wird dadurch gebrochen. Das bedeutet, dass die Sonneneinstrahlung auf der Erde selbst bei Bewölkung oder Regen auftrifft. Dadurch können PV-Module selbst bei diesen Wetterbedingungen Strom erzeugen.

Die Begriffe „Sonneneinstrahlung“, „Globalstrahlung“ oder „Solarstrahlung“ werden sehr oft als Synonym verwendet, wenn es darum geht, wie das Spektrum des Sonnenlichts auf die Erde trifft. Zwischen diesen drei Begriffen bestehen jedoch kleine Unterschiede.

Die Globalstrahlung

Als Globalstrahlung wird die Sonnenstrahlung bezeichnet, die auf der Erde auftrifft. Das bedeutet, dass diese Sonnenstrahlen zum Beispiel wichtig sind, um Solarstrom erzeugen zu können.

Die Sonneneinstrahlung

Als Sonneneinstrahlung wird die gesamte von der Sonne ausgehende Strahlung bezeichnet. Die elektromagnetische Sonnenstrahlung, das Spektrum Sonnenlicht, reicht von UV-Strahlung, Infrarotstrahlung über Radiowellen bis zu Röntgenstrahlen.

Die Solarstrahlung

Ein Synonym zur Sonneneinstrahlung ist die Sonnenstrahlung. Der Begriff steht ebenfalls für die gesamte Sonnenstrahlung.

Die in den PV-Modulen befindlichen Solarzellen nehmen die Sonnenenergie auf und wandeln diese in elektrische Energie um. Je stärker die Sonneneinstrahlung, desto höher ist die PV-Anlagenleistung. Aus diesem Grund ist die Leistung der PV-Anlage von der Sonneneinstrahlung abhängig.Hilfreich ist hier eine PV-Anlage mit Speicher, um auch Nachts von Solarstrom zu profitieren. Durch den Nachrüstspeicher, kann der Solarstrom der tagsüber gewonnen wurde, auch Nachts Geräte wie Kühlschrank und Gefriertruhe mit Energie versorgen.

Die Sonneneinstrahlung auf die Erde schwankt mit den Jahreszeiten, der Witterung und dem Sonnenstand im Laufe eines Tages. Mit durchschnittlich 17 kWh pro m² liegt sie im Dezember am niedrigsten. Hingegen beträgt die höchste Sonneneinstrahlung im Sommer durchschnittlich rund 166 kWh pro m² im Juni in Deutschland. Weitere wichtige Faktoren sind die Region und die Höhe, die die Sonneneinstrahlung beeinflussen.

Eine enorme Auswirkung auf die PV-Anlagenleistung hat ebenfalls die Art der Sonneneinstrahlung.

Hier wird unterschieden zwischen:

In Summe gesehen ist die direkte und indirekte Sonneneinstrahlung Globalstrahlung. Im jährlichen Mittel machen beide Strahlungsarten je 50 Prozent der Globalstrahlung aus.

Von direkter Sonneneinstrahlung wird dann gesprochen, wenn das Sonnenlicht ohne Behinderung eine Verschattung zum Beispiel auf die PV-Module trifft. Bei der direkten Sonneneinstrahlung können hohe Leistungserträge erzielt werden.

Eine indirekte Sonneneinstrahlung hingegen kommt in der Regel öfter vor. Indirekte Sonneneinstrahlung ist dann gegeben, wenn viele Wolken die Sonne verdecken oder aber das Sonnenlicht reflektiert wird. Trifft indirekte Sonneneinstrahlung auf die PV-Module, so wird die Leistung der PV-Anlage reduziert.

Obwohl die indirekte Sonneneinstrahlung gerade in Deutschland sehr häufig auftritt, ist sie für die Leistung einer PV-Anlage ein ausschlaggebender Faktor.

Nicht nur der Deutsche Wetterdienst, sondern auch der Bund selbst beobachtet seit vielen Jahren die Sonneneinstrahlung im gesamten deutschen Bundesgebiet mittels der Daten von Satelliten.

Mithilfe dieser gesammelten und ausgewerteten Daten werden Strahlungskarten, Strahlungsdiagramme und ein Solarkataster erstellt. Mit diesen Daten ist es relativ einfach, die optimale Ausrichtung der PV-Module festzulegen.

Pro Quadratmeter kann in Deutschland von rund 1.000 kWh Sonneneinstrahlung jährlich ausgegangen werden. Die Schwankungen zwischen den Sommer- und Wintermonaten sind jedoch enorm.

Genauer betrachtet können in den Sommermonaten bis zu fünf Mal höhere Werte erreicht werden als in den Wintermonaten. Des Weiteren ist die Sonneneinstrahlung von weiteren Faktoren abhängig. Zu diesen Faktoren zählen die Tageslänge, die Bewölkung und auch die Höhenlage (über dem Meeresspiegel).

Zusätzlich beeinflusst der Sonnenstand (dieser ist abhängig von der geografischen Breite und der Jahreszeit) die Sonneneinstrahlung enorm. Die genannten Faktoren beeinflussen die Leistungsfähigkeit einer PV-Anlage erheblich.

In Deutschland kann von einem durchschnittlichen Mittel circa 1.300 - 1.900 Sonnenstunden/jährlich ausgegangen werden. Nachdem ein Jahr jedoch 8760 Stunden aufweist, werden nur rund 20 Prozent des Jahres von Sonnenstunden geprägt.

Der Süden Deutschlands erreicht die höchsten Werte der Sonnenstunden, wogegen in Mittel- und Norddeutschland weniger Sonnenstunden gezählt werden können. Ein Solarkataster gibt hier in jeder Region genaue Werte an.

Wie bereits erwähnt wurde, verändert sich die Sonneneinstrahlung während eines Jahres enorm. Aufgrund dessen wird die durchschnittliche Sonneneinstrahlung während eines Jahres in einem Überblick aufgelistet.

Durchschnittliche Sonneneinstrahlung:

Wie hier deutlich ersichtlich ist, ist die Sonneneinstrahlung am höchsten im Sommer. Jedoch auch im Winter sind die Sonnenstunden nicht zu unterschätzen. Eine PV-Anlage kann somit auch im Winter Solarstrom erzeugen.

Im Grunde wird eine Photovoltaikanlage so geplant, dass sie während des ganzen Jahres eine möglichst hohe Leistung erbringen kann. Nachdem der Standort des Wohngebäudes nicht verändert werden kann, müssen die PV-Module optimal ausgerichtet werden.

Werden die PV-Module nach Süden ausgerichtet, können die höchsten Erträge erzielt werden. Aufgrund der intensiven Sonneneinstrahlung zur Mittagszeit und der direkten Ausrichtung zur Sonne ist diese Ausrichtung optimal.

Werden für PV-Module hingegen Richtung Ost-West ausgerichtet, werden im Tagesverlauf gleichmäßige Leistungserträge erzielt. Dies gilt besonders im Sommer bereits früh am Morgen und auch in den Abendstunden.

Dächer, die gegen Norden ausgerichtet sind, wurden bisher als nicht geeignet bezeichnet. In der Zwischenzeit werden auch die sogenannten Nord-Dächer mit Modulen bestückt. Der Grund hierfür ist, dass das ganze Jahr über der gleiche Leistungsertrag erbracht wird. Hier besteht kein Unterschied zwischen Sommer und Winter.

Die beste Leistung erzielen Module, wenn der Neigungswinkel 90° zur Sonne beträgt. Diese enorme Leistung wird jedoch nur im Sommer erzielt und die Sonne am Himmel senkrecht steht.

Während des restlichen Jahres hingegen ist der Neigungswinkel ertragreich, wenn er zwischen 30° und 35° beträgt. Weist ein Dach eine geringere Neigung auf, so bietet eine Unterkonstruktion die Möglichkeit der optimalen Ausrichtung.

Der optimale Neigungswinkel ist abhängig von der Lage und Ausrichtung des Gebäudes und der Region. Ein Fachmann bei der Montage und Installation ist hier in jedem Fall empfehlenswert.

Die Sonneneinstrahlung und ihre Intensität sind nur ein Faktor von vielen, der bei einer Photovoltaikanlage beachtet werden muss, um eine optimale Leistung erzielen zu können. Unterschiede der Jahreszeiten und der Region sind für die Anschaffung einer PV-Anlage jedoch kein ausschlaggebender Faktor. Die Sonneneinstrahlung auf die Erde wird von den modernen, leistungsstarken Modulen bereits im Winter hervorragend genutzt.

Außer der Sonneneinstrahlung sind die Faktoren Neigungswinkel und Ausrichtung sowie die Modulgröße und deren Wirkungsgrad enorm wichtig. Werden alle Faktoren berücksichtigt, so kann die PV-Anlage zukünftig die optimalen Leistungserträge erzielen.