Diffuse Strahlung

 

Diffuse Strahlung

 
 

Gestreutes Licht in der Photovoltaik

Diffuse Strahlung

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Diffuse Strahlung in der Globalstrahlung
© 2012 nau, nach Mertens

Die diffuse Strahlung ist indirektes Licht, das durch die gestreute Reflektion des Sonnenlichts bei dessen Durchtritt durch die Erdatmosphäre entsteht.
Gemeinsam mit der direkten Strahlung ergibt sie die Globalstrahlung – die auf der Erd­oberfläche verfügbare Sonnenenergie.
Diffuse Strahlung trägt in Deutschland mehr als die Hälfte zur Globalstrahlung bei und spielt für Photovoltaik-Bauherrn insbe­sondere bei der Wahl der Solarmodule eine wichtige Rolle.

Fangen Sie das Sonnenlicht ein: Gratis PV-Anlage berechnen lassen




Entstehung der diffusen Strahlung in der Erdatmosphäre

Die auf die Erdatmosphäre auftreffende Sonnen­strahlung hat ein spezifisches Spektrum und eine bestimmte Bestrahlungsstärke, die zwar je nach Entfernung der Erde zur Sonne und je nach Sonnenaktivität um rund 7% schwankt, im Mittel aber 1.367 W/m² beträgt. Dieser extraterrestrische Wert wird als Solarkonstante bezeichnet.

Karte der globalen Strahlung in Deutschland - die aus direkter und diffuser Strahlung besteht.

Zum Vergrößern bitte anklicken
SolarGIS © GeoModel Solar s.r.o.

Auf dem Weg durch die Erdatmosphäre – in der Astronomie gemessen in der relativen Einheit Air Mass bzw. Luftmasse – verändert sich sowohl das Spektrum als auch die Stärke der Solareinstrahlung.
Ein Teil des Sonnenlichts wird an der Atmosphäre reflektiert. Ein anderer Teil wird von Molekülen der Erdatmosphäre (bspw. Kohlendioxid, Wasser, Sauerstoff) absorbiert.
Am Erdboden treffen nur knapp 55% der Energie der Solarkonstante ein.

Die Direktstrahlung ist jener Anteil des Sonnen­lichts, der ungehindert die Lufthülle der Erde durchquert.
Die diffuse Strahlung hingegen wird auf ihrem Weg durch die Erdatmosphäre abgelenkt: Sie wird an Staubteilchen, Aerosolen und Wasser­molekülen (Wolken oder Nebel) gestreut.
Die Addition der direkten und der diffusen Strahlung ergibt die Globalstrahlung – dies ist diejenige Solar-Energie, die an der Erd­oberfläche auftrifft.

Gemessen wird die direkte, die globale und die diffuse Strahlung jeweils in kWh pro Zeit und Flächeneinheit – dabei wird für die Vergleich­barkeit die Strahlung angegeben, die auf eine gedachte horizontale Fläche auftrifft.

In der Bundesrepublik beträgt die jährliche Globalstrahlung je nach Standort zwischen 950 und 1.250 kWh/m².

Woraus diffuse Strahlung und Sonnenenergie im Detail bestehen, lesen Sie in unserem Artikel zu den Lichtquanten.

Jetzt direkte + diffuse Strahlung zur Stromerzeugung auf Ihrem Dach nutzen!
Zur kostenlosen Berechnung

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Diffuse Strahlung

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Diffuse Strahlung in der Globalstrahlung
© 2012 nau, nach Mertens

Die diffuse Strahlung ist indirektes Licht, das durch die gestreute Reflektion des Sonnenlichts bei dessen Durchtritt durch die Erdatmosphäre entsteht.
Gemeinsam mit der direkten Strahlung ergibt sie die Globalstrahlung – die auf der Erd­oberfläche verfügbare Sonnenenergie.
Diffuse Strahlung trägt in Deutschland mehr als die Hälfte zur Globalstrahlung bei und spielt für Photovoltaik-Bauherrn insbe­sondere bei der Wahl der Solarmodule eine wichtige Rolle.

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Entstehung der diffusen Strahlung in der Erdatmosphäre

Die auf die Erdatmosphäre auftreffende Sonnen­strahlung hat ein spezifisches Spektrum und eine bestimmte Bestrahlungsstärke, die zwar je nach Entfernung der Erde zur Sonne und je nach Sonnenaktivität um rund 7% schwankt, im Mittel aber 1.367 W/m² beträgt. Dieser extraterrestrische Wert wird als Solarkonstante bezeichnet.

Karte der globalen Strahlung in Deutschland - die aus direkter und diffuser Strahlung besteht.

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Auf dem Weg durch die Erdatmosphäre – in der Astronomie gemessen in der relativen Einheit Air Mass bzw. Luftmasse – verändert sich sowohl das Spektrum als auch die Stärke der Solareinstrahlung.
Ein Teil des Sonnenlichts wird an der Atmosphäre reflektiert. Ein anderer Teil wird von Molekülen der Erdatmosphäre (bspw. Kohlendioxid, Wasser, Sauerstoff) absorbiert.
Am Erdboden treffen nur knapp 55% der Energie der Solarkonstante ein.

Die Direktstrahlung ist jener Anteil des Sonnen­lichts, der ungehindert die Lufthülle der Erde durchquert.
Die diffuse Strahlung hingegen wird auf ihrem Weg durch die Erdatmosphäre abgelenkt: Sie wird an Staubteilchen, Aerosolen und Wasser­molekülen (Wolken oder Nebel) gestreut.
Die Addition der direkten und der diffusen Strahlung ergibt die Globalstrahlung – dies ist diejenige Solar-Energie, die an der Erd­oberfläche auftrifft.

Gemessen wird die direkte, die globale und die diffuse Strahlung jeweils in kWh pro Zeit und Flächeneinheit – dabei wird für die Vergleich­barkeit die Strahlung angegeben, die auf eine gedachte horizontale Fläche auftrifft.

In der Bundesrepublik beträgt die jährliche Globalstrahlung je nach Standort zwischen 950 und 1.250 kWh/m².

Woraus diffuse Strahlung und Sonnenenergie im Detail bestehen, lesen Sie in unserem Artikel zu den Lichtquanten.

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© 2012 nau, nach Mertens

Die diffuse Strahlung ist indirektes Licht, das durch die gestreute Reflektion des Sonnenlichts bei dessen Durchtritt durch die Erdatmosphäre entsteht.
Gemeinsam mit der direkten Strahlung ergibt sie die Globalstrahlung – die auf der Erd­oberfläche verfügbare Sonnenenergie.
Diffuse Strahlung trägt in Deutschland mehr als die Hälfte zur Globalstrahlung bei und spielt für Photovoltaik-Bauherrn insbe­sondere bei der Wahl der Solarmodule eine wichtige Rolle.

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Entstehung der diffusen Strahlung in der Erdatmosphäre

Die auf die Erdatmosphäre auftreffende Sonnen­strahlung hat ein spezifisches Spektrum und eine bestimmte Bestrahlungsstärke, die zwar je nach Entfernung der Erde zur Sonne und je nach Sonnenaktivität um rund 7% schwankt, im Mittel aber 1.367 W/m² beträgt. Dieser extraterrestrische Wert wird als Solarkonstante bezeichnet.

Karte der globalen Strahlung in Deutschland - die aus direkter und diffuser Strahlung besteht.

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Auf dem Weg durch die Erdatmosphäre – in der Astronomie gemessen in der relativen Einheit Air Mass bzw. Luftmasse – verändert sich sowohl das Spektrum als auch die Stärke der Solareinstrahlung.
Ein Teil des Sonnenlichts wird an der Atmosphäre reflektiert. Ein anderer Teil wird von Molekülen der Erdatmosphäre (bspw. Kohlendioxid, Wasser, Sauerstoff) absorbiert.
Am Erdboden treffen nur knapp 55% der Energie der Solarkonstante ein.

Die Direktstrahlung ist jener Anteil des Sonnen­lichts, der ungehindert die Lufthülle der Erde durchquert.
Die diffuse Strahlung hingegen wird auf ihrem Weg durch die Erdatmosphäre abgelenkt: Sie wird an Staubteilchen, Aerosolen und Wasser­molekülen (Wolken oder Nebel) gestreut.
Die Addition der direkten und der diffusen Strahlung ergibt die Globalstrahlung – dies ist diejenige Solar-Energie, die an der Erd­oberfläche auftrifft.

Gemessen wird die direkte, die globale und die diffuse Strahlung jeweils in kWh pro Zeit und Flächeneinheit – dabei wird für die Vergleich­barkeit die Strahlung angegeben, die auf eine gedachte horizontale Fläche auftrifft.

In der Bundesrepublik beträgt die jährliche Globalstrahlung je nach Standort zwischen 950 und 1.250 kWh/m².

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Solar-Einstrahlung in Deutschland

Beispiel Berlin: Direkte und diffuse Strahlung

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Anteil diffuse Strahlung in Berlin
© nau 2012 nach Mertens

Nord-Süd
In Deutschland ist der Anteil der diffusen Strah­lung an der Globalstrahlung etwas hö­her als der Anteil der Direktstrahlung, wobei er von Süden nach Norden zunimmt:
In München etwa liegt die diffuse Strahlung bei knapp 54% der Globalstrahlung, in Hamburg hingegen bei rund 57%.

Jahreszeiten
Auch zwischen Winter und Sommer sind unter­schied­liche Beiträge von direkter und diffuser Strahlung zu beobachten (vgl. Grafik rechts).

Wetter
An sonnigen Tagen beträgt die globale Tages­strahlungssumme 7,2 kWh/m²; an bedeckten Sommertagen 3,7 kWh/ m².
Messwerte aus der niedersächsischen Stadt Braunschweig zeigen:
An dem strahlenden Sommertag trägt die diffuse Strahlung nur 26% zur Tages­strahlungssumme bei. An einem wolkenreichen Sommertag jedoch erhöht sich der Anteil diffuser Strahlung auf 92% der Tagessumme.

Quelle: Konrad Mertens, Photovoltaik, 2011. S.42

Was bedeutet das für die Photovoltaik?

  • Die Solarstromernte in Deutschland ist auf Grund des hohen Anteils diffuser Strahlung auch an bedeckten Tagen ertragreich.
  • Sie kann mehr als die Hälfte der Ertragsleistung sonniger Tage erbringen.

Für die Ertragsabschätzung einer Photovoltaik-Anlage müssen die Strahlungwerte umgerechnet werden von der gedachten ebenen Fläche auf die geneigte Fläche des Solargenerators auf dem Dach.
Aktuelle komplexe Softwares zur Berechnung von Photovoltaik-Erträgen (die Ergebnisse einer abgespeckten Version können Sie kostenlos hier nutzen) verwenden dazu komplexe Datenbanken und spezialisierte mathematische Modelle, die insbesondere den den vom Erdboden reflektierten und den diffusen Strahlungsanteil vor Ort sehr genau abschätzen können.

Lassen Sie sich jetzt unverbindlich eine PV-Anlage berechnen:

Zur kostenlosen Berechnung

So können Sie die Wirkung diffusen Lichts auf eine PV-Anlage ermitteln

Wie die Einstrahlungswerte am Beispiel Braunschweig zeigen, ist der Lichteinfall bei hohem Anteil von diffuser Strahlung schwächer als bei hohem Direktstrahlungsanteil (damit auch schwächer als bei optimalen Standard-Testbedingungen (STC), anhand derer die Leistungsfähigkeit von PV-Anlagen ermittelt wird).
Insbesondere Module auf Basis kristalliner Solarzellen, die bei kleinen bis mittelgroßen Aufdach-Anlagen meist verbaut werden, reagieren auf Schwachlicht-Bedingungen. Dünnschicht-Module können angesichts hoher Diffusstrahlungsanteile weiterhin effizient arbeiten.

Um wie viel die Effizienz unter Bedingungen der Diffusstrahlung bei einer Photovoltaikanlage abnimmt, kann man als PV-Bauherr mit einem Blick auf Moduldatenblatt oder Modul-Kennlinie ersehen:
Mittlerweile geben immer mehr Modulhersteller den Wirkungsgradverlust bei Schwachlicht explizit im Moduldatenblatt an. Für die Tests der Schwachlicht­leistung eines Solarmoduls wird dabei eine Einstrahlungsstärke von 200 W/m² als Referenz herangezogen.
Als Richtwert bei der Solarmodulwahl für einen Anlagenstandort in Deutschland sollte ein relativer Wirkungsgradverlust von weniger als 3% gelten (97% des Wirkungsgrades bei Standard-Test-Bedingungen); sehr gute Module schaffen auch deutlich geringere, vereinzelt sogar positive Abweichungen.

Fehlt die Angabe des Schwachlichtwirkungsgrades, kann die maximale Leistung (Arbeitspunkt) bei 200 W/m² an der jeweiligen Kennlinie abgelesen und der relative Wirkungsgradverlust nach nachstehender Formel berechnet werden:

η200 – η1.000 / η1.000 = Wirkungsgradverlust in %

Bei einem Modul mit 190 W Nennleistung (η1.000) und einem Arbeitspunkt bei 200 W/m² von 37 W (η200) ergäbe sich durch Einsetzen in obige Formel eine relative Wirkungsgradminderung von:

37 W/(200/W/m²) – 190 W/(1000/m²) / 190 W/(1000/m²) = -2,6%

Das Modul in diesem Beispiel läge mit seiner Schwachlichtleistung also innerhalb des Toleranzbereichs von 3% für gute Qualität; es wiese damit ein positives Merkmal auf, das in die Entscheidung des PV-Bauherrn für oder gegen eine Anlage mit diesen Solarmodulen einfließen sollte.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Solar-Einstrahlung in Deutschland

Beispiel Berlin: Direkte und diffuse Strahlung

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Anteil diffuse Strahlung in Berlin
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Nord-Süd
In Deutschland ist der Anteil der diffusen Strah­lung an der Globalstrahlung etwas hö­her als der Anteil der Direktstrahlung, wobei er von Süden nach Norden zunimmt:
In München etwa liegt die diffuse Strahlung bei knapp 54% der Globalstrahlung, in Hamburg hingegen bei rund 57%.

Jahreszeiten
Auch zwischen Winter und Sommer sind unter­schied­liche Beiträge von direkter und diffuser Strahlung zu beobachten (vgl. Grafik rechts).

Wetter
An sonnigen Tagen beträgt die globale Tages­strahlungssumme 7,2 kWh/m²; an bedeckten Sommertagen 3,7 kWh/ m².
Messwerte aus der niedersächsischen Stadt Braunschweig zeigen:
An dem strahlenden Sommertag trägt die diffuse Strahlung nur 26% zur Tages­strahlungssumme bei. An einem wolkenreichen Sommertag jedoch erhöht sich der Anteil diffuser Strahlung auf 92% der Tagessumme.

Quelle: Konrad Mertens, Photovoltaik, 2011. S.42

Was bedeutet das für die Photovoltaik?

  • Die Solarstromernte in Deutschland ist auf Grund des hohen Anteils diffuser Strahlung auch an bedeckten Tagen ertragreich.
  • Sie kann mehr als die Hälfte der Ertragsleistung sonniger Tage erbringen.

Für die Ertragsabschätzung einer Photovoltaik-Anlage müssen die Strahlungwerte umgerechnet werden von der gedachten ebenen Fläche auf die geneigte Fläche des Solargenerators auf dem Dach.
Aktuelle komplexe Softwares zur Berechnung von Photovoltaik-Erträgen (die Ergebnisse einer abgespeckten Version können Sie kostenlos hier nutzen) verwenden dazu komplexe Datenbanken und spezialisierte mathematische Modelle, die insbesondere den den vom Erdboden reflektierten und den diffusen Strahlungsanteil vor Ort sehr genau abschätzen können.

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So können Sie die Wirkung diffusen Lichts auf eine PV-Anlage ermitteln

Wie die Einstrahlungswerte am Beispiel Braunschweig zeigen, ist der Lichteinfall bei hohem Anteil von diffuser Strahlung schwächer als bei hohem Direktstrahlungsanteil (damit auch schwächer als bei optimalen Standard-Testbedingungen (STC), anhand derer die Leistungsfähigkeit von PV-Anlagen ermittelt wird).
Insbesondere Module auf Basis kristalliner Solarzellen, die bei kleinen bis mittelgroßen Aufdach-Anlagen meist verbaut werden, reagieren auf Schwachlicht-Bedingungen. Dünnschicht-Module können angesichts hoher Diffusstrahlungsanteile weiterhin effizient arbeiten.

Um wie viel die Effizienz unter Bedingungen der Diffusstrahlung bei einer Photovoltaikanlage abnimmt, kann man als PV-Bauherr mit einem Blick auf Moduldatenblatt oder Modul-Kennlinie ersehen:
Mittlerweile geben immer mehr Modulhersteller den Wirkungsgradverlust bei Schwachlicht explizit im Moduldatenblatt an. Für die Tests der Schwachlicht­leistung eines Solarmoduls wird dabei eine Einstrahlungsstärke von 200 W/m² als Referenz herangezogen.
Als Richtwert bei der Solarmodulwahl für einen Anlagenstandort in Deutschland sollte ein relativer Wirkungsgradverlust von weniger als 3% gelten (97% des Wirkungsgrades bei Standard-Test-Bedingungen); sehr gute Module schaffen auch deutlich geringere, vereinzelt sogar positive Abweichungen.

Fehlt die Angabe des Schwachlichtwirkungsgrades, kann die maximale Leistung (Arbeitspunkt) bei 200 W/m² an der jeweiligen Kennlinie abgelesen und der relative Wirkungsgradverlust nach nachstehender Formel berechnet werden:

η200 – η1.000 / η1.000 = Wirkungsgradverlust in %

Bei einem Modul mit 190 W Nennleistung (η1.000) und einem Arbeitspunkt bei 200 W/m² von 37 W (η200) ergäbe sich durch Einsetzen in obige Formel eine relative Wirkungsgradminderung von:

37 W/(200/W/m²) – 190 W/(1000/m²) / 190 W/(1000/m²) = -2,6%

Das Modul in diesem Beispiel läge mit seiner Schwachlichtleistung also innerhalb des Toleranzbereichs von 3% für gute Qualität; es wiese damit ein positives Merkmal auf, das in die Entscheidung des PV-Bauherrn für oder gegen eine Anlage mit diesen Solarmodulen einfließen sollte.

Solarzellen im Zusammenspiel

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Beispiel Berlin: Direkte und diffuse Strahlung

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Anteil diffuse Strahlung in Berlin
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Nord-Süd
In Deutschland ist der Anteil der diffusen Strah­lung an der Globalstrahlung etwas hö­her als der Anteil der Direktstrahlung, wobei er von Süden nach Norden zunimmt:
In München etwa liegt die diffuse Strahlung bei knapp 54% der Globalstrahlung, in Hamburg hingegen bei rund 57%.

Jahreszeiten
Auch zwischen Winter und Sommer sind unter­schied­liche Beiträge von direkter und diffuser Strahlung zu beobachten (vgl. Grafik rechts).

Wetter
An sonnigen Tagen beträgt die globale Tages­strahlungssumme 7,2 kWh/m²; an bedeckten Sommertagen 3,7 kWh/ m².
Messwerte aus der niedersächsischen Stadt Braunschweig zeigen:
An dem strahlenden Sommertag trägt die diffuse Strahlung nur 26% zur Tages­strahlungssumme bei. An einem wolkenreichen Sommertag jedoch erhöht sich der Anteil diffuser Strahlung auf 92% der Tagessumme.

Quelle: Konrad Mertens, Photovoltaik, 2011. S.42

Was bedeutet das für die Photovoltaik?

  • Die Solarstromernte in Deutschland ist auf Grund des hohen Anteils diffuser Strahlung auch an bedeckten Tagen ertragreich.
  • Sie kann mehr als die Hälfte der Ertragsleistung sonniger Tage erbringen.

Für die Ertragsabschätzung einer Photovoltaik-Anlage müssen die Strahlungwerte umgerechnet werden von der gedachten ebenen Fläche auf die geneigte Fläche des Solargenerators auf dem Dach.
Aktuelle komplexe Softwares zur Berechnung von Photovoltaik-Erträgen (die Ergebnisse einer abgespeckten Version können Sie kostenlos hier nutzen) verwenden dazu komplexe Datenbanken und spezialisierte mathematische Modelle, die insbesondere den den vom Erdboden reflektierten und den diffusen Strahlungsanteil vor Ort sehr genau abschätzen können.

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Wie die Einstrahlungswerte am Beispiel Braunschweig zeigen, ist der Lichteinfall bei hohem Anteil von diffuser Strahlung schwächer als bei hohem Direktstrahlungsanteil (damit auch schwächer als bei optimalen Standard-Testbedingungen (STC), anhand derer die Leistungsfähigkeit von PV-Anlagen ermittelt wird).
Insbesondere Module auf Basis kristalliner Solarzellen, die bei kleinen bis mittelgroßen Aufdach-Anlagen meist verbaut werden, reagieren auf Schwachlicht-Bedingungen. Dünnschicht-Module können angesichts hoher Diffusstrahlungsanteile weiterhin effizient arbeiten.

Um wie viel die Effizienz unter Bedingungen der Diffusstrahlung bei einer Photovoltaikanlage abnimmt, kann man als PV-Bauherr mit einem Blick auf Moduldatenblatt oder Modul-Kennlinie ersehen:
Mittlerweile geben immer mehr Modulhersteller den Wirkungsgradverlust bei Schwachlicht explizit im Moduldatenblatt an. Für die Tests der Schwachlicht­leistung eines Solarmoduls wird dabei eine Einstrahlungsstärke von 200 W/m² als Referenz herangezogen.
Als Richtwert bei der Solarmodulwahl für einen Anlagenstandort in Deutschland sollte ein relativer Wirkungsgradverlust von weniger als 3% gelten (97% des Wirkungsgrades bei Standard-Test-Bedingungen); sehr gute Module schaffen auch deutlich geringere, vereinzelt sogar positive Abweichungen.

Fehlt die Angabe des Schwachlichtwirkungsgrades, kann die maximale Leistung (Arbeitspunkt) bei 200 W/m² an der jeweiligen Kennlinie abgelesen und der relative Wirkungsgradverlust nach nachstehender Formel berechnet werden:

η200 – η1.000 / η1.000 = Wirkungsgradverlust in %

Bei einem Modul mit 190 W Nennleistung (η1.000) und einem Arbeitspunkt bei 200 W/m² von 37 W (η200) ergäbe sich durch Einsetzen in obige Formel eine relative Wirkungsgradminderung von:

37 W/(200/W/m²) – 190 W/(1000/m²) / 190 W/(1000/m²) = -2,6%

Das Modul in diesem Beispiel läge mit seiner Schwachlichtleistung also innerhalb des Toleranzbereichs von 3% für gute Qualität; es wiese damit ein positives Merkmal auf, das in die Entscheidung des PV-Bauherrn für oder gegen eine Anlage mit diesen Solarmodulen einfließen sollte.

Solarzellen im Zusammenspiel

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