Solarenergie ist das Ergebnis des Kernfusionsprozesses, der in der Sonne stattfindet. Diese Energie ist der Motor, der unsere Umwelt antreibt. Die Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, ist 10.000-mal größer als die Energie, die derzeit von der gesamten Menschheit verbraucht wird.
Strahlung ist die Übertragung von Energie in Form elektromagnetischer Strahlung. Die Sonne erzeugt diese elektromagnetischen Wellen und strahlt sie in alle Richtungen nach außen ab.
Die Sonnenstrahlung wird anhand der pro Flächeneinheit übertragenen Energieleistung (W/m²) gemessen. Im Allgemeinen erhält die Erde weniger als 0,5 × 10 −9 der Energie ihrer Strahlung von der Sonne.
Die funktionelle Einheit, die die auf einer ebenen Erdoberfläche ankommende Sonnenstrahlung beschreibt, ist die Sonneneinstrahlung.
Wie wird die Sonneneinstrahlung gemessen?
Strahlungssensoren sind Messsysteme zur Bestimmung der globalen Sonnenstrahlung, der spektralen Reaktion, der externen Quanteneffizienz und der internen Quanteneffizienz von Solarzellen.
Ein wesentlicher zu berücksichtigender Punkt ist die Sonnenscheindauer. Eine einfache Möglichkeit, die Sonnenstunden aufzuzeichnen, ist die Verwendung eines Sonnenlichtloggers, eines Kartensystems, das das Sonnenlicht bündelt. Wenn die Sonneneinstrahlung mehr als 200 W/m2 beträgt, wird eine Markierung auf dem Aufnahmetisch eingebrannt. Daher wird die Anzahl der Sonnenstunden als Anzahl der Stunden bestimmt, in denen die Sonne scheint.
Um die Menge der empfangenen Sonnenstrahlung zu messen, unterscheiden wir drei Methoden:
1. Messung der direkten Sonnenstrahlung
Wir können die direkte Normalstrahlung (Direct Normal Irradiance, DNI) oder die Strahlenstrahlung auf der Erdoberfläche an einem bestimmten Ort mit einem Oberflächenelement senkrecht zur Sonne messen. Diffuse Sonnenstrahlung ist davon ausgenommen. Mit Shuttern wird nur die Strahlung der Sonne und der sonnennahe Bereich eines ringförmigen Himmels gemessen.
Alle Pyrheliometer müssen auf einem Mechanismus montiert sein, der eine präzise Steuerung der Sonne ermöglicht.
2. Messung der Global- und Diffusstrahlung
Wenn der Himmel mit Wolken bedeckt ist, erreicht der Großteil des direkten Sonnenlichts nicht den Boden. Stattdessen wird das herabfallende Wasser durch in der Luft schwebende Wassertröpfchen gebrochen. Wolken streuen das Licht vom Himmel und dadurch gelangt weißes Licht auf die Erde.
Globalstrahlung ist definiert als Sonnenstrahlung, die aus einem Raumwinkel von 2π Steradianten auf eine horizontale Fläche einfällt. Somit umfasst die globale Strahlung sowohl die Strahlung, die direkt von der Sonnenscheibe ausgeht, als auch die diffuse Strahlung des Himmels, die sich in der Atmosphäre ausbreitet.
Die Globalstrahlung wird mit dem Pyranometer gemessen. Um nur den diffusen Anteil der Sonnenstrahlung zu messen, wird der direkte Anteil durch einen Schirm oder ein Beschattungssystem abgedeckt.
3. Messung der Infrarotstrahlung
Infrarotstrahlung oder IR-Strahlung ist eine Art elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge, die länger als die des sichtbaren Lichts ist. Zur Messung verwenden wir Pyrgeometer.
IR-Strahlung wird oft mit den Begriffen „Wärme“ und „Wärmestrahlung“ in Verbindung gebracht, da jedes Objekt mit einer Temperatur Strahlung in diesem Bereich aussendet.
Die meisten davon eliminieren kurze Wellenlängen mithilfe von Filtern, die bei langen Wellenlängen eine konstante Transparenz aufweisen, bei kürzeren Wellenlängen jedoch nahezu undurchsichtig sind.
Kurzwellige Infrarotenergie kommt direkt von der Sonne, fühlt sich aber nicht wie Wärme an. Stattdessen wird es in Wärme umgewandelt, wenn es auf einen Gegenstand trifft. Langwellige Infrarotenergie ist die Wärme, die von einem Objekt abgestrahlt wird, das kurzwellige Infrarotstrahlung empfangen hat.
Messgeräte
Zur Messung der Sonneneinstrahlung werden verschiedene Instrumente eingesetzt, die speziell zur Erfassung und Quantifizierung der Sonnenenergie, die einen bestimmten Ort erreicht, konzipiert sind.
- Pyrheliometer : Dieses Gerät misst die direkte Sonnenstrahlung und besteht aus einem Sensor, der die Strahlung des einfallenden Sonnenlichts in einem Winkel von 90 Grad sammelt. Bietet eine genaue Messung der direkten Sonneneinstrahlung.
- Pyrgeometer : Im Gegensatz zum Pyrheliometer dient das Pyrgeometer zur Messung der gesamten Sonnenstrahlung, einschließlich Direktstrahlung und diffuser Strahlung. Es ist besonders nützlich, um die Nettostrahlung an einem Standort zu berechnen.
- Pyrranometer : Dieses Instrument misst die globale Sonnenstrahlung, die Direktstrahlung und diffuse Strahlung umfasst. Es wird in der Solarenergiebranche häufig verwendet, um das Stromerzeugungspotenzial an einem Standort zu bewerten.
- Ultraviolett (UV)-Solarstrahlungssensor : Diese Sensoren messen die ultraviolette Strahlung der Sonne, die für die Beurteilung der UV-Strahlung wichtig ist, die sich auf die menschliche Gesundheit und Sonnenschutzsysteme auswirken kann.
- Globaler Sonnenstrahlungssensor : Ähnlich wie das Pyranometer messen diese Sensoren die gesamte Sonnenstrahlung, die eine Oberfläche erreicht, einschließlich direkter und diffuser Strahlung. Sie werden in Anwendungen wie Meteorologie und Solarenergie eingesetzt.
- Sonnenradiometer : Diese tragbaren Geräte messen die Sonnenstrahlung in Echtzeit und eignen sich zur Beurteilung der Intensität der Sonnenstrahlung zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten.