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Sonneneinstrahlung

Sonneneinstrahlung

Die Sonneneinstrahlung ist die Größe, die die Energie pro Flächeneinheit der Sonneneinstrahlung misst, die auf eine Oberfläche einfällt, die sich an einem genau festgelegten Ort und in einem genau festgelegten Zeitbereich befindet. Das heißt, nicht die gesamte von der Sonne erzeugte Sonnenstrahlung gelangt auf die Erde. Das Magintud, das die Sonnenstrahlung beschreibt, die die Erde erreicht, ist die Bestrahlungsstärke. Die Bestrahlungsstärke wird in Leistungseinheiten pro Fläche ausgedrückt, im Allgemeinen Watt pro Quadratmeter. Wenn wir über Sonneneinstrahlung sprechen, meinen wir die Menge an Einstrahlung, die in einer bestimmten Zeit empfangen wurde.

Da die Bestrahlungsstärke in Watt pro Quadratmeter gemessen wird, wird die Sonneneinstrahlung normalerweise in Wattstunden pro Quadratmeter gemessen.

Die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche ist aus technischer Sicht die Addition der Sonnenstrahlung, die durch die Einlagerung der Atmosphäre gefiltert wird, in einem bestimmten Zeitintervall. Der Wert der Sonneneinstrahlung auf die Oberfläche hängt von der Jahreszeit, dem Breitengrad, dem lokalen Wetter und den Tagesstunden ab.

Herkunft der Sonneneinstrahlung

Der Ursprung der elektromagnetischen Strahlung von der Sonne. Sonnenstrahlung ist die Kernfusionsreaktion, die ständig in der Sonne stattfindet. Bei der Kernreaktion verbinden sich zwei Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern. Durch diese Kernfusion wird eine große Menge Energie freigesetzt. Wasserstoff macht 74,9% der Sonnenmasse aus und Helium 23,8% (bei leichtem, aber konstantem Anstieg), und nur die restlichen 1,3% entsprechen anderen chemischen Elementen.

Die durch die Kernfusionsreaktion erzeugte Wärme ist dafür verantwortlich, dass die Sonne eine gigantische glühende Masse ist und dass die äußere Oberfläche eine ungefähre Temperatur von 5,505 ° C aufweist. Wie jeder glühende Körper sendet die Sonne elektromagnetische Strahlung über einen weiten Bereich von Wellenlängen (oder Frequenzen) aus, die von ultraviolett bis infrarot reichen und deren maximale Intensität in dem Bereich liegt, den das menschliche Auge als das Gelb des Regenbogens identifiziert. Diese Wellenlängenverteilung wird als Sonnenstrahlungsspektrum bezeichnet, von dem der größte Teil für das menschliche Auge unsichtbar ist.

Arten der Sonneneinstrahlung

Es werden verschiedene Arten der Sonneneinstrahlung gemessen.

  • Gesamtsonneneinstrahlung
  • Direkte normale Bestrahlung
  • Diffuse horizontale Strahlung oder diffuse Himmelsstrahlung
  • Globale horizontale Bestrahlung

Die gesamte Sonneneinstrahlung ist ein Maß für die Sonnenenergie bei allen Wellenlängen pro Einheit der einfallenden Fläche in der oberen Erdatmosphäre. Die Senkrechte zum einfallenden Sonnenlicht wird gemessen. Die Solarkonstante ist ein herkömmliches Maß für die durchschnittliche Gesamtsonneneinstrahlung in der Entfernung von einer astronomischen Einheit.

Direkte normale Strahlung oder Strahlenstrahlung wird auf der Erdoberfläche an einer bestimmten Stelle mit einem Oberflächenelement senkrecht zur Sonne gemessen. Sie schließt diffuse Sonnenstrahlung (Strahlung, die von atmosphärischen Komponenten gestreut oder reflektiert wird) aus. Die direkte Bestrahlung entspricht der extraterrestrischen Bestrahlung über der Atmosphäre abzüglich der atmosphärischen Verluste aufgrund von Absorption und Dispersion. Die Verluste hängen von der Tageszeit (Länge des Lichtwegs durch die Atmosphäre in Abhängigkeit vom Sonnenstandwinkel), der Bewölkung, dem Feuchtigkeitsgehalt und anderen Inhalten ab. Die Bestrahlungsstärke der Atmosphäre variiert auch mit der Jahreszeit (da der Abstand zur Sonne variiert).

Diffuse horizontale Strahlung oder diffuse Himmelsstrahlung ist Strahlung auf der Erdoberfläche aus dem durch die Atmosphäre gestreuten Licht. Es wird auf einer horizontalen Fläche mit Strahlung von allen Himmelspunkten gemessen, ohne Sonnenstrahlung von der Sonnenscheibe. Ohne die Atmosphäre würde es fast keine diffuse horizontale Bestrahlung geben.

Globale horizontale Bestrahlung ist die Gesamtbestrahlung der Sonne auf einer horizontalen Oberfläche der Erde. Es ist die Summe aus direkter Bestrahlung (nach Berücksichtigung des Sonnenzenitwinkels der Sonne z) und diffuser horizontaler Bestrahlung.

Ausbreitung der Sonneneinstrahlung

Die elektromagnetische Strahlung der Sonne breitet sich im Vakuum mit der sogenannten Lichtgeschwindigkeit aus, die etwa 299.792 km / s beträgt. Das bedeutet, dass Ihre Energie mit dieser Geschwindigkeit fließt. Das physikalische Maß für diesen Fluss ist die Leistung, die pro Zeiteinheit fließende Energiemenge. Die international verwendete Standardeinheit für Leistung ist Watt (W).

Die Sonneneinstrahlung kann nach Absorption und Dispersion in der Atmosphäre im Weltraum oder auf der Erdoberfläche gemessen werden. Die Bestrahlung im Weltraum ist eine Funktion der Entfernung zur Sonne, des Sonnenzyklus und der Wechsel des Wechselzyklus. Die Bestrahlung der Erdoberfläche hängt auch von der Neigung der Messfläche, der Höhe der Sonne über dem Horizont und den atmosphärischen Bedingungen ab. Die Sonneneinstrahlung beeinflusst den Pflanzenstoffwechsel und das Verhalten der Tiere.

Nach dem Verlassen der Sonnenoberfläche breitet sich die Sonnenstrahlung mit Ausnahme des zyklischen Einflusses von Sonnenflecken (Sonnenzyklus) im Laufe der Zeit nahezu homogen und konstant durch den umgebenden Raum aus. Die Sonnenstrahlungsleistung wird somit auf der Oberfläche einer Kugel verteilt, deren Radius mit der Lichtgeschwindigkeit stetig zunimmt und deren Wert pro Flächeneinheit als Kehrwert des Quadrats dieses Radius abnimmt. Wenn diese sphärische Wellenfront die Erdatmosphäre erreicht (wobei der Radius den Wert der Entfernung von der Erde zur Sonne annimmt, ungefähr 150 Millionen Kilometer), wird die Leistung pro Flächeneinheit des gesamten Spektrums der Strahlung (Bestrahlungsstärke) Solar außerhalb der Atmosphäre) beträgt ca. 1.367 W / m².

Spektrale Bestrahlungsstärke

Sonnenstrahlung wird durch die Einwirkung von Atomen, Molekülen, Ionen, gelösten Gasen und Schwebeteilchen (Wassertropfen, Staub, Asche von Vulkanen ...) von der Erdatmosphäre reflektiert, absorbiert oder dispergiert. Moleküle wie Sauerstoff (O 2 ), Wasser (H 2 0), Kohlendioxid (CO 2 ) und Ozon (O 3 ) haben einen starken Einfluss, da sie Sonnenstrahlung in weiten Bereichen (sog. Absorptionsbanden) der Wellenlänge absorbieren .

Auch bei der Anwendung der Sonnenstrahlung müssen die Wellenlängenbereiche berücksichtigt werden, die jeweils sehr unterschiedlich sein können. Das Ergebnis ist, dass die direkte Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche an einem klaren Tag, an dem die Sonne im Zenit steht, auf etwa 1.050 W / m² reduziert wird.

Bedeutung der Sonneneinstrahlung in der Solarenergie

Angaben zur Sonneneinstrahlung dienen zur Planung des Einsatzes von Solarenergiesystemen. In vielen Ländern können die Zahlen anhand einer Hitzschlagkarte oder anhand von Hitzschlagtabellen ermittelt werden, die Daten aus den letzten 30 bis 50 Jahren widerspiegeln. Unterschiedliche Solartechnologien können unterschiedliche Komponenten der Gesamtstrahlung nutzen.

Während Photovoltaik-Solarmodule sowohl direkte als auch diffuse Strahlung in Elektrizität umwandeln können, kann konzentrierte Sonnenenergie nur mit direkter Strahlung effizient arbeiten, weshalb diese Systeme nur an Orten mit relativ geringer Trübung geeignet sind .

Da die Sonnenkollektoren fast immer in einem Winkel zur Sonne montiert werden, sollte die Sonneneinstrahlung angepasst werden, um Schätzungen zu vermeiden, die im Winter ungenau niedrig und im Sommer falsch hoch sind. Dies bedeutet auch, dass die Menge an Sonne, die in großen Breiten auf ein Solarpanel fällt, nicht so gering ist wie am Äquator, wenn nur ein Sonnenstich auf einer horizontalen Fläche betrachtet wird.

Die Photovoltaik-Module werden unter Standardbedingungen klassifiziert, um die Wp-Leistung (Peak Watts) zu bestimmen. Diese kann dann mit Sonneneinstrahlung verwendet werden, um die erwartete Leistung zu bestimmen, angepasst um Faktoren wie Neigung, Nachführung und Verschattung.

 

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Geändert am: 4. Februar 2019