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die Sonneneinstrahlung in Deutschland zoom 600 kb

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Lichtenergie der Sonne (Sonnenstrahlung) ist eine elektromagnetische Strahlung mit einer Energie von 8 J/(cm² x min.) bzw. 1,35 kW/m² (Solarkonstante). Die Strahlung umfaßt ein Spektrum von 10^-16 m bis 10⁶ m Wellenlänge. Sie wird unterteilt in ionisierende Strahlung, optische Strahlung und Hochfrequenzstrahlung. Die Strahlung wird verursacht durch die Reaktion von Wasserstoffatomkernen (Protonen) zu Heliumatomkernen (Kernfusion) mit über 10 Millionen °C im Kern der Sonne. Die Strahlung, die die Erde erreicht, stammt aus einem äußeren Bereich der Sonne, die Temperatur an der Sonnenoberfläche beträgt nur noch ca. 5000-6000 °C.

Ionisierende Strahlung

Optische Strahlung

Hochfrequenzstrahlung

Die höchste Strahlungsintensität und damit den Hauptanteil der Energie liefert der Bereich des sichtbaren Lichts von 380-780 nm Wellenlänge (blau-rot) mit ca. 50 %, gefolgt von der Infrarot-Strahlung mit ca. 49 % und der UV-Strahlung mit ca. 1 % (bezogen auf Meeresspiegelhöhe). Die Pflanzen auf der Erdoberfläche haben sich daran angepaßt, indem sie gerade diesen Wellenlängenbereich absorbieren und in biochemische Energie umwandeln können. Die Wellenlänge des Lichts ist negativ korreliert mit der Energiemenge der einzelnen Lichtquanten, denn die Energiemenge der Lichtquanten (Photonen) berechnet sich aus der Frequenz der Strahlung multipliziert mit der Planck´schen Konstanten. Für den Bereich des sichtbaren Lichtes beträgt die Strahlungsenergie zwischen 1,59 und 3,26 Elektronenvolt (eV).

LICHTENERGIE DER SONNE
- Energiepotential -

Von der Energie der Solarkonstante erreichen etwa 0,5-1 kW/m² die Erdoberfläche. Dieser Wert wird stark beeinflußt von dem Grad der Bewölkung, der Höhenlage über Meeresspiegel und dem Sonnenstand (Jahreszeit, Tageszeit, geographische Breite). Während die eingestrahlte Energie am Äquator relativ konstant bleibt, wird sie mit zunehmender geographischer Breite jahreszeitenabhängiger, kann jedoch auch aufgrund der längeren Tage in den Sommermonaten höhere Tageswerte als am Äquator erreichen.

In Deutschland beträgt die Einstrahlung über alle Tages- und Jahreszeiten hinweg ca. 1000 kWh/m² pro Jahr. Die Einstrahlung im Sommer beträgt etwa das fünffache der Einstrahlung im Winter. Die durchschnittlichen Sonnenstunden pro Jahr (Stunden direkter Sonnenstrahlung mit mindestens 0,2 kW/m²) betragen in Deutschland etwa 1.300-1.900 h. Die unteren Werte sind zumeist in Mitteldeutschland (Nordrhein-Westfalen, Nordhessen, Südthüringen, Südsachsen) zu erwarten, hohe Werte in Norddeutschland und die höchsten Werte in Süddeutschland.

Von der eingestrahlten Sonnenenergie erreicht ein Anteil direkter Strahlung sowie ein Anteil reflektierter (diffuser) Strahlung die Erdoberfläche. Diese Summe wird als Globalstrahlung bezeichnet und macht ca. 50 % der eingestrahlten Energie aus. Die Differenz besteht aus Reflexion an Wolken, Luft und Oberflächen (ca. 30 %) sowie Absorption von Wolken, Staub, Ozon etc. (ca. 20 %). Der Anteil der für solarthermische Anwendungen in der Regel nicht nutzbaren diffusen Strahlung an der Globalstrahlung beträgt in Deutschland ca. 60-70 %.

SONNENKOLLEKTOREN

Sonnenkollektoren nutzen neben der Solarstrahlung auch das Prinzip des "Treibhaus-Effektes". Dieser Effekt entsteht dadurch, daß Glas für kurzwellige Strahlung (eingestrahltes Licht) durchlässig ist, kaum jedoch für langwellige Strahlung (reflektiertes Licht, Wärmestrahlung). Eine Aufkonzentrierung von Wärme wird somit möglich.
Zentraler Bestandteil eines Sonnenkollektors ist der Absorber, welcher die eingestrahlte Lichtenergie aufnimmt und sich erwärmt. Der Absorber gibt seine Wärme über ein Transportmedium an den Wärmeverbraucher ab. Wegen der günstigen Absorptionseigenschaften von dunkler Farbe werden meist schwarze Absorber aus Kupfer oder Aluminium eingesetzt, häufig mit Spezialbeschichtungen aus Schwarzchrom, Schwarznickel, mit Nickel pigmentiertem Aluminiumoxid oder Titan-Nitrid-Oxid. Neben Kissenabsorbern sind auch röhrenförmige Absorber verbreitet.
Neben dem Absorber gehören folgende Komponenten zu einem Sonnenkollektor:

Sonnenkollektoren lassen sich nach verschiedenen Kriterien in Bautypen einteilen. Nach der Art der Umwälzung des Transportmediums unterscheidet man eine Schwerkraftumwälzung und eine Zwangsumwälzung (Pumpe), nach der Trennung der Medien ein offenes System (ohne Wärmetauscher mit Wasser als direkt genutztem Medium) und ein geschlossenes System (mit Wärmetauscher und Frostsicherung) und nach der Kollektorform eine Reihe weiterer Typen. Gebräuchlich sind Flachkollektoren, Röhrenkollektoren (häufig mit Trennung von Wärmeerzeugungsrohr und Wärmetransportmedium durch Wärmetauscher) sowie Vakuumkollektoren (Reduktion von Konvektionsverlusten). Konzentrierende Kollektoren mit Spiegeln oder Linsen spielen vor allem bei solarthermischen Kraftwerken eine Rolle.

WIRKUNGSGRADE

Das System "Sonnenkollektor" weist zahlreiche Verlustquellen bei der Umwandlung der Lichtenergie in Wärmeenergie auf. Neben Absorption und Reflektion der Glasscheibe kommen auch Konvektion und Wärmeabstrahlung zum Tragen (abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Kollektorinnenraum und Außentemperatur sowie Isolierung) oder evtl. zeitweiser Schattenwurf.

Der optische Wirkungsgrad (Konversionsfaktor) hängt ab von der Glasscheibe (Abdeckung) und dem Absorber, der Kollektorwirkungsgrad darüberhinaus vom thermischen Wirkungsgrad. Der Gesamtwirkungsgrad (Kollektorwirkungsgrad) beträgt in der Praxis bis zu 50 %.
In der Literatur wird häufig auch für den Anteil der aufgenommenen zur eingestrahlten Energie der Begriff "Absorptionsgrad " verwendet, sowie "Emissionsgrad" für den Anteil der rückgestrahlten langwelligen Wärmeenergie zur eingestrahlten Energie.

AKTUELLE ENTWICKLUNGEN UND INNOVATIONEN

Die Entwicklungen im Bereich der Solarwärme sind nicht so umfangreich wie beispielsweise bei der Photovoltaik, da die Systeme ausgereifter und bereits wirtschaftlich darstellbar sind. Einer der Schwerpunkte der Entwicklungen ist die Verbesserung des Konversionsfaktors durch spezielle Beschichtungen des Absorbers oder auch der Abdeckung.
Durch Strukturierung der Absorberoberfläche im Submikron-Bereich (kleiner als die Wellenlänge des Lichtes) lassen sich Reflexionsverluste offenbar erheblich reduzieren.
Zunehmend praxisreif (vor allem im Ausland) ist die Kombination von Solarwärmenutzung und Wärmepumpen mit integriertem Wärmespeicher in der Erde, wodurch der Solarwärme auch der Anwendungsbereich der Raumheizung geöffnet wird.