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Globalstrahlung
Unter Globalstrahlung versteht man die gesamte an der Erdoberfläche auf eine horizontale Empfangsfläche auftreffende Solarstrahlung. Sie setzt sich zusammen …
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Begriff und Zusammensetzung
Globalstrahlung ist die gesamte Solarstrahlung, die an der Erdoberfläche auf eine horizontale Empfangsfläche trifft. Sie ist damit die Insolation an der Erdoberfläche.
Sie setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: der Direktstrahlung, also der Solarstrahlung, die auf direktem Weg eintrifft, und der kurzwelligen Diffusstrahlung. Diffusstrahlung erreicht die Erdoberfläche nicht direkt, sondern nach Streuung an Wolken, Wasser- und Staubteilchen.
Von der Globalstrahlung zu unterscheiden ist die klimatologisch wichtige Nettostrahlung. Diese gibt die absorbierte Sonnenstrahlung an, also die eingestrahlte Energie abzüglich des reflektierten Anteils, der Albedo.
Messung und Einheiten
Der Momentanwert der Globalstrahlung wird mit Pyranometern gemessen. Dieser Momentanwert ist eine Bestrahlungsstärke und wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) angegeben.
Wenn die eingestrahlte Energie über bestimmte Zeiträume summiert wird, zum Beispiel über Stunden, Tage oder Jahre, erhält man einen Energieeintrag. Er wird in kWh/m² angegeben und auf den jeweiligen Zeitraum bezogen. Tageseinträge werden in kWh/(m² · d) angegeben, Jahreseinträge in kWh/(m² · a), also Kilowattstunden je Quadratmeter und Jahr.
In der Klimatologie kann der Jahreseintrag auch als über das ganze Jahr gemittelte Einstrahlleistung beschrieben werden. Dabei wird über Tag und Nacht gemittelt; in Gemeinjahren sind das 8.760 Stunden. Ein Jahreseintrag von 1200 kWh/(m² · a) entspricht einer über das Jahr gemittelten Einstrahlleistung von 137 W/m².
Schwankungen und Einflussfaktoren
Die Momentanwerte der Globalstrahlung schwanken stark, vor allem wegen Bewölkung und atmosphärischer Trübung. Auch der Einfallswinkel des Direktstrahlungsanteils verändert die Werte: Mittags ist die Globalstrahlung stärker als morgens und abends, und im Sommer stärker als im Winter.
Die Jahreseinträge steigen im Allgemeinen, je näher man dem Äquator kommt, weil der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung dort steiler ist. Auch die Höhe über dem Meeresspiegel spielt eine Rolle, weil die Sonne je nach Höhe unterschiedlich viel Erdatmosphäre, also Luftmasse, durchdringen muss.
Typische Werte
In Mitteleuropa erreicht der Momentanwert der Globalstrahlung an einem wolkenlosen Sommermittag etwa 900 W/m². Bei leichter Bewölkung kann er kurzzeitig über 1.000 W/m² steigen, wenn die Direktstrahlung praktisch ungehindert bleibt und zusätzlich Diffusstrahlung von weißen Wolken kommt.
Bei trübem, wolkigem Wetter besteht die Globalstrahlung nur aus dem Diffusstrahlungsanteil. Dann sinkt sie auf Werte um oder sogar unter 100 W/m².
Die Jahressumme der Globalstrahlung liegt in Deutschland auf eine horizontale Fläche zwischen 900 und 1.200 kWh pro m² und Jahr. Das entspricht im Durchschnitt etwa 100 bis 135 W/m². In Spanien beträgt sie etwa 2.000 kWh/(m² · a), also etwa 230 W/m². In der Sahara werden etwa 2.500 kWh/(m² · a) erreicht, entsprechend 285 W/m².
Geneigte Flächen
In der Meteorologie wird meist die Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche betrachtet. Für viele energetische Untersuchungen ist jedoch die Strahlung auf geneigte Flächen wichtig, zum Beispiel für die optimale Ausrichtung von Sonnenkollektoren, die Aufheizung von Hausfassaden oder den Energieeintrag durch Fenster.
Auf geneigten Flächen kommt als zusätzliche Komponente die vom Erdboden reflektierte Sonnenstrahlung hinzu. Bei stark reflektierenden Bodenflächen, zum Beispiel einer Schneedecke im Winter, kann dieser Anteil erheblich sein.
Gleichzeitig sieht eine geneigte Fläche nur einen Teil des Himmels. Deshalb ist der Beitrag der Diffusstrahlung auf geneigten Flächen geringer als auf horizontalen Flächen. Wie sich der Direktstrahlungsanteil verändert, hängt vom Einfallswinkel ab. Dieser ergibt sich aus dem Sonnenstand und dem Neigungswinkel der Fläche.
Typische Bestrahlungsstärken für verschiedene Orientierungen und Neigungen können durch Messung auf der geneigten Fläche, durch Umrechnung vorhandener Messwerte von einer horizontalen Fläche oder durch geeignete Sonnenstrahlungsmodelle bestimmt werden.
