Was ist Sonneneinstrahlung?
Sonneneinstrahlung ist ein Maß für die Menge an Sonnenenergie, die eine Oberfläche oder Bestrahlungsstärke auf einer bestimmten Oberfläche im Laufe der Zeit erreicht. Bei der fraglichen Oberfläche kann es sich um alles handeln, was dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, von einem bestimmten Objekt oder Ort auf der Erde über kleine weltraumtaugliche Objekte wie künstliche Satelliten bis hin zur Oberfläche eines gesamten Planeten. Die Sonneneinstrahlung eines bestimmten Gebiets der Erde hängt von der Entfernung zum Äquator, den Wetterbedingungen sowie der Tages- und Jahreszeit ab. Für den Fortbestand des Lebens auf der Erde ist dies von entscheidender Bedeutung, da Pflanzen zum Überleben auf Sonnenenergie angewiesen sind und ein wichtiger Faktor für den Bau und den Standort von Geräten zur Stromerzeugung aus Sonnenenergie sind.
In der Regel in Watt pro Quadratmeter gemessen, wird die durchschnittliche Sonneneinstrahlung einer Fläche über längere Zeiträume häufig als Kilowattstunde pro Quadratmeter und Tag angegeben. Das Watt ist die Standardmaßeinheit für die Leistung oder die Energie im Zeitverlauf. Ein Watt Leistung entspricht einem Joule Energie pro Sekunde. Eine Kilowattstunde, ein Begriff, der am häufigsten für die Stromerzeugung verwendet wird, reicht aus, um eine Stunde lang eine Leistung von 1.000 Watt oder 3.600.000 Joule (3.6 Megajoule) zu erzeugen.
Je direkter eine Oberfläche der Sonne zugewandt ist, desto höher ist die Sonneneinstrahlung. Maximale Sonneneinstrahlung entsteht, wenn das Sonnenlicht in einem Winkel von 90 Grad einfällt. Die Sonneneinstrahlung nimmt mit abnehmendem Winkel ab, da ein geringerer Winkel die gleiche Menge an Strahlungsenergie über einen größeren Bereich verteilt. Deshalb ist der Bereich um den Erdäquator, der das direkteste Sonnenlicht empfängt, der wärmste Teil der Erde und die Polarregionen die kältesten. Es verursacht auch die sich ändernden Jahreszeiten, weil die geneigte Achse der Erde bedeutet, dass sich der Winkel des Sonnenlichts, das einen bestimmten Teil des Planeten erreicht, im Laufe des Jahres ändert. Dies ist auch der Grund, warum die Temperatur an einem bestimmten Tag gegen Mittag, wenn die Sonne am höchsten Punkt des Himmels steht, zum Höhepunkt tendiert und dann abnimmt, wenn die Sonne später am Tag näher an den Horizont fällt.
Die totale Sonneneinstrahlung der Erdatmosphäre durch direktes Sonnenlicht beträgt im Jahresdurchschnitt etwa 1.366 Watt pro Quadratmeter in einem Winkel von 90 Grad, wobei der Großteil in Form von sichtbarem Licht vorliegt. Durch die Abschwächung des Sonnenlichts beim Durchgang durch die Atmosphäre wird dieses bis zum Erreichen der Erdoberfläche in einem Winkel von 90 Grad auf etwa 1.000 Watt pro Quadratmeter reduziert. Diese Zahl sinkt stetig, wenn sich eine Person in höhere Breiten bewegt, und nimmt zu Tageszeiten ab, die weiter vom Sonnenmittag entfernt sind, und sinkt nachts auf fast nichts ab. Die durchschnittliche Sonneneinstrahlung der Erde im Laufe eines Jahres beträgt rund 250 Watt pro Quadratmeter.
Gebiete in ähnlichen Breiten können aufgrund lokaler Faktoren immer noch erhebliche Unterschiede in der durchschnittlichen Sonneneinstrahlung aufweisen. Die Sonneneinstrahlung eines Gebiets kann durch atmosphärische Bedingungen, die das Sonnenlicht stören, wie z. B. Wolken oder atmosphärischer Dunst, weiter verringert werden. In höheren Lagen steigt die Sonneneinstrahlung, weil die Sonnenstrahlung weniger durchdringt und gedämpft wird. Messungen der Menge der Sonneneinstrahlung an verschiedenen Orten können zusammengestellt werden, um eine spezielle Karte zu erstellen, die als Sonneneinstrahlungskarte bezeichnet wird.
Solarenergieerzeugung hängt stark von der Sonneneinstrahlung ab. In ariden oder semiariden Gebieten sind üblicherweise Solarkraftwerke beheimatet, um die durch die Wolkendecke verursachte Beeinflussung der Sonnenstrahlung zu minimieren. Sie werden nach Möglichkeit in höheren Lagen errichtet. Photovoltaik-Solarmodule werden in Winkeln montiert, in denen das einfallende Sonnenlicht möglichst nahe an einem 90-Grad-Winkel auf sie fällt, um die aufgenommene Leistung zu maximieren. Der optimale Winkel hierfür variiert je nach geografischem Standort und Jahreszeit.
Die Sonneneinstrahlung einer Fläche kann auch bei der Gestaltung von Gebäuden genutzt werden. Beispielsweise lassen große Fenster an der Seite eines Gebäudes mit Blick auf den Äquator im Winter mehr Licht und Wärme ein, wenn die Sonne tief am Himmel steht, und im Sommer vergleichsweise weniger, wenn sie hoch am Himmel steht. Dies mildert saisonale Temperaturextreme im Inneren des Gebäudes, macht es komfortabler und reduziert den Energiebedarf für Heizung oder Klimaanlage.