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Solarstrahlung 🌡️
Die Sonne ist ein gigantischer Plasmaball mit einem Durchmesser von etwa 1,4 Mio km. Tief im Kern des Gestirns herrschen extreme Drücke und Temperaturen; diese reichen aus, um dort eine spontane Kernfusion zu ermöglichen. Die dabei erzeugte Fusionsenergie geht eine langwierigen Weg über hochenergetische Photonen, die aber schon nach kurzen Wegen wieder re-absorbiert werden und konvektiven Wärmetransport zu der von uns wahrgenommenen abstrahlenden Sonnenoberfläche: Dort beträgt die Abstrahlungsleistung etwa 63 MW/m². Weil sich die Strahlung in alle Raumrichtung ausbreitet und auf dem Weg zur Erde so gut wie keine Störung durch viel Materie eintritt, nimmt die Intensität mit dem Quadrat des Abstandes von der Sonne ab. Zur Erde sind es im Mittel 149,6 Mio. km, die Leistungsdichte hat daher in dieser Entfernung um etwa (149,6/0,7)² abgenommen: Außerhalb der irdischen Atmosphäre beträgt sie noch im Mittel 1348 W/m²; dieser Wert wird auch als „AM0“ (air mass 0) bezeichnet. Die uns von der Sonne erreichende Strahlung ist im wesentlichen Wärmestrahlung der heißen Sonnenoberfläche (5772 K) - im Kapitel über die Temperaturstrahlung hatten wir das bereits als Beispiel aufgeführt. Bei derart hohen Temperaturen liegt das Maximum der ausgesendeten Strahlung im sichtbaren Bereich (etwa 0,5 µm); aber auch UV-Licht und eine ganze Menge Infrarot-Strahlung wird von der Sonnen abgestrahlt, überwiegend aber im unmittelbar an das sichtbare Spektrum angrenzenden nahen Infrarot. In der Abbildung sind diese Strahlung, das im Weltall gemessene Sonnenspektrum und die noch auf der Erdoberfläche ankommende Strahlung dargestellt. Außerhalb der Erdatmosphäre1) gleicht das Sonnenspektrum relativ gut einem idealen Strahler. Das Strahlungsmaximum liegt bei ca. 500 nm, mitten im sichtbaren Spektrum. |  Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung der Sonne hat das Maximum bei etwa 500 nm Wellenlänge (blau-grünes Licht), reicht aber von harter Röntgenstrahlung mit weniger als 0,1 nm bis zu langen Radiowellen. Das kontinuierliche Spektrum unterteilt sich in Ultraviolettes Licht (UV: 100–380 nm), sichtbares Licht (VIS (engl.: visible): 380–780 nm) und Infrarotes Licht (IR: 780 nm – 1 Mio nm = 1 mm). Jeweils etwa die Hälfte der Energie steckt im sichtbaren, eine weitere Hälfte im nahen Infrarot (NIR: 780 nm - 3000 nm). |
Typischerweise durchquert die Sonnenstrahlung etwa 1,5 atmosphärische Massen bevor sie den Erdboden trifft: Dort ist die Strahlung bei klarem Wetter dann auf etwa 1000 W/m² abgeschwächt. Je nach geographischer Länge und standorttypischer Bewölkung liegt die insgesamt am Boden über ein Jahr eingestrahlte Sonnenenergie zwischen 800 kWh/m² und 2700 kWh/m²; typisch für Deutschland sind 1000 kWh/m².
Bei Gebäuden sind vor allem Oberflächen mit lotrechten Orientierungen wie bei der überwiegenden Anzahl von Fenstern interessant. Wir stellen in den folgenden drei Diagrammen Intensitäten2), wie sie im Zuge der messtechnischen Datenaufnahme am Standort Darmstadt Kranichstein gemessen wurden, dar. Zum Vergleich wird auch die auf eine horizontale Fläche auftretende Strahlung mit dargestellt3).
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| Der 23. Juni 2023 war ein überwiegend klarer Sommertag. Von Sonnenauf- bis Untergang stand die Sonne am Himmel, das waren fast 16 h. Weil die Sonne auch relativ hoch steht, kommt es auch nicht zu nennenswerter Verschattung - die maximale Intensität auf der Horizontal lag bei 923 W/m². Die Strahlung auf die Südfassade ist erkennbar deutlich geringer, sie erreicht an diesem Tag nur 524 W, direkte Einstrahlung gibt es auf diese Fläche nur über 9 h. Auffällig ist dagegen die hohe Intensität auf West- und Ost-orientierte Flächen, hier liegen die Intensitäten bei bis zu 807 W/m². Schön erkennbar sind auch die beiden „Morgen-und Abend-Hügel“ von auf der Nordfassade auftreffender Solarstrahlung, die immerhin 240 W/m² erreichen. Flächen, die nicht direkt beschienen sind, bekommen immer noch diffuses Himmelslicht und indirekte Strahlung ab, die an diesem etwa 128 W/m² erreicht. Insgesamt ein bedeutendes solares Angebot im Hochsommer, das sich ebenfalls gut zur aktiven Wärmeerzeugung oder zur Stromerzeugung eignet. Als passiv eingetragene Solarenergie im Gebäude wollen wir diese Strahlung allerdings in diesem Ausmaß nicht gebrauchen - im Gegenteil, träfe diese unverschattet durch die Fenster ein, so wäre dies eine erhebliche zusätzliche Wärmelast. Die bedeutendste Last ist dabei durch die direkte Strahlung, diese ist mehr als 7mal so hoch wie die Werte der Diffusstrahlung4). |
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| Am 8. September 2023 war ebenfalls ein durchgehend klarer Tag, allerdings ist die Zeit der direkten Besonnung jetzt auf gut 11 h für die Südorientierung begrenzt. Die Südfassade und die Horizontale bekommen im Herbst etwa gleich viel Strahlung a. Wegen der größeren Luftmasse, die durchquert werden muss, liegen die maxialen Leistungen nun bei rund 800 W/m². |
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