Untstete Plangröße
Wo Sie Daten für die Sonneneinstrahlung finden
Um den Ertrag von Solarstrom-, Solarwärmeanlagen oder solarthermischen Kraftwerken berechnen zu können,
benötigt man aussagekräftige Solar-strahlungsdaten. "SONNENENERGIE" stellt unterschiedliche Messverfahren
vor und gibt Tipps, wo Sie Strahlungsdaten finden und wie diese zu bewerten sind.
Die Bestimmung der Solarstrahlung für einen bestimmten Standort bietet große Unsicherheitsfaktoren.
Selbst bei guter Messqualität ist ein langer Messzeitraum notwendig, um eine gute Aussage machen zu können.
Neben der Messung stehen zahlreiche Datenbanken mit Strahlungswerten zur Verfügung, die jedoch zum Teil erhebliche
Unterschiede zueinander aufweisen.
Während bei der Bestimmung der Globalstrahlung für Deutschland noch eine recht gute Übereinstimmung
vorhanden ist, sind die Unterschiede bei der Direktstrahlung und damit auf einer ge-neigten oder nachgeführten
Fläche erheblich. Hier kann man sich nur durch zur Hilfenahme mehrerer Datenquellen absichern und für den
Standort die vorhandenen Spannweiten angeben.
Wer außerhalb von Europa Werte benötigt, ist auf eine zum Teil noch wackeligere Datenbasis angewiesen.
Die NASA-Datenbank und das Programm Meteonorm bieten zwar gute Anhaltswerte. Wer eine Ertragsgarantie auf Basis der
gelieferten Werte gibt, muss große Sicherheitszuschläge einplanen. Eine kritische Prüfung der Messwerte
beziehungsweise Datenbanken ist deshalb unverzichtbar.

Für die Ertragsberechnung konzentrierender Solarsysteme benötigt man gute Werte der
Direkt-Normalstrahlung.
Foto: DLR, Plataforma Solar de Almería
Wie sich Solarstrahlung messen lässt
Sind für einen Standort überhaupt keine Werte vorhanden, ist eine Vor-Ort-Messung der Solarstrahlung
unausweichlich. Gemessen werden kann entweder mit Pyranometern, mit Silizium-Strahlungssensoren und indirekt
über eine Auswertung von Satellitenbildern. Bei der Messung mit einem Pyranometer wird durch das Sonnenlicht
ein geschwärztes Absorberplättchen erwärmt. Da die Erwärmung proportional zur Einstrahlung erfolgt,
lässt sich aus der Temperaturdifferenz zur Umgebung die Einstrahlung ermitteln. Unter der Voraussetzung, dass das
Pyranometer kalibriert ist und regelmäßig gereinigt wird, sind die Messungen sehr genau, aber
verhältnismäßig teuer.
Deutlich preisgünstiger ist ein Silizium-Strahlungssensor. Bei diesem Sensor handelt sich im Prinzip um eine
Solarzelle, die einen zur Einstrahlung proportionalen Strom erzeugt. Der Nachteil dieses Sensors ist seine
unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit für Licht mit verschiedenen Wellenlängen. Langwellige
Infrarotstrahlung kann er überhaupt nicht erfassen. Deshalb kann es zu einzelnen Tagesstunden zu größeren
Abweichungen kommen.
Bei der Satellitenmessung werden anhand von Satellitenbildern Bewölkungsgrade bestimmt. Je heller ein Punkt auf
einem Satellitenbild erscheint, desto mehr Wolken sind vorhanden, desto mehr Strahlung wird in das Weltall reflektiert
und gelangt nicht mehr auf die Erdoberfläche. In der Jahressumme sind die Ergebnisse der Satellitenmessungen meist
ausreichend genau. Bei Momentanwerten sind jedoch größere Abweichungen möglich.
Diffuse Probleme
Neben der Globalstrahlung, die mit allen drei Messmethoden relativ gut bestimmt werden kann, wird in der Solartechnik
eine Aufteilung der Gesamtstrahlung in den direkten und diffusen Strahlungsanteil benötigt. Bei der Auswertung von
Satellitenbildern ist eine Aufteilung der Globalstrahlung in den direkten und den diffusen Anteil nur über statistische
Modelle mit entsprechend großen Fehlern möglich. Wer die Solarstrahlung auf unterschiedlich geneigten
Solaranlagen oder gar auf nachgeführten oder konzentrierenden Systemen berechnen möchte, braucht neben der
Globalstrahlung aber zumindest die Diffusstrahlung. Sie kann man mit einem Pyranometer oder einem Siliziumsensor mit
festem oder rotierendem Schattenring messen. Durch den Schattenring wird der direkte Strahlungsanteil abgeschattet,
der diffuse Strahlungsanteil bleibt übrig. Allerdings reduziert der Schattenring auch die Diffusstrahlung, was
eine nachträgliche Korrektur der Messwerte notwendig macht.

Diffusstrahlungsmessung mit einem Pyranometer mit festem Schattenring
Foto: DLR, Plataforma Solar de Almería

Global- und Diffusstrahlungsmessung mit einem Siliziumsensor mit rotierendem Schattenring
Foto: DLR, Plataforma Solar de Almería
Die Messungen sollte man mit größter Sorgfalt durchführen. Verfügbare Messwerte weisen leider eine
höchst unterschiedliche Qualität auf. Wird zum Beispiel Vogelkot auf dem Sensor nicht sofort, sondern erst nach
ein paar Tagen entfernt, wird man eine zu niedrige Jahressumme feststellen.
Gute Zeiten, schlechte Zeiten
Selbst wenn es gelingt, ein Jahr mit hoher Qualität zu messen, ist die Aussage für den zu betrachtenden
Standort relativ gering. Die Sonnenstrahlung variiert von Jahr zu Jahr erheblich. So schwanken zum Beispiel die vom
Deutschen Wetterdienst gemessenen Jahressummen der Globalstrahlung für Potsdam aus den Jahren 1937 bis 1999 zwischen
887 und 1.180 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr. Die höchste Jahressumme liegt in dem Zeitraum damit um 33
Prozent über der niedrigsten.

Abbildung 1: Maximale Abweichung unterschiedlich langer Messperioden vom langjährigen Mittelwert aus den Jahren 1937 bis 1999 am Standort Potsdam
Um eine verlässliche Aussage treffen zu können, sollten deshalb Messungen über einen
längeren Zeitraum vorliegen. Hieraus kann dann ein typisches meteorologisches Jahr bestimmt werden.
Abbildung 1 zeigt für den Standort Potsdam die Abweichung der Messwerte für verschiedene Messperioden
vom Mittelwert der Jahre 1937 bis 1999.
Deutlich wird, dass die Messperiode mindestens einen Zeitraum von fünf Jahren umfassen sollte, um nicht
mehr als sieben Prozent vom langjährigen Mittel abzuweichen. In anderen Worten: Liegen für einen
Standort Messungen für einen Zeitraum von fünf Jahren vor, kann die mittlere jährliche Einstrahlung
in den nächsten fünf Jahren durchaus 14 Prozent höher oder niedriger als in den Jahren zuvor ausfallen.
Wer den künftigen Ertrag einer Anlage auf Basis einer Messung von wenigen Jahren garantieren möchte, begibt
sich also auf sehr dünnes Eis. Hierfür sollten Messwerte über einen Zeitraum von etwa 20 Jahren oder
mehr vorliegen. Von möglichen zukünftigen Klimaveränderungen einmal abgesehen, da diese die
Unsicherheiten noch verstärken.
Datenbanken für Solarstrahlung
Eigene Messungen über einen langen Zeitraum sind mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Deshalb lohnt
es sich, auf vorhandene Datenquellen zurückzugreifen. Die meisten Simulationsprogramme für Solaranlagen
liefern zum Teil recht umfangreiche Datenbanken zur Solarstrahlung mit. Die Anbieter fügen jedoch meist nur
wenig Informationen über Quelle, Messzeitraum und Qualität der Daten bei.
Spezielle Datenbanken auf CD oder im Internet oder spezielle Strahlungsatlanten versprechen eine größere
und genauere Datenbasis. Auf eine Datenbank von Monatsmittelwerten der Globalstrahlung für weltweit 1.195
Standorte können Sie im Internet kostenlos über die NASA bzw. NREL zugreifen.
Im Rahmen des europäischen Projekts S@tel-Light haben Forschungsinstitute und Hochschulen Satellitenbilder
der Jahre 1996 und 1997 ausgewertet. Strahlungszeitreihen können Sie für jeden europäischen Standort
kostenlos über das Internet anfordern. Der Service soll künftig um die Jahre 1998 bis 2000 erweitert werden.
Messwerte der Direkt- und Diffusstrahlung für zahlreiche europäische Standorte finden sich auch im
Europäischen Strahlungsatlas. Die ältere Ausgabe wurde 1996 vom Springer Verlag als gedrucktes Werk
herausgegeben. Die aktualisierte und stark überarbeitete Fassung gibt es inzwischen auf CD.
Neben dem Internetangebot der NASA liefert auch die Software Meteonorm eine sehr umfangreiche weltweite Datenbasis.
Neben der Solarstrahlung finden sich hier auch meteorologische Größen wie Temperatur, Windgeschwindigkeit
oder Luftfeuchte. Als Datenbasis liegen bei diesem Programm Monatsmittelwerte vor. Stundenwerte kann der Nutzer
über statistische Verfahren generieren. Ist der gewünschte Standort nicht in der Datenbank vorhanden,
kann er Werte aus den nächstgelegenen Standorten interpolieren.
Unterschiedliche Qualität der Strahlungsdaten
Für verschiedene Standorte ist die Qualität der Daten höchst unterschiedlich. Das zeigt der
Vergleich der Abbildungen 2 und 3 für Potsdam und Mailand. Was auf den ersten Blick noch recht passabel
aussieht, erweist sich beim zweiten Hinsehen als kritisch.
Relativ gut sind die Übereinstimmungen der Globalstrahlungswerte. Erwartungsgemäß sind die
Unterschiede der Jahreswerte bei S@tel-Light am größten. Die Abweichungen der anderen Quellen,
die sich auf Mittelwerte mehrerer Jahre stützen, sind deutlich geringer und betragen maximal zwei Prozent
in Potsdam beziehungsweise knapp sieben Prozent in Mailand.
Deutlich größer sind jedoch die Abweichungen bei der Diffusstrahlung. Die NASA-Datenbank enthält
überhaupt keine Diffusstrahlungswerte. Meteonorm liefert interessanterweise unterschiedliche Diffusstrahlungswerte
für Monats- und Stundenwerte, was das Vertrauen in die Berechnungsmethoden nicht gerade stärkt.

Abbildung 2: Vergleich verschiedener Datenquellen für den Standort Potsdam

Abbildung 3: Vergleich verschiedener Datenquellen für den Standort Mailand
Bei der Direkt-Normalstrahlung betragen die Unterschiede zwischen den höchsten und niedrigsten Werten in
Potsdam 17 Prozent, in Mailand sogar stolze 58 Prozent. Vor allem die einzelnen Jahreswerte der Satellitendaten
zeigen große Abweichungen. Die Direkt-Normalstrahlung auf einer der Sonne nachgeführten Fläche
lässt sich nur mit Hilfe von S@tel-Light oder Meteonorm bestimmen. Die Unterschiede sind jedoch für
Mailand so groß, dass man hier alternativ die Werte auch erraten könnte. Abhilfe liefert das vom
Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelte STEPS-System, das anhand spezieller Verfahren die
Direkt-Strahlung aus Satellitenbildern bestimmt. Da die Auswertung hierbei relativ aufwendig ist, kann sie
derzeit allerdings nur in Individualaufträgen erfolgen.
Volker Quaschning
Information und Bezugsquellen
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