Unter Solarthermie versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare thermische Energie.solar_thermie_2

Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlungsleistung beträgt weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) ungefähr 165 W/m² (mit erheblichen Schwankungen je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Um sich dieser Energiequelle zu bedienen, hat der Mensch begonnen, sich näher mit den Themen Solarthermie (Wärmegewinnung aus der solaren Einstrahlung) und Photovoltaik (Stromgewinnung aus der Sonneneinstrahlung) zu beschäftigen.

Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als zehntausendmal größer als der Energiebedarf der Menschheit, das Potenzial ist größer als das aller anderen erneuerbaren Energien zusammen.

  • Technische Daten und Beschreibung
  • Die Sonne erzeugt durch die in ihrem Inneren ablaufende Kernfusion eine Leistung von ca. 3,8 \cdot 10^{26} Watt. Über die Zeit integriert ergibt sich daraus die in der Sonne erzeugte Sonnenenergie. Die abgestrahlte Sonnenenergie E = h*f lässt sich aus dem Planckschen Wirkungsquantum h und der Frequenz f der Photonen (Lichtteilchen) bestimmen. Diese Sonnenstrahlung wird durch die Erdatmosphäre gedämpft. Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erde einfällt, wird durch die Solarkonstante beschrieben. Sie beträgt im Mittel

    E_{0}=1367 \dfrac{W}{m^2}

    wenn die Strahlung auf eine flache Scheibe, senkrecht ausgerichtet auf die Sonne im Vakuum im Abstand Erde – Sonne einwirkt.

    Bezogen auf die Kugeloberfläche (die Fläche einer Kugel ist 4-mal so groß wie die einer runden Scheibe mit gleichem Durchmesser) beträgt die mittlere Strahlungsleistung nur 1/4 der Leistung bezogen auf die Scheibe:

    E_{0}=\dfrac{1367}{4} \dfrac{W}{m^2}=341,75 \dfrac{W}{m^2}solar_thermie_3

    Durch Reflexion und Absorption an Wolken, Aerosolen und Gasen wird dieser Wert durch die Atmosphäre beträchtlich reduziert. Da je nach Breitengrad die Strahlung einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen muss (die Extinktion ist proportional zur Weglänge und Dichte des Mediums Luft, also proportional zur Masse der Luft, den die Solarstrahlung auf den Weg zum Kollektor durchqueren muss), ergibt sich je nach Aufenthaltsort auf der Erde eine unterschiedliche Strahlungsleistung. In Deutschland können im Mittel höchstens

    E_{0}\approx 100 \dfrac{W}{m^2}

    genutzt werden.

    In der Praxis beläuft sich die nutzbare Energie pro Jahr auf G_{Solar}= 1071 \dfrac{kWh}{Jahr \cdot m^2}.[3] Dies entspricht mit einer (Tag und Nacht konstanten) Leistung von E_{0}= 122,26 \dfrac{W}{m^2} etwa der Hälfte des theoretisch erreichbaren Wertes. Dies ist im Wesentlichen auf Bewölkung zurückzuführen. Berücksichtigt ist hierbei auch bereits, dass die Sonne im Mittel nur etwa die Hälfte des Tages scheint, und dass sich Verluste aufgrund der geographischen Lage Deutschlands ergeben.

    Das Statistische Bundesamt rechnet bei solarthermischen Kollektoren, die zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden, im Jahr mit einem mittleren Ertrag von

    G_{Solar} = 350,40 \dfrac{kWh}{Jahr \cdot m^2} bzw. E_{0}= 40 \dfrac{W}{m^2}.

    Dieser Wert liegt nochmals wesentlich niedriger, da er weitere Faktoren berücksichtigt, welche den Ertrag in der Praxis ebenfalls beeinflussen.

    Die gezielte Wandlung der in Form elektromagnetischer Wellen einfallenden Sonnenenergie in thermische Energie geschieht mittels Sonnenkollektoren gemäß den Gesetzen solar_thermie_4über den Strahlungsaustausch. Mit Hilfe dieser Gesetze kann auch die Temperatur im Solarkollektor berechnet werden, wenn er von der Sonne direkt beleuchtet wird.

    Bei bestimmten Anwendungen wird das Sonnenlicht durch Brenn- bzw. Hohlspiegel oder eine Vielzahl der Sonne nachgeführter Einzelspiegel fokussiert, wodurch eine erhöhte Lichtintensität auf dem Absorber und damit eine höhere Temperatur im Wärmeträgermedium erzielt werden kann. Bei ausschließlich diffuser Einstrahlung ist eine Nutzung der Globalstrahlung in der Regel kaum möglich, da die Temperatur der diffusen Wärmestrahlung der Erde (im Mittel 15 °C) zu niedrig ist, um diese energetisch verwerten zu können.