Photovoltaik bei diffuser Strahlung: Nutze jedes Wetter optimal

Bevor wir uns der Bedeutung, die diffuse Strahlung für Photovoltaik hat, widmen, wollen wir uns einen Überblick über die Grundlagen verschaffen. Deshalb schauen wir uns zunächst an, was genau diffuse Strahlung eigentlich ist. Hierfür werfen wir einen Blick auf die Gesamtheit der Sonneneinstrahlung, die auf die Erdoberfläche trifft – die sogenannte Globalstrahlung. Diese setzt sich aus zwei Hauptkomponenten zusammen: der direkten Strahlung und der diffusen Strahlung.

Die direkte Strahlung ist das, was wir uns von einem perfekten Urlaubstag am Strand erhoffen – strahlender Sonnenschein ohne Wolken am Himmel. Sie bezeichnet den Anteil der Sonneneinstrahlung, der ungehindert von der Sonne zur Erdoberfläche gelangt. Sie erreicht die Erdoberfläche ohne Ablenkung, Streuung oder Reflexion. Diese Art der Sonneneinstrahlung ist besonders an klaren, sonnigen Tagen dominant. In Ländern mit hohem Anteil an Sonnentagen und wolkenfreiem oder -armem Himmel ist die direkte Strahlung der Hauptenergieträger für Photovoltaik.

Die diffuse Strahlung, auch Diffusstrahlung, diffuse Himmelsstrahlung oder diffuse Sonnen(ein)strahlung genannt, entsteht hingegen, wenn das Licht der Sonne auf seinem Weg zur Erdoberfläche auf Aerosole, Luftmoleküle oder Wolken trifft. Diese Bestandteile der Atmosphäre streuen das Licht in alle Richtungen. Dieser Vorgang wird als Rayleigh-Streuung (an Molekülen) oder Mie-Streuung (an Aerosolen und größeren Partikeln) bezeichnet. Das Ergebnis dieser diffusen Streuung ist, dass das Licht die Erdoberfläche aus unterschiedlichen Richtungen erreicht und somit nicht mehr auf direktem Weg von der Sonne kommt. Die Energie, mit der die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche trifft, ist in diesem Fall schwächer als bei der direkten Strahlung. Bei starker Bewölkung oder hoher Luftverschmutzung nimmt der Anteil diffuser Strahlung deutlich zu. Je nach Wetter und geographischer Lage kann die Diffusstrahlung einen wesentlichen Teil der gesamten Sonneneinstrahlung ausmachen.

Zusammen bilden diese Komponenten die Globalstrahlung, die gesamte Sonneneinstrahlung, die auf eine definierte Fläche trifft. Angegeben wird sie üblicherweise in Kilowattstunden pro Jahr pro Quadratmeter (kWh/m²). Die Globalstrahlung variiert stark, je nach geografischer Lage und Wetterbedingungen. In sonnenreichen Regionen, wie in Südeuropa oder Nordafrika, dominiert die direkte Strahlung, während in gemäßigten Breiten wie in Deutschland ein erheblicher Anteil der Globalstrahlung aus diffuser Strahlung besteht.

Die Messung der diffusen Strahlung ist ein wichtiger Schritt, um zu verstehen, wie viel Energie an einem bestimmten Ort durch die Sonne zur Verfügung steht. Hierfür werden spezielle Messgeräte eingesetzt, sogenannte Pyranometer. Diese Instrumente messen die Globalstrahlung, also die gesamte Sonneneinstrahlung, die auf eine horizontale Fläche trifft.

Um die diffuse Himmelsstrahlung und die direkte Strahlung zu trennen, wird ein Schattenring oder eine spezielle Scheibe verwendet, die die direkte Strahlung blockiert. Der Schattenring sorgt dafür, dass nur die von den Luftmolekülen, Wolken und anderen Partikeln gestreute Strahlung, also die diffuse Streuung, gemessen wird. Dies ermöglicht es, den Anteil der diffusen Sonneneinstrahlung genau zu erfassen und somit den Beitrag dieser Strahlung zur Energieerzeugung zu berechnen.

Doch was bedeutet das für Photovoltaik? Die Messung der diffusen Strahlung ist besonders wichtig für die Planung und Optimierung von PV-Anlagen, da sie hilft, deren Leistung unter verschiedenen Wetterbedingungen besser vorherzusagen. Solche Daten werden oft über mehrere Jahre hinweg gesammelt, um eine verlässliche Grundlage für die Planung einer Anlage zu haben.

Jetzt, wo du über die Definitionen von diffuser und direkter Strahlung sowie von Globalstrahlung Bescheid weißt, wollen wir konkreter werden und uns anschauen, welche Bedeutung die diffuse Himmelsstrahlung in Deutschland hat.

Die Sonneneinstrahlung, die auf die gesamte Atmosphäre der Erde trifft, liegt bei etwa 1.340 W/m². Auch bei klarem Himmel wird diese Strahlung jedoch durch Absorption, Streuung und Reflexion reduziert und erreicht die Erdoberfläche mit einem Durchschnitt von etwa 1.000 W/m². In Deutschland macht die diffuse Sonnenstrahlung im Durchschnitt etwa 50 % der gesamten Globalstrahlung aus, wobei dieser Anteil je nach Wetterbedingungen schwankt. Wie sich die Sonneneinstrahlung unter verschiedenen Wetterbedingungen verändert, zeigen die folgenden Werte:

Im Jahr 2023 wurde in Deutschland eine durchschnittliche Globalstrahlung von 1.144 kWh/m² gemessen. Damit gehört das Jahr zu den zehn strahlungsreichsten seit Beginn der Datenerfassung im Jahr 1983 und belegt den sechsten Platz in dieser Rangliste. Gehen wir von dem eben beschriebenen Anteil von 50 Prozent aus, die die Diffusstrahlung zur gesamten Globalstrahlung ausmacht, landen wir für das Jahr 2023 also bei einem Wert von circa 572 kWh/m².

• Überblick: Der Maximalwert liegt bei 609 kWh/m², während der niedrigste Wert bei 485 kWh/m² liegt. Der Mittelwert liegt bei etwa 558 kWh/m² und entspricht damit circa 50 Prozent der Globalstrahlung.

• Nördliches Deutschland: Der Bereich im Norden (zum Beispiel rund um Flensburg, Rostock, und Schwerin) weist im Vergleich zum Rest Deutschlands niedrigere Werte der diffusen Himmelsstrahlung auf. Diese Regionen liegen meist im Bereich zwischen 501–540 kWh/m².

• Zentral- und Westdeutschland: Regionen wie Hannover, Kassel, und Köln zeigen schon höhere Werte der diffusen Sonnenstrahlung als im Norden. Sie liegt in diesen Bereichen zwischen 541-580 kWh/m².

• Süddeutschland: Die höchsten Werte der diffusen Strahlung werden in Teilen von Baden-Württemberg sowie in Bayern gemessen. Diese Regionen erreichen Werte von 581–600 kWh/m², was darauf hindeutet, dass hier besonders viel diffuse Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche trifft.

• Direkte Strahlung im Vergleich: Vergleichen wir diese Daten mit denen der direkten Strahlung, wird deutlich, dass die diffuse Strahlung schwächer ausfällt. So liegt der Maximalwert der direkten Strahlung bei 700 kWh/m².

Im Jahr 2023 wurde in Deutschland eine durchschnittliche Globalstrahlung von 1.144 kWh/m² gemessen. Damit gehört das Jahr zu den zehn strahlungsreichsten seit Beginn der Datenerfassung im JaWie du gesehen hast, macht die diffuse Strahlung in Deutschland einen so hohen Anteil der gesamten Sonneneinstrahlung aus, dass es für die Betreiber von Solaranlagen entscheidend ist, diesen Faktor in ihre Planung einzubeziehen. Die Karte zeigt außerdem, dass in Deutschland erhebliche regionale Unterschiede im Anteil diffuser Strahlung bestehen. Gerade in Gebieten mit hohen Werten der diffusen Strahlung ist es von Vorteil, spezielle Maßnahmen zu treffen, damit du Photovoltaik auch bei hoher diffuser Strahlung effizient nutzen kannst. Welche Maßnahmen das genau sein könnten, schauen wir uns im nächsten Kapitel an.ahr 1983 und belegt den sechsten Platz in dieser Rangliste. Gehen wir von dem eben beschriebenen Anteil von 50 Prozent aus, die die Diffusstrahlung zur gesamten Globalstrahlung ausmacht, landen wir für das Jahr 2023 also bei einem Wert von circa 572 kWh/m².

Die Antwort auf diese Frage ist ein klares Ja! Lebst du in einer Region Deutschlands, in der die diffuse Strahlung im Vergleich zur direkten Strahlung überwiegt, bedeutet das auf keinen Fall, dass du auf eine PV-Anlage verzichten musst. Im Gegenteil – diffuse Himmelsstrahlung hat auch positive Effekte auf Photovoltaik: 

• Energieerzeugung bei Wolken: Diffuse Strahlung sorgt dafür, dass PV-Anlagen auch bei bedecktem Himmel Energie erzeugen können. Da sie aus allen Richtungen kommt, erhöht sie die nutzbare Sonnenenergie, selbst ohne direkte Sonneneinstrahlung.

• Leistungssteigerung bei suboptimaler Ausrichtung: Diffuse Himmelsstrahlung verbessert die Leistung von PV-Anlagen, die nicht ideal zur Sonne ausgerichtet sind. Da das Licht aus verschiedenen Richtungen auf die Solarmodule trifft, können auch schräg installierte oder nach Norden ausgerichtete Solarzellen Energie erzeugen.

• Temperaturregulierung der Solarzellen: Diffuse Strahlung kann die Temperatur der Solarzellen senken. Da zu hohe Temperaturen deren Effizienz beeinträchtigen, kann diffuses Licht die Leistung der Solarzellen verbessern.

Allerdings wirkt diffuse Strahlung weniger intensiv auf eine Photovoltaikanlage als direkte Strahlung, da gestreutes Licht nicht die gleiche Energiedichte wie direktes Sonnenlicht besitzt. Photovoltaik funktioniert also auch bei Diffusstrahlung, wenn die Sonne also beispielsweise von Wolken verdeckt ist – jedoch mit reduzierter Leistung. So kann die Leistung deiner PV-Anlage beispielsweise bei Regen auf etwa 10-25 Prozent der maximalen Kapazität sinken. Allerdings gibt es zahlreiche Tipps, die du anwenden kannst, um deinen PV-Ertrag für diffuse Himmelsstrahlung zu optimieren.

Bei der Planung deiner PV-Anlage gilt es, folgende Aspekte zu bedenken, wenn du deinen Ertrag auch bei diffuser Strahlung so ergiebig wie möglich gestalten willst:

Die Wahl der richtigen Solarmodule ist entscheidend, damit du den Ertrag aus Diffusstrahlung maximieren kannst. Hochwertige Solarmodule, wie die Full-Black Module von 1KOMMA5°, sind speziell darauf ausgelegt, auch bei schlechten Wetterbedingungen mit überwiegend diffuser Strahlung eine konstant gute Leistung zu erzielen.

Um den Ertrag deiner PV-Anlage aus diffuser Himmelsstrahlung zu maximieren, ist die regelmäßige Wartung deiner Anlage unerlässlich. Besonders wichtig ist die Reinigung der Solarmodule, da Verschmutzungen die Aufnahme diffuser Himmelsstrahlung verringern können. Mit einer gepflegten PV-Anlage nutzt du die vorhandene diffuse Strahlung optimal. 

An Tagen mit viel direkter Sonneneinstrahlung kann die erzeugte Energie gespeichert und bei Bedarf, etwa bei einem Himmel voller Wolken, genutzt werden. So kannst du die Energieversorgung auch bei diffuser Strahlung aufrechterhalten. Ein gut dimensionierter Speicher verbessert nicht nur den Eigenverbrauch, sondern auch die Effizienz der Anlage an Tagen mit diffuser Himmelsstrahlung.

Eine intelligente Energie-Software-Plattform wie Heartbeat AI von 1KOMMA5° hilft dir, den Ertrag aus direkter und diffuser Strahlung effizient zu steuern. Sie passt den Energieverbrauch an die verfügbare Stromproduktion an und optimiert deinen Verbrauch – egal ob bei direkter oder diffuser Strahlung.

Die diffuse Strahlung hat in vielen Regionen Deutschlands einen erheblichen Einfluss auf den Ertrag von Photovoltaik. Indem du bei der Planung deiner Anlage auf smarte Helfer und die Wahl der Solarmodule achtest, kannst du sicherstellen, dass auch bei bewölkten Tagen mit Diffusstrahlung genügend Energie für deinen Haushalt erzeugt wird. Bedenkst du die diffuse Himmelsstrahlung bereits bei der Planung deiner PV-Anlage, hast du die Möglichkeit, diese optimal auf deine regionalen Wetterbedingungen abzustimmen und somit das Beste aus deiner Solaranlage herauszuholen.

1KOMMA5° unterstützt dich umfassend auf deinem Weg zu deiner nachhaltigen und günstigen Energieversorgung durch eine Solaranlage, egal bei welcher Sonneneinstrahlung. Wir sorgen nicht nur für die fachgerechte Installation deiner Photovoltaikanlage, sondern beraten dich individuell, wie du den Ertrag deiner PV-Anlage maximierst.

• Mit über 70 Standorten in Deutschland bietet 1KOMMA5° dir einen Rundum-Service direkt vor Ort. Wir übernehmen die komplette Planung, Installation und Inbetriebnahme deiner PV-Anlage, sodass sie jeden Tag effizient arbeitet. Auch die regelmäßige Wartung ist Teil unseres Serviceangebots.

• Mit der 1KOMMA5° Energie-Software-Plattform Heartbeat AI vernetzen wir dein gesamtes System, damit du deinen Energieverbrauch auch bei diffuser Strahlung smart steuern kannst. So bleibt deine Photovoltaikanlage effizient, unabhängig davon, wie viele Wolken sich am Himmel sammeln.