Das Wichtigste in Kürze
Diffuse Strahlung ist Sonnenlicht, das in der Atmosphäre gestreut wurde und aus dem gesamten Himmel auf die Erde trifft statt direkt von der Sonnenscheibe. Sie wirft keinen Schatten, und Solarmodule wandeln sie genauso in Strom um wie direktes Licht.
- Entstehung: Streuung an Luftmolekülen (Rayleigh) sowie an Aerosolen und Staub (Mie)
- Klarer Tag: rund 10 % der eintreffenden Strahlung sind diffus
- Bedeckter Himmel: Es kommt praktisch nur diffuse Strahlung an, und die Leistung sinkt stark
- Zusammenhang: Direkte und diffuse Strahlung ergeben zusammen die Globalstrahlung
- Deutschland: Die Globalstrahlung liegt im langjährigen Mittel bei 1.102 kWh je Quadratmeter und Jahr
- Neigung: Je flacher ein Modul liegt, desto mehr Himmel sieht es und desto mehr Streulicht fängt es ein
Was ist diffuse Strahlung?
Diffuse Strahlung ist der Teil des Sonnenlichts, der die Erdoberfläche auf Umwegen erreicht. Auf dem Weg durch die Atmosphäre wird ein Teil des Lichts an Molekülen, Staub und Wolkentröpfchen abgelenkt und verteilt sich über den ganzen Himmel. Die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft beschreibt sie als die Strahlung, die aus der gesamten Himmelshalbkugel mit Ausnahme der Sonnenscheibe kommt und keinen Schatten wirft.
Ihr Gegenstück ist die direkte Strahlung, die ohne Ablenkung von der Sonne kommt und scharfe Schatten erzeugt. Beide zusammen bilden die Globalstrahlung, also die gesamte Sonnenenergie, die auf eine waagerechte Fläche fällt. Für geneigte Module kommt ein dritter Anteil hinzu: Licht, das vom Boden oder von hellen Flächen in der Umgebung zurückgeworfen wird.
Globalstrahlung = direkte Strahlung + diffuse Strahlung
Wie entsteht diffuse Strahlung?
Zwei Arten von Streuung machen aus gerichtetem Sonnenlicht diffuses Licht. Die Rayleigh-Streuung geschieht an den Molekülen der Luft. Sie wirkt nach dem Lehrwerk PVEducation besonders stark auf kurzwelliges, blaues Licht, weil ihre Stärke mit der vierten Potenz der Wellenlänge abnimmt. Deshalb erscheint der Himmel blau, und deshalb enthält Streulicht mehr Blau als das direkte Licht der Sonne.
Die Mie-Streuung geschieht an größeren Teilchen: an Aerosolen, Staub und Wassertröpfchen. Sie wirkt auf alle Farben ähnlich und lässt dunstigen Himmel und Wolken weiß oder grau aussehen. Je mehr solcher Teilchen in der Luft sind, desto größer wird der gestreute Anteil.
Insgesamt geht auf dem Weg durch die Atmosphäre ein erheblicher Teil der Sonnenenergie verloren. Oberhalb der Lufthülle kommen rund 1.367 W je Quadratmeter an. Etwa 30 % davon gehen nach Angaben der Landesanstalt durch Reflexion, Streuung und Absorption verloren, etwa 70 % erreichen den Boden. An einem klaren Tag mit hoch stehender Sonne sind das rund 1.000 W je Quadratmeter, der Wert, mit dem auch die Nennleistung von Solarmodulen gemessen wird.
Wie groß ist der Anteil diffuser Strahlung?
Der Anteil hängt fast vollständig vom Wetter ab. An einem klaren Tag sind nach PVEducation rund 10 % der eintreffenden Strahlung diffus, der Rest kommt direkt von der Sonne. Schiebt sich eine geschlossene Wolkendecke davor, verschwindet die direkte Strahlung, und was am Boden ankommt, ist praktisch nur noch Streulicht. Zugleich sinkt die Leistung je nach Art der Wolken stark.
| Wetterlage | Direkte Strahlung | Diffuse Strahlung | Schatten |
|---|---|---|---|
| Klarer Himmel | überwiegt deutlich | rund 10 % | scharf |
| Dunst, dünne Schleierwolken | geschwächt | nimmt zu | weich |
| Wechselnde Bewölkung | schwankt von Minute zu Minute | hoch | wechselnd |
| Geschlossene Wolkendecke, Nebel | fehlt | praktisch 100 % | keiner |
Über das Jahr gesehen ist Streulicht in Mitteleuropa deshalb kein Randthema. Im Winter steht die Sonne tief, der Weg durch die Atmosphäre ist lang, und der Himmel ist oft bedeckt. In den Sommermonaten überwiegt an klaren Tagen die direkte Strahlung. Getrennte Karten für Direkt- und Diffusstrahlung veröffentlicht der Deutsche Wetterdienst.
Die Summe aus beiden Anteilen ist gut dokumentiert. Nach den Zahlen des Wetterdienstes, die das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme zitiert, liegt die Globalstrahlung auf waagerechter Fläche in Deutschland im langjährigen Mittel bei 1.102 kWh je Quadratmeter und Jahr. Über drei Jahrzehnte ist sie im Schnitt um 0,3 % pro Jahr gestiegen.
Was bedeutet diffuse Strahlung für den Ertrag?
Eine Photovoltaikanlage erzeugt auch bei bedecktem Himmel Strom, nur deutlich weniger. Der Grund liegt nicht darin, dass Module Streulicht schlechter verwerten. Eine Solarzelle unterscheidet nicht, aus welcher Richtung ein Lichtteilchen kommt. Bei Bewölkung trifft schlicht weniger Energie auf die Fläche, und entsprechend weniger Strom entsteht.
Ganz ohne Einfluss ist die Art des Lichts allerdings nicht. Das Fraunhofer ISE nennt Schwachlicht und Schräglicht ausdrücklich unter den Größen, die den Wirkungsgrad eines Moduls im Betrieb verändern. Bei wenig Licht arbeiten Zellen etwas weniger effizient als unter voller Sonne, und flach einfallendes Licht wird am Glas stärker reflektiert. Beides steckt in der Performance Ratio, mit der Fachleute den Jahresertrag einer Anlage bewerten.
Was Streulicht leistet
- Strom an jedem Tag des Jahres, auch ohne Sonnenschein
- Ertrag auch auf Flächen, die nicht nach Süden zeigen
- Keine harten Schatten, die einzelne Zellen ausbremsen
- Kühlere Module, weil die Sonne nicht direkt auf das Glas brennt
Wo die Grenzen liegen
- Deutlich weniger Energie je Quadratmeter als bei klarem Himmel
- Etwas geringerer Wirkungsgrad bei schwachem Licht
- Kein Ausgleich für dauerhafte Verschattung durch Bäume oder Gebäude
- Im Winter reicht der Ertrag oft nicht für den Tagesbedarf
Bei wechselnder Bewölkung kommt ein Effekt hinzu, der überrascht: Für kurze Momente kann die Einstrahlung höher sein als bei wolkenlosem Himmel, weil helle Wolkenränder zusätzliches Licht auf die Module lenken, während die Sonne gerade frei steht. Für den Jahresertrag spielt das kaum eine Rolle.
Welche Rolle spielen Neigung und Ausrichtung?
Für direktes Licht zählt, wie genau ein Modul zur Sonne zeigt. Für diffuses Licht zählt, wie viel Himmel es sieht. Ein waagerecht liegendes Modul hat den ganzen Himmel über sich. Je steiler es steht, desto größer wird der Teil seines Blickfelds, den der Boden einnimmt. Ein senkrechtes Modul an der Fassade sieht nur noch den halben Himmel.
Die Zahlen zeigen, warum die Neigung für Streulicht weniger kritisch ist als oft angenommen. Zwischen waagerecht und 30° gehen nur 7 % des Himmelslichts verloren. Erst bei steilen Dächern und an Fassaden wird der Verlust deutlich. Die Himmelsrichtung spielt für diffuses Licht in diesem Modell gar keine Rolle. Deshalb liefern auch Ost-, West- und Norddächer an trüben Tagen fast so viel wie ein Süddach.
Für die Planung bleibt trotzdem das direkte Licht maßgeblich, weil es den größeren Teil der Energie bringt. Nach dem Fraunhofer ISE erhöht eine günstig geneigte Fläche die Einstrahlung gegenüber der waagerechten um etwa 15 %. Welche Neigung zu welchem Dach passt, erklären die Beiträge zum Neigungswinkel und zur Ausrichtung der Solaranlage.
Welche Module nutzen Streulicht gut?
Alle gängigen Solarmodule verwerten diffuse Strahlung. Unterschiede gibt es beim Verhalten unter schwachem Licht. Viele Hersteller geben im Datenblatt an, wie stark der Wirkungsgrad bei geringer Einstrahlung vom Nennwert abweicht. Je kleiner diese Abweichung, desto besser nutzt das Modul trübe Tage. Der Wert eignet sich für den Vergleich zweier Angebote, ersetzt aber keine Ertragsprognose für den Standort.
Eine zweite Stellschraube ist das Glas. Eine entspiegelte Oberfläche lässt mehr von dem Licht durch, das flach einfällt, und Streulicht kommt aus allen Winkeln. Die dritte sind bifaziale Module, die auch auf der Rückseite Strom erzeugen. Sie nutzen das Licht, das vom Boden zurückgeworfen wird, und das Streulicht, das von hinten einfällt. Nach dem Fraunhofer ISE steigern die Mehrerträge über die Rückseite die Performance Ratio. Wie viel das bringt, hängt von der Aufständerung und von der Helligkeit des Untergrunds ab. Auf einem dicht belegten Schrägdach kommt hinten kaum Licht an, auf einem Flachdach mit hellem Belag oder in der Freifläche deutlich mehr.
Die Unterschiede zwischen guten Modulen sind bei schwachem Licht klein gegenüber dem, was Verschattung, Verschmutzung und eine ungünstige Verschaltung kosten. Wer an trüben Tagen mehr Ertrag will, erreicht mit einer sauberen Planung mehr als mit der Suche nach dem letzten Zehntelprozent im Datenblatt.
Praxis: Mehr Ertrag an trüben Tagen
Streulicht lässt sich nicht vermehren, aber besser einfangen. Die folgenden Punkte helfen bei der Planung und im Betrieb.
- Freien Blick zum Himmel schaffen: Bäume, Gauben und Nachbargebäude nehmen einem Modul auch dann Licht, wenn sie keinen sichtbaren Schatten werfen.
- Alle geeigneten Dachflächen prüfen, auch Ost, West und flach geneigte Norddächer.
- Im Datenblatt das Verhalten bei schwachem Licht vergleichen.
- Bei Flachdach und Freifläche bifaziale Module und einen hellen Untergrund erwägen.
- Module sauber halten, denn eine Schmutzschicht schluckt schwaches Licht ebenso wie starkes.
- Die Ertragsprognose mit Wetterdaten für den Standort rechnen lassen und nicht mit einem Pauschalwert.
- Erträge an bedeckten Tagen zwischen den Strängen vergleichen: Ohne Schatten müssen gleich große Stränge fast gleich viel liefern.
Der letzte Punkt ist ein einfacher Test für die eigene Anlage. Weil diffuses Licht alle Module gleichmäßig trifft, fallen an einem grauen Tag Unterschiede auf, die bei Sonne im Wechsel von Licht und Schatten untergehen. Bleibt ein Strang deutlich zurück, lohnt eine Prüfung im Rahmen der Wartung. Eine erste Auslegung für das eigene Dach liefert der Photovoltaik-Konfigurator.
Häufige Fragen
Was ist diffuse Strahlung?
Diffuse Strahlung ist Sonnenlicht, das in der Atmosphäre an Luftmolekülen, Aerosolen, Staub und Wolken gestreut wurde. Sie kommt aus dem gesamten Himmel statt direkt von der Sonnenscheibe und wirft keinen Schatten. Zusammen mit der direkten Strahlung bildet sie die Globalstrahlung.
Können Photovoltaikanlagen diffuse Strahlung nutzen?
Ja. Solarzellen wandeln gestreutes Licht genauso in Strom um wie direktes. Der Ertrag ist bei bedecktem Himmel trotzdem deutlich niedriger, weil insgesamt weniger Energie auf die Module trifft. Hinzu kommt ein etwas geringerer Wirkungsgrad bei schwachem Licht.
Wie hoch ist der Anteil diffuser Strahlung?
Das hängt vom Wetter ab. An einem klaren Tag sind rund 10 % der eintreffenden Strahlung diffus. Unter einer geschlossenen Wolkendecke fehlt die direkte Strahlung, dann ist praktisch die gesamte Einstrahlung diffus. Im Winter ist der Anteil in Mitteleuropa deutlich höher als im Sommer.
Was ist der Unterschied zwischen direkter und diffuser Strahlung?
Direkte Strahlung kommt ohne Ablenkung von der Sonne und erzeugt scharfe Schatten. Diffuse Strahlung wurde in der Atmosphäre gestreut, kommt aus allen Richtungen des Himmels und wirft keinen Schatten. Die Summe aus beiden heißt Globalstrahlung.
Welche Neigung ist bei diffuser Strahlung am besten?
Für Streulicht allein wäre ein waagerechtes Modul ideal, weil es den ganzen Himmel sieht. Bei 30° Neigung empfängt ein Modul in einer einfachen Modellrechnung noch 93 % der diffusen Himmelsstrahlung, an einer senkrechten Fassade nur 50 %. Für den Jahresertrag bleibt die direkte Strahlung maßgeblich, deshalb richtet sich die Neigung in der Praxis nach ihr.
Welche Solarmodule eignen sich für diffuse Strahlung?
Alle gängigen Module nutzen diffuse Strahlung. Vergleichen Sie im Datenblatt, wie stark der Wirkungsgrad bei geringer Einstrahlung vom Nennwert abweicht. Entspiegeltes Glas lässt mehr flach einfallendes Licht durch. Bifaziale Module nutzen zusätzlich Licht auf der Rückseite, was vor allem auf Flachdächern mit hellem Belag und in der Freifläche etwas bringt.
Liefert eine Solaranlage bei Nebel und Wolken Strom?
Ja, solange es hell ist. Bei Nebel und geschlossener Wolkendecke arbeitet die Anlage ausschließlich mit diffuser Strahlung. Die Leistung liegt dann weit unter der eines sonnigen Tages, über das Jahr trägt das Streulicht dennoch einen spürbaren Teil zum Ertrag bei.
Lohnt sich Photovoltaik auf einem Norddach wegen der diffusen Strahlung?
Diffuse Strahlung trifft ein Norddach fast so stark wie ein Süddach, die direkte Strahlung aber deutlich schwächer. Ein flach geneigtes Norddach kann deshalb einen brauchbaren Ertrag liefern, ein steiles kaum. Entscheidend ist eine Ertragsprognose mit den Wetterdaten des Standorts.
Fazit
Diffuse Strahlung ist gestreutes Sonnenlicht aus dem ganzen Himmel. An klaren Tagen macht sie nur etwa ein Zehntel der Einstrahlung aus, unter einer Wolkendecke praktisch alles. Solarmodule nutzen sie ohne Einschränkung, liefern dann aber weniger, weil weniger Energie ankommt. Für die Planung heißt das: freie Sicht zum Himmel, jede brauchbare Dachfläche nutzen und die Prognose mit Standortdaten rechnen. Dann trägt auch der graue Teil des Jahres seinen Anteil zum Ertrag bei.
Quellen und Methodik
Die Angaben zu Rayleigh- und Mie-Streuung, zum Diffusanteil an klaren Tagen und zur Wirkung von Wolken stammen aus dem Lehrwerk PVEducation. Definition und Verluste in der Atmosphäre folgen der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft, die Strahlung oberhalb der Atmosphäre einem Vorlesungsskript des Karlsruher Instituts für Technologie. Globalstrahlung, Trend, Einfluss der Neigung und die Hinweise zu Schwachlicht und bifazialen Modulen stammen aus den Fakten zur Photovoltaik des Fraunhofer ISE. Die Grafik zur Neigung ist eine eigene Rechnung nach dem üblichen Modell eines gleichmäßig hellen Himmels. Einen Prozentwert für den Jahresanteil der diffusen Strahlung in Deutschland nennt der Beitrag nicht, weil die Seiten des Deutschen Wetterdienstes bei der Recherche nicht abrufbar waren. Einstrahlungswerte je Wetterlage in Watt, Verluste einzelner Modultypen bei schwachem Licht und Rekorde von Laborzellen sind aus demselben Grund entfallen.
- PVEducation (Honsberg, Bowden): Atmospheric Effects - Streuung, Diffusanteil an klaren Tagen, Einfluss von Wolken
- Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft: Nutzbare Strahlung für Photovoltaik-Anlagen in Bayern - Definition, Verluste in der Atmosphäre
- Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Globalstrahlung, Trend, Neigung, Schwachlicht, bifaziale Module
- Karlsruher Institut für Technologie, Lichttechnisches Institut: Die Sonne als Energiequelle - Strahlung oberhalb der Atmosphäre und bei klarem Himmel
- Deutscher Wetterdienst: Die Globalstrahlung - Karten zu Global-, Direkt- und Diffusstrahlung
Hinweis: Solar.red steht in keiner geschäftlichen Verbindung mit den genannten Einrichtungen. Die Modellrechnung zur Neigung dient der Orientierung und ersetzt keine Ertragsprognose für den Standort. Für die Planung Ihrer Anlage wenden Sie sich an einen Fachbetrieb.
© Solar.red