Sonnenstand und Airmass-Zahl in der Geographie

Die Sonnenstandshöhe bezeichnet den Winkel zwischen der Sonne und dem Horizont, gemessen vom Beobachter auf der Erde.

Zur Sommersonnenwende steht die Sonne am höchsten Punkt am Himmel. In Europa ist dies am 21. Juni.

Zur Wintersonnenwende steht die Sonne am niedrigsten Punkt am Himmel. In Europa ist dies am 21. Dezember.

Die Tag- und Nachtgleiche tritt ein, wenn die Sonne auf der Erdachse direkt auf den Äquator scheint. Dies passiert zweimal im Jahr, am 21. März und am 21. September.

Der Breitengrad beeinflusst die Sonnenstandshöhe an einem bestimmten Ort. Je weiter nördlich oder südlich ein Ort liegt, desto niedriger ist die Sonnenstandshöhe.

Die Airmass-Zahl gibt an, wie stark die Sonnenstrahlen durch die Erdatmosphäre geschwächt werden. Sie hängt vom Winkel ab, unter dem die Strahlen die Atmosphäre durchdringen.

AM 0 bezeichnet die unbeeinflusste solare Strahlung am äusseren Rand der Atmosphäre. Sie entspricht der Solarkonstante.

AM 1 bezeichnet die solare Strahlung, die senkrecht die Erdatmosphäre durchdringt. Sie ist stärker, als sie es im Winkel wäre.

Der Absorptionsgrad beschreibt den Anteil der Strahlung, der von einem Material absorbiert wird.

Dieser Wert ist gleich dem Emissionsgrad.

Der Transmissionsgrad beschreibt den Anteil der Strahlung, der ein Material durchdringt.

Der Reflexionsgrad beschreibt den Anteil der Strahlung, der an einem Material reflektiert wird.

Die Summe aus Absorptionsgrad, Transmissionsgrad und Reflexionsgrad ergibt immer 1.

Eine Glasabdeckung reduziert die Wärmeverluste eines Solarkollektors an die Umgebung. Sie reduziert die Konvektion.

Fensterglas hat einen hohen Transmissionsgrad für sichtbares Licht. Das ist gut, da so viel Sonnenlicht den Absorber erreicht.

Fensterglas absorbiert einen hohen Anteil an Infrarotstrahlung. Dies führt zur Aufheizung des Glases und zu Wärmeverlusten.

Infrarotreflektierendes Glas hat einen geringen Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung. Das reduziert die Aufheizung und den Wärmeverlust.

Die Menge an Energie, die von der Sonne auf einen Solarkollektor trifft.

Der Anteil der Einstrahlung, der in nutzbare Wärme umgewandelt wird.

Verlust von Energie durch Reflexionen von der Oberfläche des Kollektors.

Verlust von Energie durch Wärmeübertragung durch Konvektion, Leitung und Strahlung.

Die Temperatur des Wärmeträgermediums im Kollektor.

Verluste, die durch das Aufheizen des Wärmeträgermediums entstehen.

Ein Solarkollektor mit einer Vakuumröhre, die Wärmeverluste minimiert.

Ein Solarkollektor, der die Wärme direkt auf eine Fläche absorbiert.

Die Neigung und Ausrichtung des Kollektorflächen beeinflussen den Solarertrag für Solarthermie.

Flache Kollektorflächen (0° – 30°) bewirken im Sommer einen hohen Ertrag, aber der geringe Bedarf an Warmwasser macht die Energie ungenutzt.

Flache Kollektorflächen haben im Winter eine geringe Einstrahlung und können den Bedarf nicht decken.

Optimale Neigung (45°-60°) sorgt für einen hohen Ertrag sowohl im Sommer als auch im Winter.

Steile Kollektorflächen (90°) bieten im Winter eine gute Einstrahlung, im Sommer jedoch nur einen geringen Ertrag.

Steile Kollektorflächen (90°) sind vorteilhaft für Raumheizung und bieten ein optisches Element in der Fassade.

Das Diagramm vergleicht den Solarkollektorertrag mit dem Wärmebedarf im Jahresverlauf.

Im Sommer ist der Ertrag von 40° Kollektorneigung höher als der Wärmebedarf.

Die Neigung eines Solarkollektors, der einen Winkel von 70° zur Horizontalen bildet, führt zu einem geringeren Überschuss an solarer Energie in den Sommermonaten, aber zu höheren Erträgen zur Beheizung in den Wintermonaten.

Eine effiziente Dämmung eines Gebäudes reduziert den Energiebedarf zur Beheizung.

Thermische Speicher dienen dazu, die Energie aus der Solarthermie zu speichern und bedarfsgerecht an den Verbraucher abzugeben.

Ein Brauchwasserspeicher dient zur Speicherung von Warmwasser für den Hausgebrauch.

Ein Pufferspeicher dient zur Speicherung von Heizungswasser.

Warmes Wasser hat eine geringere Dichte als kaltes Wasser und steigt daher im Speicher nach oben. Dies führt zu einer Temperaturschichtung.

Der untere Teil eines Speichers dient zur Speicherung der Solarenergie, der obere Teil zum Puffern für die Nachheizung.

Die Entnahme von Warmwasser erfolgt im obersten Punkt des Speichers, der Kaltwasserzufluss im tiefsten Punkt.

Ein Brauchwasserspeicher mit internem Wärmetauscher wird für solarthermische Anlagen mit kleinerer Kollektorfläche verwendet. Die Solaranlage erwärmt den unteren Teil des Speichers, bis die Temperatur der oberen Schicht erreicht wird. Danach werden beide Schichten gemeinsam erwärmt.

Im Gegensatz zum internen Wärmetauscher hat der externe Wärmetauscher eine separate Einheit für die Solaranlage. Der Vorlauf der Solaranlage ist im mittleren Teil des Speichers angeordnet, der Rücklauf im untersten Teil.

Die Solarkreispumpe wird über einen Temperaturfühler im unteren Bereich der Solaranlage gesteuert.

Dieser Fühler im unteren Bereich der Nachheizung steuert die Kesselkreispumpe oder den Kessel selbst.

Der Speicher kann auch durch einen Heizkessel erwärmt werden, wenn die Solaranlage nicht genügend Energie liefert oder keine Energie liefert.

Das Solarwasser wird durch den Wärmetauscher des Speichers geleitet und erwärmt so das Wasser im Speicher.

Die Temperatur im Speicher wird durch die Dichteunterschiede im Wasser bestimmt. Warmes Wasser steigt nach oben, kaltes Wasser sinkt nach unten.

Die Funktionsweise des Brauchwasserspeichers basiert auf der freien Konvektion. Diese beschreibt die natürliche Bewegung von Fluiden aufgrund von Dichteunterschieden.