Strahlungsenergie
Die von der Sonne durch Kernfusion erzeugte Energie wird als Sonnenenergie bzw. Solarenergie bezeichnet.
In Teilen gelangt diese Energie als elektromagnetische Strahlung (Strahlungsenergie) zur Erde.
Die Intensität der Sonneneinstrahlung (Solarkonstante) beträgtan der Oberseite der Erdatmosphäre 1367 W/m².
Wie groß die Strahlungsenergie ist, die letztlich bei uns am Erdboden ankommt, hängt sowohl von der Länge des Laufweges durch die Luft ab, also vom Sonnenstand, als auch vom Umfang der Wolkenbedeckung. Bei wolkenlosem Himmel erreicht die Intensität der Strahlung eine Leistung von ca. 1000 Watt pro Quadratmeter. Bei einem trüben Tag im Winter kann sie jedoch bis auf 50 Watt pro Quadratmeter oder weniger absinken.
Diese Strahlungsleistung kann in Deutschland je nach Standort und atmosphärischen Bedingungen eine Energiemenge von bis zu 900 bis 1200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr liefern. Anders sieht es z.B. in der Sahara aus, wo die Einstrahlung ca. 2200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr erzeugen kann.
Die Strahlungsenergie der Sonne kann unmittelbar direkt genutzt werden. Dies erfolgt auf zwei unterschiedliche Weisen: aktiv und passiv.
Aktive Nutzung
Bei der aktiven Nutzung wird das Sonnenlicht entweder direkt mit Fotovoltaik-Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt oder es wird dazu eingesetzt, um Wärme unterschiedlicher Temperaturen zu erzeugen. Man unterscheidet dabei zwischen Hochtemperatur- und Niedertemperaturnutzung.
Hochtemperaturnutzung liegt im Fall solarthermischer Kraftwerke vor. Bei ihnen wird mit Hilfe von Spiegeln die Sonnenstrahlung auf Absorberaggregate konzentriert, um die in ihnen befindlichen Flüssigkeiten auf mehrere 100 Grad Celsius zu erhitzen. Diese Hitze wird dann in Dampf umgewandelt, mit dem Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben werden. Anders als im Fall der Fotovoltaik, bei der das gesamte einfallende Licht zur Stromerzeugung beiträgt, wird hier lediglich der Anteil der direkten Sonnenstrahlung genutzt. Deshalb sind solarthermische Kraftwerke besonders für sonnenreiche Regionen der Erde interessant, mit ihrem großen Anteil an Direkteinstrahlung des Sonnenlichtes.
Die hohen Temperaturen, die mit solchen Anlagen erzeugt werden, können aber auch für chemische- oder andere Industrieprozesse verwendet werden.
Bei der Niedertemperaturnutzung handelt es sich vor allem um den Einsatz von Solarkollektoren für die Warmwasserbereitstellung, wie sie vielfach auf Hausdächern zu beobachten sind. Die Energie der Sonne ist nahezu immer und überall verfügbar, die Nutzung der solaren Strahlungsenergie über die seit Jahrtausenden bewährte Art hinaus, nämlich die Nutzung der Wärmestrahlung und des Lichtes, ist eine Herausforderung an Physiker, Ingenieure und viele andere Forscher.
Um die die zeitliche Verschiebung von Solarstrahlungsangebot und Heizwärmebedarf in Deutschland auszugleichen, wurden so genannte solare Nahwärme Konzepte entwickelt. Hierbei werden viele Kollektoren auf Hausdächern in Siedlungen so zusammengeschaltet, dass sie ihre Wärme vor allem im Sommer an einen zentralen Wärmespeicher abgegeben. Die gespeicherte Wärme wird dann in der kalten Jahreszeit aus dem Speicher wieder abgerufen und an die Häuser verteilt.
Passive Nutzung
Bei der passiven Nutzung der Solarenergie geht es zum einen um die Erwärmung und zum anderen um die Beleuchtung von Gebäuden.
Bei Gebäuden sammeln Fenster und Fassaden Strahlungsenergie in besonders geeigneten Bauteilen vorwiegend auf der Südseite (zum Beispiel Verglasung, Wintergärten, transparente Wärmedämmung) und geben dann die Wärme über wärmespeichernde Materialien langsam an das Innere des Hauses ab. Dadurch kann der Wärmebedarf, der durch konventionelle Heizungen gedeckt werden muss, erheblich gesenkt werden. Diese Art der der Wärmebereitstellung spielt auch bei Niedrigenergie- und Passivhäusern eine wichtige Rolle. Solarenergienutzung in Gebäuden bedeutet jedoch nicht nur Wärmebereitstellung sondern auch eine bessere Ausleuchtung von Räumen etwa durch Licht lenkende Fassadenelemente, die von außen eintretendes Licht an die Decke umlenken und es damit in Verbindung mit einer weißen Decke tief in den Raum bringen. Diese Systeme sind besonders für den Einsatz in tiefen Büroräumen mit ständigem Aufenthalt und Bildschirmarbeitsplätzen geeignet. Andere Arten der verbesserten Tageslichtnutzung bestehen z.B. aus Sonnenschutzsystemen, die teilweise direkte Sonnenstrahlung auffangen und in die Räume reflektieren, aber auch diffuses Licht durchlassen. Sie weisen eine besondere Transparenz und Durchsichtigkeit auf und sind gut geeignet für großflächige Verglasungen in Dächern und Fassaden.
