Straling op de aarde (basisprincipes)

Globale instraling

Van de 1367 W/m² straling (zonneconstante) komt door invloed van de atmosfeer slechts ca. 1000 W/m² aan op het aardoppervlak. De atmosfeer beïnvloedt het gehele spectrum aan straling. Wolken reflecteren een deel van de straling. Een ander deel wordt door de atmosfeer geabsorbeerd. Andere stralingscomponenten worden als diffuse straling door de lagen van atmosfeer en wolken verstrooid. Sommige straling bereikt de aarde direct. Het stralingsdeel dat de aarde direct bereikt wordt deels door het aardoppervlak gereflecteerd en geabsorbeerd. Absorptie verwarmt de aarde. Reflectie genereert diffuse straling. Het totaal aan straling, dus zowel directe als diffuse straling noemt men globale straling (Engels: global radiation). Het aandeel diffuse straling bedraagt in Nederland gemiddeld per jaar ongeveer 50%. In de zomer minder, in de winter meer. Het verschil tussen directe en diffuse straling is met name belangrijk voor zonnesystemen die werken met concentratie van straling, zoals met parabolische- of holle spiegels. Deze systemen kunnen alleen gebruik maken van directe straling .

Air Mass

De stralingssterkte op het aardoppervlak is ook afhankelijk van de lengte van de weg die de straling door de atmosfeer aflegt. Dit reducerend effect wordt Air Mass (AM) genoemd, en wordt door de instralingshoek van de zonnestraling bepaald. De kortste route door de atmosfeer is als de zonnestraling loodrecht ( =90°) invalt. Dit noemt men AM=1. Hoe langer de weg van de straling is, des te groter wordt het reducerend effect van de atmosfeer.

De intensiteit van de zonnestraling

Het stralingsvermogen op een gedefinieerd oppervlak noemt men de stralingsintensiteit. Natuurkundig drukt men dit uit in Watt per vierkante meter (W/m²). De stralingsintensiteit fluctueert heel sterk. Dit varieert van ca. 50 W/m² op een zwaar bewolkte winterdag tot meer dan 1000 W/m² bij een heldere hemel in de zomer. Om te kunnen berekenen hoeveel zonnestraling daadwerkelijk omgezet kan worden in thermische energie, moet men ook de bestralingsduur mee calculeren. Energie is het vermogen gedurende een bepaalde tijdsperiode uitgedrukt in Wattuur (Wh). Het is gebruikelijk om de energie van globale straling aan te geven in hoeveelheden per dag, maand of jaar. Het dagelijks maximum in de zomer is in Nederland ca. 8 kWh/m². Maar ook op een zonnige winterdag is nog ca. 3 kWh/m² beschikbaar. Het KNMI meet de zonintensiteit op verschillende meetstations verdeeld over het land. Deze gegevens zijn als uur- of daggegevens te raadplegen op hun website. Gezien over vele jaren, ligt het aantal zonuren per jaar in Nederland tussen de 1500 en 1800. Per regio zijn er grote verschillen. Plaatsen aan de kust genieten meer zonuren dan het binnenland. Het aantal zonuren zegt niets over de intensiteit. Daarvoor wordt het begrip ‘vollezon’ gebruikt. D.w.z. een instraling van 1000 W/m² per uur. De gemiddelde globale jaarlijkse instralingsenergie, gebaseerd op meerjarige metingen, varieert in Nederland tussen de 980 kWh/(m ².a) in Oost-Nederland en 1070 kWh/(m².a) aan de kust. Wereldwijd varieert dit van 800 kWh/( m².a) in Scandinavië tot 2200 kWh/( m².a) in de Sahara. We zien hier gelijk de voordelen van het aanleggen van een transportleiding (a la Nordstream voor gas van Rusland naar Duitsland) van de Sahara naar West-Europa. Sommige maandtotalen kunnen wel 50% afwijken van de jaargemiddelden over een langere periode. Over een jaar kan de afwijking 30% zijn. Het ene jaar is nu eenmaal zonniger dan het andere, en de verdeling over de maanden is ieder jaar anders. Op www.klimaatatlas.nl (een website van het KNMI) kan men de instralingsenergie per maand, per jaar en ook als langjarig gemiddelde raadplegen. Dit wordt aangeduid in kJ/cm². Desgewenst kan men dat omrekenen naar kWh per m² met de formule: instralingsenergie in kJ/cm²*1000/3600.

Verschil intensiteit en energieopbrengst

We nemen als voorbeeld een lamp van 20 Watt. Deze lamp laten we 5 uur branden. We verbruiken dan 5 x 20 = 100 Wh = 0,1 kWh. Voor zonnecollectoren is het precies hetzelfde, alleen verbruiken we nu geen energie, maar genereren we energie. Bijvoorbeeld een collector kan bij volle zoninstraling 500 Watt leveren. Als de zon hier 5 uur op straalt, hebben we 500 x 5 = 2500 Wh = 2,5 kWh opgewekt. We kunnen de opgewekte energie ook per vierkante meter opgeven. Stel, deze collector heeft de volgende afmetingen: 2 x 1m, dus totaal 2m². De opbrengst is dan 2,5/2= 1,25 kWh per m². De zonnecollector levert eigenlijk niet direct energie, maar zet de energie die de zon levert om in warmte met een bepaald rendement, zoals hierboven uitgebreid beschreven. Ook hier gelden dezelfde begrippen:

• Zonintensiteit in W/m²
• Aantal zonne-uren (h)
• Energieinstraling in zonnecollector in kWh/m²

Als voorbeeld nemen we de gestandaardiseerde waarden van de EU voor ecodesign. Deze getallen worden gebruikt voor de waarden op het energielabel en zijn gebaseerd op de klimaatgegevens van Straatsburg. Ze noemen dit een gemiddeld Europees klimaat.

Meer hierover is te vinden in de weerdata pagina en de uitleg over de besparingsberekening.

^* = Overgenomen uit het handboek thermische zonne-energie, uitgegeven door Viessmann Werke.