Himmels-Panoramen Sky 360°

Anmerkung: die folgenden Ausführungen sind noch im Entwurfsstadium. Erst eine detaillierte Auswertung und ggf. weitere Messungen werden belastbare Ergebnisse liefern.

Der zu erwartende Solarertrag wird bestimmt durch Zeit (Datum und Uhrzeit), Standort sowie Zustand der Solarpaneele (horizontale Ausrichtung, planmäßige abweichende Ausrichtung durch 1- oder 2-achsige Nachführung, erratische abweichende Ausrichtung durch Wellenbewegungen, Staub bzw. Verschmutzung, Degradation, Temperatur der Paneele).

Der tatsächliche, aktuelle Solarertrag weicht davon teilweise erheblich ab, interessanterweise nicht nur nach unten sondern auch nach oben. Woran liegt das? Offensichtlich ist die Bewölkung für den aktuellen Solarertrag das wichtigste Kriterium: die Bewölkung filtert und absorbiert einserseits das Sonnenlicht, andererseits sorgt sie durch die Rückstrahlung des von der Erdoberfläche reflektierten Sonnenlichts für eine Steigerung der diffusen Solarstrahlung. Dieser Effekt ist auf dem Meer noch dazu abhängig von der Tageszeit und der Wellenstruktur, da der Einfallswinkel des Sonnenlichts auf die Wasseroberfläche einen sehr großen Einfluss auf die Albedo (Anteil der reflektierten Energie) hat.

Hinweis: In der Klimaforschung wird die Rückkopplung zwischen hoher Albedo des Polareises in den Polarzonen, Veränderungen der Eisbedeckung und Klimaveränderungen schon lange untersucht und ist relativ gut verstanden, vgl. z.B. den Artikel Helles Eis und dunkles Wasser – die Eisalbedo-Temperatur-Rückkopplung auf dem Portal Welt der Physik.

Die Bedeutung der Albedo der Wolken für das Klima ist hingegen noch nicht so weitreichend erfasst und verstanden. Ein für die Modellierung der Wolken und ihrer Wechselwirkungen mit der Atmosphäre wesentliches Problem ist, dass die Wolken sich viel schneller verändern (in Zeiträumen von Minuten bis Stunden) als die Eisflächen im Polarmeer (in Zeiträumen von Wochen bis Jahren). Erst in den letzten Jahren ist die Notwendigkeit der Erforschung des Einflusses der Wolken von der Öffentlichkeit (und manchen Wissenschaftlern) zur Kenntnis genommen worden.

Dabei sind sowohl neue Erkenntnisse zu den Vorgängen innerhalb der Wolken als auch verbesserte Modelle und Modellierungstechniken sowie Berechnungsverfahren notwendig und in der Entwicklung (vgl. Herausforderungen und Motivation für die Entwicklung des ICON Atmosphärenmodells). Im August 2016 startete das Max-Planck-Institut für Meteorologie mit NARVAL II eine Feldstudie, die helfen soll, zentrale Fragen zu klären: „Welche Klimawirkung haben Wolken? Unter welchen Bedingungen wärmen oder kühlen sie die Atmosphäre? Und welche Rolle spielen sie für die Ausprägung der atmosphärischen Zirkulation und somit der Erhaltung der Umgebung, in der sie sich selbst entwickeln?“ (vgl. Die Vermessung des Himmels – Untersuchung des Zusammenspiels von Wolken und Zirkulation per Flugzeug).

Bei strahlend blauem Himmel ohne Bewölkung sind die Abweichungen des tatsächlichen, aktuellen Solarertrags vom erwarteten Solarertrag relativ gering. Diesen Zustand hatten wir praktisch den gesamten Sommer über. Ab Anfang September häufte sich die Bewölkung und ein teilweise oder auch vollständig bedeckter Himmel ermöglichte neue Beobachtungen und Erkenntnisse.

Es ist nicht einfach die generelle Bewölkung, die bestimmt, wie hoch der Solarertrag ist. Eine Bewölkungsangabe wie sie in einem Logbuch von Seglern üblicherweise geführt wird mit Einträgen „klarer Himmel, Bedeckung 0-10%“, „heiter, Bedeckung 10-50%“, etc. hilft hier nur bedingt weiter, da dies nur einen sehr groben Hinweis auf den potentiellen Solarertrag gibt. Der besonders spannende Bereich ist der mit „heiterer“ Bewölkung: hier ist der Solarertrag hoch bis sehr hoch und sehr stark variabel, teilweise im Sekundenbereich. Dies ist eine besondere Herausforderung für die Solarladeregler, die den optimalen Arbeitspunkt für die Solarzellen nachregeln müssen.

Primär ist der Teil der Bewölkung direkt vor der Sonne entscheidend (Abschattung des direkten Solarertrags). Die Sonne bedeckt tagsüber jedoch nur ungefähr 3 Millionstel der sichtbaren Himmelssphäre (der scheinbare Durchmesser der Sonne ist 31,5–32,5 Bogenminuten, ca. 0,5°). Die Bewölkung des „Rests“ des Himmels (mehr als 99,999 %) ist sekundär.

Eine partielle Bewölkung, die die Sonne nicht verdeckt, kann den Solarertrag sogar im Vergleich zum erwarteten Solarertrag steigern, da die Bewölkung  das Sonnenlicht wieder reflektiert und dadurch den diffusen Solarertrag steigert. Besonders in den Morgen- und Abendstunden bei niedrigem Sonnenstand kann dieser Effekt eine deutliche Steigerung des Solarertrags bewirken.

Aber auch der absolute Maximalertrag unseres Systems wurde im September mit mehr als 7 kW bei heiterer Bewölkung gemessen, nicht in den wolkenlosen Sommermonaten.

Um den Einfluss der Bewölkung auf unseren Solarertrag besser zu verstehen werden Sky 360° Himmelspanoramen aufgenommen, die im Winterhalbjahr ausgewertet werden sollen. Eine erste Auswahl zeigt die Übersicht: