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Neigung von Solarmodulen in 3D – Sonnenbahn und Tagesenergie

PhysikPhysik und UmweltAlter 15–16

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Ein Haus in 3D mit einem Solarmodul auf dem Dach: Wählen Sie Breitengrad, Datum und Uhrzeit, und die Sonne bewegt sich auf ihrer echten Bahn über den Himmel. Verändern Sie Neigung β und Ausrichtung des Moduls und beobachten Sie den Einfallswinkel θ, die Bestrahlungsstärke G ∝ cos θ, die Leistung P = η·A·G, die Leistungskurve über den Tag, die Tagesenergie in kWh, die beste Neigung im Vergleich zum Breitengrad und welchen Anteil des täglichen Stromverbrauchs eines Haushalts das Modul deckt.

Lektion: Erneuerbare Energie: Solarmodule, Einfallswinkel des Sonnenlichts und Wirkungsgrad

Was sie zeigt

Ein Solarmodul liefert die größte Leistung, wenn das Sonnenlicht senkrecht auftrifft. Die Bestrahlungsstärke auf dem Modul ist G = DNI·cos θ plus etwas diffuses Licht, wobei θ der Winkel zwischen den Sonnenstrahlen und der Normalen des Moduls ist; die elektrische Leistung beträgt P = η·A·G. Die Sonnenbahn wird aus Breitengrad, Datum und Sonnenzeit berechnet, und der direkte Strahl wird bei tiefer Sonne schwächer, weil das Licht mehr Atmosphäre durchquert. Die Tagesenergie, die Fläche unter der Leistungskurve, wird mit dem Verbrauch eines Haushalts und mit der besten festen Neigung für das Jahr verglichen.

So funktioniert es

Stellen Sie Breitengrad φ und Datum ein und drücken Sie dann Tag abspielen oder ziehen Sie die Sonne entlang ihrer Bahn. Ändern Sie Neigung β und Modulausrichtung und beobachten Sie θ, die Leistung und die Tagesenergie. Drücken Sie Bester Winkel für diesen Tag und wählen Sie im Menü Diagramm den Eintrag Energie über Neigung, um die beste Neigung für einen Tag und für das ganze Jahr mit dem Breitengrad zu vergleichen.

Einstellbare Parameter

  • Breitengrad φ (negativ: Südhalbkugel) -60–70 °
  • Monat (jeweils der 21.) 1–12
  • Sonnenzeit 0–24 h
  • Neigung β des Moduls 0–90 °
  • Modulausrichtung (0° = Norden, 90° = Osten, 180° = Süden) 0–355 °
  • Wirkungsgrad η des Moduls 5–25 %
  • Modulfläche A 1–40 m²
  • Stromverbrauch des Haushalts pro Tag 1–30 kWh

Fragen zum Erkunden

  1. Warum liefert das Modul die größte Leistung, wenn das Sonnenlicht senkrecht auf die Oberfläche fällt?
  2. Wie hängt die beste feste Neigung für das ganze Jahr mit dem Breitengrad des Standorts zusammen?
  3. Welche Modulfläche braucht ein Haushalt im Winter im Vergleich zum Sommer?

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