Regenerative Energiesysteme - Technologie, Berechnung, Simulation

von: Volker Quaschning

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2009

ISBN: 9783446422261

Sprache: Deutsch

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Regenerative Energiesysteme - Technologie, Berechnung, Simulation

	Vorwort	7
	Inhaltsverzeichnis	9
	1 Energie und Klimaschutz	15
	1.1 Der Begriff Energie	15
	1.2 Entwicklung des Energiebedarfs	20
	1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs	20
	1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland	22
	1.3 Reichweite konventioneller Energieträger	25
	1.4 Der Treibhauseffekt	26
	1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt	31
	1.5.1 Kernspaltung	31
	1.5.2 Kernfusion	34
	1.6 Nutzung erneuerbarer Energien	35
	1.6.1 Geothermische Energie	37
	1.6.2 Planetenenergie	37
	1.6.3 Sonnenenergie	38
	1.7 Künftiger Energiebedarf und Klimaschutz	45
	1.7.1 Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs	45
	1.7.2 Internationaler Klimaschutz	47
	2 Sonnenstrahlung	51
	2.1 Einleitung	51
	2.2 Der Fusionsreaktor Sonne	52
	2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde	56
	2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen	61
	2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel	64
	2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene	68
	2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene	68
	2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene	69
	2.6.3 Bodenreflexion	70
	2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung	71
	2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten	74
	2.7.1 Aufnahme der Umgebung	74
	2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades	76
	2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades	77
	2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen	78
	2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen	79
	2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren	82
	2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke	82
	2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke	84
	2.8.3 Künstliche Sonnen	84
	3 Nicht konzentrierende Solarthermie	86
	3.1 Grundlagen	86
	3.2 Solarthermische Systeme	89
	3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung	89
	3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung	90
	3.2.3 Solare Heizungsunterstützung	95
	3.2.4 Solare Nahwärmeversorgung	96
	3.2.5 Solares Kühlen	96
	3.3 Solarkollektoren	97
	3.3.1 Speicherkollektoren	98
	3.3.2 Flachkollektoren	100
	3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren	103
	3.4 Kollektorabsorber	104
	3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad	107
	3.6 Rohrleitungen	112
	3.6.1 Leitungsaufheizverluste	114
	3.6.2 Zirkulationsverluste	115
	3.7 Speicher	116
	3.7.1 Trinkwasserspeicher	117
	3.7.2 Schwimmbecken	121
	3.8 Anlagenauslegung	123
	3.8.1 Nutzwärmebedarf	123
	3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad	125
	3.8.3 Auslegung von solaren Trinkwasseranlagen	126
	3.8.4 Auslegung von Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung	128
	3.9 Aufwindkraftwerke	129
	4 Konzentrierende Solarthermie	132
	4.1 Einleitung	132
	4.2 Konzentration von Solarstrahlung	132
	4.3 Konzentrierende Kollektoren	135
	4.3.1 Linienkollektoren	136
	4.3.2 Punktkonzentratoren	145
	4.4 Wärmekraftmaschinen	146
	4.4.1 Carnot-Prozess	146
	4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess	146
	4.4.3 Joule-Prozess	149
	4.4.4 Stirling-Prozess	150
	4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen	150
	4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke	150
	4.5.2 Solarturmkraftwerke	155
	4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen	158
	4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie	159
	4.6 Stromimport	160
	5 Photovoltaik	163
	5.1 Einleitung	163
	5.2 Funktionsweise von Solarzellen	165
	5.2.1 Atommodell nach Bohr	165
	5.2.2 Photoeffekt	166
	5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle	168
	5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen	175
	5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium	175
	5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen	179
	5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium	180
	5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien	181
	5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen	182
	5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild	182
	5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell)	183
	5.4.3 Zweidiodenmodell	185
	5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm	186
	5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter	187
	5.4.6 Temperaturabhängigkeit	190
	5.4.7 Parameterbestimmung	193
	5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen	194
	5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen	194
	5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen	195
	5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen	199
	5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen	200
	5.6 Solargenerator und Last	201
	5.6.1 Widerstandslast	201
	5.6.2 Gleichspannungswandler	202
	5.6.3 Tiefsetzsteller	203
	5.6.4 Hochsetzsteller	206
	5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler	207
	5.6.6 MPP-Tracker	208
	5.7 Akkumulatoren	210
	5.7.1 Akkumulatorarten	210
	5.7.2 Bleiakkumulator	211
	5.7.3 Andere Akkumulatortypen	215
	5.7.4 Akkumulatorsysteme	217
	5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten	220
	5.8 Wechselrichter	221
	5.8.1 Wechselrichtertechnologie	221
	5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik	226
	5.9 Planung und Auslegung	231
	5.9.1 Inselnetzsysteme	231
	5.9.2 Netzgekoppelte Systeme	233
	6 Windkraft	237
	6.1 Einleitung	237
	6.2 Dargebot von Windenergie	238
	6.2.1 Entstehung des Windes	238
	6.2.2 Angabe der Windstärke	239
	6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen	240
	6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe	242
	6.3 Nutzung der Windenergie	245
	6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung	245
	6.3.2 Widerstandsläufer	247
	6.3.3 Auftriebsläufer	249
	6.4 Bauformen von Windkraftanlagen	253
	6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse	253
	6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse	254
	6.5 Elektrische Maschinen	263
	6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung	264
	6.5.2 Drehfeld	267
	6.5.3 Synchronmaschine	271
	6.5.4 Asynchronmaschine	275
	6.6 Elektrische Anlagenkonzepte	282
	6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung	282
	6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung	285
	6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis	286
	6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren	288
	6.6.5 Inselnetzanlagen	288
	6.7 Netzbetrieb	289
	6.7.1 Anlagenertrag	289
	6.7.2 Netzanschluss	290
	7 Wasserkraft	292
	7.1 Einleitung	292
	7.2 Dargebot der Wasserkraft	293
	7.3 Wasserkraftwerke	297
	7.3.1 Laufwasserkraftwerke	297
	7.3.2 Speicherwasserkraftwerke	299
	7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke	300
	7.4 Wasserturbinen	303
	7.4.1 Turbinenarten	303
	7.4.2 Turbinenwirkungsgrad	306
	7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung	308
	7.5.1 Gezeitenkraftwerke	308
	7.5.2 Meeresströmungskraftwerke	309
	7.5.3 Wellenkraftwerke	310
	8 Geothermie	312
	8.1 Geothermievorkommen	312
	8.2 Geothermische Heizwerke	316
	8.3 Geothermische Stromerzeugung	317
	8.3.1 Kraftwerksprozesse	317
	8.3.2 Geothermische Kraftwerke	319
	8.4 Wärmepumpen	321
	8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen	321
	8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen	323
	8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen	324
	8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung	325
	9 Nutzung der Biomasse	329
	9.1 Vorkommen an Biomasse	329
	9.1.1 Feste Bioenergieträger	331
	9.1.2 Flüssige Bioenergieträger	335
	9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger	338
	9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz	340
	9.2 Biomasseanlagen	341
	9.2.1 Biomasseheizungen	341
	9.2.2 Biomassekraftwerke	344
	10 Brennstoffzellen undWasserstofferzeugung	345
	10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung	345
	10.2 Brennstoffzellen	348
	10.2.1 Einleitung	348
	10.2.2 Brennstoffzellentypen	349
	10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten	352
	11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen	354
	11.1 Einleitung	354
	11.2 Energiegestehungskosten	355
	11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung	355
	11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung	362
	11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen	366
	11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien	366
	11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs	370
	11.3.1 Subventionen im Energiemarkt	370
	11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung	372
	11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden	373
	11.3.4 Sonstige externe Kosten	374
	11.3.5 Internalisierung der externen Kosten	374
	11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen	375
	11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung	376
	11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals	377
	12 Simulation und die DVD zum Buch	379
	12.1 Allgemeines zur Simulation	379
	12.2 Die DVD zum Buch	380
	12.2.1 Start und Überblick	380
	12.2.2 Abbildungen	381
	12.2.3 Software	381
	12.2.4 Vermischtes	382
	Literaturverzeichnis	384
	Sachwortverzeichnis	390

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