Regenerative Energiesysteme - Technologie - Berechnung - Simulation

von: Volker Quaschning

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2013

ISBN: 9783446435711

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	32
	1.5.1 Kernspaltung	32
	1.5.2 Kernfusion	35
	1.6 Nutzung erneuerbarer Energien	36
	1.6.1 Geothermische Energie	37
	1.6.2 Planetenenergie	38
	1.6.3 Sonnenenergie	38
	1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie	39
	1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie	41
	1.7 Künftiger Energiebedarf, Energiewende und Klimaschutz	45
	1.7.1 Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs	45
	1.7.2 Internationaler Klimaschutz	48
	1.7.3 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland	50
	1.7.3.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland	50
	1.7.3.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland	50
	1.7.3.3 Umbau der Energieversorgung	55
	2 Sonnenstrahlung	57
	2.1 Einleitung	57
	2.2 Der Fusionsreaktor Sonne	58
	2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde	62
	2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen	67
	2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel	70
	2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene	74
	2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene	74
	2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene	75
	2.6.3 Bodenreflexion	76
	2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung	77
	2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten	80
	2.7.1 Aufnahme der Umgebung	80
	2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades	82
	2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades	83
	2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen	84
	2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen	85
	2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren	88
	2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke	88
	2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke	90
	2.8.3 Künstliche Sonnen	90
	3 Nicht konzentrierende Solarthermie	92
	3.1 Grundlagen	92
	3.2 Solarthermische Systeme	95
	3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung	95
	3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung	96
	3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen	98
	3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf	99
	3.2.3 Solare Heizungsunterstützung	101
	3.2.4 Rein solare Heizung	102
	3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung	103
	3.2.6 Solares Kühlen	104
	3.3 Solarkollektoren	105
	3.3.1 Speicherkollektoren	106
	3.3.2 Flachkollektoren	108
	3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren	111
	3.4 Kollektorabsorber	112
	3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad	115
	3.6 Rohrleitungen	120
	3.6.1 Leitungsaufheizverluste	123
	3.6.2 Zirkulationsverluste	123
	3.7 Speicher	125
	3.7.1 Trinkwasserspeicher	126
	3.7.2 Schwimmbecken	129
	3.8 Anlagenauslegung	132
	3.8.1 Nutzwärmebedarf	132
	3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad	133
	3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen	135
	3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung	136
	3.8.5 Rein solare Heizung	138
	3.9 Aufwindkraftwerke	138
	4 Konzentrierende Solarthermie	141
	4.1 Einleitung	141
	4.2 Konzentration von Solarstrahlung	141
	4.3 Konzentrierende Kollektoren	144
	4.3.1 Linienkollektoren	145
	4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie	145
	4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad	147
	4.3.1.3 Längenausdehnung	151
	4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder	151
	4.3.2 Punktkonzentratoren	154
	4.4 Wärmekraftmaschinen	155
	4.4.1 Carnot-Prozess	155
	4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess	155
	4.4.3 Joule-Prozess	158
	4.4.4 Stirling-Prozess	159
	4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen	159
	4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke	159
	4.5.2 Solarturmkraftwerke	164
	4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver	165
	4.5.2.2 Druck-Receiver	166
	4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen	167
	4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie	168
	4.6 Stromimport	169
	5 Photovoltaik	172
	5.1 Einleitung	172
	5.2 Funktionsweise von Solarzellen	174
	5.2.1 Atommodell nach Bohr	174
	5.2.2 Photoeffekt	175
	5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle	177
	5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen	184
	5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium	184
	5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen	188
	5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium	189
	5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien	190
	5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle	191
	5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen	192
	5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild	192
	5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell)	193
	5.4.3 Zweidiodenmodell	196
	5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm	196
	5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter	198
	5.4.6 Temperaturabhängigkeit	200
	5.4.7 Parameterbestimmung	203
	5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen	204
	5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen	204
	5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen	206
	5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen	210
	5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen	210
	5.6 Solargenerator und Last	212
	5.6.1 Widerstandslast	212
	5.6.2 Gleichspannungswandler	213
	5.6.3 Tiefsetzsteller	214
	5.6.4 Hochsetzsteller	217
	5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler	217
	5.6.6 MPP-Tracker	218
	5.7 Akkumulatoren	220
	5.7.1 Akkumulatorarten	220
	5.7.2 Bleiakkumulator	221
	5.7.3 Andere Akkumulatortypen	226
	5.7.4 Akkumulatorsysteme	227
	5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten	231
	5.8 Wechselrichter	231
	5.8.1 Wechselrichtertechnologie	231
	5.8.1.1 Rechteckwechselrichter	232
	5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien	235
	5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters	236
	5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade	238
	5.8.2.3 Anlagenkonzepte	241
	5.9 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme	242
	5.10 Planung und Auslegung	245
	5.10.1 Inselnetzsysteme	245
	5.10.2 Netzgekoppelte Systeme	248
	5.10.3 Eigenverbrauchssysteme	251
	6 Windkraft	257
	6.1 Einleitung	257
	6.2 Dargebot von Windenergie	258
	6.2.1 Entstehung des Windes	258
	6.2.2 Angabe der Windstärke	259
	6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen	260
	6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe	262
	6.3 Nutzung der Windenergie	265
	6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung	265
	6.3.2 Widerstandsläufer	267
	6.3.3 Auftriebsläufer	269
	6.4 Bauformen von Windkraftanlagen	273
	6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse	273
	6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse	274
	6.4.2.1 Anlagenaufbau	274
	6.4.2.2 Rotorblätter	275
	6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche	277
	6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung	278
	6.4.2.5 Windnachführung	280
	6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator	281
	6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen	282
	6.5 Elektrische Maschinen	283
	6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung	284
	6.5.2 Drehfeld	287
	6.5.3 Synchronmaschine	291
	6.5.3.1 Aufbau	291
	6.5.3.2 Elektrische Beschreibung	292
	6.5.3.3 Synchronisation	295
	6.5.4 Asynchronmaschine	295
	6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände	295
	6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven	297
	6.5.4.3 Leistungsbilanz	299
	6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten	300
	6.6 Elektrische Anlagenkonzepte	302
	6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung	302
	6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung	305
	6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis	306
	6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren	308
	6.6.5 Inselnetzanlagen	308
	6.7 Netzbetrieb	309
	6.7.1 Anlagenertrag	309
	6.7.2 Netzanschluss	310
	7 Wasserkraft	312
	7.1 Einleitung	312
	7.2 Dargebot der Wasserkraft	313
	7.3 Wasserkraftwerke	317
	7.3.1 Laufwasserkraftwerke	317
	7.3.2 Speicherwasserkraftwerke	319
	7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke	320
	7.4 Wasserturbinen	323
	7.4.1 Turbinenarten	323
	7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine	324
	7.4.1.2 Ossberger-Turbine	325
	7.4.1.3 Francis-Turbine	325
	7.4.1.4 Pelton-Turbine	326
	7.4.2 Turbinenwirkungsgrad	326
	7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung	328
	7.5.1 Gezeitenkraftwerke	328
	7.5.2 Meeresströmungskraftwerke	329
	7.5.3 Wellenkraftwerke	330
	8 Geothermie	332
	8.1 Geothermievorkommen	332
	8.2 Geothermische Heizwerke	336
	8.3 Geothermische Stromerzeugung	337
	8.3.1 Kraftwerksprozesse	337
	8.3.2 Geothermische Kraftwerke	339
	8.4 Wärmepumpen	341
	8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen	341
	8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen	343
	8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen	344
	8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung	345
	9 Nutzung der Biomasse	349
	9.1 Vorkommen an Biomasse	349
	9.1.1 Feste Bioenergieträger	351
	9.1.2 Flüssige Bioenergieträger	355
	9.1.2.1 Pflanzenöl	355
	9.1.2.2 Biodiesel	356
	9.1.2.3 Bioalkohole	356
	9.1.2.4 Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe	357
	9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger	358
	9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz	360
	9.2 Biomasseanlagen	361
	9.2.1 Biomasseheizungen	361
	9.2.2 Biomassekraftwerke	364
	10 Wasserstofferzeugung, Brennstoffzellen und Methanisierung	365
	10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung	365
	10.2 Brennstoffzellen	368
	10.2.1 Einleitung	368
	10.2.2 Brennstoffzellentypen	369
	10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten	372
	10.3 Methanisierung und Untertagespeicherung	374
	11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen	377
	11.1 Einleitung	377
	11.2 Energiegestehungskosten	378
	11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung	379
	11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke	380
	11.2.1.3 Photovoltaikanlagen	381
	11.2.1.4 Windkraftanlagen	381
	11.2.1.5 Wasserkraftanlagen	382
	11.2.1.6 Geothermieanlagen	383
	11.2.1.7 Holzpelletsheizungen	384
	11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung	385
	11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung	388
	11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke	388
	11.2.2.3 Photovoltaikanlagen	388
	11.2.2.4 Windkraftanlagen	389
	11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen	389
	11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien	389
	11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme	392
	11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs	394
	11.3.1 Subventionen im Energiemarkt	394
	11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung	396
	11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden	397
	11.3.4 Sonstige externe Kosten	398
	11.3.5 Internalisierung der externen Kosten	399
	11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen	400
	11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung	400
	11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals	401
	12 Simulation und die DVD zum Buch	403
	12.1 Allgemeines zur Simulation	403
	12.2 Die DVD zum Buch	404
	12.2.1 Start und Überblick	404
	12.2.2 Abbildungen	405
	12.2.3 Software	405
	12.2.4 Vermischtes	406
	Literaturverzeichnis	408
	Sachwortverzeichnis	415

Regenerative Energiesysteme - Technologie - Berechnung - Simulation

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