Regenerative Energiesysteme
von: Volker Quaschning
Carl Hanser Fachbuchverlag, 2006
ISBN: 9783446408753
Sprache: Deutsch
353 Seiten, Download: 7870 KB
Format: PDF, auch als Online-Lesen
Vorwort | 6 | ||
Vorwort zur vierten Auflage | 7 | ||
Inhaltsverzeichnis | 8 | ||
1 Energie, Klimaschutz und erneuerbare Energien | 14 | ||
1.1 Der Begriff Energie | 14 | ||
1.2 Entwicklung des Energiebedarfs | 19 | ||
1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs | 19 | ||
1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland | 21 | ||
1.3 Reichweite konventioneller Energieträger | 24 | ||
1.4 Der Treibhauseffekt | 25 | ||
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 | 36 | ||
1.6.2 Planetenenergie | 36 | ||
1.6.3 Sonnenenergie | 37 | ||
1.7 Künftiger Energiebedarf und Klimaschutz | 44 | ||
1.7.1 Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs | 44 | ||
1.7.2 Internationaler Klimaschutz | 47 | ||
2 Sonnenstrahlung | 50 | ||
2.1 Einleitung | 50 | ||
2.2 Der Fusionsreaktor Sonne | 50 | ||
2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde | 54 | ||
2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen | 57 | ||
2.5 Berechnung des Sonnenstandes | 60 | ||
2.6 Berechnung des Sonneneinfallswinkels | 63 | ||
2.7 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene | 64 | ||
2.7.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene | 64 | ||
2.7.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene | 65 | ||
2.7.3 Bodenreflexion | 66 | ||
2.7.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung | 67 | ||
2.8 Berechnung von Abschattungsverlusten | 70 | ||
2.8.1 Aufnahme der Umgebung | 70 | ||
2.8.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades | 72 | ||
2.8.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades | 73 | ||
2.8.4 Gesamtermittlung der Abschattungen | 75 | ||
2.8.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen | 75 | ||
3 Nicht konzentrierende Solarthermie | 80 | ||
3.1 Grundlagen | 80 | ||
3.2 Solarthermische Systeme zur Wassererwärmung | 83 | ||
3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung | 83 | ||
3.2.2 Solare Brauchwassererwärmung | 85 | ||
3.3 Solarkollektoren | 88 | ||
3.3.1 Speicherkollektoren | 89 | ||
3.3.2 Flachkollektoren | 91 | ||
3.3.3 Vakuumröhrenkollektor | 97 | ||
3.3.4 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad | 98 | ||
3.4 Rohrleitungen | 100 | ||
3.4.1 Leitungsaufheizverluste | 103 | ||
3.4.2 Zirkulationsverluste | 104 | ||
3.5 Speicher | 106 | ||
3.5.1 Brauchwasserspeicher | 107 | ||
3.5.2 Schwimmbecken | 111 | ||
3.6 Nutzwärmebedarf und Deckungsrate bei Brauchwasseranlagen | 114 | ||
3.7 Aufwindkraftwerke | 117 | ||
4 Konzentrierende Solarthermie | 120 | ||
4.1 Einleitung | 120 | ||
4.2 Konzentration von Solarstrahlung | 120 | ||
4.3 Konzentrierende Kollektoren | 123 | ||
4.3.1 Linien-Kollektoren | 125 | ||
4.3.2 Punkt-Konzentratoren | 134 | ||
4.4 Wärmekraftmaschinen | 135 | ||
4.4.1 Carnot-Prozess | 135 | ||
4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess | 136 | ||
4.4.3 Joule-Prozess | 139 | ||
4.4.4 Stirling-Prozess | 140 | ||
4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen | 140 | ||
4.5.1 Parabolrinnen-Kraftwerke | 140 | ||
4.5.2 Solarturm-Kraftwerke | 143 | ||
4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen | 145 | ||
4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie | 147 | ||
4.6 Stromimport | 148 | ||
5 Photovoltaik | 150 | ||
5.1 Einleitung | 150 | ||
5.2 Funktionsweise von Solarzellen | 152 | ||
5.2.1 Das Atommodell nach Bohr | 152 | ||
5.2.2 Der Photoeffekt | 153 | ||
5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle | 155 | ||
5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen | 162 | ||
5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium | 162 | ||
5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen | 164 | ||
5.3.3 Dünnschichtzellen | 164 | ||
5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen | 166 | ||
5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild | 166 | ||
5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell) | 167 | ||
5.4.3 Zweidiodenmodell | 169 | ||
5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm | 170 | ||
5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter | 171 | ||
5.4.6 Temperaturabhängigkeit | 174 | ||
5.4.7 Parameterbestimmung | 176 | ||
5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen | 177 | ||
5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen | 177 | ||
5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen | 178 | ||
5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen | 182 | ||
5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen | 182 | ||
5.6 Solargenerator und Last | 183 | ||
5.6.1 Widerstandslast | 183 | ||
5.6.2 Gleichspannungswandler | 184 | ||
5.6.3 Tiefsetzsteller | 186 | ||
5.6.4 Hochsetzsteller | 188 | ||
5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler | 189 | ||
5.6.6 MPP-Tracker | 190 | ||
5.7 Akkumulatoren | 193 | ||
5.7.1 Akkumulatorarten | 193 | ||
5.7.2 Der Bleiakkumulator | 194 | ||
5.7.3 Andere Akkumulatortypen | 199 | ||
5.7.4 Akkumulatorsysteme | 201 | ||
5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten | 204 | ||
5.8 Wechselrichter | 205 | ||
5.8.1 Wechselrichtertechnologie | 205 | ||
5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik | 210 | ||
6 Windkraft | 214 | ||
6.1 Einleitung | 214 | ||
6.2 Dargebot von Windenergie | 215 | ||
6.2.1 Entstehung des Windes | 215 | ||
6.2.2 Angabe der Windstärke | 216 | ||
6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen | 216 | ||
6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe | 219 | ||
6.3 Nutzung der Windenergie | 221 | ||
6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung | 221 | ||
6.3.2 Widerstandsläufer | 224 | ||
6.3.3 Auftriebsläufer | 226 | ||
6.4 Bauformen von Windkraftanlagen | 230 | ||
6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse | 230 | ||
6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse | 232 | ||
6.5 Elektrische Maschinen | 238 | ||
6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung | 239 | ||
6.5.2 Drehfeld | 242 | ||
6.5.3 Synchronmaschine | 247 | ||
6.5.4 Asynchronmaschine | 252 | ||
6.6 Elektrische Anlagenkonzepte | 259 | ||
6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung | 259 | ||
6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung | 262 | ||
6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis | 263 | ||
6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren | 264 | ||
6.7 Netzbetrieb | 265 | ||
6.7.1 Anlagenertrag | 265 | ||
6.7.2 Netzanschluss | 266 | ||
7 Wasserkraft | 269 | ||
7.1 Einleitung | 269 | ||
7.2 Dargebot der Wasserkraft | 270 | ||
7.3 Wasserkraftwerke | 273 | ||
7.3.1 Laufwasserkraftwerke | 273 | ||
7.3.2 Speicherwasserkraftwerke | 275 | ||
7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke | 276 | ||
7.4 Wasserturbinen | 279 | ||
7.4.1 Turbinenarten | 279 | ||
7.4.2 Turbinenwirkungsgrad | 283 | ||
7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung | 285 | ||
7.5.1 Gezeitenkraftwerke | 285 | ||
7.5.2 Meeresströmungskraftwerke | 286 | ||
7.5.3 Wellenkraftwerke | 287 | ||
8 Weitere Nutzung regenerativer Energien | 289 | ||
8.1 Nutzung der Geothermie | 289 | ||
8.1.1 Geothermievorkommen | 289 | ||
8.1.2 Geothermische Heizwerke | 290 | ||
8.1.3 Geothermische Kraftwerke | 291 | ||
8.2 Wärmepumpen | 293 | ||
8.2.1 Kompressions-Wärmepumpen | 294 | ||
8.2.2 Absorptions-Wärmepumpen | 296 | ||
8.2.3 Adsorptions-Wärmepumpen | 297 | ||
8.3 Nutzung der Biomasse | 298 | ||
8.3.1 Vorkommen an Biomasse | 298 | ||
8.3.2 Biomasse-Anlagen | 302 | ||
8.4 Brennstoffzellen und Wasserstofferzeugung | 305 | ||
8.4.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung | 305 | ||
8.4.2 Brennstoffzellen | 307 | ||
9 Wirtschaftlichkeitsberechnungen | 313 | ||
9.1 Einleitung | 313 | ||
9.2 Klassische Wirtschaftlichkeitsberechnungen | 314 | ||
9.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung | 314 | ||
9.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung | 319 | ||
9.2.3 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien | 323 | ||
9.2.4 Kosten konventioneller Energiesysteme | 324 | ||
9.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs | 326 | ||
9.3.1 Subventionen im Energiemarkt | 326 | ||
9.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung | 328 | ||
9.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden | 329 | ||
9.3.4 Sonstige externe Kosten | 330 | ||
9.3.5 Internalisierung der externen Kosten | 330 | ||
9.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen | 332 | ||
9.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung | 332 | ||
9.4.2 Die Verantwortung des Kapitals | 333 | ||
10 Simulation | 335 | ||
10.1 Allgemeines zur Simulation | 335 | ||
10.2 Die CD-ROM zum Buch (Inhalte auf Anfrage erhältlich) | 336 | ||
10.2.1 Start und Überblick | 336 | ||
10.2.2 Abbildungen | 337 | ||
10.2.3 Software | 337 | ||
10.2.4 Vermischtes | 339 | ||
Literaturverzeichnis | 340 | ||
Sachwortverzeichnis | 346 | ||
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