Regenerative Energiequellen

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Hermann Baumgartner
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1 Manfred Kleemann Michael Meliß Regenerative Energiequellen Zweite, völlig neubearbeitete Auflage mit 216 Abbildungen und 75 Tabellen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest

Inhaltsverzeichnis Verwendete Formelzeichen XV 1 Nutzungsmöglichkeiten regenerativer Energiequellen 1 1.1 Einleitung 1 1.2 Geothermische Energie 5 1.3 Gezeitenenergie 9 1.4 Wasserkraft 11 1.

2 Inhaltsverzeichnis Verwendete Formelzeichen XV 1 Nutzungsmöglichkeiten regenerativer Energiequellen Einleitung Geothermische Energie Gezeitenenergie Wasserkraft Windenergie Wellenenergie Energie der Meeresströmung Umweltwärme Biologische und chemische Energiewandlung Photoelektrische Energiewandlung Solarthermische Energiewandlung Diskussion des möglichen Beitrags zur Energieversorgung Der Potentialbegriff Der heutige Beitrag Nachteile und Vorteile regenerativer Energiequellen Der zukünftige Beitrag 22 2 Darbietung solarer Strahlungsenergie Strahlung und Schwächungsmechanismen Extraterrestrische Strahlung Gang durch die Atmosphäre Strahlung auf geneigte Flächen Terrestrisch nutzbare Strahlung Strahlungsbilanzen Das allgemeine Transmissionsgesetz Streuung in der Atmosphäre Absorption der Sonnenstrahlung Direkte Sonnenstrahlung Himmelsstrahlung Globalstrahlung Messung solarer Strahlungsenergie Zusammenhang zwischen der Globalstrahlung auf horizontale Flächen und derjenigen auf geneigte Flächen 47

X Inhaltsverzeichnis 3 Niedertemperaturkollektoren 50 3.1 Aufbau und Funktionsweise des Flachkollektors 50 3.2 Die optischen Eigenschaften des Absorbers und der Abdeckung 52 3.

3 X Inhaltsverzeichnis 3 Niedertemperaturkollektoren Aufbau und Funktionsweise des Flachkollektors Die optischen Eigenschaften des Absorbers und der Abdeckung Bestimmung der Nutzleistung und des Wirkungsgrads Transmissionsverluste der Kollektorabdeckung Bestimmung des Reflexionskoeffizienten mit Hilfe der Brechungsindizes Bestimmung des Transmissionskoeffizienten aus den Reflexionskoeffizienten ohne Absorption im Glas Bestimmung der Transmissionskoeffizienten bei alleiniger Berücksichtigung der Absorption Bestimmung des Gesamttransmissionskoeffizienten bei Reflexion und Absorption Das HWB-Kollektormodell Vergleich der drei Kollektorgleichungen Test von Niedertemperaturkollektoren Kollektorpreise 68 4 Solare Niedertemperatursysteme Solarbeheizte Freischwimmbäder Günstige Voraussetzungen für die Solarenergienutzung bei Freischwimmbädern Berechnung des Wärmebedarfs ohne Beckenabdeckung Bilanzierung der Wärmeströme eines Freibads Berechnung der Strahlungs- und Konvektionsverluste Berechnung der Verdunstungsverluste Transmissionsverluste an das Erdreich Berechnung des Wärmezugewinns durch Sonneneinstrahlung ins Becken Berechnung des gesamten saisonalen Heizwärmebedarfs Reduktion des Wärmebedarfs durch eine Beckenabdeckung Berechnung der solaren Deckungsrate Wirtschaftlichkeit der Beckenwassererwärmung Brauchwassererwärmung und Raumheizung Thermosiphonanlagen Thermosiphonischer Massenstrom Effektive Rohrleitungslänge Dichte-Höhe-Diagramm und Auftriebsflächen Gestaltung von Thermosiphonsystemen Warmwassersysteme mit Zwangsumlauf Einfluß von Kollektorfläche und Speichervolumen Einfluß anderer Systemparameter Auslegungshinweise Energiebedarf 94

Inhaltsverzeichnis XI 4.2.3.2 Solares Energieangebot 96 4.2.3.3 Kollektoren 97 4.2.3.4 Speicher 98 4.2.3.5 Sonstige Systemkomponenten 98 4.2.3.6 Kosten der Warmwasserbereitung 100 4.2.4 Raumheizung mit NT-Kollektoren 102 5 Konzentrierende Kollektoren 105 5.

4 Inhaltsverzeichnis XI Solares Energieangebot Kollektoren Speicher Sonstige Systemkomponenten Kosten der Warmwasserbereitung Raumheizung mit NT-Kollektoren Konzentrierende Kollektoren Geometrie der Parabel Aufbau eines konzentrierenden Kollektors Maximales Konzentrationsverhältnis und maximale Temperatur Bestimmung des maximalen Konzentrationsverhältnisses Bestimmung der maximalen Absorbertemperatur Konzentrationsverhältnis und Temperatur für verschiedene Kollektoren Verluste am konzentrierenden Kollektor Unvollständige Reflexion des Spiegels Oberflächenfehler Orientierungsfehler Reflexion und Emission des offenen Absorbers Konvektion am offenen Absorber Absorber mit transparenter Umhüllung Nutzleistung und Wirkungsgrad Gegenüberstellung von konzentrierendem Kollektor und Flachkollektor Solarthermische Stromerzeugung Unterscheidungsmerkmale für Farm- und Towerkraftwerke Beispiele solarthermischer Kraftwerke Arbeitstemperatur und Wirkungsgrad Das Farmkraftwerk Aufbau von Farmanlagen mit Parabolrinnen Das Kollektorfeld Der Speicher Der Arbeitskreislauf Das Energieflußbild Regelung der Anlage Das Towerkraftwerk Konzepte für Absorber, Turm und Spiegelfeld Aspekte der Feldauslegung Nachführung der Heliostaten Der Receiver Kreislaufkonzepte Nutzungsgrad 154

XII Inhaltsverzeichnis 6.6 Systemvergleich und Kosten 155 6.6.1 Systemvarianten 155 6.6.2 Wirtschaftlichkeit 155 7 Phötovoltaische Stromerzeugung 158 7.1 Einleitung 158 7.2 Grundlagen 159 7.2.1 Bändermodell der Elektronen im Festkörper 159 7.

5 XII Inhaltsverzeichnis 6.6 Systemvergleich und Kosten Systemvarianten Wirtschaftlichkeit Phötovoltaische Stromerzeugung Einleitung Grundlagen Bändermodell der Elektronen im Festkörper Die Solarzelle ohne Bestrahlung Absorption von Photonen Ladungsträger-Rekombination Die Solarzelle unter Bestrahlung Schottky-Zellen, MIS-Zellen Hetero-Zellen Verhalten einzelner Solarzellen Strom-Spannungskennlinie Ersatzschaltbild realer Solarzellen Heute gebräuchliche Solarzellen Herstellung von Silicium-Solarzellen Dünnschicht-Solarzellen Sonstige Solarzellen Konzentrierende Solarzellen Solarzellensysteme und Kosten Aufbau von Solargeneratoren Einsatzmöglichkeiten von Solargeneratoren Wirtschaftlichkeit Darbietung der Biomasse Entstehung der Biomasse Erscheinungsformen der Biomasse Das Potential der Biomasse Weltweites Potential Potential in der BRD Techniken zur energetischen Nutzung der Biomasse Einleitung Physikalische Biokonversionsverfahren Verdichtung zu Biobrennstoffen Extraktion von Pflanzenölen Thermochemische Biokonversionsverfahren Verbrennung Vergasung Verflüssigung Verflüssigung durch chemische Reduktion Pyrolyse 214

Inhaltsverzeichnis XIII 9.3.3.3 Verflüssigung durch Methanolsynthese 218 9.4 Biologische Konversionsverfahren 219 9.4.1 Einführung 219 9.4.2 Biogaserzeugung 221 9.4.2.1 Verfahrenstechnische Grundlagen 221 9.

6 Inhaltsverzeichnis XIII Verflüssigung durch Methanolsynthese Biologische Konversionsverfahren Einführung Biogaserzeugung Verfahrenstechnische Grundlagen Einflußparameter Ausführung von Biogasanlagen Wirtschaftlichkeit von Biogas Äthanolerzeugung Ausgangsstoffe und Verfahren Der Fermentationsprozeß Energiebilanz des Gesamtprozesses Äthanol als Motorkraftstoff Wirtschaftlichkeit von Äthanol Darbietung der Windenergie Entstehung des Winds und des globalen Zirkulationssystems Windströmung Windstärke Windrichtung Jahresmittel der Windgeschwindigkeit Jahresgang der mittleren Windgeschwindigkeit Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit Extremwerte der Windgeschwindigkeit Windströmung über Hindernisse und Anlagenabstand Die Leistungsdichte des Winds Vergleich von Sonnen- und Windenergieangebot Windmessung Staudruckmeßverfahren Hitzdrahtanemometer Schalenkreuzanemometer Windrichtungsanzeige Windenergiekonverter Historische Entwicklung Strömungsmechanische Grundlagen Idealer Leistungsbeiwert Leistungsbeiwert eines Widerstandsläufers Strömung um ein Tragflügelprofil Aerodynamik der Windturbine Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert Geschwindigkeiten und Luftkräfte am Rotor Verwindung des Rotorblatts Aerodynamische Verluste am Rotorblatt 275

XIV Inhaltsverzeichnis 11.3.5 Leistungsbeiwert und Schnellaufzahl 278 11.3.6 Momentenbeiwert und Schnellaufzahl 279 11.3.7 Gestaltung der Blattbreite 280 11.3.8 Profilauswahl 284 11.3.9 Optimale Rotordrehzahl 285 11.

7 XIV Inhaltsverzeichnis Leistungsbeiwert und Schnellaufzahl Momentenbeiwert und Schnellaufzahl Gestaltung der Blattbreite Profilauswahl Optimale Rotordrehzahl Darrieus-Rotor Belastungen an einer Windkraftanlage Vorbemerkungen Luft- und Massenkräfte am Rotor Kräfte durch den Betriebsablauf Schwingungsbeanspruchung Elektrisches System Regelung Schlechte Regelbarkeit bei Langsamläufern Regelung von Schnelläufern Wirtschaftlichkeit 298 Literaturverzeichnis 302 Sachverzeichnis 311

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