MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DES SOLARSTROMS

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Klaudia Frei
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1 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DES SOLARSTROMS Physikalisch-technische, wirtschaftliche und architektonische Strategien für die Solarstromwirtschaft im 21. Jahrhundert von Dr. rer. nat. Guillermo Diaz-Santanilla Universitätsverlag Dr. N. Brockmeyer Bochum 2000

2 Vm Kapiteltibersicht 1 Physikalische Grundlagen der Strahlungsenergie 4 2 Der Strahlungsempfänger Die Optimierung der Solarstromproduktion 22 3 Die zukünftige Solararchitektur zur Erschließung der Sonnenenergie 43 4 Die Rentabilität der Solarstromwirtschaft 67 5 Die globale Energieversorgung im 21. Jahrhundert 95 INHALT VORWORT V...VIII EINLEITUNG 1 O 1. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER STRAHLUNGSENERGIE Die Energie der elektromagnetischen Strahlung Einführung Quantenphysik der Strahlung Anzahl der Lichtquanten der Sonnenstrahlung, die die Leistung P auf eine Auffangfläche A erbringen Der Sonnenstrahlungsdruck Die sichtbare Wirkung des Sonnenstrahlungsdrucks in Natur und Technik Die Strahlungsraumdichte Die Volumen-Energiedichte E S tr des Strahlungsausbreitungsraums

3 D _ an der Auffangfläche Das Leistungspotential der Energiequellen Quantenmechanische Abschätzung der Größen- Ordnungen von Kernenergie und chemischer Energie Leistungsdichtenvergleich zwischen Energiequellen Die fossilen Brennstoffe Kernbrennstoffe 13 Kernspaltungsreaktoren 13 Kernfusionsreaktoren ; Vergleich der Energiedichten von fossilen und nuklearen Brennstoffen Berechnung der Sonnenstrahlungsleistungsdichte (Solarkonstante OAMO) außerhalb der Erdatmosphäre anhand des Boltzmannschen Gesetzes Die mit der elektromagnetischen Strahlung strömende Energie. Die Energie des elektromagnetischen Feldes Schlußfolgerungen Literatur DER SONNENSTRAHLUNGSEMPFÄNGER Einleitung Die Berechnung der Ertragsleistung von Solargeneratoren Der Wirkungsgrad r) Verbesserungsverfahren des Wirkungsgrads von Solarzellen Verbesserung des Wirkungsgrades von photovpltaischen Solargeneratoren: Die Sonnenstrahlungsleistungsdichte a Astronomische Abschattung der Sonnenstrahlung durch die. periodischen Bewegungen der Erdkugel 26' Abschwächung der Sonnenstrahlung innerhalb der Erdatmosphäre Lokale (meteorologische) Strahlungsabschattungsfaktoren Die globale Sonnenstrahlungsleistungsdichte Quantitative Abschätzung des Gewinnfaktors bei Verbesserung der Energieausbeute durch Nachführung des Solargenerators Digitalisierte Simulation zur Messung des Leistungsgewinnfaktors g Zusammenstellung der Optimierungsfaktoren für die Solarzellenleistung Literatur 42

4 X f- 3. DIE ZUKÜNFTIGE SOLARARCHITEKTUR ZUR ERSCHLIEßUNG DER SONNENENERGIE Überblick und Ausblick Die gegenwärtige, konventionelle Solararchitektur Die zukünftige Solararchitektur Eine rentable Lösung Das Solarhaus des 21. Jahrhunderts Merkmale des "Solarhauses des 21. Jahrhunderts" Bauliche Strategien und bauliche Größen des Mustersolarhauses Sonnennenergiegewinnungsmerkmale des Solarhauses 53 Die Dachschale 53 Beitrag der Dachschale zur Ausbeuteoptimierung des Sonnenleistungsempfängers Die Ortslage Die Sonnenhöhe h für die vier Jahreszeiten am Ort mit der geographischen Breite (p 55 f 3.4. Die Photovoltaikanlage Größe und Ertrag Fazit Das Patent Schlußwort Literatur 66 f4. DIE RENTABILITÄT DER SOLARSTROMWIRTSCHAFT Überblick Die Sonnenstrahlungsleistung Die Solarkonstante Die globale Strahlungsleistungsdichte (a E ff) Die Wirtschaftlichkeit der Solarzellenanlage Der Gesamtertrag Die Leistungsausbeute (Ertragsleistung) der Solarzellen Der Anschaffungskapitaleinsatz Die Tilgungszeit t 71 Aufwand und Ertrag der Anlage für die Tilgungszeit t Der Preis des Solarstroms k ( / k Wh) Die Herstellungsenergierücklaufzeit ty 82

5 XI_ 4.4. Zusammenfassung Die Größen des Solarstroms Formern: Anwendungsbeispiele Anwendungsbeispiel Der Gesamtleistungsbedarf Die benötigte Gesamtfläche ohne Nachführungsgewinn (bei g = 1) Größe der zur Verfügung stehenden Hausdachfläche samt Großgebäudendach- bzw. Teilfassadenfläche Kaufbetrag der Solarzellenfläche Anwendungsbeispiel Die Dimensionierung einer Photovoltaikanlage., Die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage: Bestimmung der effektiven Auffangfläche A des Solargenerators Fazit Literatur DIE GLOBALE ENERGIEVERSORGUNG IM 21. JAHRHUNDERT Überblick und Ausblick Die Bedingungen für den Aufbau eines Energieversorgungssystems mit der Erschließung von umweltfreundlichen und unerschöpflichen Energiequellen Die Eigenschaften und Bedingungen eines Energieversorgungsystems Die Aufbauzeit muß kürzer als die Lebensdauer der fossilen Rohstoffe sein " Selbstvermehrungsstrategie Reichlich und preiswert vorhandene Rohstoffe Wirklich umweltfreundliche Systeme Strategie der Modulbauweise Selbstfinanzierungsstrategie Sozial - politische Ausgewogenheit Ausreichende, preiswerte und verläßliche Energieernte Die Notwendigkeit der Ablösung der nuklearen und fossilen Energieträger Gründe für die Ablösung der Kernbrennstoffe Gründe für die Ablösung der fossilen Rohstoffe Szenarien der Weltenergieversorgung im 21. Jahrhundert 102

6 XII Szenario Nr. 1: Die weltweite Ablösung der fossilen und nuklearen Energieträger durch das System Solarzelle - Elektrolyseur -Brennstoffzelle Die Wasserstoffplantage Aufbauzeit Aufbau der Großsolarzellenfläche. Das Selbsvermehrungsprinzip. Die Wasserstoffplantage 103 Aufgabenstellung 104 Lösung 108 Die gelieferte Solarstromleistung pro Fabrik, Position Wasserstoffernte 109 Silizium-Rohstoffaufwand 110 Energieaufwand 110 Kapitalinvestition 111 Lösungsentwicklung im Verzehnfachungs - Wachstumsfall 112 Lösungsentwicklung im Verdopplungs - Wachstumsfall 116 Vergleich der beiden entstandenen Wasserstoffplantagen des Szenarios Eigenschaften eines guten Energiespeichers Der Wasserstoff als Speicher 122 Nachteile des Wasserstoffs als Energiespeicher: 122 Speicherung des Wasserstoffs Schlußfolgerungen zum Szenario No.l Szenario Szenario Gegenwart Schlußfolgerungen Literatur LITERATURVERZEICHNIS ANHANG BILDQUELLENNACHWEIS 141 7:2. TABELLENLISTE FORMELN IM KAPITEL FORMELN IM KAPITEL FORMELN TM KAPITEL FORMELN IM KAPITEL 4 146

7 XIII 7.7. FORMELN IM KAPITEL GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE KONSTANTEN Übungsaufgaben mit Lösungsbeispielen Kapitel Kapitel Kapitel Kapitel Kapitel ENERGIE (E) UND LEISTUNG (P) ENERGIEUMWANDLUNGSFAKTOREN LEISTUNGSUMWANDLUNGSFAKTOREN PHYSIKALISCH-CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN VON WASSERSTOFF UND BENZIN SPEZIFISCHER HEIZWERT DER FOSSILEN BRENNSTOFFE DEZIMALE VIELFACHE UND BRUCHTEILE DER EINHEIT STICHWORTVERZEICHNIS 162

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