Regenerative Energiesysteme

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1 Regenerative Energiesysteme Technologie - Berechnung - Simulation von Volker Quaschning 3. Auflage mit 160 Bildern, 79 Tabellen und einer CD-ROM HANSER

2 VII 1 Energie, Klimaschutz und erneuerbare Energien Der Begriff Energie Entwicklung des Energiebedarfs Entwicklung des Weltenergiebedarfs Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland Reichweite konventioneller Energieträger Der Treibhauseffekt Kernenergie contra Treibhauseffekt Kernspaltung Kernfusion Erneuerbare Energien Geothermische Energie Planetenenergie Sonnenenergie Nutzung der direkten Sonnenenergie Nutzung der indirekten Sonnenenergie Künftiger Energiebedarf und Klimaschutz Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs Internationaler Klimaschutz 39 2 Sonnenstrahlung Einleitung Der Fusionsreaktor Sonne Sonnenstrahlung auf der Erde Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen Berechnung des Sonnenstandes Berechnung des Sonneneinfallswinkels Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene Bodenrefiexion Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung Berechnung von Abschattungsverlusten Aufnahme der Umgebung Bestimmung des direkten Abschattungsgrades Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades Gesamtermittlung der Abschattungen Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen 66 3 Solarthermische Wassererwärmung Grundlagen Solarthermische Systeme zur Wassererwärmung Solare Schwimmbadbeheizung 74

3 VIII Solare Brauchwassererwärmung Schwerkraft oder Thermosiphonanlagen Anlagen mit Zwangsumlauf Solarkollektoren Speicherkollektoren Flachkollektoren Vakuumröhrenkollektor Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad Rohrleitungen Leitungsaufheizverluste Zirkulationsverluste Speicher Brauchwasserspeicher Schwimmbecken Nutzwärmebedarf und Deckungsrate bei Brauchwasseranlagen Photovoltaik Einleitung Funktionsweise von Solarzellen Das Atommodell nach Bohr Der Photoeffekt Funktionsprinzip einer Solarzelle Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen Solarzellen aus kristallinem Silizium Solarmodule mit kristallinen Zellen Dünnschichtzellen Elektrische Beschreibung von Solarzellen Einfaches Ersatzschaltbild Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell) Zweidiodenmodell Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm Weitere elektrische Zellparameter Temperaturabhängigkeit Parameterbestimmung Elektrische Beschreibung von Solarmodulen Reihenschaltung von Solarzellen Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen Parallelschaltung von Solarzellen Technische Daten von Solarmodulen Solargenerator und Last Widerstandslast Gleichspannungswandler Tiefsetzsteller Hochsetzsteller Weitere Gleichspannungswandler MPP-Tracker Akkumulatoren Akkumulatorarten 152

4 IX Der Bleiakkumulator Andere Akkumulatortypen Akkumulatorsysteme Andere Speichermöglichkeiten Wechselrichter Wechselrichtertechnologie Rechteckwechselrichter Andere Wechselrichter Wechselrichter in der Photovoltaik Windkraft Einleitung Dargebot von Windenergie Entstehung des Windes Angabe der Windstärke Windgeschwindigkeitsverteilungen Einfluss der Umgebung und Höhe Nutzung der Windenergie Im Wind enthaltene Leistung Widerstandsläufer Auftriebsläufer Bauformen von Windkraftanlagen Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse Anlagenaufbau Rotorblattzahl Windgeschwindigkeitsbereiche Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung Windnachfuhrang Turm, Fundament, Getriebe und Generator Elektrische Maschinen Elektrische Wechselstromrechnung Drehfeld Synchronmaschine Aufbau der Synchronmaschine Elektrische Beschreibung der Synchronmaschine Synchronisation Asynchronmaschine Aufbau und Betriebszustände Ersatzschaltbilder und Stromortskurven Leistungsbilanz Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie und typische Generatordaten Elektrische Anlagenkonzepte Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung Synchrongenerator mit direkter Netzankopplung Synchrongenerator mit Zwischenkreis Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren 223

5 X 5.7 Netzbetrieb Anlagenertrag Netzanschluss Wirtschaftlichkeitsberechnungen Einleitung Klassische Wirtschaftlichkeitsberechnungen Berechnungen ohne Kapitalverzinsung Kosten einer Photovoltaikanlage Kosten einer Windkraftanlage Kosten einer solarthermischen Anlage zur Brauchwassererwärmung Berechnungen mit Kapitalverzinsung Kosten einer Photovoltaikanlage mit Kapitalverzinsung Kosten einer Windkraftanlage mit Kapitalverzinsung Kosten einer Brauchwassererwärmung mit Kapitalverzinsung Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien Kosten konventioneller Energiesysteme Externe Kosten des Energieverbrauchs Subventionen im Energiemarkt Ausgaben für Forschung und Entwicklung Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden Sonstige externe Kosten Internalisierang der externen Kosten Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen Unendliche Kapitalvermehrung Die Verantwortung des Kapitals Simulationsprogramme und die CD-ROM zum Buch Allgemeines zur Simulation Die CD-ROM zum Buch Start und Überblick Abbildungen Software Vermischtes 254 Anhang 255 SUNAE-Algorithmus zur Sonnenstandsberechnung 255 Wichtige naturwissenschaftliche Konstanten 256 Wichtige englische und US-amerikanische Einheiten 256 Übersicht über grundlegende Tabellen und Formelzeichen 256 Literaturverzeichnis 257 Sachwortverzeichnis 263

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