Solare Randbedingungen. Quelle:

Transkript

1 Solare Randbedingungen Quelle:

2 Ein Desaster für die Photovoltaik?

3 Übersicht Energiebedarf und Die Sonne als Primärenergiequelle Die Sonneneinstrahlung auf der Erde Einfluß von Lage und Atmosphäre Zusammenfassung

4 Elektrizität die ideale Nutz-Energie? Pros: Vielseitig, Anwenderfreundlich, Effizient, Sauber

5 Elektrizität die ideale Nutz-Energie? Cons: Schlecht speicherbar, Muß erzeugt werden (Globaler der Konversion zu El.: η=p el /P prim ~40%) Quelle: T. Fleiter, Fraunhofer ISI, BRD

6 Elektrische End-Energie beim Verbraucher Österreichische Haushalte 2008: 4400kWh/a oder 16GJ/a Quelle: Statistik Austria

7 Beispiel: Kochen Wasser: c v =4.18kJ/(kg.K), T 80K Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme

8 Grüner Strom aus Photovoltaik? Elektrische Energie Biomassekraftwerk Wind, Wasserkraft Biomasse, Solarthermisch, Photovoltaik

9 Primärquelle: Sonne Kernfusion: 4 Wasserstoffkerne 1Heliumkern + E E=26.73MeV (4.28pJ) Masseverlust der Sonne: m= kg/s Strahlungsleistung an der Oberfläche: Φ e = m.c 2 = W Oberfläche: A=4πr S2 =4π ( ) 2 m 2 = m 2 Spezifische Ausstrahlung: M e = Φ e /A=63.2MW/m 2 Das Stefan-Boltzmanngesetz für schwarze Strahler ergibt die Oberflächentemperatur der Sonne: M e =εσt 4 T=( / ) 1/4 =5778K ε=1 Emissionsvermögen eines schwarzen Strahlers.

10 Empfänger: Erde Bestrahlungsstärke (auf horizontaler Ebene): E e M e (A S /4πr SE2 )= 63.2MWm -2 ( / )=1.361kWm -2 =E e(peak) E e(ave) =E e(peak) (πr E2 /4πr E2 ) =340Wm -2 Solarkonstante für r SE =149,597,870.7km =1ua (Astronomische Einheit): E 0 =1360.8±0.5Wm -2

11 E e(ave) oder E e(peak) E e(ave) =340Wm -2 E 0 =1360.8Wm-2 diffus direkt Quelle: T Markvart, Solar Electricity Direkte + diffuse Einstrahlung = Globale Einstrahlung Globale Strahlungsbilanz, Klima Technische Nutzung

12 Geozentrische Betrachtung (Himmelsmechanik) Äquinoktikum (Tag und Nacht Gleiche) Deklination, δ Himmelsäquator Himmelsäquator Scheinbare (elliptische) Sonnenbahn Quelle: T Markvart, Solar Electricity E 0 (y) als Konsequenz der Elliptizität (Gl. 1 im Anhang)

13 Bestimmung des Sonnenstands als Funktion der Zeit(im Jahr) und der Lage Sonnenhöhe (Elevation): γ S Sonnenazimut: α S Herleitung im Anhang (Gl.2 - Gl.9) Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme Horizontale Ebene am Ort des Betrachters (λ, ϕ) Definition nach DIN5034 ( NREL, ISO9448)

14 Bestimmung des Sonnenstands als Funktion der Zeit(im Jahr) und der Lage Beispiel, Wien, Institutsgebäude für den α S γ S -90 <γ S <0 zulässig

15 AIR MASS Definiert als AM=1/sinγ S, wenn γ S >0 Ausnahme: AM0 für extraterrestrische Bedingungen Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme Maß für die Abschwächung der Bestrahlungsstärke beim Durchgang durch die Atmosphäre

16 Lichtabschwächung in der Atmosphäre E 0 =1360.8Wm -2 Rayleigh Streuung Absorptionslinien Inhomogene Zusammensetzung der Atmosph.: p(h) exp(- h/h 0 ) Mie-Streuung an bodennahen Aerosolen ist stark lokal begrenzt.

17 Bestrahlungsstärke als Funktion der Lage Strahlungsleistung: Φ [W] Flächennormale Φ Flächennormale Horizontale Ebene θ hor = θ,e S =Φ/A S cos θ =A S /A hor =E hor /E S E hor =E S.cos θ Schnitt Sonnenmeridian θ Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme Allgemein: Die Bestrahlungsstärke auf einer beliebig orientierten Ebene läßt sich durch die Fehlorientierung, θ in Bezug auf den Lichtstrahl und die senkrechte Bestrahlungsstärke, E S bestimmen.

18 Gesamtstrahlung (Globalstrahlung) Setzt sich zusammen aus: Direkter Sonneneinstrahlung (gerichtet) Streuung in der Atmosphäre (ungerichtet) Bodenreflexion, Albedo (Vorzugsrichtung möglich) Für eine beliebig orientierte Ebene ist die globale Bestrahlungsstärke E G = E S.cos θ +E D } Diffus Pyranometer Pyrheliometer mit Nachführung Pyranometer mit Abschattung 3. Pyranometer auf den Kopf gestellt für getrennte Albedobestimmung (nicht gezeigt). Quelle:

19 Principle of a Pyranometer Thermopiles (=staples of thermocouples) Die absorbierende Fläche heizt sich auf, T 1 Die reflektierende Fläche bleibt auf T 2 T=T 1 -T 2 E emf... Electromotive force (kann als el. Spannung gemessen werden) S... Seebeck Koeffizient

20 Abschattung Formen der (Teil-)Abschattung: Feste Objekte (Bäume) Bewegte Objekte (Wolken) Verschmutzung Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme

21 Zusammenfassung Die stabile Versorgung der Verbraucher mit elektrischer Energie aus Solarenergie erfordert Die Entwicklung effizienter Energiekonverter (Solarzellen + Elektronik) Die Bereitstellung von Speicherkapazitäten (Tag-Nacht/Sonnenumlaufbahn/Saisonale Wetterlage) Den Ausbau angepaßter Verteilersysteme. Zu jedem Zeitpunkt hängt die lokale Globalstrahlung und deren mögliche Abschattung von einer Reihe sich zeitlich ändernder Faktoren ab. Zur verbreiteten Integration von Photovoltaischen Stromgeneratoren in ein Elektrizitätsnetzwerk ist eine ganzjährige detaillierte Prognose der Bestrahlungsstärke unter Berücksichtigung der örtlichen Spezifika unerläßlich.