Re En< HANSER. Technologie - Berechnung - Simulation. Volker Quaschning. 6., neu bearbeitete und erweiterte Auflage

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Jesko Weiner
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1 Volker Quaschning Re En< Technologie - Berechnung - Simulation 6., neu bearbeitete und erweiterte Auflage mit 271 farbigen Bildern, 113 Tabellen und einer DVD HANSER

2 ~l I Inhaltsverzeichnis 1 Energie und Klimaschutz Der Begriff Energie...-.!. : Entwicklung des Energiebedarfs Entwicklung des Weltenergiebedarfs Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland Reichweite konventioneller Energieträger Der Treibhauseffekt Kernenergie contra Treibhauseffekt Kernspaltung Kernfusion Nutzung erneuerbarer Energien Geothermische Energie Planetenenergie Sonnenenergie Nutzung der direkten Sonnenenergie Nutzung der indirekten Sonnenenergie Künftiger Energiebedarf und Klimaschutz Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs Internationaler Klimaschutz." 45 2 Sonnenstrahlung Einleitung ' Der Fusionsreaktor Sonne / Sonnenstrahlung auf der Erde ' Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen ; Sonnenposition und Einfallswinkel : Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene Bodenreflexion Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung Berechnung von Abschattungsverlusten Aufnahme der Umgebung Bestimmung des direkten Abschattungsgrades 74 i Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades Gesamtermittlung der Abschattungen Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren Messung der globalen Bestrahlungsstärke 80

3 Inhaltsverzeichnis Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke Künstliche Sonnen, 82 3 Nicht konzentrierende Solarthermie Grundlagen.' Solarthermische Systeme Solare Schwimmbadbeheizung Solare Trinkwassererwärmung Schwerkraft-oder Thermosiphonanlagen Anlagen mit Zwangsumlauf Solare Heizungsunterstützung Solare Nahwärmeversorgung ^Solares Kühlen Solarkollektoren...; Speicherkollektoren Flachkollektoren Vakuumröhrenkollektoren Kollektorabsorber Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad Rohrleitungen Leitungsaufheizverluste Zirkulationsverluste Speicher Trinkwasserspeicher Schwimmbecken Anlagenauslegung Nutzwärmebedarf Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad Auslegung von solaren Trinkwasseranlagen Auslegung von Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung Aufwindkraftwerke Konzentrierende Solarthermie Einleitung '. / Konzentration von Solarstrahlung Konzentrierende Kollektoren Linienkollektoren :: Kollektorarten und Kollektorgeometrie Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad Längenausdehnung Parabolrinnenkollektorfelder Punktkonzentratoren Wärmekraftmaschinen Carnot-Prozess Clausius-Rankine-Prozess Joule-Prozess 147 / Stirling-Prozess Konzentrierende solarthermische Anlagen Parabolrinnenkraftwerke Solarturmkraftwerke Offener volumetrischer Receiver 154

4 Inhaltsverzeichnis Druck-Receiver Dish-Stirling-Anlagen Sonnenöfen und Solarchemie Stromimport Photovoltaik Einleitung Funktionsweise von Solarzellen Atommodell nach Bohr Photoeffekt Funktionsprinzip einer Solarzelle Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen Solarzellen aus kristallinem Silizium Solarmodule mit kristallinen Zellen Solarzellen aus amorphem Silizium Solarzellen aus anderen Materialien 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 f MPP-Tracker ' Akkumulatoren! Akkumulatorarten ' Bleiakkumulator Andere Akkumulatortypen Akkumulatorsysteme Andere Speichermöglichkeiten Wechselrichter Wechselrichtertechnologie Rechteckwechselrichter Andere Wechselrichter 224,5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik * Planung und Auslegung Inselnetzsysteme Netzgekoppelte Systeme 231

5 10 Inhaltsverzeichnis 6 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 Rotörblätter Windgeschwindigkeitsbereiche Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung Windnachführung Turm, Fundament, Getriebe und Generator Offshore-Windkraftanlagen Elektrische Maschinen Elektrische Wechselstrom rech nung Drehfeld Synchronmaschine Aufbau Elektrische Beschreibung Synchronisation Asynchronmaschine Aufbau und Betriebszustände Ersatzschaltbilder und Stromortskurven Leistungsbilanz Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten Elektrische Anlagenkonzepte Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplupg Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis Drehzahl regelbare Asynchrongeneratoren...' Insel netzanlagen Netzbetrieb Anlagenertrag Netzanschluss Wasserkraft Einleitung Dargebot der Wasserkraft Wasserkraftwerke Laufwasserkraftwerke Speicherwasserkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke Wasserturbinen 301

6 I Inhaltsverzeichnis t 11 i [ Turbinenarten 301 [ Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine 302 I Ossberger-Turbine 303 [ Francis-Turbine 303 [ Pelton-Turbine Turbinen Wirkungsgrad Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung 306 j Gezeitenkraftwerke Meeresströmungskraftwerke 307 \ Wellenkraftwerke : 308 S i t \ 8 Geothermie Geothermievorkommen 310 f 8.2 Geothermische Heizwerke 314 j. 8.3 Geothermische Strömerzeugung 315 I Kraftwerksprozesse 315 \ Geothermische Kraftwerke Wärmepumpen Kompressions-Wärmepumpen Absorptions-Wärmepumpen Adsorptions-Wärmepumpen 322 [ Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung Nutzung der Biomasse Vorkommen an Biomasse Feste Bioenergieträger Flüssige Bioenergieträger Pflanzenöl 333 i : Biodiesel 334! Bioalkohole 334 \ Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe 335 : Gasförmige Bioenergieträger 336 I Flächenerträge und Umweltbilanz 338 \. 9.2 Biomasseanlagen,/. 339 [ Biomasseheizungen , 92.1 Biomassekraftwerke _. 342? 10 Brennstoffzellen und Wasserstofferzeugung 343 i: 10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung Brennstoffzellen Einleitung Brennstoffzellentypen Wirkungsgrade und Betriebsverhalten Wirtschaftlichkeitsberechnungen Einleitung Enörgiegestehungskosten Berechnungen ohne Kapital Verzinsung Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung Solarthermische Kraftwerke Photovoltaikanlagen 356

7 12 > Inhaltsverzeichnis Windkraftanlagen Wasserkraftanlagen Geothermieanlagen Holzpelletsheizungen Berechnungen mit Kapitalverzinsung Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung Solarthermische Kraftwerke Photovoltaikanlagen Windkraftanlagen Vergütung für regenerative Energieanlagen 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 Internalisierung der externen Kosten Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen Unendliche Kapital Vermehrung Die Verantwortung des Kapitals Simulation und die DVD zum Buch Allgemeines zur Simulation Die DVD zum Buch Start und Überblick Abbildungen Software Vermischtes 380 Literaturverzeichnis 382 Sachwortverzeichnis, 388

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