Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

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Hansi Straub
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1 Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Kapitel Solarenergie - Angebot a d a m

2 Solarstrahlung - Abschwächung in der Atmosphäre 90 % von λ = 0,3... 1,5 µm 1320 (Juli) (Januar) W/m 2 außermittige Ellipsenbahn der Erde um die Sonne Inhaltsstoffe in der Atmosphäre Länge des Strahlungsweges (Breitengrad, Jahreszeit, geodätische Höhe) Bedeckung (Wolken) Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Solarangebot 2

Globalstrahlung = Direkt- plus Diffusstrahlung Anteil der Diffusstrahlung in der BRD: > 50% im Jahresmittel Diffusstrahlung = in Atmosphäre gestreute und reflektierte Sonnenstrahlung + von

3 Globalstrahlung = Direkt- plus Diffusstrahlung Anteil der Diffusstrahlung in der BRD: > 50% im Jahresmittel Diffusstrahlung = in Atmosphäre gestreute und reflektierte Sonnenstrahlung + von Umgebung reflektierte Strahlung z.b. von Gebäuden, Wasserflächen + atmosphärische Gegenstrahlung (von Molekülen aufgrund vorheriger Absorption) Quelle: Solaratlas NRW a d a m Solarangebot 3

4 Jährliche Globalstrahlung, weltweite Verteilung kwh/m 2 a auf horizontale Flächen Unterschiede durch unterschiedliche Bedeckungshäufigkeit und Länge des Strahlungsweges durch die Atmosphäre ( atmosphärischer Einstrahlwinkel, geodätische Höhe) Quelle: Roth, 1999 a d a m Solarangebot 4

Jährliche Globalstrahlung BRD Jahresmittelwerte 1982-1991 Unterschiede von Jahr zu Jahr: Standardabweichung =

..55 Breitengrad) und Bedeckungshäufigkeit Sondereinflüsse: Kontinentalklima in Ostdeutschland

5 Jährliche Globalstrahlung BRD Jahresmittelwerte Unterschiede von Jahr zu Jahr: Standardabweichung = ± 5 % Max-Min-Abweichung = ± 10 % Süd-/Nordgefälle durch Unterschiede in atmosphärischem Einstrahlwinkel ( Breitengrad) und Bedeckungshäufigkeit Sondereinflüsse: Kontinentalklima in Ostdeutschland Bedeckungshäufigkeit auf den Nordseeinseln [kwh/m 2 a] auf horizontale Fläche Quelle: Meliß Praktikum a d a m Solarangebot 5

6 Jahresgang der Globalstrahlung Monatswerte , auf horizontale Fläche Ġ G,Monatsmittel : max. ± 30 % Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Solarangebot 6

7 n=30 Jahresgang der Globalstrahlung n=0 n=60 Tageswerte bei wolkenlosem Himmel auf unterschiedlich nach Süden geneigte Flächen (d.h. maximale Tageswerte) n=90 n: Neigungswinkel gegen die Horizontale Fazit: optimaler Neigungswinkel = f (Jahreszeit) Verglaste Südfassaden sind im Sommer bzgl. Raumüberhitzung vergleichsweise unkritisch (kritisch sind Dachfenster und Ost- bzw. Westverglasungen Quelle: Meliß Praktikum a d a m Solarangebot 7

8 Tagesgang der Globalstrahlung 21. Dezember 21. Juni Stundenmittlere Leistung [W/m 2 ] Unterschiede: Tageslänge Strahlungsweg Atmosphäreninhalt v.a. Bedeckung wolkenloser Himmel zufälliger Anteil vollständig bedeckter Himmel vorhersehbarer Anteil Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Solarangebot 8

9 Jährliche Globalstrahlung NRW auf horizontale Flächen D : Düsseldorf D kwh/ m 2 a Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW a d a m Solarangebot 9

10 Jährliche Globalstrahlung NRW auf beliebig ausgerichtete Flächen Fazit: Einbußen an solarer Einstrahlung bei nicht ganz optimaler Ausrichtung sind nur gering Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW a d a m Solarangebot 10

ausgerichtete Flächen Quelle: Solaratlas für

11 Globalstrahlung in NRW im Sommer-/ Winterhalbjahr Sommer (April bis September) D Winter (Oktober bis März) D auf horizontale Flächen kwh/m 2 0,5a kwh/m 2 0,5a auf beliebig ausgerichtete Flächen Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW a d a m Solarangebot 11

12 Übung: Richtungsabhängigkeit der Solarstrahlung Analysieren Sie mit Hilfe der Daten aus dem "Solaratlas für Nordrhein-Westfalen" für den Standort Düsseldorf folgende Sachverhalte bezüglich der solaren Globalstrahlung: Wie groß ist die jährliche Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche, z.b. ein Flachdach auf eine Nordwand, eine Ost- bzw. Westwand und eine Südwand auf ein nach Südosten ausgerichtetes Dach mit 30 Neigung auf eine Fläche, die so ausgerichtet und geneigt ist, dass sie in Summe über das gesamte Jahr hinweg die maximale Globalstrahlung erhält. Geben Sie die dazu gehörige optimale Ausrichtung und Neigung an. Lösungen: ca. 985 kwh/m 2 a; ca. 325, 590, 840 kwh/m 2 a; ca kwh/m 2 a; ca kwh/m 2 a (37 nach Süden geneigt) a d a m Solarangebot 12

13 Übung: Einheiten der Solarstrahlung 1. Skizzieren Sie qualitativ einen Tagesverlauf der Leistung der solaren Einstrahlung von 0 bis 24 Uhr und erläutern Sie anhand der Skizze die Begriffe Globalstrahlungs-Leistung Globalstrahlungs-Summe tagesmittlere Globalstrahlungs-Leistung 2. Berechnen Sie aus der Globalstrahlungssumme von 100 kwh/m 2 Monat die über den Monat gemittelte Leistung (= monatsmittlere Leistung) in W/m 2 (1 Monat = 30 Tage) die über einen Tag gemittelte Leistung (= tagesmittlere Leistung) in W/m 2 unter der Annahme, dass an jedem der 30 Tage die gleiche Globalstrahlungssumme herrscht die über einen Tag gemittelte Leistung in [W/m 2 ] in den 14 Stunden zwischen Sonnenauf- und Sonnenuntergang, ebenfalls unter der Annahme, dass an jedem der 30 Tage die gleiche Globalstrahlungssumme herrscht Lösungen: Skizze; 139 W/m 2 ; 139 W/m 2 ; 238 W/m² a d a m Solarangebot 13

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