Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

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Frieda Sachs
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1 Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz ZIES - Zentrum für Innovative Energiesysteme Hochschule Düsseldorf Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Kapitel Solarenergie - Angebot a d a m

2 Solarstrahlung - Abschwächung in der Atmosphäre Summe bzw. Integral = σ x T 4 90 % von λ = 0,3... 1,5 µm 1320 (Jul) (Jan) W/m 2 außermittige Ellipsenbahn der Erde um die Sonne Abschwächung durch Inhaltsstoffe in der Atmosphäre Bedeckung (Wolken) Umso stärker je länger der Strahlungsweg durch die Atmosphäre (Breitengrad, Jahreszeit, geodätische Höhe) 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 ( Breitengrad, geodätische Höhe) Quelle: Roth, 1999 a d a m Solarangebot 4

Jährliche Globalstrahlung BRD Jahresmittelwerte 1982-1991 auf horizontale Flächen Unterschiede

5 Jährliche Globalstrahlung BRD Jahresmittelwerte auf horizontale Flächen Unterschiede von Jahr zu Jahr: Max-Min-Abweichung = ± 10 % Regionale Unterschiede durch unterschiedliche Breitengrade ( ) Süd-/Nordgefälle geringere Bedeckungshäufigkeit im Alpenvorland im Osten (Kontinentalklima) auf Nordseeinseln [kwh/m 2 a] Quelle: Meliß Praktikum a d a m Solarangebot 5

Jährliche Globalstrahlung NRW auf horizontale Flächen D : Düsseldorf D 920 940 960 980 1000

6 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 6

7 Jährliche Globalstrahlung NRW in Abhängigkeit von Ausrichtung und Neigung von Flächen Fazit: Einbuße an solarer Einstrahlung bei nicht ganz optimaler Ausrichtung einer Fläche ist nur gering Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW a d a m Solarangebot 7

8 Jahresgang der Globalstrahlung Monatswerte , auf horizontale Fläche G G,Monat : max. ± 30 % Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Solarangebot 8

9 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 beispielhafter Tagesverlauf Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Solarangebot 9

10 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. Wie ändert sich die optimale Neigung im Jahresverlauf bei einer einachsig nachgeführten Fläche? 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); Winter groß, Sommer klein a d a m Solarangebot 10

11 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 ganzen 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 11

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