Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

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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 Energiequellen der Erde Nutzung ca. 4, J inkl. Brütertechnologie (Uran, Thorium, H 2, etc.) ca J ca J/a = 0,006 % Atmosphäre, außen: ca. 5, J/a = 100 %, davon ca. 35 % Reflexion ca. 50 % auf Erdoberfläche ca J/a = 0,02 % ca J/a = 0,001 % ca J/a = 0,002 % Solarangebot 1

2 Jährliche Globalstrahlung, weltweite Verteilung kwh/m 2 a auf horizontale Unterschiede durch unterschiedliche Bedeckungshäufigkeit und Länge des Strahlungsweges durch die Atmosphäre ( atmosphärischer Einstrahlwinkel, geodätische Höhe) Quelle: Roth, 1999 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] Quelle: Meliß Praktikum, 1997 Solarangebot 2

3 Jahresgang der Globalstrahlung (Monatsmittelwerte ) ΔĠ G,Monatsmittel : max. ± 30 % Tagesgang der Globalstrahlung 21. Dezember 21. Juni Stundenmittlere Leistung [W/m 2 ] auf senkrecht zur Sonne ausgerichtete Fläche Unterschiede: Tageslänge Strahlungsweg Atmosphäreninhalt v.a. Bedeckung wolkenloser Himmel zufälliger Anteil vollständig bedeckter Himmel vorhersehbarer Anteil Solarangebot 3

4 Jährliche Globalstrahlung NRW auf horizontale D : Düsseldorf D kwh/ m 2 a Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW Jährliche Globalstrahlung NRW auf beliebig ausgerichtete Fazit: Einbußen an solarer Einstrahlung bei nicht ganz optimaler Ausrichtung sind nur gering Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW Solarangebot 4

5 Globalstrahlung in NRW im Sommer-/ Winterhalbjahr Sommer (April bis September) D Winter (Oktober bis März) D auf horizontale kwh/m 2 0,5a kwh/m 2 0,5a auf beliebig ausgerichtete Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW n=0 n=60 n=30 Globalstrahlung auf unterschiedlich nach Süden geneigte im Jahresverlauf maximale Tageswerte bei wolkenlosem klarem Himmel 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, 1997 Solarangebot 5

6 Globalstrahlung = Direkt- plus Diffusstrahlung Diffusstrahlung = in Atmosphäre gestreute und reflektierte Sonnenstrahlung + von Umgebung reflektierte Strahlung z.b. von Gebäuden, Wasserflächen + atmosphärische Gegenstrahlung (von Molekülen aufgrund vorheriger Absorption) Anteil Diffusstrahlung in der BRD: > 60% Quelle: Solaratlas NRW 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) Solarangebot 6

7 Übung: Sonneneinstrahlung und orientierung 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 optimal ausgerichtete und geneigte Fläche, um die maximal mögliche jährliche Globalstrahlung zu erzielen. Geben Sie die dazu gehörige optimale Ausrichtung und Neigung an. Um wie viel Prozent kann die maximale jährliche Globalstrahlung auf eine Fläche erhöht werden, wenn eine einfache "Sonnennachführung" in der Art erfolgt, dass die neigung Anfang April auf das Optimum im Sommerhalbjahr und Anfang Oktober auf das Optimum im Winterhalbjahr verändert wird. Lösungen: ca kwh/m 2 a; ca. 325, 590, 830 kwh/m 2 a; ca kwh/m 2 a; ca kwh/m 2 a, südlich ausgerichtet, 37 geneigt; ca. 25 kwh/m²a bzw. 2 % Übung: Begriffe, Einheiten, Umrechnungen 1. Skizzieren Sie qualitativ einen Tagesverlauf der Globalstrahlungs-Leistung 2. Erläutern Sie anhand der Skizze die Begriffe Globalstrahlungs-Leistung, Globalstrahlungs-Summe und tagesmittlere Globalstrahlungs-Leistung! 3. Ermitteln Sie aus dem Bild Jahresgang der Globalstrahlung (Monatsmittelwerte Würzburg) überschlägig die Jahres-Globalstrahlungssumme auf eine horizontale Fläche G G,a,horiz. in kwh/m 2 a! 4. Berechnen Sie aus der Globalstrahlungssumme von 100 kwh/m 2 Monat die über einen Monat gemittelte Leistung (= monatsmittlere Leistung) in W/m 2 die über einen Tag gemittelte Leistung (= tagesmittlere Leistung) in W/m 2 unter der Annahme, dass an jedem Tag 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 Tag die gleiche Globalstrahlungssumme herrscht Lösungen: Bild; ca kwh/m 2 a; 139 W/m 2 ; 139 W/m 2 ; 238 W/m² Solarangebot 7