Regenerative Energiesysteme

Transkript

1 Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Technologie - Berechnung - Simulation 5., aktualisierte Auflage mit 208 Bildern, 97 Tabellen und einer DVD HANSER

2 Inhaltsverzeichnis 1 Energie, Klimaschutz und erneuerbare Energien 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 Geothemische Energie Planetenenergie Sonnenenergie Nutzung der direkten Sonnenenergie Nutzung der indirekten Sonnenenergie Künftiger Energiebedarf und Klimaschutz Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs Internationaler Klimaschutz 46 2 Sonnenstrahlung Einleitung Der Fusionsreaktor Sonne Sonnenstrahlung auf der Erde Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen Berechnung des Sonnenstandes Berechnung des Sonneneinfallswinkels 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 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades Gesamtermittlung der Abschattungen Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen 74 3 Nicht konzentrierende Solarthermie Grundlagen Solarthermische Systeme zur Wassererwärmung Solare Schwimmbadbeheizung 84

3 8 Inhaltsverzeichnis Solare Brauchwassererwärmung Schwerkraft oder Thermosiphonanlagen Anlagen mit Zwangsumlauf Solarkollektoren Speicherkollektoren Flachkollektoren Vakuumröhrenkollektor Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad Rohrleitungen Leitungsaufheizverluste Zirkulationsverluste Speicher Brauchwasserspeicher Schwimmbecken Nutzwärmebedarf und Deckungsrate bei Brauchwasseranlagen Aufwindkraftwerke Konzentrierende Solarthermie Einleitung Konzentration von Solarstrahlung Konzentrierende Kollektoren Linien-Kollektoren Kollektorarten und Kollektorgeometrie Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad Längenausdehnung Parabohinnen-Kollektorfelder Punkt-Konzentratoren Wärmekraftmaschinen Carnot-Prozess Clausius-Rankine Prozess Joule-Prozess Stirling-Prozess Konzentrierende solarthermische Anlagen Parabolrinnen-Kraftwerke Solarturm-Kraftwerke Offener volumetrischer Receiver Druck-Receiver Dish-Stirling-Anlagen Sonnenöfen und Solarchemie Stromimport Photovoltaik Einleitung Funktionsweise von Solarzellen Das Atommodell nach Bohr Der Photoeffekt ' Funktionsprinzip einer Solarzelle 154

4 Inhaltsverzeichnis 5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen Solarzellen aus kristallinem Silizium Solarmodule mit kristallinen Zellen Dünnschichtzellen 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 MPP-Tracker Akkumulatoren Akkumulatorarten Der Bleiakkumulator Andere Akkumulatortypen Akkumulatorsysteme Andere Speichermöglichkeiten Wechselrichter Wechselrichtertechnologie Rechteckwechselrichter Andere Wechselrichter Wechselrichter in der Photovoltaik 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 226

5 _10 Inhaltsverzeichnis 6.4 Bauformen von Windkraftanlagen Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse Anlagenaufbau Rotorblattzahl Windgeschwindigkeitsbereiche Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung Windnachführung Turm, Fundament, Getriebe und Generator Elektrische Maschinen Elektrische Wechselstromrechnung Drehfeld Synchronmaschine Aufbau der Synchronmaschine Elektrische Beschreibung der Synchronmaschine Synchronisation Asynchronmaschine Aufbau und Betriebszustände Ersatzschaltbilder und Stromortskurven Leistungsbilanz Drehzahl-Drehmomentkennlinien und typische Generatordaten Elektrische Anlagenkonzepte Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren Netzbetrieb Anlagenertrag Netzanschluss Wasserkraft Einleitung Dargebot der Wasserkraft Wasserkraftwerke Laufwasserkraftwerke Speicherwasserkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke Wasserturbinen Turbinenarten Kaplan-Turbine Ossberger-Turbine Francis-Turbine Pelton-Turbine Turbinenwirkungsgrad Weiter technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung Gezeitenkraftwerke, Meeresströmungskraftwerke Wellenkraftwerke 286

6 Inhaltsverzeichnis 11 8 Weitere Nutzung regenerativer Energien Nutzung der Geothermie Geothermievorkommen Geothemische Heizwerke Geothermische Kraftwerke Wärmepumpen Kompressions-Wärmepumpen Absorptions-Wärmepumpen Adsorptions-Wärmepumpen Nutzung der Biomasse Vorkommen an Biomasse Feste Bioenergieträger Flüssige Bioenergieträger Gasförmige Bioenergieträger Biomasse-Anlagen Biomasse-Heizungen Biomasse-Kraftwerke Biomasse-Treibstoffe Brennstoffzellen und Wasserstofferzeugung Wasserstofferzeugung und -speicherung Brennstoffzellen Einleitung Brennstoffzellentypen Wirkungsgrade und Betriebsverhalten Wirtschaftlichkeitsberechnungen Einleitung Klassische Wirtschaftlichkeitsberechnungen Berechnungen ohne Kapitalverzinsung Kosten einer Photovoltaikanlage Kosten einer Windkraftanlage Kosten einer solarthermischen Anlage zur Brauchwassererwärmung Berechnungen mit Kapitalverzinsung Kosten einer Photovoltaikanlage mit Kapitalverzinsung Kosten einer Windkraftanlage mit Kapitalverzinsung Kosten einer Brauchwassererwärmung mit Kapitalverzinsung 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 Kapitalvermehrung Die Verantwortung des Kapitals 332

7 12 Inhaltsverzeichnis 10 Simulation und die DVD zum Buch Allgemeines zur Simulation Die DVD zum Buch Start und Überblick Abbildungen Software Vermischtes 338 Literaturverzeichnis 339 Sachwortverzeichnis 345