Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Technologie - Berechnung - Simulation 5., aktualisierte Auflage mit 208 Bildern, 97 Tabellen und einer DVD HANSER
Inhaltsverzeichnis 1 Energie, Klimaschutz und erneuerbare Energien 13 1.1 Der Begriff Energie 13 1.2 Entwicklung des Energiebedarfs 18 1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs 18 1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland 20 1.3 Reichweite konventioneller Energieträger 23 1.4 Der Treibhauseffekt 24 1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt 30 1.5.1 Kernspaltung 30 1.5.2 Kernfusion 33 1.6 Nutzung erneuerbarer Energien 34 1.6.1 Geothemische Energie 35 1.6.2 Planetenenergie 35 1.6.3 Sonnenenergie 36 1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie 37 1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie 39 1.7 Künftiger Energiebedarf und Klimaschutz 43 1.7.1 Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs 43 1.7.2 Internationaler Klimaschutz 46 2 Sonnenstrahlung 49 2.1 Einleitung 49 2.2 Der Fusionsreaktor Sonne 49 2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde 53 2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen 56 2.5 Berechnung des Sonnenstandes 59 2.6 Berechnung des Sonneneinfallswinkels 62 2.7 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene 63 2.7.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene 63 2.7.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene 64 2.7.3 Bodenreflexion 65 2.7.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung 66 2.8 Berechnung von Abschattungsverlusten 69 2.8.1 Aufnahme der Umgebung 69 2.8.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades 71 2.8.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades 72 2.8.4 Gesamtermittlung der Abschattungen 74 2.8.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen 74 3 Nicht konzentrierende Solarthermie 79 3.1 Grundlagen 79 3.2 Solarthermische Systeme zur Wassererwärmung 82 3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung 84
8 Inhaltsverzeichnis 3.2.2 Solare Brauchwassererwärmung 84 3.2.2.1 Schwerkraft oder Thermosiphonanlagen 85 3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf 86 3.3 Solarkollektoren 87 3.3.1 Speicherkollektoren 88 3.3.2 Flachkollektoren 90 3.3.3 Vakuumröhrenkollektor 96 3.3.4 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad 97 3.4 Rohrleitungen 99 3.4.1 Leitungsaufheizverluste 102 3.4.2 Zirkulationsverluste 103 3.5 Speicher 105 3.5.1 Brauchwasserspeicher 106 3.5.2 Schwimmbecken 110 3.6 Nutzwärmebedarf und Deckungsrate bei Brauchwasseranlagen 113 3.7 Aufwindkraftwerke 116 4 Konzentrierende Solarthermie 119 4.1 Einleitung 119 4.2 Konzentration von Solarstrahlung 119 4.3 Konzentrierende Kollektoren 122 4.3.1 Linien-Kollektoren 124 4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie 124 4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad 125 4.3.1.3 Längenausdehnung 129 4.3.1.4 Parabohinnen-Kollektorfelder 130 4.3.2 Punkt-Konzentratoren 133 4.4 Wärmekraftmaschinen 134 4.4.1 Carnot-Prozess 134 4.4.2 Clausius-Rankine Prozess 135 4.4.3 Joule-Prozess 138 4.4.4 Stirling-Prozess 139 4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen 139 4.5.1 Parabolrinnen-Kraftwerke 139 4.5.2 Solarturm-Kraftwerke 142 4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver 143 4.5.2.2 Druck-Receiver 143 4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen 144 4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie 146 4.6 Stromimport 147 5 Photovoltaik 149 5.1 Einleitung 149 5.2 Funktionsweise von Solarzellen 151 5.2.1 Das Atommodell nach Bohr 151 5.2.2 Der Photoeffekt '. 152 5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle 154
Inhaltsverzeichnis 5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen 161 5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium 161 5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen 163 5.3.3 Dünnschichtzellen 163 5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen 165 5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild 165 5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell) 166 5.4.3 Zweidiodenmodell 168 5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm 169 5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter 170 5.4.6 Temperaturabhängigkeit 173 5.4.7 Parameterbestimmung 175 5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen 176 5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen 176 5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen 177 5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen 181 5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen 181 5.6 Solargenerator und Last 182 5.6.1 Widerstandslast 182 5.6.2 Gleichspannungswandler 183 5.6.3 Tiefsetzsteller 185 5.6.4 Hochsetzsteller 187 5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler 188 5.6.6 MPP-Tracker 189 5.7 Akkumulatoren 192 5.7.1 Akkumulatorarten 192 5.7.2 Der Bleiakkumulator 193 5.7.3 Andere Akkumulatortypen 198 5.7.4 Akkumulatorsysteme 200 5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten 203 5.8 Wechselrichter 204 5.8.1 Wechselrichtertechnologie 204 5.8.1.1 Rechteckwechselrichter 205 5.8.1.2 Andere Wechselrichter 209 5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik 209 6 Windkraft 213 6.1 Einleitung 213 6.2 Dargebot von Windenergie 214 6.2.1 Entstehung des Windes 214 6.2.2 Angabe der Windstärke 215 6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen 215 6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe 218 6.3 Nutzung der Windenergie 220 6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung 220 6.3.2 Widerstandsläufer 223 6.3.3 Auftriebsläufer 226
_10 Inhaltsverzeichnis 6.4 Bauformen von Windkraftanlagen 229 6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse 229 6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse 231 6.4.2.1 Anlagenaufbau 231 6.4.2.2 Rotorblattzahl 232 6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche 233 6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung 234 6.4.2.5 Windnachführung 236 6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator 236 6.5 Elektrische Maschinen 237 6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung 238 6.5.2 Drehfeld 241 6.5.3 Synchronmaschine 246 6.5.3.1 Aufbau der Synchronmaschine 246 6.5.3.2 Elektrische Beschreibung der Synchronmaschine 247 6.5.3.3 Synchronisation 250 6.5.4 Asynchronmaschine 251 6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände 251 6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven 252 6.5.4.3 Leistungsbilanz 255 6.5.4.4 Drehzahl-Drehmomentkennlinien und typische Generatordaten 256 6.6 Elektrische Anlagenkonzepte 258 6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung 258 6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung 261 6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis 262 6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren 263 6.7 Netzbetrieb 264 6.7.1 Anlagenertrag 264 6.7.2 Netzanschluss 265 7 Wasserkraft 268 7.1 Einleitung 268 7.2 Dargebot der Wasserkraft 269 7.3 Wasserkraftwerke 272 7.3.1 Laufwasserkraftwerke 272 7.3.2 Speicherwasserkraftwerke 274 7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke 275 7.4 Wasserturbinen 278 7.4.1 Turbinenarten 278 7.4.1.1 Kaplan-Turbine 279 7.4.1.2 Ossberger-Turbine 280 7.4.1.3 Francis-Turbine 280 7.4.1.4Pelton-Turbine 282 7.4.2 Turbinenwirkungsgrad 282 7.5 Weiter technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung 284 7.5.1 Gezeitenkraftwerke,- 284 7.5.2 Meeresströmungskraftwerke 285 7.5.3 Wellenkraftwerke 286
Inhaltsverzeichnis 11 8 Weitere Nutzung regenerativer Energien 288 8.1 Nutzung der Geothermie 288 8.1.1 Geothermievorkommen 288 8.1.2 Geothemische Heizwerke 289 8.1.3 Geothermische Kraftwerke 290 8.2 Wärmepumpen 292 8.2.1 Kompressions-Wärmepumpen 293 8.2.2 Absorptions-Wärmepumpen 295 8.2.3 Adsorptions-Wärmepumpen 296 8.3 Nutzung der Biomasse 297 8.3.1 Vorkommen an Biomasse 297 8.3.1.1 Feste Bioenergieträger 298 8.3.1.2 Flüssige Bioenergieträger 300 8.3.1.3 Gasförmige Bioenergieträger 301 8.3.2 Biomasse-Anlagen 301 8.3.2.1 Biomasse-Heizungen 301 8.3.2.2 Biomasse-Kraftwerke 303 8.3.2.3 Biomasse-Treibstoffe 303 8.4 Brennstoffzellen und Wasserstofferzeugung 304 8.4.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung 304 8.4.2 Brennstoffzellen 306 8.4.2.1 Einleitung 306 8.4.2.2 Brennstoffzellentypen 307 8.4.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten 309 9 Wirtschaftlichkeitsberechnungen 312 9.1 Einleitung 312 9.2 Klassische Wirtschaftlichkeitsberechnungen 313 9.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung 313 9.2.1.1 Kosten einer Photovoltaikanlage 314 9.2.1.2 Kosten einer Windkraftanlage 315 9.2.1.3 Kosten einer solarthermischen Anlage zur Brauchwassererwärmung 317 9.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung 318 9.2.2.1 Kosten einer Photovoltaikanlage mit Kapitalverzinsung 321 9.2.2.2 Kosten einer Windkraftanlage mit Kapitalverzinsung 322 9.2.2.3 Kosten einer Brauchwassererwärmung mit Kapitalverzinsung 322 9.2.3 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien 322 9.2.4 Kosten konventioneller Energiesysteme 323 9.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs 325 9.3.1 Subventionen im Energiemarkt 325 9.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung : 327 9.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden 328 9.3.4 Sonstige externe Kosten 329 9.3.5 Internalisierung der externen Kosten 329 9.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen 331 9.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung 331 9.4.2 Die Verantwortung des Kapitals 332
12 Inhaltsverzeichnis 10 Simulation und die DVD zum Buch 334 10.1 Allgemeines zur Simulation 334 10.2 Die DVD zum Buch 335 10.2.1 Start und Überblick 335 10.2.2 Abbildungen 336 10.2.3 Software 336 10.2.4 Vermischtes 338 Literaturverzeichnis 339 Sachwortverzeichnis 345