Regenerative Energiesysteme: Technologie ; Berechnung ; Simulation ; mit 113 Tabellen und einer DVD
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München
Hanser
2009
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| Ausgabe: | 6., neu bearb. und erw. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Ausführliche Beschreibung Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Literaturverz. S. [382] - 387 |
| Beschreibung: | 397 S. Ill., graph. Darst., Kt. 24 cm 1 DVD (12 cm) |
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Titel: Regenerative Energiesysteme
Autor: Quaschning, Volker
Jahr: 2009
I
Inhaltsverzeichnis
1 Energie und Klimaschutz 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 29
1.5.1 Kernspaltung 29
1.5.2 Kernfusion 32
1.6 Nutzung erneuerbarer Energien 33
1.6.1 Geothermische Energie 35
1.6.2 Planetenenergie 35
1.6.3 Sonnenenergie 36
1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie 36
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 45
2 Sonnenstrahlung 49
2.1 Einleitung 49
2.2 Der Fusionsreaktor Sonne 50
2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde 54
2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen 59
2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel 62
2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene 66
2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene 66
2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene 67
2.6.3 Bodenreflexion 68
2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung 69
2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten 72
2.7.1 Aufnahme der Umgebung 72
2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades 74
2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades 75
2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen 76
2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen 77
2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren 80
2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke 80
8 Inhaltsverzeichnis
2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke 82
2.8.3 Künstliche Sonnen 82
3 Nicht konzentrierende Solarthermie 84
3.1 Grundlagen 84
3.2 Solarthermische Systeme 87
3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung 87
3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung 88
3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen 90
3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf 91
3.2.3 Solare Heizungsunterstützung 93
3.2.4 Solare Nahwärmeversorgung 94
3.2.5 Solares Kühlen 94
3.3 Solarkollektoren 95
3.3.1 Speicherkollektoren 96
3.3.2 Flachkollektoren 98
3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren 101
3.4 Kollektorabsorber 102
3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad 105
3.6 Rohrleitungen 110
3.6.1 Leitungsaufheizverluste 112
3.6.2 Zirkulationsverluste 113
3.7 Speicher 114
3.7.1 Trinkwasserspeicher 115
3.7.2 Schwimmbecken 119
3.8 Anlagenauslegung 121
3.8.1 Nutzwärmebedarf 121
3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad 123
3.8.3 Auslegung von solaren Trinkwasseranlagen 124
3.8.4 Auslegung von Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung 126
3.9 Aufwindkraftwerke 127
4 Konzentrierende Solarthermie 130
4.1 Einleitung 130
4.2 Konzentration von Solarstrahlung 130
4.3 Konzentrierende Kollektoren 133
4.3.1 Linienkollektoren 134
4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie 134
4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad 136
4.3.1.3 Längenausdehnung 140
4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder 140
4.3.2 Punktkonzentratoren 143
4.4 Wärmekraftmaschinen 144
4.4.1 Carnot-Prozess 144
4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess 144
4.4.3 Joule-Prozess 147
4.4.4 Stirling-Prozess 148
4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen 148
4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke 148
4.5.2 Solarturmkraftwerke 153
4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver 154
Inhaltsverzeichnis 9
4.5.2.2 Druck-Receiver 155
4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen 156
4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie 157
4.6 Stromimport 158
5 Photovoltaik 161
5.1 Einleitung 161
5.2 Funktionsweise von Solarzellen 163
5.2.1 Atommodell nach Bohr 163
5.2.2 Photoeffekt 164
5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle 166
5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen 173
5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium 173
5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen 177
5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium 178
5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien 179
5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen 180
5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild 180
5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell) 181
5.4.3 Zweidiodenmodell 183
5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm 184
5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter 185
5.4.6 Temperaturabhängigkeit 188
5.4.7 Parameterbestimmung 191
5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen 192
5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen 192
5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen 193
5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen 197
5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen 198
5.6 Solargenerator und Last 199
5.6.1 Widerstandslast 199
5.6.2 Gleichspannungswandler 200
5.6.3 Tiefsetzsteller 201
5.6.4 Hochsetzsteller 204
5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler 205
5.6.6 MPP-Tracker 206
5.7 Akkumulatoren 208
5.7.1 Akkumulatorarten 208
5.7.2 Bleiakkumulator 209
5.7.3 Andere Akkumulatortypen 213
5.7.4 Akkumulatorsysteme 215
5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten 218
5.8 Wechselrichter 219
5.8.1 Wechselrichtertechnologie 219
5.8.1.1 Rechteckwechselrichter 220
5.8.1.2 Andere Wechselrichter 224
5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik 224
5.9 Planung und Auslegung 229
5.9.1 Inselnetzsysteme 229
5.9.2 Netzgekoppelte Systeme 231
10 Inhaltsverzeichnis
6 Windkraft 235
6.1 Einleitung 235
6.2 Dargebot von Windenergie 236
6.2.1 Entstehung des Windes 236
6.2.2 Angabe der Windstärke 237
6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen 238
6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe 240
6.3 Nutzung der Windenergie 243
6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung 243
6.3.2 Widerstandsläufer 245
6.3.3 Auftriebsläufer 247
6.4 Bauformen von Windkraftanlagen 251
6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse 251
6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse 252
6.4.2.1 Anlagenaufbau 252
6.4.2.2 Rotorblätter 253
6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche 255
6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung 256
6.4.2.5 Windnachführung 258
6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator 259
6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen 260
6.5 Elektrische Maschinen 261
6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung 262
6.5.2 Drehfeld 265
6.5.3 Synchronmaschine 269
6.5.3.1 Aufbau 269
6.5.3.2 Elektrische Beschreibung 270
6.5.3.3 Synchronisation 273
6.5.4 Asynchronmaschine 273
6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände 273
6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven 275
6.5.4.3 Leistungsbilanz 277
6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten 278
6.6 Elektrische Anlagenkonzepte 280
6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung 280
6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung 283
6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis 284
6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren 286
6.6.5 Inselnetzanlagen 286
6.7 Netzbetrieb 287
6.7.1 Anlagenertrag 287
6.7.2 Netzanschluss 288
7 Wasserkraft 290
7.1 Einleitung 290
7.2 Dargebot der Wasserkraft 291
7.3 Wasserkraftwerke 295
7.3.1 Laufwasserkraftwerke 295
7.3.2 Speicherwasserkraftwerke 297
7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke 298
7.4 Wasserturbinen 301
Inhaltsverzeichnis 11
7.4.1 Turbinenarten 301
7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine 302
7.4.1.2 Ossberger-Turbine 303
7.4.1.3 Francis-Turbine 303
7.4.1.4 Pelton-Turbine 304
7.4.2 Turbinenwirkungsgrad 304
7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung 306
7.5.1 Gezeitenkraftwerke 306
7.5.2 Meeresströmungskraftwerke 307
7.5.3 Wellenkraftwerke 308
8 Geothermie 310
8.1 Geothermievorkommen 310
8.2 Geothermische Heizwerke 314
8.3 Geothermische Stromerzeugung 315
8.3.1 Kraftwerksprozesse 315
8.3.2 Geothermische Kraftwerke 317
8.4 Wärmepumpen 319
8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen 319
8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen 321
8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen 322
8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung 323
9 Nutzung der Biomasse 327
9.1 Vorkommen an Biomasse 327
9.1.1 Feste Bioenergieträger 329
9.1.2 Flüssige Bioenergieträger 333
9.1.2.1 Pflanzenöl 333
9.1.2.2 Biodiesel 334
9.1.2.3 Bioalkohole 334
9.1.2.4 Biomass-to-Liquid(BtL)-Brennstoffe 335
9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger 336
9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz 338
9.2 Biomasseanlagen 339
9.2.1 Biomasseheizungen 339
9.2.2 Biomassekraftwerke 342
10 Brennstoffzellen und Wasserstofferzeugung 343
10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung 343
10.2 Brennstoffzellen 346
10.2.1 Einleitung 346
10.2.2 Brennstoffzellentypen 347
10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten 350
11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen 352
11.1 Einleitung 352
11.2 Energiegestehungskosten 353
11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung 353
11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung 354
11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke 355
11.2.1.3 Photovoltaikanlagen 356
12 Inhaltsverzeichnis
11.2.1.4 Windkraftanlagen 356
11.2.1.5 Wasserkraftanlagen 357
11.2.1.6 Geothermieanlagen 358
11.2.1.7 Holzpelletsheizungen 359
11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung 360
11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung 363
11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke 363
11.2.2.3 Photovoltaikanlagen 363
11.2.2.4 Windkraftanlagen 364
11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen 364
11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien 364
11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme 366
11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs 368
11.3.1 Subventionen im Energiemarkt 368
11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung 370
11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden 371
11.3.4 Sonstige externe Kosten 372
11.3.5 Internalisierung der externen Kosten 372
11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen 373
11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung 374
11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals 375
12 Simulation und die DVD zum Buch 377
12.1 Allgemeines zur Simulation 377
12.2 Die DVD zum Buch 378
12.2.1 Start und Überblick 378
12.2.2 Abbildungen 379
12.2.3 Software 379
12.2.4 Vermischtes 380
Literaturverzeichnis 382
Sachwortverzeichnis 388 |
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