Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen
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| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer Vieweg
2012
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| Schriftenreihe: | Lehrbuch
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IMAGE 1
B M L H A D L T
1 ENERGIEBEDARF 1
1.1 WELTWEITE ENTWICKLUNG DES ENERGIEBEDARFS, ENERGIERESSOURCEN 1 1.2
AUSWIRKUNGEN DES ENERGIEBEDARFS 3
1.3 ENERGIEFORMEN,-TRAEGER UND-UMWANDLUNGSPROZESSE, EXERGIE-ANERGIE 7 1.4
BEDARFSDIAGRAMME DEUTSCHLAND-WIRTSCHAFTLICHE UEBERLEGUNGEN 11 1.5
ENERGIEPREISE, ERNEUERBARE ENERGIENGESETZ (EEG), KYOTO-PROTOKOLL,
EMISSIONSHANDEL " 17
1.6 ERNEUERBARE ENERGIEN (EE) IN DEUTSCHLAND 20
LITERATUR 21
2 SONNE 23
2.1 EINLEITUNG SONNE 24
2.2 FUSIONSREAKTION IN DER SONNE - SONNE ALS ENERGIEQUELLE 24
2.3 AUFBAU DER SONNE 26
2.3.1 BLICKWINKEL DER SONNE, LEUCHTDICHTENVERTEILUNG UEBER DER
SONNENSCHEIBE 27
2.3.2 SOLARKONSTANTE, GLOBALSTRAHLUNG, DIREKTE UND DIFFUSE EINSTRAHLUNG
28
2.3.3 SPEKTRUM DER EXTRATERRESTRISCHEN STRAHLUNG 30
2.3.4 SCHWAECHUNGSMECHANISMEN IN DER ATMOSPHAERE 34
2.3.5 TECHNISCHE BERECHNUNG DER SCHWAECHUNG IN DER ATMOSPHAERE 41 2.3.6
RAEUMLICHE UND ZEITLICHE VARIATION DER SOLARSTRAHLUNG 44 2.3.7
DIREKTSTRAHLUNG AUF HORIZONTALE ODER GENEIGTE FLAECHEN 51 2.3.8 TAGES-,
JAHRESSUMMEN DER EXTRATERRESTRISCHEN EINSTRAHLUNG
AUF UNTERSCHIEDLICH AUSGERICHTETE FLAECHEN 53
2.3.9 EINSTRAHLUNGSRICHTUNG AUF NACHGEFUEHRTE FLAECHEN 58
2.3.10 EINSTRAHLUNGSRICHTUNG DER DIFFUSEN STRAHLUNG 61
2.3.11 TYPISCHE WERTE DER GLOBALSTRAHLUNG 71
2.3.12 EINSTRAHLUNG BEI BEWOELKUNG - STATISTISCHE VERFAHREN 72 2.4
TERRESTRISCH NUTZBARE SOLARSTRAHLUNG, STRAHLUNGSBILANZ DER ERDE 78
LITERATUR 81
IX
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IMAGE 2
X
INHALT
3 EINFLUSS DER KONZENTRATION AUF SOLARTHERMISCHE SYSTEME 83
3.1 ABGRENZUNG ZWISCHEN AKTIVER UND PASSIVER SOLARTHERMIE 83
3.2 KOLLEKTOREN 85
3.2.1 KOLLEKTORARTEN UND TYPISCHE EINSATZTEMPERATUREN 85
3.3 PRINZIPIELLER AUFBAU EINES KOLLEKTORS 89
3.4 WIRKUNGSGRAD NICHTKONZENTRIERENDER SOLARKOLLEKTOREN 91
3.5 KONZENTRIERENDE SYSTEME 100
3.5.1 KOLLEKTORWIRKUNGSGRAD KONZENTRIERENDER SYSTEME 102 3.5.2 BEDEUTUNG
UND GRENZEN DES KONZENTRATIONSVERHAELTNISSES 105 3.5.3 MAXIMALE
ABSORBERTEMPERATUR 107
3.5.4 GEOMETRISCHE NACHFUEHRUNGSASPEKTE 110
3.5.5 NICHT-ABBILDENDE KONZENTRATOREN 112
3.5.6 LINEAR-ABBILDENDE KONZENTRATOREN - PARABOLRINNEN 118 3.5.7
REFLEKTORBEDINGTE GRENZEN DES KONZENTRATIONSVERHAELTNISSES 119 3.5.8
KONZENTRATIONSBEDINGTE TECHNISCHE NUTZUNGSFELDER 122 LITERATUR 124
4 PASSIVE MECHANISMEN IN DER SOLARENERGIE 125
4.1 PASSIVE TRANSPORTVORGAENGE UND ANWENDUNG IN DER SOLARTHERMIE 126 4.2
ARTEN DER WAERMEUEBERTRAGUNG 128
4.3 WAERMELEITUNG IN FLUIDEN UND FESTKOERPERN 131
4.3.1 STATIONAERE WAERMELEITUNG IN FLUIDEN UND FESTKOERPERN 132 4.3.2
INSTATIONAERE WAERMELEITUNG IN EINEM KONTINUUM 141
4.3.3 ANWENDUNG DER WAERMELEITUNG IN DER GEBAEUDETECHNIK 153 4.3.4
MOLEKULARE WAERMELEITUNG 157
4.4 STRAHLUNGSWAERMETRANSPORT 168
4.4.1 EMISSION, ABSORPTION UND REFLEXION 169
4.4.2 KIRCHHOFF'SCHES STRAHLUNGSGESETZ 172
4.4.3 STRAHLUNGSAUSTAUSCH ZWISCHEN KOERPERN 175
4.4.4 STRAHLUNGSAUSTAUSCH ZWISCHEN GRAUEN, DIFFUS STRAHLENDEN
UNENDLICHEN FLAECHEN 182
4.4.5 STRAHLUNGSAUSTAUSCH ZWISCHEN SCHWARZ STRAHLENDEN, ENDLICH GROSSEN
FLAECHEN 184
4.4.6 STRAHLUNGSAUSTAUSCH ZWISCHEN GRAU STRAHLENDEN, ENDLICH GROSSEN
FLAECHEN 189
4.4.7 STRAHLUNG IN ANWESENHEIT DER SONNE 194
4.5 STRAHLUNGSTRANSPORT IN TRANSPARENTEN MEDIEN 195
4.5.1 REFLEXION, SNELLIUSSCHES-BRECHUNGSGESETZ UND TOTALREFLEKTION 195
4.5.2 POLARISATION, FRESNEL'SCHE FORMELN UND BREWSTER WINKEL 200 4.5.3
TRANSMISSION UND REFLEXION IN TRANSPARENTEN MEDIEN 210 4.5.4 URSACHEN
DER ABSORPTION UND REFLEXION
IN TRANSPARENTEN MEDIEN 217
4.5.5 TECHNISCHE MANIPULATION DES STRAHLUNGSTRANSPORTS IN TRANSPARENTEN
KOERPERN 223
IMAGE 3
INHALT XI
4.5.6 VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG DUENNER, SELEKTIVER SCHICHTEN 230
4.5.7 FENSTER 238
4.5.8 TRANSPARENTE WAERMEDAEMMUNG 245
4.6 SELEKTIVE ABSORBER 252
4.6.1 ANFORDERUNGEN AN EINEN SELEKTIVEN ABSORBER 252
4.6.2 AUFBAU SELEKTIVER ABSORBER 253
4.6.3 ABSORBERSCHICHTEN FUER DIE ANWENDUNG IM VAKUUM 258 4.6.4 NIEDER- U.
MITTELTEMPERATURABSORBERSCHICHTEN IN LUFT/VAKUUM 259
4.6.5 ABSORBERSCHICHTEN FUER HOCHTEMPERATURANWENDUNGEN 263 4.6.6
DEGRADATIONSMECHANISMEN SELEKTIVER ABSORBERSCHICHTEN 267 LITERATUR 269
5 IMPULS- UND ENERGIETRANSPORT IN SOLARTHERMISCHEN SYSTEMEN 273
5.1 KOLLEKTORSTILLSTAND 274
5.2 EINPHASIGER KONVEKTIVER IMPULS- UND WAERMETRANSPORT 278
5.2.1 ERHALTUNGSGLEICHUNGEN 281
5.2.2 AEHNLICHKEITSGESETZE DER STROEMUNGSMECHANIK 286
5.2.3 LAMINARER IMPULSAUSTAUSCH 289
5.2.4 GRENZSCHICHTGLEICHUNGEN 292
5.2.5 LAMINARER ENERGIEAUSTAUSCH 295
5.2.6 STROEMUNGS- UND WAERMEUEBERGANGSPARAMETER 298
5.2.7 THERMISCHE RANDBEDINGUNGEN 300
5.2.8 LAMINARE WAERMEUEBERTRAGUNG IN ROHREN 301
5.2.9 TURBULENTER IMPULSAUSTAUSCH 309
5.2.10 TURBULENTER ENERGIEAUSTAUSCH 318
5.2.11 ANALOGIE ZWISCHEN WAERME- UND IMPULSTRANSPORTPARAMETERN 319 5.2.12
VERFAHREN UND MODELLIERUNGSANSAETZE ZUR NUMERISCHEN BERECHNUNG 320
5.2.13 ANWENDUNG LOKALER FLUIDDYNAMISCHER BERECHNUNGEN IM KOLLEKTOR 323
5.2.14 ENTSCHEIDUNG ZWANG-, MISCH- ODER AUFTRIEBSBEHAFTETE KONVEKTION
326
5.2.15 INGENIEURTECHNISCH OFT VERWENDETE EINPHASIGE
WAERMEUEBERGANGSBEZIEHUNGEN 332
5.3 MEHRPHASIGER IMPULS- UND ENERGIEAUSTAUSCH 337
5.3.1 WAERMEUEBERGANG BEIM SIEDEN 337
5.3.2 BEHAELTERSIEDEN 346
5.3.3 ERSCHEINUNGSFORMEN DES ROHRSIEDENS 349
5.3.4 KENNGROESSEN DER ZWEIPHASENSTROEMUNG 353
5.3.5 HOMOGENES MODELL DER ZWEIPHASENSTROEMUNG 357
5.3.6 SCHLUPFMODELL 358
5.3.7 DRUCKVERLUSTBERECHNUNG IN EIN- U. MEHRPHASENSTROEMUNGEN 359
IMAGE 4
XII
INHALT
5.3.8 STROEMUNGSFORMENKARTEN 367
5.3.9 WAERMEUEBERGANG BEIM PHASENWECHSEL 370
5.3.10 INSTABILITAETEN DER ZWEIPHASENSTROEMUNG 372
5.3.11 KONDENSATION IN ROHRLEITUNGEN 375
LITERATUR 383
6 SOLARTHERMISCHE NIEDERTEMPERATURSYSTEME 387
6.1 BERECHNUNG SOLARTHERMISCHER NIEDERTEMPERATURSYSTEME 388 6.2
NIEDERTEMPERATURKOLLEKTORVARIANTEN 391
6.2.1 ROEHRENABSORBER 392
6.2.2 FLACHKOLLEKTOR 393
6.2.3 VAKUUMKOLLEKTOR 397
6.2.4 WEITERE KOLLEKTORVARIANTEN 402
6.3 SYSTEMSIMULATION SOLARTHERMISCHER SYSTEME 407
6.3.1 ENERGIEFLUSS BEI PLUG-FLOW-MODELLIERUNG 408
6.3.2 FEHLERANALYSE IN SYSTEMSIMULATIONEN 410
6.3.3 SOLARKOLLEKTORMODELLIERUNG 413
6.4 AUFBAU SOLARTHERMISCHER NIEDERTEMPERATURSYSTEME 417
6.4.1 THERMOSIPHONANLAGEN 418
6.4.2 ZWANGSUMLAUFSYSTEME, KOMPONENTEN DES SOLARKREISES 421 6.4.3
PLANUNG, DIMENSIONIERUNG UND KONZEPTION VONNIEDERTEMPERATURSOLARSYSTEMEN
443
6.4.4 VERRINGERUNG UND VERMEIDUNG VON STILLSTANDSSITUATIONEN 455 6.4.5
SYSTEMKONZEPTE SOLARTHERMISCHER NIEDERTEMPERATURANLAGEN 471 LITERATUR
483
7 SOLARTHERMISCHE HOCHTEMPERATURSYSTEME 487
7.1 KLASSIFIZIERUNG VON SOLARKRAFTWERKEN 488
7.2 SOLARTURMANLAGEN 490
7.3 PARABOLRINNENKRAFTWERKE 496
7.4 FRESNELKRAFTWERKE 503
7.5 SPIEGEL UND SPIEGELFELDAUSLEGUNG 506
7.5.1 STRAHLUNGSDICHTEVERTEILUNG DER SONNE-ZIRKUMSOLARSTRAHLUNG 508
7.5.2 GEOMETRISCHE VERLUSTE AM EINZELSPIEGEL 510
7.5.3 GEOMETRISCHER VERLUSTE AM SPIEGELVERBAND 512
7.5.4 OPTISCHE, MATERIALSPEZIFISCHE UND ABSORPTIONSVERLUSTE 515 7.5.5
BERECHNUNGSGRUNDLAGEN ZUR ERMITDUNG DES RECEIVERERTRAGS 517 7.6
AUFWINDKRAFTWERKE 525
7.6.1 FUNKTIONSPRINZIP EINES AUFWINDKRAFTWERKS 525
7.6.2 LEISTUNG UND WIRKUNGSGRAD EINES AUFWINDKRAFTWERKS 527 7.6.3
KOMPONENTEN DES AUFWINDKRAFTWERKS 529
7.7 SOLARPOND 541
7.7.1 PHYSIKALISCHE WIRKUNGSWEISE DES SOLARPONDS 541
IMAGE 5
INHALT XIII
7.7.2 MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG DES SOLARTEICHS
UND DER RANDBEDINGUNGEN 542
7.7.3 STABILITAETSUEBERLEGUNGEN UND VERTIKALE GRENZFLAECHENBEWEGUNG IN
SOLARTEICHEN 548
7.7.4 VERFAHREN ZUR THERMISCHEN AUSSPEICHERUNG DER WAERME 549 7.7.5
OPERATIVE UND TECHNISCHE MASSNAHMEN ZUM BETRIEB EINES SOLARPONDS 552
7.8 ENERGIEWANDLUNGSPROZESSE 554
7.8.1 ENERGIEWANDELNDE KREISPROZESSE 555
7.8.2 CARNOT PROZESS, AUSWIRKUNG IRREVERSIBLER VORGAENGE 557 7.8.3
JOULE-BRAYTON-PROZESS (GASTURBINENPROZESS) 562
7.8.4 CLAUSIUS-RANKINE-PROZESS (DAMPFPROZESS) 567
7.8.5 KOMBINIERTE PROZESSE-GUD 573
7.8.6 ALTERNATIVE KREISPROZESSE, ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC), KALINA
PROZESS 575
7.8.7 KOPPLUNG SPIEGELFELD- ENERGIEKONVERSION, FOSSIL-SOLARE
HYBRIDKRAFTWERKE 584
7.8.8 KOSTENSTRUKTUREN UND OPTIONEN SOLARTHERMISCHER KRAFTWERKE 588
LITERATUR 591
8 ENERGIESPEICHER 595
8.1 ENERGIEINHALT UND ANFORDERUNGEN AN SPEICHER 595
8.2 AUSLEGUNGSVERHAELTNIS SOLARTHERMISCHER KRAFTWERKE 598
8.3 DIREKTE THERMISCHE SPEICHER 599
8.3.1 FLUESSIGE SPEICHERMEDIEN 599
8.3.2 SPEICHERKAPAZITAET 601
8.3.3 ARTEN FLUESSIGER THERMISCHER ENERGIESPEICHERSYSTEME 603 8.3.4
THERMISCHE SPEICHER MIT FESTEM SPEICHERMEDIUM 607
8.4 LATENTWAERMESPEICHER 609
8.5 REAKTIONSSPEICHER 611
8.5.1 KATALYTISCHE REAKTIONEN 611
8.5.2 THERMISCHE DISSOZIATIONSREAKTIONEN 612
8.5.3 ADSORPTIONSVORGAENGE 613
8.6 NIEDERTEMPERATURSPEICHER 619
8.6.1 NIEDERTEMPERATURSPEICHERARTEN 621
8.6.2 THERMISCHE ANFORDERUNGEN AN WAERMESPEICHER 627
8.6.3 TEMPERATURSCHICHTUNG INNERHALB DES SPEICHERS 629
LITERATUR 634
9 SOLARE KLIMATISIERUNG 637
9.1 KUEHLUNG UND KLIMATISIERUNG 637
9.2 BEWERTUNGSGROESSEN VON KAELTE- UND KLIMAPROZESSEN 640
9.3 RAUMKLIMA, BEHAGLICHKEIT UND KUEHLLAST 642
IMAGE 6
XIV INHALT
9.4 BESTIMMUNG DER KUEHLLEISTUNG 645
9.5 SOLARE KUEHLVERFAHREN 645
9.6 KAELTE- UND KLIMATISIERUNGSPROZESSFUHRUNG 647
9.6.1 IDEALE KOMPRESSIONSKAELTEMASCHINE, CARNOT'SCHER VERGLEICHSPROZESS
647
9.6.2 REALE KOMPRESSIONSKAELTEMASCHINE UND KAELTEMITTELWAHL 650 9.6.3
THERMISCH GETRIEBENE KAELTEMASCHINEN (SORPTIONSKAELTEMASCHINEN) 652
9.7 BEWERTUNG DER KLIMATISIERUNG 668
LITERATUR 672
ANHANG A BERECHNUNG VON WAERMEUEBERTRAGERN 675
SACHVERZEICHNIS 695 |
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