Table Of ContentVolker Quaschning
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Volker Quaschning D i
Regenerative Energiesysteme nsi
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Die Nutzung erneuerbarer Energien ist einer der wichtigsten Bausteine e Regenerative
bei der Bekämpfung des Treibhauseffekts und anderer negativer Aus - m
wirkungen der heutigen Energieversorgung.
Die 7., aktualisierte Auflage dieses Lehrbuchs behandelt die gesamte e Energiesysteme
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Bandbreite der regenerativen Energiesysteme und geht auch auf die
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Problematik der heutigen Energieversorgung sowie zukünftige Ent -
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wicklungstendenzen ausführlich ein. Verfahren zur Wirtschaftlichkeits -
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berechnung werden erläutert und einer kritischen Prüfung unterzogen. Technologie – Berechnung – Simulation
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Zahlreiche Berechnungsbeispiele und Grafiken veranschaulichen die
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verschiedenen Technologien und Berechnungsverfahren. Diese Auflage Prof. Dr.-Ing. habil. Volker
ist durchgehend farbig gestaltet. Quaschningarbeitet seit r
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Dieses Standardlehrbuch ist geeignet für Studierende an Fachhoch- vielen Jahren in verschiede-
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schulen, Technischen Hochschulen und Universitäten sowie für Wissen- nen Bereichen der regenera-
schaftler und Ingenieure in Forschung und Industrie. tiven Energien im In- und E
Ausland. Heute lehrt und
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Die DVD zum Buch forscht er im Fachgebiet
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enthält eine umfangreiche Sammlung von Demo-Programmen und »Regenerative Ener gie -
DVD i
Vollversionen zur Simulation regenerativer Energiesysteme. systeme« an der Hochschule t
für Technik und Wirtschaft a
Die Abbildungen des Buches im elektronischen Format, zusätzliche
(HTW) Berlin. r
Fotos sowie eine benutzerfreundliche Navigationshilfe machen die
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DVD zu einer wertvollen Ergänzung.
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Die Website
www.volker-quaschning.debietet eines der größten unabhängigen g
Informationsangebote zu regenerativen Energien und Klimaschutz. e
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www.hanser.de
€39,90[D] | €41,10[A] 7., aktualisierte Auflage
ISBN 978-3-446-42732-7
9 783446 427327
Wichtige Konstanten
Elektronenruhemasse m = 9,1093897·10−31 kg
e
Protonenruhemasse m = 1,6726231·10−27 kg
p
atomare Masseneinheit u = 1,660565·10−27 kg
Elementarladung e = 1,60217733·10−19 A s
magn. Feldkonstante μ = 4π·10−7 V s /(A m)
0
elektrische Feldkonstante ε = 8,85418781762·10−12 A s/(V m)
0
Boltzmann-Konstante k = 1,380658·10−23 J/K
Stefan-Boltzmann-Konstante σ = 5,67051·10−8 W/(m2 K4)
Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c = 2,99792458·108 m/s
Planck´sches Wirkungsquantum h = 6,6260755·10−34 J s
Faraday-Konstante F = 96485 As/mol
Solarkonstante E = 1360,8 ± 0,5 W/m²
0
Oberflächentemperatur der Sonne T = 5777 K
Sonne
spezifische Ausstrahlung der Sonne M = 63,3 MW/m²
e,S
Divergenz des Sonnenlichts α = 0,53° = 0,0093 rad
D
maximaler Konzentrationsfaktor C = 46211
max
Betz’scher Leistungsbeiwert c = 16/27 = 0,59259
P,Betz
Wichtige englische und US-amerikanische Einheiten
Länge 1 ft (foot) = 12 in (inch) = 1/3 yd (yard) = 0,3048 m
Länge 1 mile = 1760 yd = 1609,344 m
Masse 1 lb (pound) = 16 oz (ounce) = 0,45359237 kg
Volumen 1 gal (gallon) = 231 in³ = 3,7854345 l
Volumen (Erdöl) 1 ptr.bbl (petroleum barrel) = 42 ptr.gal (petroleum gallon) = 158,9873 l
Temperatur ϑ (in °F, Grad Fahrenheit) = 9/5 · ϑ (in °C, Grad Celsius) + 32
F
Leistung 1 h.p. (horse-power) = 745,7 W
Druck 1 inHg (inch Quecksilbersäule) = 25,4 mmHg = 3 386,3788 Pa
Energie 1 Btu (British thermal unit) = 1,05505585262 kJ = 0,000293071 kWh
Bestrahlung 1 ly (langley) = 1 cal/cm² = 4,1868·104 J/m² = 0,01163 kWh/m²
Volker Quaschning
Regenerative Energiesysteme
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Volker Quaschning
Regenerative
Energiesysteme
Technologie – Berechnung – Simulation
7., aktualisierte Auflage
mit 280 farbigen Bildern, 113 Tabellen und einer DVD
Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wur-
den nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz
auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-
Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag
übernehmeninfolgedessenkeineVerantwortungundwerdenkeinedarausfolgendeodersons-
tigeHaftungübernehmen,dieaufirgendeineArtausderBenutzungdiesesProgramm-Materials
oderTeilendavonentsteht.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
wärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften.
DasfürdiesesBuchverwendeteFSC®-zertifiziertePapierArcticVolumeWhite,liefertArcticPaperMunkedalsAB,Schweden
BibliografischeInformationderDeutschenNationalbibliothek
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschen
Nationalbibliografie;detailliertebibliografischeDatensindimInternet
überhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
ISBN:978-3-446-42732-7
E-Book-ISBN:978-3-446-42944-4
DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.
AlleRechte,auchdiederÜbersetzung,desNachdruckesundderVervielfältigungdesBuches,
oderTeilendaraus,vorbehalten.KeinTeildesWerkesdarfohneschriftlicheGenehmigungdes
VerlagesinirgendeinerForm(Fotokopie,MikrofilmodereinanderesVerfahren),auchnichtfür
Zwecke der Unterrichtsgestaltung – mit Ausnahme der in den §§ 53, 54 URG genanntenSon-
derfälle–,reproduziertoderunterVerwendungelektronischerSystemeverarbeitet,vervielfältigt
oderverbreitetwerden.
©2011HanserVerlagMünchen
Internet:http://www.hanser.de
Lektorat:MirjaWerner,M.A.
Herstellung:Dipl.-Ing.FranziskaKaufmann
Coverconcept:MarcMüller-Bremer,www.rebranding.de,München
Coverrealisierung:StephanRönigk
DruckundBindung:Kösel,Krugzell
PrintedinGermany
Vorwort
Die zunehmende Umweltzerstörung wird in Umfragen stets unterden ersten inder Zu-
kunft zu lösenden Problemen genannt. Zahlreiche Folgen wie der Treibhauseffekt oder
das Waldsterben gelten neben anderen Erscheinungen als Auswirkungen der heutigen
Energieversorgung. Verschiedene erneuerbare Energieträger ermöglichen dagegen, un-
serenEnergiebedarfmitdeutlichwenigerEingriffeninNaturundUmweltzudecken.
DiesesFachbuchistinersterLiniefürStudierende,PersonenimForschungsbereichoder
andere technisch Interessierte gedacht. Neben der Beschreibung der Technologie von
wichtigen erneuerbaren Energiesystemen werden Berechnungs- und Simulationsmög-
lichkeiten dargestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Technologien mit einem großen
EntwicklungspotenzialwieSolarthermie,PhotovoltaikundWindenergie.
BeschäftigtmansichmitderThematikdererneuerbarenEnergien,istesnahezuunmög-
lich,dieFragenderTechnikvonProblemenderheutigenEnergieversorgungundvonge-
sellschaftspolitischen Hintergründen zu trennen. Es muss somit an dieser Stelle immer
ein Kompromiss für die Darstellung der Thematik gefunden werden. Für ein Fachbuch
mit technischem Schwerpunkt besteht die Verpflichtung, sich sachlich neutral mit den
Technologienzubeschäftigen.DersubjektiveEinflussdesAutorslässtsichhierbeijedoch
niemalsvollständigvermeiden.BereitsdurchdieThemenwahl,diePräsentationvonDa-
tenodergeradedienichtbehandeltenThemenwerdenMeinungengeprägt.
AusdiesenGründenwirdbeidiesemBuchbewusstdaraufverzichtet,technologischeAs-
pekte von auftretenden Problemen und dem gesellschaftspolitischen Hintergrund zu
trennen.VielmehrgehörtesauchzudenAufgabenderIngenieurwissenschaften,sichmit
denFolgenderNutzungderentwickeltenTechnologieauseinanderzusetzen.
InTechnikerkreisenwirdoftdieweitverbreiteteMeinunggeäußert,dassdieTechnikan
sicheigentlichkeinenegativenFolgenverursachenkann.NurderEinsatzspeziellerTech-
nologienführezunegativenEffekten.EsistjedochderMenschheitgegenüberunverant-
wortlich, sich für technische Innovationen nur um der Technik Willen zu interessieren.
Oftmals sind die Auswirkungen neuer oder auch schon lange bekannter Technologien
nurschwereinzuschätzen.GeradeausdiesemGrundbestehtfüralle,dieanderEntwick-
lungundNutzungeinerTechnikbeteiligtsind,dieVerpflichtung,negativeFolgenkritisch
einzuschätzen und vor möglichen Schäden rechtzeitig zu warnen. Um dieser Verpflich-
tung gerecht zu werden, versucht dieses Buch neben einer sachlichen Darstellung der
FaktenstetsauchaufmöglicheschädlicheKonsequenzenhinzuweisen.
Nach meiner Erfahrung im Ausbildungsbereich beschäftigt sich ein Großteil der Perso-
nen,dieeinInteressefürTechnologienimBereichdererneuerbarenEnergienzeigen,be-
6 Vorwort
wusst auch mit den Fragen der Folgen herkömmlicher Technologien. Eine Verknüpfung
von technischen mit gesellschaftspolitischen Inhalten wird meist ausdrücklich ge-
wünscht. Aus diesem Grund werden in diesem Buch nicht nur Fragen der Technologie,
sondern im ersten und elften Kapitel auch Probleme der Energiewirtschaft bewusst an-
gesprochen. Hierbei wird Wert darauf gelegt, die Aussagen stets mit aktuellem Zahlen-
material objektiv zu untermauern. Ziel ist es, Aspekte und Fakten zu liefern, mit denen
sichdieLeserinnenundLeserihreigenesUrteilbildenkönnen.
AndieserStelledankeichallen,diemitinhaltlichenundgestalterischenAnregungenzum
EntstehendiesesBuchesbeigetragenhaben.
BesondersmotivierthabenmichauchdiezahlreichenGesprächeundDiskussionenwäh-
rendderErstellungdesBuches.Siehabenmirgezeigt,dassessichgeradebeidenüber
die technischen Probleme hinausgehenden Fragestellungen um wichtige Themen han-
delt,die oft ignoriert werden,denn sie stellen nicht selten unsere bisherige Handlungs-
weise in Frage. Eine Lösung ist schwierig, kann aber dennoch gefunden werden. Hierzu
sind konstruktive Diskussionen ein erster Schritt, und ich hoffe, dass dieses Buch einen
Beitraghierzuleistenwird.
Berlin,imJanuar1998 VolkerQuaschning
Vorwort zur siebten Auflage
Das große Interesse für die ersten Auflagen dieses zum Standardlehrbuch gewordenen
Fachbuchs und die positive Resonanz haben gezeigt, dass sich das Themengebiet der
regenerativen Energien in einem großen Aufschwung befindet und dass vor allem auch
dieindiesemBuchgewählteVerknüpfungvonTechnik,SimulationundkritischenFrage-
stellungen von den Leserinnen und Lesern gewünscht wird. Das Unglück in Fukushima
hat uns auf bedrückende Weise gezeigt, dass dringend ein Wechsel in unserer Energie-
versorgungerfolgenmuss.DieindiesemBuchbeschriebenenTechnologienundMöglich-
keitenlieferndieBasisfüreinenachhaltige,vollständigregenerativeVersorgung.
Die dritte Auflage dieses Buchs ist unter dem Titel „Understanding Renewable Energy
Systems“ auch auf Englisch im Earthscan Verlag erschienen und wurde außerdem ins
Arabische übersetzt. Diese siebte Auflage wurde erneut vollständig aktualisiert und
geringfügig ergänzt. Die DVD zum Buch enthält sämtliche farbigen Abbildungen sowie
eine umfangreiche Sammlung an Simulationsprogrammen aus dem Bereich der regene-
rativenEnergien.
Trotz sorgfältiger Prüfung lassen sich kleinere Fehler und Unstimmigkeiten in einem
Fachbuchnurseltenvölligvermeiden.EinbesondererDankgiltdeshalballen,diemitei-
ner entsprechenden Mitteilung dazu beigetragen haben, diese zu beseitigen. Nicht zu-
letzt möchte ich meiner Familie, Freunden und Kollegen für die Unterstützung bei der
ErstellungdesBuchesdanken.EinbesondererDankgiltdemCarlHanserVerlagundsei-
nen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für die sehr gute Zusammenarbeit der letzten
Jahre.
Berlin,imJuli2011 Prof.Dr.VolkerQuaschning
HochschulefürTechnikundWirtschaftBerlin
www.volker-quaschning.de
Inhaltsverzeichnis
1 EnergieundKlimaschutz.................................................................................13
1.1 DerBegriffEnergie................................................................................................................13
1.2 EntwicklungdesEnergiebedarfs...........................................................................................18
1.2.1 EntwicklungdesWeltenergiebedarfs......................................................................18
1.2.2 EntwicklungdesEnergiebedarfsinDeutschland.....................................................20
1.3 ReichweitekonventionellerEnergieträger...........................................................................23
1.4 DerTreibhauseffekt..............................................................................................................24
1.5 KernenergiecontraTreibhauseffekt.....................................................................................29
1.5.1 Kernspaltung...........................................................................................................29
1.5.2 Kernfusion...............................................................................................................33
1.6 NutzungerneuerbarerEnergien...........................................................................................33
1.6.1 GeothermischeEnergie...........................................................................................35
1.6.2 Planetenenergie......................................................................................................35
1.6.3 Sonnenenergie........................................................................................................36
1.6.3.1 NutzungderdirektenSonnenenergie..............................................................36
1.6.3.2 NutzungderindirektenSonnenenergie...........................................................39
1.7 KünftigerEnergiebedarfundKlimaschutz.............................................................................43
1.7.1 EntwicklungdesweltweitenEnergiebedarfs..........................................................43
1.7.2 InternationalerKlimaschutz....................................................................................45
1.7.3 KlimaschutzinDeutschland....................................................................................47
2 Sonnenstrahlung.............................................................................................50
2.1 Einleitung..............................................................................................................................50
2.2 DerFusionsreaktorSonne.....................................................................................................51
2.3 SonnenstrahlungaufderErde..............................................................................................55
2.4 BestrahlungsstärkeaufderHorizontalen.............................................................................60
2.5 SonnenpositionundEinfallswinkel.......................................................................................63
2.6 BestrahlungsstärkeaufdergeneigtenEbene.......................................................................67
2.6.1 DirekteStrahlungaufdergeneigtenEbene............................................................67
2.6.2 DiffuseStrahlungaufdergeneigtenEbene.............................................................68
2.6.3 Bodenreflexion........................................................................................................69
2.6.4 StrahlungsgewinndurchNeigungoderNachführung.............................................70
2.7 BerechnungvonAbschattungsverlusten..............................................................................73
2.7.1 AufnahmederUmgebung.......................................................................................73
2.7.2 BestimmungdesdirektenAbschattungsgrades......................................................75
2.7.3 BestimmungdesdiffusenAbschattungsgrades......................................................76
2.7.4 GesamtermittlungderAbschattungen....................................................................77
2.7.5 OptimalerAbstandbeiaufgeständertenSolaranlagen...........................................78
8 Inhaltsverzeichnis
2.8 SolarstrahlungsmesstechnikundSonnensimulatoren..........................................................81
2.8.1 MessungderglobalenBestrahlungsstärke.............................................................81
2.8.2 MessungderdirektenundderdiffusenBestrahlungsstärke..................................83
2.8.3 KünstlicheSonnen...................................................................................................83
3 NichtkonzentrierendeSolarthermie................................................................85
3.1 Grundlagen...........................................................................................................................85
3.2 SolarthermischeSysteme......................................................................................................88
3.2.1 SolareSchwimmbadbeheizung...............................................................................88
3.2.2 SolareTrinkwassererwärmung................................................................................89
3.2.2.1 Schwerkraft-oderThermosiphonanlagen.......................................................91
3.2.2.2 AnlagenmitZwangsumlauf.............................................................................92
3.2.3 SolareHeizungsunterstützung................................................................................94
3.2.4 ReinsolareHeizung.................................................................................................95
3.2.5 SolareNahwärmeversorgung..................................................................................96
3.2.6 SolaresKühlen.........................................................................................................97
3.3 Solarkollektoren....................................................................................................................98
3.3.1 Speicherkollektoren................................................................................................99
3.3.2 Flachkollektoren....................................................................................................101
3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren....................................................................................104
3.4 Kollektorabsorber...............................................................................................................105
3.5 KollektorleistungundKollektorwirkungsgrad.....................................................................108
3.6 Rohrleitungen.....................................................................................................................113
3.6.1 Leitungsaufheizverluste........................................................................................115
3.6.2 Zirkulationsverluste...............................................................................................116
3.7 Speicher..............................................................................................................................117
3.7.1 Trinkwasserspeicher..............................................................................................118
3.7.2 Schwimmbecken...................................................................................................122
3.8 Anlagenauslegung...............................................................................................................124
3.8.1 Nutzwärmebedarf.................................................................................................124
3.8.2 SolarerDeckungsgradundNutzungsgrad.............................................................126
3.8.3 SolareTrinkwasseranlagen....................................................................................127
3.8.4 AnlagenzursolarenHeizungsunterstützung.........................................................129
3.8.5 ReinsolareHeizung...............................................................................................130
3.9 Aufwindkraftwerke.............................................................................................................131
4 KonzentrierendeSolarthermie......................................................................133
4.1 Einleitung............................................................................................................................133
4.2 KonzentrationvonSolarstrahlung......................................................................................133
4.3 KonzentrierendeKollektoren..............................................................................................136
4.3.1 Linienkollektoren...................................................................................................137
4.3.1.1 KollektorartenundKollektorgeometrie.........................................................137
4.3.1.2 KollektornutzleistungundKollektorwirkungsgrad.........................................139
4.3.1.3 Längenausdehnung........................................................................................143
4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder........................................................................143
4.3.2 Punktkonzentratoren............................................................................................146
4.4 Wärmekraftmaschinen.......................................................................................................147
4.4.1 Carnot-Prozess......................................................................................................147
4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess......................................................................................147
4.4.3 Joule-Prozess.........................................................................................................150
4.4.4 Stirling-Prozess......................................................................................................151
