Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien
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Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Kapitel „Solarenergie - Angebot“ adam Energiequellen der Erde ca. 33000 . 1018 J Atmosphäre, außen: ca. 5,6.1024 J/a = 100 %, davon ca. 35 % Reflexion ca. 50 % auf Erdoberfläche ca. 1000 . 1018 J/a = 0,02 % ca. 50 . 1018 J/a = 0,001 % ca. 4,4.1024 J inkl. Brütertechnologie (Uran, Thorium, H2, etc.) ca. 350 . 1018 J/a = 0,006 % Nutzung ca. 100 . 1018 J/a = 0,002 % Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997 adam Solarangebot 1 Jährliche Globalstrahlung, weltweite Verteilung ¾ 800 - 2500 kWh/m2a auf horizontale Flächen ¾ Unterschiede durch unterschiedliche Bedeckungshäufigkeit und Länge des Strahlungsweges durch die Atmosphäre (Å atmosphärischer Einstrahlwinkel, geodätische Höhe) Quelle: Roth, 1999 adam Jährliche Globalstrahlung BRD Jahresmittelwerte 1982 - 1991 Unterschiede von Jahr zu Jahr: • Standardabweichung =±5% • Max-Min-Abweichung = ± 10 % Süd-/Nordgefälle durch Unterschiede in atmosphärischem Einstrahlwinkel (47...55° Breitengrad) und Bedeckungshäufigkeit Sondereinflüsse: • Kontinentalklima in Ostdeutschland • Bedeckungshäufigkeit auf den Nordseeinseln [kWh/m2a] Quelle: Meliß Praktikum, 1997 adam Solarangebot 2 Jahresgang der Globalstrahlung (Monatsmittelwerte 1961-1990) ΔĠG,Monatsmittel: max. ± 30 % Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997 adam Tagesgang der Globalstrahlung 21. Juni Stundenmittlere Leistung [W/m2] auf senkrecht zur Sonne ausgerichtete Fläche 21. Dezember Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997 Unterschiede: Õ Tageslänge Õ Strahlungsweg Õ Atmosphäreninhalt v.a. Bedeckung wolkenloser Himmel Æ zufälliger Anteil vollständig bedeckter Himmel Æ vorhersehbarer Anteil adam Solarangebot 3 Jährliche Globalstrahlung NRW auf horizontale Flächen D : Düsseldorf D 920 940 960 980 1000 1020 kWh/ m2a Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW adam Jährliche Globalstrahlung NRW auf beliebig ausgerichtete Flächen Fazit: Einbußen an solarer Einstrahlung bei nicht ganz optimaler Ausrichtung sind nur gering Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW adam Solarangebot 4 Globalstrahlung in NRW im Sommer-/ Winterhalbjahr Sommer Winter (April bis September) (Oktober bis März) D D auf horizontale Flächen kWh/m20,5a kWh/m20,5a auf beliebig ausgerichtete Flächen Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW adam Globalstrahlung auf unterschiedlich nach Süden geneigte Flächen im Jahresverlauf n=30° n=0° n=60° maximale Tageswerte bei wolkenlosem klarem Himmel n: Neigungswinkel gegen die Horizontale n=90° Fazit: • optimaler Neigungswinkel = f (Jahreszeit) • Verglaste Südfassaden sind im Sommer bzgl. Raumüberhitzung vergleichsweise unkritisch (kritisch sind Dachfenster und Ost- bzw. Westverglasungen Quelle: Meliß Praktikum, 1997 adam Solarangebot 5 Globalstrahlung = Direkt- plus Diffusstrahlung Diffusstrahlung = in Atmosphäre gestreute und reflektierte Sonnenstrahlung + von Umgebung reflektierte Strahlung z.B. von Gebäuden, Wasserflächen + atmosphärische Gegenstrahlung (von Molekülen aufgrund vorheriger Absorption) Anteil Diffusstrahlung in der BRD: > 60% Quelle: Solaratlas NRW adam Solarstrahlung - Abschwächung in der Atmosphäre 90 % von λ = 0,3 ... 1,5 μm 1320 (Juli)... 1420 (Januar) W/m2 Õ außermittige Ellipsenbahn der Erde um die Sonne Õ Inhaltsstoffe in der Atmosphäre Õ Länge des Strahlungsweges (Breitengrad, Jahreszeit) Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997 adam Solarangebot 6 Übung: Sonneneinstrahlung und Flächenorientierung Analysieren Sie mit Hilfe der Daten aus dem "Solaratlas für Nordrhein-Westfalen" für den Standort Düsseldorf folgende Sachverhalte bezüglich der solaren Globalstrahlung: Wie groß ist die jährliche Globalstrahlung • auf eine horizontale Fläche, z.B. ein Flachdach • auf eine Nordwand, eine Ost- bzw. Westwand und eine Südwand • auf ein nach Südosten ausgerichtetes Dach mit 30° Neigung • auf eine optimal ausgerichtete und geneigte Fläche, um die maximal mögliche jährliche Globalstrahlung zu erzielen. Geben Sie die dazu gehörige optimale Ausrichtung und Neigung an. Um wie viel Prozent kann die maximale jährliche Globalstrahlung auf eine Fläche erhöht werden, wenn eine einfache "Sonnennachführung" in der Art erfolgt, dass die Flächenneigung Anfang April auf das Optimum im Sommerhalbjahr und Anfang Oktober auf das Optimum im Winterhalbjahr verändert wird. Lösungen: ca. 980-990 kWh/m2a; ca. 325, 590, 830 kWh/m2a; ca. 1085 kWh/m2a; ca. 1160 kWh/m2a, südlich ausgerichtet, 37° geneigt; ca. 25 kWh/m²a bzw. 2 % adam Übung: Begriffe, Einheiten, Umrechnungen 1. Skizzieren Sie qualitativ einen Tagesverlauf der Globalstrahlungs-Leistung 2. Erläutern Sie anhand der Skizze die Begriffe „Globalstrahlungs-Leistung“, „Globalstrahlungs-Summe“ und „tagesmittlere Globalstrahlungs-Leistung“! 3. Ermitteln Sie aus dem Bild „Jahresgang der Globalstrahlung (Monatsmittelwerte Würzburg)“ überschlägig die Jahres-Globalstrahlungssumme auf eine horizontale Fläche GG,a,horiz. in kWh/m2a ! 4. Berechnen Sie aus der Globalstrahlungssumme von 100 kWh/m2Monat • die über einen Monat gemittelte Leistung (= monatsmittlere Leistung) in W/m2 • die über einen Tag gemittelte Leistung (= tagesmittlere Leistung) in W/m2 unter der Annahme, dass an jedem Tag die gleiche Globalstrahlungssumme herrscht • die über einen Tag gemittelte Leistung in [W/m2] in den 14 Stunden zwischen Sonnenauf- und Sonnenuntergang, ebenfalls unter der Annahme, dass an jedem Tag die gleiche Globalstrahlungssumme herrscht Lösungen: Bild; ca. 1100 kWh/m2a; 139 W/m2; 139 W/m2; 238 W/m² adam Solarangebot 7