SoSe16 Regenerative Energiequellen

1. Monokristalline: n=bis 15%
   1. geringer Flächenbedarf
   2. homogenes Äußeres
2. Polykristalline: n= 10-14,5%
   1. unregelmäßige Struktu der Zellen
   2. Marktanteil 40%
3. Dünnschichtzellen (amorph, CIS, CdTe): 7-10%
   1. großer Flächenbedarf
   2. gute Erträge auch bei diffuser Sonne
   3. günstige Produktion

• wie bei allen Halbleiter: Spannung-Leistung-Kennlinie
  • Abhängigkeit von
    • Umgebungstemp.
    • Energieeinstrahlung
• Maximum Power Point (MPP)
• MPP für höhere Temp. kommt niedriege Spannung
  -> Wirkungsgrad der Zelle nimmt ab (auch bei konst. Einstrahlung)
• für guten n
  • aufwendige Regeleinrichtungen zur Nachführung des MPP
  • Anpassung der Spannung 
• Stromstärke ist direkt proportional zur Beleuchtungsstärke
• Bei Erwärmung sinkt die Spannung der Solarzelle

optische und elektr. Verluste

• nur ein Teil Photonenenergie kann in elekt. Energie umwandeln
• Leistungsstarke Photonen bewirken zwar eine Ladungstrennung, aber überschüssige Energie in Wärme umgesetzt
• Leistungsschwache Photonen können keine Ladungstrennung auslösen - vollständige Umwandlung in Wärme
• n praktisch 10-19%

• Ursachen:
  • Gitterfehler
  • Kristallverunreinigungen
  • solare Erwärmung der Solarzelle (Sommer und Wüste)
  • witterungsabhängigkeit (Wolken: 5-25% der max. möglichen)

1. höchste Reinheit
2. höchste kristallografische Qualität
3. Neue Materialien
   1. durch andere Materialien (zb Galliumarsenid) kann n gesteigert werden, aber trotzdem <50%
4. _{Tandem- oder Stapelzellen}
   1. _{für breiteres Strahlungsspektrum unterschiedliche Halbleitermaterialien mit Eignung für verschiedene Spektralbereiche, übereinander angeordnet}
5. _{Konzentratorzellen}
   1. _{Verwendung von Spiegel- und Linsensys. -> höhere Lichtintensität mit Nachführung der Sonne}
6. Antireflexschicht
   1. Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten
   2. Zelloberfläche in Pyramidenstruktur -> einfallendes Licht mehrfach auf Oberfläche
7. _{MIS-Inversionsschicht-Zellen}
   1. _{innere elektr. Feld nicht durch p-n-Übergang, sondern durch Übergang dünnen Oxidschicht zu einem Halbleiter}

MW-Bereich: Inselanlagen vs. Netzgekoppelte PVKraftwerke
jeweils mit und ohne Speicher

• dezentrale Anlagen
  • kundeneigene Anlagen mit Leistungen bis zu 10kW
  • Eigenversorgung; Überschuss-Strom ins Netz; Fehlbedarf aus Netz
• zentrale Anlagen
  • EVU-eigene Anlagen mit Leistungen > 100 kW
  • Einspeisung ins Mittel-oder Hochspannungsnetz

• Bindeglied: Solargenerator und Wechselstromnetz
• Funktionen und Aufgaben:
  • Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechsel (AC)
  • Arbeitspunktanpassung Wechselrichter/Solargenerator
  • Datenerfassung und Signalisierung
  • Schutzeinrichtungen (zB. Netzüberwachung)

• Lufthülle der Erde ist Gasgemisch (78% Stickstoff, 21% Sauerstoff)
• Windkraft ist indirekte Nutzung de Sonnenenergie
• Erwärmung der Luftmassen in der Atmosphäre
• Dichte- und Druckgradienten entstehen durch Sonneneinstrahlung, die die Luft regioinal unterschiedlich erwärmt
  -> Wind ist Ausgleichsströmung der Luft zw. Regionen unterschiedlichen Luftdrucks
• großräumige Ausgleichsströmungen zw. Äquator und den Polen durch Strahlungsüberangebot am Äquator
• Beeinflussunug der Windsysteme durch Coriolis-Kraft 

• eine Schein- bzw. Trägheitskraft
• Bsp. wenn Person auf Karussell, dann zusätzlich zur Zentrifugalkraft eine seitwärts gerichtete Kraft
• Corioliskraft verantwortlich, dass Luftmassen um Hochdruckgebiete auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn und Tiefdruck gg. Uhrzeigersinn bewegen

• lokale Windsys. aufgrund Topographie
  • Berg-Tal (Tunel-Effekt oder Hügel-Effekt)
  • Land-See
  • Windströmungen sind Träger kinetischer Energie
    • beinhaltet zwar auch potentielle, aber nur E_k tech. umsetzbar
  • aufgrund Wasseroberfläche Wind praktisch ungebremst
    • Land tagübser stärker erwärmt
    • Land nachtsüber kühlt schneller ab
  • aufgrund Oberflächenreibung nimmt Windgeschwindkeiten zum Boden hin ab
    • Lee: Wind abgekehrte Seite, Windschatten
    • Luv: Wind zugekehrte

Lee-Läufer: (alle neueren Anlagen sind Luv)

• Windrichtungsnachführung nötig
• geringerer Abstand zw. Rotor und Turm
• Hauptvorteil: Ausweichgung des Windschatten hinter dem Turm
• Lärmemission und Leistungsschwankungen (bedingt durch verwirbelte Strömungen im Turnschatten)

• üblichste Sensor, um Windgeschwindkeiten zu messen
• Widerstandsprinzip

• meteorologische Daten der 30 Jahren in From e. Windrose
• Nutzung von Beschleunigungseffekte (Tunnel und Hügel)
• Großstädte: Rauhigkeitsklasse (4), Energieindex (13%) -> Meer (0), (100)

• Massestrom vor und hinter der WKA konstant
• dem Wind entnommene Leistung kann aus der Differenz ader Windgeschwi. bestimmt werden
• Windgeschw. in  Höhe der Windturbine ergibt sich zu: v=1/2(v₁+v₂)
• Differenz der kin. Energie vor und hinter dem Windrad pro Zeiteinheit
  • v2/v1=1/3
• max ausnutzbare Leistung des (theo.) Windes: 
  • Leistungsbeiwert nach Betz: 0,593
• gute Anlagen heute bei 0,5

• Umwandlung kin. Energie in Rotationsenergie:
  • Widerstandsprinzip (c_w=Widerstandskoeffizient: Maß Luftwiderstand eines Körpers - je geringer desto geringer)
    • Stromlinienkörper
    • max. Leistungsbeiwert = 0,193, deswegen heute kaum Anwendung)
    • langsamläufer und funkt. bei niedrigen Windgeschw.
  • Auftriebsprinzip
• Umwandlung Rotationsenergie in elekt. Energie im Generator

• auch Tragflügelprinzip
• Fläche Oberseite des Flügels größer als Unterseite
  • Luft an Oberseite muss schneller bewegen als an Unterseite
  • dadurch an Unterseite ein Überdruckbereich und an Oberseite Unterdruckbereich
• Projektionsfläche: t*r
  • Rotorspanntiefe t
  • Rotorradius r
• auch beim Auftriebsläufer gibt es Widerstandskraft
  • jedoch ist solche kleiner (F_A>F_W)
  • Gleitzahl= Fa/Fw -> gute bis 400
  • je größer Gleitzahl, desto geringer Luftwiderstandverluste -> schneller das Blatt -> höherer Wirkungsgrad

V_A=wurzel aus v^2+u^2

• V = Windgeschw.
• U = Umfangsgeschw.
• Schnelllaufzahl lambda = u/v
  • zw. 6-10 am höchster Leistungsbeiwert
  • erreichen 2- und 3-Blatt-Rotoren
  • 3-Blatt laufen optisch ruhiger und geringere mech. Belastung
  • allgemein bei mech. Belastung bei ungerader Zahl geringer

Resultierende Kraft Fr aus vektorieller Addition von Fa und Fw
Fr=Fw+Fa

• Zerlegung von Fr in Tangentialkomponente Frt und Axialkomponente Fra
  • Frt: verursacht Drehung des Rotors
  • Fra: Schubkraft

• Anstellwinkel alpha: Auftriebs- und Widerstandsbeiwert stark von davon abhängig
• ca. alpha < 10°
• Blatteinstellwinkel (Pitch-Winkel) zur Leistungsregulierung genutzt

WEA mit horizontaler und vertikaler Achse

• vertikale Achse: schlechte Leistungsausbeute und schlechtes Anlaufverhalten
  • aber dafür keine nachführung nötig
• horizontale Achse:
  • bis 7,5 MW Leistung
  • Rotorblätter, Rotornabe, Rotorbremse und Blattverstellmechanismus
  • Generator und Getriebe
  • Windmesssystem, Windnachführung (Azimutverstellung, Giermotoren)
  • Gondel, Turm und Fundament
  • Elektr. Schaltanlage, Transformator, Regelung und Netzanschluss
  • Nachführung bei wechselnder Windrichtung erforderlich (Azimut)
  • Leistungssteuerung durch Verdrehen der Rotorblätter (Pitch)
  • durch Änderung des Anstellwinkels konstante Drehzahl mögl.

Bremse

• Investkosten: 70% Anlagekosten
• innerhalb 20 Jahre um 100fache gesteigert (ca. 6000 kW Nettleistung)
  • 2008: Rotordurchmesser: 126m und Nabehöhe: 135m
• Betriebsbereiche:
  • Stillstand (keine Regelung)
  • Erreichung Nennpunkt (keine Regelung)
  • Erzeugung konst. Leistung (Regelung)
  • zu hohe Windgeschw. (Regelung)
• Regelungen müssen getroffen werde, damit Generator nicht überlastet wird.
  • Stall und Pitch-Regelung

• Leistungsbegrenzung durch Strömungsabriss
• Abriss der Strömung am Rotorblatt (Stall) bei hohen Geschw. (v>14 m/s)
  -> Design -> Erzeugung von Turbulenzen am Rotorblatt (abgewandten Rotorblattseite)
• Strömungsabriss verringert Auftriebskraft auf das Rotorblatt und erhöht entsprechend Widerstandskraft
  -> Rotorblatt wird langsamer

• Blatteinstellwinkel-Regelung für größere WEA
• Regulierung des Blatteinstellwinkels im Breich 0°-30°
  -> Regulierung der Auftriebskraft eines Rotorblattes
• Leistungsbeiwert steigt mit Anstellwinkel alpha
  (kleiner Anstellwinkel -> neidrige Auftriebskraft -> kleine Leistung) 
• Bei Pitch von 90° (Fahnenstellung) steht Anlage still
• Pitch als Primärsbremssystem, nur noch Notbremse erforderlich

• Gravity Foundation, Monopile, Tripod, Jacket, Tripile depending on water depth
• Umspannwerk BorWin
  • Bauzeit: 26 Monate
  • Zugang nur 6 Wochen
• Leerrohrverlegung auf Norderney
  • Zukunftsplanung aber auch Kapitalbindung

• Nord- und Ostsee durch hohe Windgeschw. und geringe Meerestiefe
• +hohe Volllaststunden (=3400h / WKon: 1700h / PV: 1000h von mögl. 8760)
• +konstante hohe mittlere Wingeschw. (20% höher als an Land)
• +weniger Turbulenzen
• +Aufstellplätze ohne Beschränkungen (Optik, Schall, Straßen, Städte)

• robustere Konstruktion erforderlich (Salzwasser, Schiffkollision)
• Höhere Errichtungs und Wartungskosten
• Erschwerter Zugang bei schlechter See
• schwierigere Netzanbindung
•  

• Itaipu (Paraguay 14GW) und Drei-Schluchten-Kraftwerk  (Nennleistung 22,5 GW)
• Strom-Boje: ist eine Kleinstkraftwerk im Flusslauf
  • mit Generator im Unterwasserbereich der Boje
•  

• Wasserkraft ist dargebotabhängig
  -> Schwankungen innerhalb eines Jahres und verschiedener Jahre
• Charakterisierung des Fließverhaltens
  • Abfluss Q (Volumenstrom des Wassers)
  • Pegelstand W (Höhe der Wasseroberfläche)
• Definition: Wassermenge pro Zeiteinheit, die ein Wasserlauf an einem bestimmten Punkt führt
• Wasserdargebot abhängig von Art und Größe des Einzugsgebiets und von zeitlicher Verteilung der Niederschläge sowie dem Schmelzwasseraufkommen
• Durch Mittelung Abflussdauerlinien mehrerer Jahre erhält man die "Abflussdauerlinie für da Regeljahr"

• Höhenunterschied: Ober und Unterwasserspiegel des Stauwerks
• Errichtung durch:
  • Aufstauung des Oberwassers
  • Absenkung des Unterwassers
  • Umleitung des Wassers
• aufgrund Reibungsverlusten etc. ist Nutzfallhöhe kleiner Kraftwerksfallhöhe

• Sonneneinstrahlung bewirkt natürl. Wasserkreislauf, in dem ca. 22% der insgesamt auf die Erde eingestrahlten Energie umgesetzt wird
• Mit Verdunstung verleiht Sonne dem mit der Luft aufsteigenden Wasserdampf potentielle Energie
  -> Wasserdampftransport -> Niederschlag
• ohne tech. Nutzung wird potentielle Energie des Wasser in den Wasserläufen durch Erosionswirkung im Flussbett und durch Wirbelwirkung "aufgezehrt"
• Energiegehalt abhängig von: Volumen und Höhe
• ca 25% technisch nutzbar
• in Europa ausgeschöpft, aber weltweit noch unerschlossene Potentiale

• Früher: Nutzung ober- und unterschlächteiger Wasserräder
• Nutzung potentieller Energie: m*g*h
• Heute: Strömungsmaschinen
  • gerichtete Geschwin. in den "Leitschaufeln"
  • Abagabe Energie durch Änderung der Geschwin. (Betrag und Richtung) an die "Laufschaufeln"
  • + hoher Wirkungsgrad
  • + hohe Drehzahl
  • + große Leistung

• vollbeaufschlagte Überdruckturbine
• mit axialer Zuströmungsrichtung des Wassers ins Laufrad
• Flügelzahl abhängig von auszunutzenden Fallhöhe: 3-8
• bis 25m Fallhöhe
• bei stark schwankender Wasserführung zum Teil bis ca. 100m
• Sonderform: Propellerturbine (nicht anpassungsfähig)

• entwickelt aus Kaplanturbine
• horizontaler Einbau zur Vermeidung der Umlenkverluste
• platzsparend -> landschaftliche Einpassung
• niedriege Fallhöhen als Kaplanturbine

• vollbeaufschlagte Überdruckturbine
• Wasser strömt am Laufradumfang gleichmäßig mit radialer Zuströmungsrichtung des Wassers in das Laufrad
• Typen von Francisturbinen
  • Langsamläufer: kleine Wassermengen bei großen Gefällen
  • Normalläufer
  • Schnellläufer: große Wassermengen bei kleinen Gefällen
• Einsatzbereich: 50-800m
• kann auch als Pumpe arbeiten