Regenerative Energien
Kurs "Regenerative Energien" an der RUB von Prof. Wagner: Kontrollfragen
Kurs "Regenerative Energien" an der RUB von Prof. Wagner: Kontrollfragen
Kartei Details
| Karten | 70 |
|---|---|
| Lernende | 12 |
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Technik |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 15.01.2018 / 11.11.2019 |
| Weblink |
https://card2brain.ch/box/20180115_regenerative_energien
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Was ist der Unterschied zwischen Brutto- und Nettoleistung eines Kraftwerks?
Die Bruttoleistung ist die Leistung, die die Generatoren des Kraftwerks erzeugen.
Die Nettoleistung ist die Bruttoleistung abzgl. des Eigenverbrauchs des Kraftwerks - also die Leistung, die an das Netz abgegeben wird.
Erklären Sie die Begriffe "Ausnutzungsdauer", "Benutzungsgrad" und "Capacity-Factor"!
Ausnutzungsdauer = Volllaststundenzahl: Zeit, die ein Kraftwerk unter Nennleistung laufen müsste, um die gleiche Menge Energie zu gewinnen, die es tatsächlich im betrachtetem Zeitraum (i.d.R. 1 Jahr) erzeugt hat.
Benutzungsgrad = Capacity-Factor: Gibt an, wie viel Prozent der Nennleistung die Anlage fiktiv konstant über ein ganzes Jahr laufen müsste um die gleiche Menge Energie zu erzeugen, die es tatsächlich erzeugt hat: Ausnutzungsdauer/8760h
Welche Energieträger werden vorwiegend in der Grundlaststromerzeugung eingesetzt, welche in der Spitzenlaststromerzeugung? Wie groß ist die Ausnutzungsdauer in diesen beiden Bereichen in etwa?
Grundlast: Kohlekraftwerke, Kernkraftwerke, Laufwasserkraftwerke (6.000-8.000h/a)
Spitzenlast: Gasturbinen- und Pumpspeicherkraftwerke (<1.000 h/a)
Was bezeichnet man in der Elekrizitätswirtschaft als gesicherte Leistung, was als ungesicherte Leistung? Nennen Sie jeweils zwei Beispiele!
Gesichert: Es ist weit im Voraus planbar, wann und wie viel Leistung zur Verfügung steht (z.B. Kohle- und Kernkraftwerke)
Ungesichert: Nur bedingt und gar nicht planbar (z.B. Wind- und Sonnenanlagen)
Warum wird die elektrische Energie auf möglichst hohem Spannungsniveau so nah an den Verbraucher herangeführt wie möglich?
Um Verluste durch Widerstände der Leitungen zu verringern. Für die Leistungsverluste gilt: P ~ 1/U2
Was ist die Ursache dafür, dass in einem elektrischen Netz zu jeder Zeit die eingespeisten und verbrauchten Wirk- und Blindleistungen ausgeglichen sein müssen? Welche Größen werden hierzu als Regelgrößen verwendet?
Wird mehr Wirkleistung verbraucht als eingespeist, fällt die Netzfrequenz und umgekehrt -> Regelgröße: Netzfrequenz
Durch die Blindleistung entstehen Ströme im Netz, die wiederum zu Verlusten auf den Leitungen führen und das Netz unnötig belasten -> Regelgröße: Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung (cos(phi)) - Idealfall: phi = 0 -> cos(phi) = 1
An welche Spannungsebene muss beispielweise ein kleiner Windenergiepark, in dem drei 1,5 MW Windenergiekonverter installiert sind, angeschlossen werden? Begründen Sie Ihre Antwort!
An das Mittelspannungsnetz. Je nach Gegebenheiten im Bereich 10-30kV.
Der Anschluss an das Hochspannungsnetz (110kV) ist meistens zu teuer.
Der Anschluss an das Niederspannungsnetz (400/230V) ist nicht möglich, da dieses die eingespeiste Leistung bei üblichen Leitungsquerschnitten nicht übertragen kann + zu große Spannungsschwankungen bei unterschiedlicher Einspeisung.
Was sind die Unterschiede zwischen diffuser und direkter Strahlung, was bezeichnet man als Globalstrahlung und was als maximale Einstrahlung?
Direkte Einstrahlung ist parallel einfallende Strahlung. Diffuse Strahlung kommt aus mehreren Richtungen. Nur die direkte Strahlung ist konzentrierbar.
Globalstrahlung ist der Überbegriff dieser beiden Arten und wird auf der Horizontalen gemessen.
Maximale Einstrahlung ist die direkte und diffuse Einstrahlung, bei der am meisten Leistung übertragen wird. Sie wird auf einer Fläche senkrecht zur direkten Einstrahlung gemessen.
Wie groß ist die Globalstrahlung im Mittelwert in Deutschland pro Jahr? Welche Ausnutzungsdauer (Volllaststundenzahl) ergibt sich daraus rechnerisch für die Nutzung der eingestrahlten Solarenergie?
Globalstrahlung ca. 1.000 kWh/(m2/a).
Bei einer maximalen Einstrahlung von 1 kW/m2 ergibt sich eine Volllaststundenzahl von 1.000 h.
Wie soll eine thermische Flachkollektoranlage in unseren Breiten ausgerichtet werden, um optimal Sonnenenergie für die Warmwasserbereitung zu nutzen?
Elevation von etwa 30° und eine azimutale Ausrichtung nach Süden.
Durch eine leichte Verschiebung Richtung Westen, kann die Sonnenenergie der späten Nachmittagsstunden für die benötigte Warmwasseraufbereitung und Verwendung in den Abendstunden. -> Zeit zwischen Energieaufnahme und Verwendung wird verkürzt.
Warum eignen sich der Mittelmeerraum und der Südwesten der USA besser für die Aufstellung solarthermischer Anlagen als Mitteleuropa?
- dort ist der Anteil an direkter Strahlung viel höher
- solarthermische Anlagen können nur direkte Strahlung zur Stromerzeugung nutzen
2200 kWh/m2a Globalstrahlung bei 80 % Direktstrahlung in Kalifornien
1000 kWh/m2a Globalstrahlung bei 40 % Direktstrahlung in Deutschland
Liegt Deutschland weiltweit gesehen in einem Gebiet mit gutem Windenergieangebot oder eher zu einem Gebiet mit schlechtem bis mittelmäßigem Windenergieangebot?
In Deutschland ist das Windenergieangebot durch seine Lage in der Westwindzone überdurchschnittlich gut.
Skizzieren Sie den Verlauf der Windgeschwindigkeit mit der Höhe und was folgt daraus für die Nutzung der Windenergie?
Die Windgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Höhe. Umso höher die Windräder umso mehr Energiepotenzial.
Ein Windenergiekonverter ist so ausgelegt, dass er bei einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s eine elektrische Leistung von 200 kW hat. Welche elektrische Leistung hat dieser Windenergiekonverter bei sonst gleichen Betriebsumständen, wenn die Windgeschwindigkeit 8 m/s beträgt?
1600 kW, da die Windenergie mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ansteigt.
1.) Welche der angeführten Techniken sind technisch erprobt und werden im energiewirtschaftlichen Maßstab angewendet?
2.) Und welche existieren bisher nur auf dem Papier bzw. in der Grundlagenforschung im Labor?
1.) Geothermisches Kraftwerk, Geothermisches Heizwerk, Laufwasserkraftwerk, Windenergiekonverter, Wärmepumpenanlagen, Biomassekraftwerke, Biomassekonversionsanlagen, Holz-Strohöfen, Solarzelle, Thermischer Kollektor, Thermisches Kraftwerk, Gezeitenkraftwerk
2.) Gletschereiskraftwerke, Fotolyseeinrichtungen
Was sind die Gründe dafür, dass die Absorber selektiv beschichtet werden?
Man möchte möglichst viel der eingestrahlten Energie im Absorber aufnehmen und wenn sich der Absorber erwärmt möglichst wenige Abstrahlungsverluste haben.
Welchen Einfluss hat eine selektive Beschichtung auf den Absorptionskoeffizienten und den Emissionskoeffizienten?
Der Absorptionskoeffizient steigt und der Emissionskoeffizient fällt.
Unterschiedliche Wellenlängen: Abstrahlung liegt überwiegend im roten bis infraroten Bereich, die Einstrahlung im sichtbaren Bereich. Die selektive Absorber-Beschichtung muss also möglichst viel sichtbares Licht absorbieren und möglichst wenig infrarote Wärmestrahlung emittieren.
Wie ist das Konzentrationsverhältnis C definiert? Welche für die Praxis wichtige Temperatur kann über das Konzentrationsverhältnis ausgerechnet werden?
Aperturfläche durch die Fläche des Sonnenbildes im Fokus.
Mit dem Konzentrationsverhältnis lässt sich die durch Lichtbündelung erreichbare Temperatur berechnen (theoretisch maximale Absorbertemperatur).
Welche Kühlmittel werden in Turmkraftwerken erprobt? Welche Vor- und Nachteile haben sie?
1. Natrium: Hohe Wärmekapazität, starke Reaktion mit Wasser, brennt an Luft, korrosiv, Schmelzpunkt über 50 °C
2. Luft: billig, einfach, kleine Wärmekapazität, nicht speicherbar
3. Salzlösung: billig, mittlere Wärmekapazität, bekannte Eigenschaften, korrosiv
4. Wasser/Dampf: billig, gute Wärmekapazität, bekannte Eigenschaften, hohe Drücke
Welche unterschiedlichen Absorber für solarthermische (Turm-)Kraftwerke sind gebaut worden?
Offene Absorber: Höhe = ca. 14m; d = ca. 7m; Ptherm = 40 MW
Volumetrische Absorber: 21m x 19m; Ptherm = 115 MW bei Lufttemperatur = 750 °C
Was ist der weltweite Stand der Entwicklung und Markteinführung von Solarturmkraftwerken?
Es wurden bis heute eine Reihe von verschiedenen Solarturmkraftwerken erprobt. Die Technik steht an der Grenze der Marktreife.
Welche geometrischen Abmessungen (Größenordnung) hat ein offener Absorber für eine Leistung von rd. 40 MW? Welche elektr. Leistung kann aus der thermischen Leistung gewonnen werden?
Höhe = 14m; d = 7m
Bei Wirkungsgrad = 15%: Ptherm = 40 MW -> Pelektr = 6 MW
Erklären Sie die Energiebilanz des Kollektorelements (ein- und ausgehende Energieströme) einer Solarrinne!
Eingehend: Einstrahlung auf das Glasrohr geht zum größten Teil durch, ein kleiner Teil wird reflektiert. Absorption des größten Teils der eingestrahlten Energie im Absorberrohr.
Ausgehend: Reflexion am Glasrohr außen, Wärmestrahlung des Absorbers wird zum Teil weder am Glasrohr auf den Absorber zurückreflektiert, abgeführte Wärme über das Kühlmittel
Was ist gemeint, wenn von dem so genannten "cos-Faktor" im Zusammenhang mit Solarfarmanlagen gesprochen wird?
Um diesen Faktor unterscheiden sich die Aperturfläche und für die Aufstellung der Anlage benötigte Bodenfläche, um sicherzustellen, dass sich die Kollektoren nicht gegenseitig abschatten. Diser Faktor wird kleiner 1, wenn das Sonnenlicht nicht senkrecht auf den Boden auftritt. In unseren Breiten (Ausrichtung des Kollektors unter 30° nach Süden) werden mindestens 2m2 Bodenfläche pro m2 Absorberfläche benötigt.
Was ist die Besonderheit gewesen, die zum Aufbau der weltweit größten Solarkraftanlagen in Kalifornien Anfang und Mitte der 80er Jahre geführt hat?
Das Steuergesetz erlaubte es, dass man die Steuern, die man eigentlich an den Staat entrichten musste, einfach in Solaranlagen investieren konnte. Diese Steuersparmöglichkeitwurde von vielen Leuten genutzt. Zudem wurden neue Kraftwerkskapazitäten zur Stromerzeugung für die Klimaanlagen gebraucht.
Warum werden in Solar-Dishes-Anlagen Stirlingmotoren zum Antrieb des elektrischen Generators verwendet? Was ist der technische Stand dieser Entwicklung?
Stirlingmotoren können von außen zugeführte thermische Energie direkt in mechanische Energie umwandeln. Sie unterliegen nicht dem Carnot-Kreisprozess und können bei Betrieb mit hohen Temperaturen daher verhältnismäßig hohe Wirkungsgrade erzielen. Solar-Dishes-Anlagen arbeiten mit Paraboloid-Spiegeln und erreichen wegen deren hohem Konzentrationsverhältnis hohe Temperaturen.
Diese Motoren sind technisch entwickelt aber noch nicht im Markt eingeführt.
Welche Gesamtwirkungsgrade können in Solarfarm- und Solarturmanlagen erreicht werden (elektr. Energie zur Solareinstrahlung)?
Die Gesamtwirkungsgrade betragen etwa 10-20 % mit flachem temperaturabhängigem Optimum.
Ist bei einer Öltemperatur von etwa 400 °C in Solarfarmanlagen das Optimum erreicht oder sollen Entwicklungen in Richtung höherer Temperaturen unternommen werden? Begründen Sie Ihre Antwort!
Es müssen temperaturbeständigerer Öle oder andere Kühlmittel entwickelt werden um über 400 °C hinauszugehen, damit der Wirkungsgrad erhöht werden kann. Der Carnotprozess erzielt einen besseren Wirkungsgrad bei höheren Temperaturen. Allerdings nehmen insbesondere die Spiegelverluste zu. Deshalb dürfte ein Anstieg der Temperatur über 500 °C keine Vorteile mehr bringen.
Was sind die Vor- und Nachteile einer Darrieus-Vertikalachsenkonverters und eines Horizontalachsenkonverters?
Darrieus-Vertikalachsenkonverter: pos.: einfache Bauform -> billig; neg.: nah am Boden -> wenig Leistung; laut
Horizontalachsenkonverter: pos.: höher -> mehr Leistung; neg.: aufwendige Konstrukton -> teuer
Was ist der physikalische Zusammenhang zwischen der Windgeschwindigkeit, der Rotorfläche und der kinetischen Energie des Windes?
E = 0,5 AR * Dichte von Luft * v3 * t
Die Rotorfläche geht linear ein, die Windgeschwindigkeit kubisch
Was bezeichnet man als den Leistungsbeiwert? Welchen Wert kann der Leistungsbeiwert maximal einnehmen? Wie bezeichnet man diese Zahl?
Der Leistungsbeiwert gibt den Anteil der im Wind enthaltenen kinetischen Energie an, die als mechanische Energie auf den Rotor übertragen werden kann. Der maximale Leistungsbeiwert beträgt:
cp,max = 0,593 (= Betz-Zahl)
cp = PRotor / 0,5 * Dichte der Luft * A * v3
Wie unterscheiden sich Schnell- und Langsamläufer hinsichtlich ihres Leistungsbeiwertes und hinsichtlich ihres Momentenbeiwertes? Kann ein Schnellläufer mit mechanisch angekoppelter Wasserpumpe unter Last anlaufen?
cm = cp / Lambda(s)
Schnellläufer haben einen großen Leistungsbeiwert (etwa 0,35 - 0,5) und einen kleinen Momentenbeiwert (etwa 0,07 - 0,12).
Langsamläufer haben einen kleinen Leistungsbeiwert (etwa 0,19 - 0,35) und einen großen Momentenbeiwert (etwa 0,2 - 0,6).
Ein Schnellläufer kann nicht unter Last anlaufen, ein Langsamläufer schon.
Wie sind der Anstellwinkel (alpha) und der Blatteinstellwinkel (beta) definiert? Welcher Winkel wird durch eine Pitch-Blattverstellung beeinflusst?
Der Anstellwinkel (alpha) ist der Winkel zwischen der Profilsehne und der relativen Anströmgeschwindigkeit.
Der Blatteinstellwinkel (beta) ist der Winkel zwischen der Rotorebene und der Profilsehne.
Der Blatteinstellwinkel (beta) wird durch die Pitch-Steuerung eingestellt. Durch die Regelung von beta wird alpha indirekt geregelt. alpha = arctan(v0/u) * beta
Aus konstruktiver Sicht: Welche Kräfte treten an einem Rotor auf, in welche Richtung wirken sie?
Schwerkraft: wirkt nach unten
Fliehkraft: wirkt radial
Tangentialkraft: liegt in der Rotorebene, bewirkt Drehmoment
Axialkraft: liegt senkrecht zur Rotorebene, bewirkt Achskraft
Zusätzlich können noch Kräfte durch unvollständigen Massenausgleich (Umwuchten) auftreten.
Was sind die Gründe dafür, dass ein Rotorblatt konstruktiv von der Nabe bis zur Flügelspitze in sich gebogen ist?
Damit alpha im optimalen Bereich gehalten werden kann, da die Umlaufgeschwindigkeit von der Nabe zur Blattspitze zunimmt und sich damit alpha im Geschwindigkeitsdreieck verändert.
Wie ist die Gleitzahl definiert?
Verhältnis des Auftriebbeiwertes zum Widerstandsbeiwert bzw. Auftriebskraft zur Widerstandskraft
Welche der beiden Komponenten der resultierenden Kraft am Flügelprofil erzeugt das Drehmoment, die Tangential- oder die Axialkomponente?
Die Tangentialkomponente
Aus Sicht der Windgeschwindigkeit: dreht sich ein Rotor im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn?
Von vorne angeblasen: Im Uhrzeigersinn
Von hinten angeblasen: gegen den Uhrzeigersinn
Ein Beobachter sieht den Windkonverter von vorne. Er dreht im Uhrzeigersinn. Handelt es sich um eine Luv- (von vorne angeblasen) oder Lee-Läufer (von hinten angeblasen)?
Kann nicht entschieden werden.
Lagerkräfte auf dem Rotor: Wird die Rotorwelle bei einem Luv-Läufer "in die Gondel gedrückt" oder "aus ihr herausgezogen"?
Ein Luv-Läufer wird von vorne angeblasen -> Die Rotorwelle wird in die Gondel "hineingedrückt".
