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About this book

Das Interesse an der Nutzung und Entwicklung regenerativer Ener­ giequellen ist trotz der derzeitigen vorübergehenden Entspannung auf dem Primärenergiemarkt groß. Die Erfahrungen der Vergangen­ hei t. insbesondere in Verbindung mit der ölkrise der siebziger Jahre. ebenso wie das Wissen um die Erschöpfbarkei t der Lag- und Rohstoffen und die negativen Aus­ stätten von Primärenergie wirkungen der Nutzung der meisten Energieträger auf die Umwelt sind tief im Bewußtsein vieler Bürger verankert. Die Katastrophe von Tschernobyl und andere Vorfälle haben starke Zweifel an der Zukunft der Kernenergie geweckt. Angesichts der unleugbaren Tatsache. daß uns im nächsten Jahrhun­ dert nur noch wenige Energiequellen zur Verfügung stehen werde- darunter. durch ihre Umweltfreundlichkeit besonders herausgehoben. die regenerativen Energien muß deren Weiterentwicklung von höchster Priorität sein. insbesondere. wenn man bedenkt. daß bis zur Etablierung neuer Energieoptionen auf dem Markt sehr lange Zeiträume erforderlich sind. Das Thema dieses Buches ist die Umwandlung der Sonnenenergie in Wärme. eine Technik. die langfristig die Perspektive eines großen Bei trags zur volkswirtschaftlichen Energiebilanz beinhaI tet. Der Ausgangspunkt war das Manuskript einer Vorlesung. die einer von uns (A. G.) an der Universität für Physikstudenten hielt. Die Beschränkung auf das erwähnte Thema ergab sich sowohl aus Gründen der Priorität. als auch aus dem vorgesehenen Umfang des Buches. Andere Manifestationen der Solar- bzw. regenerativen Energie. wie z. B. die Windenergie oder die Energie aus Biomasse. sind sicherlich von ebenso großer Bedeutung. konnten aber wegen der erwähnten Beschränkung nicht zum Zuge kommen.

Table of Contents

Frontmatter

1. Energiebedarf, Energieversorgung und Prognosen für die zukünftige Rolle der Solarenergie

Zusammenfassung
Sowohl der Weltenergiebedarf als auch der Energiebedarf der Bundesrepublik Deutschland stiegen in der Vergangenheit bis 1973 um etwa 5% pro Jahr. Abb. 1.1 zeigt diese Entwicklung für den Weltprimärenergiebedarf. Zusätzlich ist hier das Anwachsen der Weltbevölkerung eingetragen. Man erkennt deutlich den starken Anstieg des Energiebedarfs in der Nachkriegszeit, der eng mit dem steigenden Lebenskomfort in der westlichen Welt gekoppelt und nur unwesentlich durch das Wachstum der Bevölkerung in der Dritten Welt bedingt ist. Mit steigender Industrialisierung der Entwicklungsländer wäre ein weiterer drastischer Anstieg des Weltenergiebedarfs zu erwarten. Abb. 1.2 gibt die Entwicklung des realen Primärenergieverbrauchs in der Bundesrepublik wieder. Ab 1973, dem Zeitpunkt der ersten Ölkrise, unterlag der Verbrauch der Primärenergieträger starken Schwankungen und blieb im wesentlichen konstant. Hier zeigt sich bereits der enge Zusammenhang zwischen Energiepreis und Energieverbrauch:
Die vielfältigen Möglichkeiten der Energieeinsparung werden umso stärker genutzt, je stärker die Anreize durch hohe Energiekosten gegeben sind.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

2. Sonnenenergieangebot

Zusammenfassung
Das Angebot der Sonnenenergie auf der Erde wird zum einen Teil bestimmt durch die physikalischen Eigenschaften der Sonnenoberfläche als Strahlungsquelle, zum anderen Teil durch den Abstand des Empfängers Erde von der Sonne. Auf der Erde spielen die geographische Lage und die Orientierung des Einzelempfängers sowie jahreszeitliche und witterungsbedingte Einflüsse eine entscheidende Rolle.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

3. Meßmethoden und Meßdaten

Zusammenfassung
Die Methoden zur Messung von Strahlung unterscheiden sich entsprechend den Eigenschaften der Strahlung. Für die Nutzung der Sonnenenergie sind es besonders zwei Kenngrößen, die man exakt kennen möchte. Dies ist zum einen die Intensität des direkten Sonnenlichtes I sowie die Intensität der gesamten Globalstrahlung G, die sich wiederum aus dem diffusen und dem gerichteten Anteil zusammensetzt.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

4. Grundlagen der Strahlungsphysik

Zusammenfassung
Die Grundlage aller Solarenergienutzung ist die Wechselwirkung des Strahlungsfeldes der Sonne mit einem materiellen Empfänger. Zur Charakterisierung und zum Verständnis der physikalisch-optischen Eigenschaften von Strahlingsfeld und Materie bedarf es einiger Begriffsbestimmungen und der Erläuterung der wichtigsten Zusammenhäge.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

5. Konzentration und Selektivität

Zusammenfassung
Die in Kapitel 4 abgeleiteten Grenzen für den Umwandlungswirkungsgrad von Sonnenenergie in Wärme und mechanische Energie zeigen, daß zum einen die Konzentration des Lichtes und zum anderen das spektrale Verhalten des Absorbers die entscheidenden Kenngrößen eines solaren Wandlersystems darstellen. Im nachfolgenden Kapitel sollen die theoretischen und experimentellen Grenzen für die Konzentration von Licht sowie die verschiedenen Herstellungsverfahren selektiver Schichten vorgestellt werden.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

6. Wärmeübertragung

Zusammenfassung
Bei der thermischen Nutzung der Sonnenenergie spielen Wärmeübertragungsmechanismen in vielerlei Hinsicht eine entscheidende Rolle. Zum einen möchte man die von der Sonnenstrahlung erzeugte Wärme, z.B.in einem Sonnenkollektor, möglichst schnell zum Nutzer bringen, zum anderen möchte man die erzeugte Wärme auf möglichst hohem Niveau halten. Im einen Fall ist hohe Wärmeleitfähigkeit erwünscht, im anderen Fall ist geringe Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Prinzipiell läßt sich Wärme auf unterschiedliche Art und Weise transportieren. Die wichtigsten Mechanismen sind in Tabelle 6.1 zusammengefaßt: Tabelle 6.1 Wärmeleitmechanismen
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

7. Transparente Wärmedämmung

Zusammenfassung
In fast allen Fällen der Nutzung der Sonnenenergie für thermische Energiegewinnung benötigt man eine transparente Isolation, die zum einen das Sonnenlicht — direktes und diffuses — auf den Absorber auftreffen läßt und zum anderen aber den Absorber thermisch von der Umgebung isoliert, um somit möglichst hohe Energiegewinne zu erzielen. Kenngrößen der transparenten Isolation sind somit der Transmissionsgrad und der Wärmedurchlaßkoeffizient.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

8. Thermische Flachkollektoren

Zusammenfassung
Das Grundprinzip eines thermischen Kollektors ist in Abb. 8.1 dargestellt.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

9. Passive Sonnenenergienutzung

Zusammenfassung
Wie in Kapitel 1 bereits gezeigt, entfallen heute etwa 40% des Primärenergieverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland auf die Raumheizung. Schätzungen über das Einsparpotential in diesem Bereich variieren, aber es dürften mindestens 50% sein. Wir haben also hier die wichtigste “Energiequelle“ überhaupt vor uns. Da nicht verbrauchte Energie die Umweltbelastung vermindert, sollte uns die Reduktion des Raumwärmeverbrauchs ein besonderes Anliegen sein.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

10. Speicherung thermischer Energie

Zusammenfassung
Wie bereits in den Kapiteln 1 und 9 gezeigt, liegt das größte Potential zur Nutzung der Sonnenenergie in unseren Klimazonen im Bereich der Heiz- und Brauchwasserwärme. Neben dieser Niedertemperaturanwendung gibt es im Prinzip auch Hochtemperaturanwendungen in Solar-turmkraftwerken, diese werden jedoch in unseren Klimabereichen sicher nie eine große Rolle spielen und werden daher in diesem Buch nicht detailliert behandelt /50/51/.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

11. Wärmepumpen

Zusammenfassung
Wärmepumpen sind Wärmekraftmaschinen, die Wärme bei Umgebungstemperatur (d.h. Anergie) unter Zuhilfenahme von hochwertiger Energie (d.h. Exergie) in Nutzwärme von höherer Temperatur verwandeln.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

12. Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen

Zusammenfassung
Bei vielen in der Vergangenheit gebauten Solaranlagen wurde festgestellt, daß sie nicht wirtschaftlich waren. Nun ist jedoch Wirtschaftlichkeit kein sehr einfach zu definierender Begriff, wie in diesem Kapitel klar werden wird. Wegen der zentralen Bedeutung der Wirtschaftlichkeit für Solaranlagen ist es erforderlich, sich damit auseinanderzusetzen und insbesondere die gebräuchlichen Methoden der Ertragsberechnung kennenzulernen. Zunächst ist es notwendig, zu erkennen, daß die übliche betriebswirtschaftliche Methode nur einen Teilaspekt der Gesamtwirtschaftlichkeit betrachtet. Nicht berücksichtigt werden folgende Gesichtspunkte:
1.
Umweltaspekte:
  • Der Umstand, daß eine Solaranläge ohne negative Auswirkungen auf die Umwelt Energie liefert, bleibt außerhalb der Betrachtung. Allerdings sind staatliche Maßnahmen, wie steuerliche Vorteile und Zuschüsse, auch dadurch motiviert.
 
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

13. Einsatz solarer Systeme in der Praxis

Zusammenfassung
Für die Nutzung von Solarenergie in der Praxis ist es notwendig, daß eine Vielzahl von Einzelvoraussetzungen erfüllt werden. So erfordert ein Kollektorsystem zur Erzeugung warmen Brauchwassers z.B.:
  • die Wahl geeigneter Kollektoren bezüglich Wirkungsgrad und Arbeitstemperatur,
  • die Festlegung des Speichervolumens einschließlich der Wärmedämmung,
  • die Regelung des Kollektor-Speicher-Systems.
  • die Anpassung des Kollektor-Speicher-Systems an die architektonischen Gegebenheiten und das bereits meist vorhandene Heizungssystem
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

14. Transparent wärmegedämmte Gebäudefassaden

Zusammenfassung
In Kapitel 9.6 wurde das Prinzip der lichtdurchlässigen oder transparenten Wärmedämmung beschrieben und Meßergebnisse erster Experimente vorgestellt. Zwischenzeitlich wurden eine Vielzahl transparent wärmegedämmter Fassaden (TWD-Fassaden) realisiert. Eines der wissenschaftlich sicher interessantesten Projekte ist das Energieautarke Solarhaus, das Ende 1992 fertiggestellt wurde /70/71/. Der gesamte Energiebedarf des Hauses wird durch die auf die Gebäudehülle auftreffende Sonnenstrahlung gedeckt. Die Heizwärme wird bis auf einen berechneten Zusatzenergiebedarf von 300 kWh pro Heizperiode direkt über die südorientierten Fenster und TWD-Elemente bereitgestellt.
Adolf Goetzberger, Volker Wittwer

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