Kapitel 4.3 - Technologie erneuerbarer Energien Flashcards
Beschreiben Sie die Entstehung vom Wind.
-Sonnenenergie trifft den Boden -> Boden erwärmt sich durch Absorption (Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme) -> Der erwärmten Boden gibt Wärme an die kältere Umgebung ab (durch Konvektion, Wärmeleitung und IR-Strahlung) -> Die Luft über dem Boden erwärmt sich -> diese warme Luft steigt wegen geringere Dicht als klate Luft -> es entsteht ein lokales Unterdruckgebiet an der Stelle an der warme Luft aufsteigt -> Luft aus umgebenden relativen Hochdruckgebieten fliesst in Richtung des lokalen Unterdruckgebietes -> bewegte Luftmasse = Wind
Beschreiben Sie die Windentstehung an Küstenlinie
Tagsüber erwärmt sich der Boden landseitig sehr stark -> die Luft über dem Sand erwärmt sich sehr stark und steigt -> es entsteht ein lokales, Kleines Tiefdruckgebiet
Das Wasser erwärmt sich sehr langsam (aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität)
Vom Meer strömt Luft in Richtung Strand (Seewind)
In der Nacht: Der Sand hat sich wegen der geringen Wärmekapazität (=geringe Speicherkapazität für Wärme) wieder abgekühlt
Das Wasser dagegen bleibt viel länger warm -> die wärmere Luft über dem Wasser steigt auf
Druckausgleich: Luft strömt vom Land nach Meer (Landwind)
Beschreiben Sie die Windentstehung an Bergen
Talwind (warme Sonnentage):
Am Tag, die nicht/wenig bewachsene Bergspitze erwärmt sich mehr als das grüne Tal (Pflanzen enthalten viel Feuchtigkeit – hohe cp)
Luft am Berg oben steigt auf
Vom Tal bewegen dich Luftmassen nach oben (Talwind)
Bergwind (kalte Tage, Nacht):
Das Gestein oben am Berg kühlt schneller als das Tal
Kalte Luft strömt vom Berg in Richtung Tal (Bergwind)
Wie berechnet man die Leistung vom Wind und welche Beziehung hat sie mit der Windgeschwindigkeit?
Bewegungsenergie von Massen -> kinetrische Energie (Ekin = 1/2 * m * v^2
Leistung (P = Ekin/t = 1/2 * m’ * v^2)
Massenstrom über Dichte: P = 1/2 * rho * A * v^3
->Die Leistung des Windes steigt exponentiell mit der Windgeschwindigkeit in dessen dritter Potenz an
Beschreiben Sie die Energiewandlungskette für Windenergie
Primär: Luftmasse -> Rotor (kin.->kin.) -> Getriebe (kin.->kin.) -> Generator (kin.->elektr.) -> Transformator (elektr.->elektr.)
Sekundär: Netzeinspeisung -> Transformator (elektr.->elektr.)
Endenergie: Zuahuse (Strom)
Nutzenergie: z.B. Lampe (Licht)
Welche Verteilung ist wichtig für die Analyse eines Standortes für eine WKA? Wie wird das Diagramm aufgebaut?
Häufigkeitsverteilung von Windgeschwindigkeiten:
x-Achse: Windgeschwindigkeit [m/s]
y-Achse: relative Häufigkeit h(v) [-]
*WKA benötigen eine Mindestwindgeschwindigkeit um Strom produzieren zu können (die meisten starten bei 4 m/s und erreichen ihre Nennleistung bei 10 m/s) -> auf dem Diagramm schauen, welche Prozentsatz zu dem 10m/s entspricht
Welche Kennlinie liefert wichtige Informationen über die WKA? Welche Informationen liefert sie?
Leistungskennlinie einer Windkraftanlage (Datenblatt)
-Anlaufgeschwindigkeit (z.B. 4 m/s): Die WKA, unter der Mindestgeschwindigkeit von 4m/s, kann Keine Leistung abgeben
-Nennleistung (z.B. 3 MW) bei Mindestgeschwindigkeit (z.B. 12 m/s): Ab 4 m/s, steigt die Leistung exponentiell bis zur Nennleistung von 3 MW bei 12m/s an
-Abschaltgeschwindigkeit (z.B. 25 m/s): Wenn die Windgeschwindigkeit weiter zunimmt, wird die WKA auf Nennleistung geregelt (durch Verdrehen der Rotorblätter, sodass die Anströmverhältnisse ungünstiger werden und somit weniger Leistung aus dem Wind entnommen wird = Blatt-Verstellung / Pitch-Steuerung) – also zwischen 12-25m/s wird die Leistung auf 3 MW geregelt. Bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 25m/s reicht die Pitch-Stellung nicht mehr aus um ein schnelleres Drehen des Rotors zu vermeiden – das könnte zu Unwuchten führen -> bei Rotorblattlänge von 60 m kann zu enormen Belastungen am Turm kommen -> Instabilität -> deswegen wird die Gondel oben am Turm komplett aus dem Wind herausgedreht (Windrichtungnachführung / Azimut-Verstellung) -> Keine Leistung wird mehr abgegeben, aber die WKA steht noch sicher
-Überçebensgeschwindigkeit (z.B. 55 m/s): Bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 55 m/s kann die Standsicherheit der WKA nicht mehr garantiert werden
*Windleistung ist proportional zur Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz – das gilt auch für die WKA, aber nur ein Teil der Windleistung kann als elektrische Leistung na der WKA erzeugt werden (Wirkungsgradverluste)
Die Leistung (aus Wind in Strom) der WKA liegt bei maximal ca. 40% der ursprüngliche Windleistung -> Kurze nutzbare Leistung steht unter der Kurve der Windleistung
Welche 2 grosse Gruppen von WKA gibt es? Beschreiben Sie diese kurz und sagen Sie, welche Art von WKA sind die grösseren in Detuschland.
2 Arten von WKA:
-Mit vertikaler Drehachse (Sind unabhängiger von der Windrichtung)
-Mit horizontaler Drehachse (Luv-Läufern (dem Wind zugewandt = vento vem de frente) und Leeläufern)
In Deutschland: Die grösseren WKA sind meist Horizontalanlagen Luv-Läufer
Beschreiben Sie kurz den Aufbau einer WKA
-Technik befindet sich in der Gondel auf dem Turm
-Blätter sind über die Rotorblatt-Verstellung drehbar
-die Leistung kann via Pitsch-Steuerung geregelt werden
-Die ganze Gondel ist auf dem Turm über den Azimutantrieb drehbar (Azimutantrieb kann die Gondel so gedreht werden, dass die Rotorblattebene optimal zum Wind orientiert ist oder, im Falle von zu hohen Windgeschwindigkeiten, aus dem Wind gedreht werden (Abschaltung))
-Hinter auf dem Gondel ist die Windmessung (erfasst Windrichtung und Windgeschwindigkeit)
-Normalfall: Der Rotor dreht sich und treibt damit das Getriebe und den Generator an
-Im Generator wird die Drehbewegung schliesslich in elektrische Energie umgewandelt
Wie ist das Potenzial der Windkraft in Deutschland? Was verringert dieses Potenzial technisch? Was ist ein Hindernis in der Gesellschaft?
Das Potenzial der Windkraft in Deutschland ist sehr gross (ca. 1200 GW (nur on-shore) berechnetes Potenzial)
Neben on-shore Anlagen, werden auch mehr und mehr off-shore Anlagen gebaut
-Das Potenzial verringert sich mit Abstand-Regel (z.B. der Abstand einer WKA zur nächsten Wohnbebauung muss mind. 10-Mal die Höhe der WKA sein) - > Potential wird 435 GW
-Es gibt viele Menschen die skeptisch sind (negative gesundheitliche Folgen durch Infraschall oder Schattenwurf, Beeinträchtigung von Vögeln…)
Was ist die Energie-Erntefaktor von WKA?
Laufzeit von 20 Jahren -> Energie-Erntefaktor = 40 (es wird 40 mal mehr Energie während des Betriebes der WKA geerntet als für den Bau der Anlage erforderlich war
Beschreiben Sie die Energie der Sonne von der Entstehung bis zur Erreichung der Erdeoberfläche
-Die in der Sonne entstehende Energie (durch Kernfusion) wird in Form von elektromagnetischer Strahlung abgestrahlt -> Ein Teil des Sonnenlichtes erreicht die Erdoberfläche direkt, ein anderer Teil indirekt
Definieren Sie Sonnenhöhe und Sonnenazimut
Sonnenstand na einem beliebigen Ort: Durch Sonnenhöhe (Elevation) und Sonnenazimut definiert
-Sonnenhöhe = Winkel zwischen dem Sonnenmittelpunkt und dem Horizont
-Sonnenazimut = Winkel zwischen der geographischen Nordausrichtung und dem Vertikalkreis durch den Sonnenmittelpunkt
Beschreiben Sie die Energiewandlungskette Photovoltaik
Primär: elektromagnetische Strahlung -> Halbleiter im PV (Licht -> Epot) -> Inverter/Wechselrichter (Epot-> Elektr) -> Transformator (Eelektr -> Eelektr)
Sekundär: Netzeinspeisung
Endenergie: Zuhause (Strom)
Nutzenergie: Lampe (Licht)
Was ist der Herz der PV-Zelle?
Herz der PV-Zelle: unterschiedlich dotierte Siliziumkristallen
Was wird mit “Silizium ist IV-Halbleitertyp” gemeint?
Zum Einen wird mit Elementen aus der III-Hauptgruppe des Periodensystems (z.B. Bor) oder auch mit Elementen aus der V-Hauptgruppe (z.B. Phospohor) dotiert -> Verunreinigungen
Diese Verunreinigungen führen, bei der Kristallisation von Silizium, zu Störstellen
Beschreiben Sie die N- und P-Gebiete im Siliziumkristall mit Phosphor und Bor
4-Bindigkeit der Siliziumatome im Kristallgitter
Bor: Ein Elektron fehlt (Loch)
Phosphor: Ein Elektron ist überschüssig
N-Gebiet = Phosphor-dotierter Siliziumkristall
P-Gebiet = Bor-dotierter Siliziumkristall
N- und P-Gebiet zusammenbringen -> An der Grenzfläche entsteht eine Raumladungszone / Potenzialdifferenz (negtiver zu positiver Pol)
Beschreiben Sie was passiert mit den Elektronen wenn Sonnenlicht eine PV-Zelle trifft.
Fällt Licht von der Sonne ein:
Ladungstrennung: die erzeugte freie Elektronen werden zum “Pluspol” bewegt
Es fliesst Strom, der in einem Verbraucher Arbeit verrichten kann
