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"Autarke Energieversorgung eines Güterterminals mittels Photovoltaik"

  • Fachrichtung:Elektrotechnik
  • Studienfach:Photovoltaik
  • Thema:
    Autarke Energieversorgung eines Güterterminals mittels Photovoltaik
  • Art der Arbeit:Masterarbeit
  • Seitenzahl:3
  • Einzigartigkeit:100%
Seminararbeit
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Einzigartigkeit
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Das Prinzip ist also, CO2 zu erhitzen und in der Wärmepumpe noch stärker zu verdichten, bis es die erwünschte Temperatur des Speichermediums erreicht hat. Die Temperatur bei bekannter Größe des Speichermediums ist ein Faktor, das eine unmittelbare Berechnung des gesamten Energievorrates der Anlage ist. Dies ist die Wärmemenge.

Die umgekehrte Nutzung der Energie ist mit einem Stirlingmotor in Kopplung mit einer Lichtmaschine vorgesehen. Der Stirlingmotor ist eine Technik, die gleichzeitig als Wärmepumpe arbeiten kann. D.h., eine schlichte Verstellung der Kurbelwelle ermöglicht die quasi Umschaltung zwischen Wärmepumpe oder Motor. Darüber hinaus ist die Drehzahl regelbar. Der erzeugte Vorrat an Wärme bei Überschuss (tagsüber) kann dauerhaft aufrechterhalten und bei Bedarf wieder abgeschöpft werden. Damit die Anlage nicht überdimensioniert wird, werden mehrere Sektionen (wartungsfreundlich) mit je einem eigenem Stirlingmotor und eigenem Speicher ausgestattet. Dieses Medium ist ebenfalls dadurch zu empfehlen, dass CO2 lokal erzeugt werden kann. Es reicht im Grunde, eine CO2-Erzeugungsanlage zu erwerben und vor Ort CO2 aus der Luft zu entnehmen. Lecks können also beseitigt werden und das Medium steht unbegrenzt zum Nachfüllen zur Verfügung.

Natürlich sind alternative Mittel möglich, jedoch ist das kein Kältesystem und deshalb ist die Verwendung eines eigentlichen Kältemittels für die Anlage nicht erforderlich. Reine Luft ist nicht zu empfehlen, da sie hydrophil ist. Die Anlage muss stets entwässert werden. Außerdem ist in der Luft Sauerstoff enthalten und es führt zur Korrosion der Metalle.

Eine berechtigte Frage ist, wieso Sonnenthermie und nicht Photovoltaik? Die Antwort liegt darin, dass die Photovoltaik einen geringeren Wirkungsgrad hat und sehr kostenaufwändig gespeichert werden muss. Die Speicherung erfolgt sowieso entweder chemisch oder thermisch (manchmal kinetisch). Bei den Umwandlungen entstehen stets Verluste. Die einzige Möglichkeit, einen Ausweg zu finden – nicht die Energieform umwandeln, bis es wirklich erforderlich ist. Eine Metapher – es steht ein Kohlekraftwerk zur Verfügung. Zu Peak-Zeiten wird mehr Kohle verbrannt (chemische wird in thermische und dann in elektrische umgewandelt). Sobald die Peak-Zeit vorüber ist, fährt das Kraftwerk auf seine Normalleistung zurück. Keine überflüssige Kohle wird ohne Grund verbrannt. Auch hier ist es so, dass man keine übermäßige Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandelt, sondern man behält sie kostenlos (keine Umwandlungskosten) in Reservoiren als Wärme. Übrigens kann als Speicher normaler Beton verwendet werden. Und: Vor allem ist die gespeicherte Energie als Heizenergie nutzbar: es entfallen Warmwasserkosten und Nebenkosten. Das Heizmedium CO2 kann direkt statt Wasser in der Heizungsanlage verwendet werden.

Im Vergleich zu Wasser hat CO2 nur knapp ein Viertel der Wärmekapazität. Dabei lässt es sich aber verdichten, wodurch (siehe Gaskonstante) die Temperatur beliebig gesteigert werden kann. Konzeptual kann man die Speicher direkt im Fundament der Gebäude auslegen, indem man das Fundament geringfügig wärmeisoliert. Die Speicher würden dann als solche komplett in Form des Gebäudefundaments ausgeführt sein. Andererseits ist das äußerst fragwürdig, da die stetige Ausdehnung und Zusammenziehung Risse im Stahlbeton erzeugen würden. Die Autoren beschrieben Beton als Speichermedium und kein Stahlbeton.

Mohr und Kollegen beschäftigen sich äußerst ausführlich mit Solarthermieanlagen.[1] Ihre Werke werden hier implementiert und erweitert. Bei Sonnenstrahlung wird  die Kapazität des Speichers überstiegen und die Wärme schlichtweg verworfen. Die Auslegung erfolgt so, dass die Speicherung auch bei schlechter Sonneneinstrahlung (Winter) möglich ist. Dabei ist die konzentrierte Wärme an den Kollektoren auch der Faktor, der sie vom Schnee befreit, und die Aufstellung in einem Winkel ermöglicht den Abfluss des Tauwassers vom Kollektor. Die von Mohr und Kollegen behandelten Systeme sind meist parabolische Spiegel. Diese sind aber von Nachteil, wenn es sich um Winter handelt. Deshalb sind gewöhnliche Kollektoren die bevorzugte Wahl. Zur Erinnerung: Das System soll autark sein. Das setzt auch voraus, dass niemand mit dem Besen die Parabolspiegel von Schnee reinigen muss. Es kann nicht abgesehen werden, dass anderes Personal vor Ort ist, als normales Personal des Güterterminals. Das System muss so funktionieren, als ob es sich um gewöhnlichen Netzstrom handeln würde.

Das bedeutet, dass die endgültige Aufgabe darin besteht, 380-Volt-Drehstrom mit sinusförmiger Amplitude mit der Frequenz von 50 Hz anzubieten.

Das ist nur dadurch zu erreichen, dass eine Lichtmaschine von einer Kraftanlage angetrieben wird. Es sind Systeme bekannt, die thermische Energie direkt in elektrische umwandeln. Sie wurden bislang allerdings niemals so angelegt, dass sie eine Industrieanlage versorgen würden.

Im Gegensatz dazu beschreiben Mohr et al. einen zehn Meter großen Parabolspiegel mit Stirlingmotor, der 24 kW erzeugt. Also durchaus realistische Zahlen.

Das ist der normale Weg der chemischen Energie zu elektrischem Strom (Kohle- und Gaskraftwerke). Die Geothermiekraftwerke bedienen sich demselben Prinzip.

Sie benutzen in der Regel Dampfturbinen. Das sind ebenfalls Wärmekraftmaschinen wie auch der Strilingmotor.

Anlagen mit einer Dampfturbine können 45 % Wirkungsgrad haben, Stirlingmotoren hingegen nur 30 %. Aber: Sie können auch umgekehrt als Wärmepumpen arbeiten.

Der Stirling-Motor ist ein Motor mit äußerer Wärmezufuhr und damit für die solarthermische Stromerzeugung geeignet. Das Arbeitsgas durchläuft einen geschlossenen Doppel-Isothermen-lsochoren-Prozeß, wobei mit einem Regenerator der thermische Wirkungsgrad ηth dem Camot-Wirkungsgrad entspricht.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

[1] Mohr, M./Svoboda, P./Unger, H.: Praxis solarthermischer Kraftwerke. Heidelberg 1999.

[2] Mohr et. al: 97, 98

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