Was gilt physikalisch bezüglich der in einem abgeschlossenen System enthaltenen „Energiemenge“
Energieerhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien konstant. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden.
Wie lautet der Zusammenhang zwischen Energie und Leistung
Leistung (P) ist Energie (W) pro Zeit (t). Formel: P = W / t. Einheit: Watt [W] = Joule pro Sekunde [J/s].
Welche sind Argumente für regenerative Energien
Ressourcen-Schonung, Klimaschutz (CO2-frei), Unabhängigkeit von Importen, dezentrale Versorgung, Vermeidung von Umweltschäden.
Welche sind Argumente gegen regenerative Energien
Hohe Investitionskosten, schwankendes Angebot (Volatilität), Platzbedarf, Bedarf an Speichern und Netzausbau.
Welche Quellen zur Gewinnung regenerativer Energie gibt es
Sonnenstrahlung, Windkraft, Wasserkraft, Biomasse, Geothermie, Umgebungswärme.
In welcher Form lässt sich die Energie bereitstellen
Wärme (Niedertemperatur/Prozesswärme), Strom (Elektrizität), Kraftstoffe (Mobilität).
Welche Technologien gibt es jeweils für Umwandlung und Bereitstellung
Solarthermie (Kollektoren), Photovoltaik (Module), Windkraftanlagen, Wasserkraftwerke, Biomassekessel, Wärmepumpen.
In welcher Größenordnung liegen die Stromgenstehungskosten in ct/kWh
PV: ca. 3-11 ct/kWh; Wind: ca. 4-13 ct/kWh; Konventionell (Gas/Kohle): ca. 10-30 ct/kWh (stark abhängig von CO2-Zertifikaten).
Sind fossile im Gegensatz zu regenerativen günstiger, teurer oder auf ähnlichem Niveau
Mittlerweile sind neue regenerative Anlagen (PV/Wind) oft günstiger als neue fossile Kraftwerke, besonders wenn man Umweltfolgekosten einbezieht.
Anteil regenerativer Energie am Primärenergiebedarf in Deutschland
Ca. 17-20 % (Deutschland, Stand ca. 2023).
Anteil regenerativer Energie bei Strom in Deutschland
Ca. 50-55 % (Deutschland, Stand ca. 2023).
Mit welcher Energiedichte gelangt Solarstrahlung außerhalb der Atmosphäre zur Erde
Solarkonstante: ca. 1367 W/m².
Mit welchen Elementen wechselwirkt die Solarstrahlung in der Atmosphäre und welcher Effekt
Ozon (UV-Absorption), Wasserdampf/CO2 (IR-Absorption), Luftmoleküle/Aerosole (Streuung/Reflexion).
Welche Strahlungsdichte kommt bei guten Bedingungen auf der Erdoberfläche noch an
Ca. 1000 W/m² (Standard-Testbedingungen für PV).
Woraus bezieht die Sonne ihre Energie bzw. wie macht die sonne ihre energie
Kernfusion (Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium im Sonnenkern).
Welche Komponenten solarer Strahlungsenergie gibt es
Direktstrahlung (kommt direkt von der Sonnenscheibe) und Diffusstrahlung (gestreut durch Wolken/Atmosphäre).
Wie hängt Dirkete und Difussestrahlung zusammen, wie unterscheidet man sie
Globalstrahlung = Direktstrahlung + Diffusstrahlung. Unterscheidung durch Schattenwurf (Direktstrahlung wirft harten Schatten).
Welche Parameter sind zur Unterscheidung notwendig diffuse und direktstrahlung
Sonnenstandswinkel (Höhe/Azimut), Trübungsgrad der Atmosphäre, Zeit/Datum.
Was ist die „Air Mass“ und was bewirkt sie
Maß für den Weg der Strahlung durch die Atmosphäre. Höhere AM (tiefstehende Sonne) bedeutet stärkere Filterung und Abschwächung.
Abhängig von welchen Parametern variiert die solare Einstrahlung
Geografische Breite, Jahreszeit, Tageszeit, Wetter (Bewölkung), Exposition (Neigung/Orientierung).
Welche Parameter muss ich kennen für die aktuelle Leistung
Bestrahlungsstärke (W/m²), Wirkungsgrad der Anlage, aktive Fläche, Temperatur der Zellen/Absorber.
Mit welchen Maßnahmen kann ich die extrahierbare Nutzenergie beeinflussen um optimalen ertrag zu bekommen
Optimale Ausrichtung (Süden), optimaler Neigungswinkel, Nachführung, Vermeidung von Verschattung.
Wie setzt sich die auf einen Solarkollektor treffende Gesamteinstrahlung zusammen
Direkteinstrahlung + Diffuseinstrahlung + Reflexion vom Boden (Albedo).
Wie unterscheiden sich orientierte Solarkollektoren an ihrer Kurve ausrichtung und art der anbringung
Südausrichtung: Maximum mittags; Westausrichtung: Maximum nachmittags; Flach: Sommermaximum; Steil: Wintervorteil.
Welche Einstrahlungskomponente überwiegt in Deutschland
In Deutschland sind Direkt- und Diffusstrahlung etwa gleich verteilt (ca. 50/50 % im Jahresmittel).
Wie ist das Verhältnis in südlicheren Gefilden?
Dort überwiegt die Direktstrahlung deutlich (oft über 70 %).
Welche Ausrichtung/Einstellung eines Solarabsorbers ist am sinnvollsten in Deutschland?
In DE: Süden mit ca. 30-40° für maximalen Jahresertrag; 60° für Heizungsunterstützung (Winterfokus).
Welche Montage- und Nachführungseinheiten gibt es?
Festmontage (Dach/Fassade), einachsige Nachführung (Ost-West), zweiachsige Nachführung (Azimut/Höhe).
Vor- und Nachteile der Nachführung
Vorteil: Bis zu 30% mehr Ertrag. Nachteil: Hohe Kosten, Wartungsaufwand, Anfälligkeit für Wind.
Warum ist mäßige Horizontverbauung im Winter kritisch?
Weil die Sonne im Winter extrem tief steht. Schon niedrige Gebäude werfen dann sehr lange Schatten auf die Anlage.
Wie hoch ist die jährliche Einstrahlungssumme pro m² in Deutschland
Ca. 900 bis 1200 kWh/m² pro Jahr.
Lässt sich ein Wohngebäude in Deutschland im Winter rein solar beheizen?
Nur sehr schwer/teuer. Bedarf an extremen Speichern (Saisonspeicher), da Ertrag im Winter minimal und Bedarf maximal ist.
Welche Techniken zur Solarenergienutzung gibt es?
Photovoltaik (Strom), Solarthermie (Wärme), Solarthermische Kraftwerke (CSP), passive Nutzung (Fenster).
Wie ist ein Flachkollektor mechanisch aufgebaut?
Gehäuse, Rückwanddämmung, Absorberplatte mit Rohrregister, Glasabdeckung.
Wie sehen die Energieflüsse bei einem Flachkollektor aus?
Einstrahlung -> Absorption -> Wärmeleitung an Fluid -> Wärmeverluste durch Glas/Dämmung.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines Flachkollektors? (solarthermie)
Optischer Wirkungsgrad bis ca. 80 %; sinkt stark bei steigender Temperaturdifferenz zur Umgebung.
Wie ist ein Vakuumkollektor aufgebaut?
Absorber befindet sich in einer evakuierten Glasröhre (Thermoskannen-Prinzip).
Was ist das Besondere an der Funktionsweise des Vakuumkollektors?
Das Vakuum unterbindet Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung fast vollständig.
Wie funktioniert eine Heatpipe?
Ein Medium im Rohr verdampft durch Wärme, steigt zum Kopf auf, gibt Wärme an Sammler ab, kondensiert und fließt zurück.
Wie unterscheidet sich ein Speicherkollektor von einem Flachkollektor?
Speierkollektor ist Kollektor und Warmwasserspeicher in einem (kein separater Tank nötig). Einfach, aber hohe nächtliche Verluste.
Was sind Vor- und Nachteile eines Luftkollektors?
Vorteil: Kein Einfrieren, kein Auslaufen. Nachteil: Geringe Wärmekapazität der Luft, große Kanäle nötig.
Was ist ein selektiver Absorber?
Ein Absorber mit hohem Absorptionsgrad für Sonnenlicht, aber sehr geringem Emissionsgrad für Wärmestrahlung.
Vorteile/Nachteile eines Vakuums im Solarkollektor?
Vorteil: Extreme Dämmwirkung. Nachteil: Teurer in der Herstellung, Gefahr von Vakuumverlust durch Undichtigkeit.
Warum benötigt ein solarer Absorber eine Dämmung?
Um Wärmeverluste über die Rückseite und die Seitenwände an die Umgebung zu minimieren.
Weshalb hat ein Solarabsorber eine Glasabdeckung?
Schutz vor Witterung und Verringerung der Konvektionsverluste (Treibhauseffekt).
Gibt es Solarabsorber ohne Glasabdeckung?
Ja, Absorbermatten (z.B. für Poolheizung), sind günstig, aber nur bei niedrigen Temperaturen effizient.
Von welchen Parametern ist der Wirkungsgrad abhängig? Solarthermie
Bestrahlungsstärke (G), Temperaturdifferenz (Absorber zu Luft), optische Güte des Glases/Absorbers.
Welcher Absorber hat den höchsten Wirkungsgrad?
Bei geringen Temperaturdifferenzen der Flachkollektor; bei hohen Differenzen (Winter/Prozesswärme) der Vakuumkollektor.
Warum gibt es Jahreszeiten?
Aufgrund der Neigung der Erdachse (ca. 23,5°) gegenüber der Bahnebene (Ekliptik) und der daraus resultierenden variierenden Sonnenhöhe sowie Bestrahlungsdauer während des Umlaufs um die Sonne.
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