Physikalische Grundlagen der Energietechnik

366 Pages·1986·7.681 MB·German

by  Ao. Univ.-Prof. Dr. Norbert Pucker (auth.)

Norbert Pucker
Physikalische
Grundlagen der
En ergietechnik
Springer-Verlag Wien New York
Ao. Univ.-Pro( Dr. Norbert Pucker
Institut fUr Theoretische Physik
der Universitlit Graz, Osterreich
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© 1986 by Springer-Verlag/Wien
Mit 172 Abbildungen
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Pucker, Norbert:
Physikalische Grundlagen der Energietechnik I
Norbert Pucker. - Wien ; New York:
Springer, 1986.
ISBN-13: 978-3-211-81948-7 e-1SBN-13: 978-3-7091-8879-8
001: 10.1007/978-3-7091-8879-8
ISBN-13: 978-3-211-81948-7
Vorwort
Energie ist wahrend des letzten Jahrzehnts wie nie vorher zu
einer Frage der Politik geworden. Gleichzeitig ist Energie
einer der zentralen Begriffe der Physik. Das ist auch heute
noch besonders eindrucksvoll bei Max Planck in seinem Buch
"Das Prinzip der Erhaltung der Energie" formuliert, das vor
mehr als 80 Jahren erschienen ist. Ich habe erfahren, daB es
nicht immer leicht ist, die Brucke zwischen den grundsatz
lichen Aspekten des Energiebegriffs und den praktischen
Gesichtspunkten der Bereitstellung und Nutzung von Energie
zu finden. Diese Erfahrung hat mich zur Arbeit an dem vor
liegenden Buch verleitet. Eine mehrsemestrige Vorlesungs
tatigkeit zu Teilbereichen des Themas und gelegentliche Teil
nahme an offentlichen Diskussionen zum Fragenkreis Energie
haben mich in meinen Bemuhungen dazu noch bestarkt. In diesem
Buch werden die physikalischen Grundlagen, die bei der Bereit
stellung und Umwandlung der verschiedenen Energieformen - be
sonders Warme, Wind-, Sonnen- und Kernenergie - eine Rolle
spielen, fur einen breiteren Interessentenkreis ubersichtlich
dargestellt. Ich denke hiebei an Dozenten, Techniker, an
Physiker, die nicht direkt in den der Energienutzung ver
schriebenen Teilbereichen tatig sind, und an Physikstudenten.
Wie immer bleiben die Schwerpunkte einer solchen Darstellung
subjektiv und von den unmittelbaren Erfahrungen des Autors
gepragt. Ich glaube gelernt zu haben, daB ein gutes Ver
standnis der grundlegenden Zusammenhange eine notwendige
Basis zur Beurteilung der anwendungsorientierten Seite des
Energieproblems ist. Dementsprechend liegt auch der Schwer
punkt der Darstellung bei der Physik der Energieformen. Die
praktische Verwirklichung in Form bestehender oder geplanter
Anlagen wird nur kurz und eher beispielhaft beschrieben. Da
nur von Physik die Rede sein sollte, wurden chemische und
biologische Aspekte vollig auBer acht gelassen. Dagegen
scheint es mir fur ein Kul turverstandnis, das unsere tech-
VI
nisch-naturwissenschaftliche Zivilisation richtig einordnet,
durchaus nutzlich, etwas von der geschichtlichen Gestalt
werdung des Begriffes Energie und deren praktischen Auswir
kungen zu erfahren. Daher habe ich mich in diesem Sinn urn eine
kleine Ubersicht zur Historie bemuht und sie an den Anfang
gestellt.
Ich bi tte urn Verstandnis, daB sich Mehrfachverwendungen von
Symbolen nicht haben vermeiden lassen. Die Bedeutung im je
weiligen Zusammenhang ist aber immer klar ersichtlich.
Ich glaube, daB kein Buch ohne Hilfe von Freunden entstehen
kann. So sind viele im Laufe der Jahre gefuhrte Fachgesprache
fur meine Arbeit sehr hilfreich gewesen. Aber ohne die un
mittelbare und umfassende Hilfe meines Institutskollegen
ao.Univ.-Prof. Dr. P. Kocevar bei der Behandlung der festkor
per-physikalischen Aspekte der Sonnenenergie hatte das Buch
in der jetzigen Form nicht geschrieben werden konnen! Meinem
Freund, Univ.-Prof. Dr. 1. Kolin, Universitat Zagreb, ver
danke ich viele Anregungen, besonders aus seinem reichen
Wissen urn den Stirling-Motor. In wichtigen Phasen der Er
stellung des Manuskripts war ich mit Herrn Kollegen Prof. Dr.
M. Pollermann, Julich, in Kontakt. Er hat mir mit Kritik und
Anregung bei mancher schwierigen Frage geholfen. 1m be
sonderen verdanke ich ihm auch die Unterlagen zum Curie
Motor, der unter seiner Anleitung als Modell gebaut und er
probt wurde.
In die Schreibarbeiten waren die drei Damen unseres Se
kretariats, Frau M. Krenn, Frau E. Neuhold und Frau M.
Ploberger verstrickt. Frau M. Ploberger hat dann mit viel Ge
duld die endgultige Reinschrift besorgt. Bei der Erstellung
des Sachverzeichnisses stand mir mein Kollege Univ.-Doz. Dr.
F. Widder zur Seite. Fur alle diese Hilfe sei herzlich ge
dankt.
Fur die angenehme und reibungslose Zusammenarbeit danke ich
dem Springer-Verlag in Wien ebenfalls sehr.
Graz, im Sommer 1986 Norbert Pucker
Inhaltsverzeichnis
Seite
I. Vom Wesen der Energie
I. 1 • Auf dem Weg zu einem immer tieferen Ver
standnis des Energiebegriffes 5
1.1.1. Die mechanische Energie 5
1.1.2. Die Warmekraftmaschinen und das Verstandnis der
Warme 7
1.1.3. Das mechanische Warmeaquivalent 10
1.1.4. Der Satz von der Erhaltung der Energie 1 1
1.1.5. Die Aquivalenz von Masse und Energie 16
1.1.6. Die Wertigkeit der Energie: Der zweite
Hauptsatz der Warmelehre und die Entropie 17
1.2. Mechanische Arbeit; die verschiedenen Energie
formen; Warmestromung als Form des Energie
austausches 19
1.2.1. Mechanische Arbeit 19
1.2.2. Beispiele fur die Obertragung mechanischer
Energie 19
1.2.3. Energieform Warme; weitere Energieformen 25
II . Thermodynamische Grundlagen der Energietechnik 30
II.1 . Erster Hauptsatz der Thermodynamik fur ge
schlossene und offene Systeme 30
II. 2. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik;
Reversibilitat und Irreversibilitat; Entropie 49
11.2.1. Der zweite Hauptsatz 49
II.2.2. Reversibilitat und Irreversibilitat 52
11.2.3. Die Entropie 55
11.2.4. Anwendungen des zweiten Hauptsatzes; Er-
zeugung von Entropie 62
11.2.4.1. Temperaturausgleich 62
VIII
Seite
11.2.4.2. Gay-Lussacscher Drosselversuch 63
II.2.4~3. Der Carnotsche Wirkungsgrad nc als Maximal-
greBe 64
II. 3. Die Exergie als Mittel zur Bewertung thermo
dynamischer Prozesse 67
II.3.1. Energetische und thermodynamische Bewertung von
Energieumsetzungen 67
11.3.2. Exergie und verfugbare Arbeit 68
11.3.3. Beispiele zur Bestimmung der Exergie;
Folgerungen 73
11.3.3.1. Exergie eines elektrisch geheizten Durch
lauferhitzers 73
11.3.3.2. Raumheizung durch elektrische Widerstands
heizung oder eine Carnotsche Warmepumpe 74
11.3.3.3. Dampfkraftwerk, VerbrennungsprozeBj "energy
cascading" 76
II. 4. Warmepumpe, Warmetransformator 81
11.4.1. Kompressionswarmepumpe 81
11.4.2. Absorptionswarmepumpe, Warmetransformator 86
11.4.3. Einsatz neuer Mehrstoff-Systeme 91
11.4.4. Warmequellen 92
II. 5. Versuche zur Bereitstellung mechanischer
Energie mit Hilfe von Niedertemperaturwarme;
Energieerntefaktor 94
11.5.1. Bereitstellung von mechanischer Energie mit
Hilfe von Niedertemperaturwarme 94
11.5.1.1. Stirling-Motor fur sehr kleine Temperatur
differenzen 94
11.5.1.2. Der Curie-Motor 96
11.5.2. Der Energieerntefaktor 99
II. 6. Grundlagen de~ Warmeleitung; bauphysikalische
Anwendungen 103
III. Grundlagen zur Nutzung der Windenergie 109
III. 1. Primarenergieform Wind 109
III. 1 .1 • Allgemeine Grundlagen 110
III.1.2. Stremungsmechanische Grundlagen 113
IX
Seite
111.1.2.1. Beschreibung von Orts- und Zeitverhalten
eines Fluids 113
111.1.2.2. Stromlinie, Stromrohre, Stromfaden 114
111.1.2.3. Kontinuitatsgleichung, Eulersche und Ber
noullische Gleichung 116
III. 2. Energieumsetzungen an Windradern 124
III.2.10 Einfache Theorie des Windrades 124
III.2.2. Analyse der Vorgange am Windradflugeli Schnell-
und Langsamlaufer 127
III. 3. Windenergieanlagen 132
IV. Strahlungsenergie der Sonne 138
IV.1 • Verfugbare Strahlungsenergie 139
IV.1 .1 • Die Solarkonstantei astronomische Be
rechnungsgrundlagen 139
IV.1.2. EinfluB der Atmosphare auf die Sonnenein-
strahlung 149
IV.1.2.1. Die relative optische Dicke der Atmosphare 150
IV.1.2.2. Streu- und Absorptionsprozesse in der Atmo-
sphare 153
IV.2. Festkorperphysikalische Grundlagen fur ther
mische und photovoltaische Nutzung der
Strahlungsenergie der Sonne 163
IV. 2.1 • Beschreibung der Wechselwirkung von Strahlungs
feld und Materie mit Hilfe der frequenz-
abhangigen Dielektrizitatskonstante 163
IV.2.2. Die Quantennatur des Festkorpers 172
IV.2.3. Optische Absorptionsprozesse in Festkorpern 178
IV. 2.3.1 • Ubersicht 178
IV.2.3.2. Joulesche Warme, Absorption durch freie Ladungs-
trager 179
IV.2.3.3. Interbandabsorption. Direkte und indirekte
Ubergange 185
IV.2.3.4. Gitterabsorption 190
IV.2.3.5. Emission von warmestrahlung 192
IV.2.3.6. Optische Selektivitat 194
x
Seite
IV.3. Photothermische Energieumwandlung 198
IV. 3.1 • Flachkollektoren 198
IV.3.2. Konzentrierende Kollektoren 210
IV.3.2.1. Fokussierende Systeme 212
IV.3.2.2. Elemente parabolischer zylindrischer Konzen
tratoren 216
IV.3.2.3. Nichtabbildende konzentrierende Systeme 220
IV.3.2.4. Nachflihrung von Kollektoren 224
IV.4. Photovoltaische Energieumwandlung 226
IV. 4.1 • Solarzellen 226
IV.4.1.1. Der p-n-Ubergang im Gleichgewicht 227
IV.4.1.2. Der bestrahlte p-n-Ubergang; die Photospannung 231
IV.4.1.3. Photostrom und Wirkungsgrad einer Photozelle 234
IV.5. Solaranlagen: Stand und Entwicklungstendenzen 240
IV. 5.1 • Anlagen zur Bereitstellung von Niedertemperatur
warme 240
IV.5.2. Anlagen zur Bereitstcllung von ProzeBwarme bzw.
elektrischer Energie 241
IV.5.2.1. Kraftwerk nach dem Farmkonzept in Almeria,
Spanien 241
IV.5.2.2. Kraftwerk nach dem Turmkonzept in Almeria,
Spanien 243
IV.5.2.3. Solar One: US-Demonstrationskraftwerk in Barstow,
Kalifornien 244
IV.5.2.4. Entwicklungstendenzen bei solarthermischen
Anlagen 244
IV.5.3. Anlagen zur Bereitstellung elektrischer Energie
mit Hilfe photovoltaischer Energieumwandlung 245
V. Energie aus dem Atomkern 248
V.1 • Einflihrung 248
V.2. Kernphysikalische Grundlagen 251
V.2.1. Bindungsenergie des Atomkerns; Energiebilanz
bei Spaltung und Fusion 251
V.2.2. Kernphysik thermischer und schneller Reaktoren;
Konversion und Brliten 254
XI
Seite
V. 3. Energieabfuhr aus dem Reaktorkern; verschie
dene Arten der Kernkuhlung 265
V. 4. Elemente der Reaktorregelung 271
V.5. Sicherheitsfragen; Risikouberlegungen 275
V.6. Der Kernbrennstoffkreislauf 288
V.7. Wege zur Fusionsenergie 298
V.7.1. Mittlerer Energiegewinn aus Fusionsreaktionen 298
V.7.2. Zundtemperatur, Zundkriterium und Lawson-Kri-
terium 303
V.7.3. Magnetischer EinschluB des Plasmas 309
V.7.4. TragheitseinschluB des Plasmas 316
V.7.5. Zur Technologie zukunftiger Fusionsreaktoren 322
V.7.6. Synergetische Systeme zur Nutzung der Kernenergie 326
VI. Zusammenfassung 330
VII. Anhang 336
Literatur 337
Sachverzeichnis 351