Klausur 2015, Fragen und Antworten PDF

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E6-RE – Regenerative Energien Klausur 04.02.2015 Prof. Dr.-Ing. Michael Röther Department Informations- und Elektrotechnik

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Bearbeitungszeit: 120 Minuten Es sind alle Aufgaben zu bearbeiten. Zugelassen sind alle schriftlichen Unterlagen. Die Benutzung von Programmen ist verboten. Benutzen Sie für jede neue Aufgabe ein neues Blatt. Kennzeichnen Sie alle Blätter mit Namen und Matrikelnummer. Heften Sie bei der Abgabe Ihre Lösungsblätter der Reihe nach sortiert hinter dieses Deckblatt.

Aufgabe

Maximale Punktzahl

1

60

2

40

3

20

Summe

120

Erreichte Punktzahl

Notenpunkte:

File: RE_Klausur_150204

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E6-RE – Regenerative Energien Klausur 04.02.2015 Prof. Dr.-Ing. Michael Röther Department Informations- und Elektrotechnik Aufgabe 1:

PV-Dachanlage

Eine 4,9 kWp PV-Dachanlage am Standort Freiburg mit PV-Modulen E20-327 der Fa. SunPower ist unter Berücksichtigung der Leistungsgarantie der PV-Module zu analysieren.

Daten: PV-Module:

SunPower E20-327

Mittlere jährliche Globalstrahlung HG: Performance Ratio PR:

1140 kWh/(m2a) 82%

Teilaufgaben: 1.1 Wie viele PV-Module werden verwendet? Begründen Sie Ihre Antwort. Welche Fläche nimmt der PV-Generator ein? 1.2 Geben Sie für das PV-Modul E20-327 unter Zugrundelegung der Schwankungsbereiche für die Bestrahlungsstärke 200 W/m2 ≤ E ≤ 1200 W/m2 und für die Zellbetriebstemperatur 5°C ≤ ϑ ≤ 75°C unter Verwendung der Angaben im Datenblatt an: - Zelltechnologie - Nennleistung PN - Nennspannung UN - Nennstrom IN - Nenn-Füllfaktor FFN - Nenn-Wirkungsgrad ηN - Schwankungsbereich der Spannung im MPP: UMPPmin ≤ U MPP ≤ U MPPmax - Maximale Ausgangsspannung Umax - Maximaler Ausgangsstrom Imax . 1.3 Berechnen Sie für die PV-Dachanlage ohne Berücksichtigung der Leistungsgarantie der PV-Module: - Idealer jährlicher Energieertrag Eideal,a - Realer jährlicher Energieertrag Ereal,a - Während der Anlagennutzungsdauer von 20 Jahren erwirtschafteter realer Energieertrag E real,20a . 1.4 Berechnen Sie für die PV-Dachanlage unter Berücksichtigung der Leistungsgarantie der PV-Module: - Realer mittlerer jährlicher Energieertrag Ereal,1-5 während der Betriebsjahre 1 bis 5 - Realer jährlicher Energieertrag Ereal,6 im Betriebsjahr 6 - Realer jährlicher Energieertrag Ereal,20 im Betriebsjahr 20 - Realer mittlerer jährlicher Energieertrag Ereal,6-20 während der Betriebsjahre 6 bis 20 - Während der Anlagennutzungsdauer von 20 Jahren erwirtschafteter realer Energieertrag E real,1-20 - Maximale prozentuale Minderung ∆Ereal,20a des realen Energieertrags Ereal,20a nach der Anlagennutzungsdauer von 20 Jahren.

File: RE_Klausur_150204

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E6-RE – Regenerative Energien Klausur 04.02.2015 Prof. Dr.-Ing. Michael Röther Department Informations- und Elektrotechnik Aufgabe 2:

Windenergieanlage

Die Windenergieanlage 6.2M152 der Firma Senvion soll im Folgenden analysiert werden. Des Weiteren ist deren Ertrag an einem Onshore-Standort abzuschätzen.

Daten der Windenergieanlage:

Wirkungsgrade (abgeschätzt): Getriebe: Generatorsystem: Transformator:

File: RE_Klausur_150204

94% 97% 99%.

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E6-RE – Regenerative Energien Klausur 04.02.2015 Prof. Dr.-Ing. Michael Röther Department Informations- und Elektrotechnik Standortdaten: Mittlere Windgeschwindigkeit am Onshore-Standort Luftdichte:

8 m/s 1,23 kg/m3 .

Teilaufgaben: 2.1 Geben Sie für die Windenergieanlage am Onshore-Standort an: - Nennleistung PN - Einschaltwindgeschwindigkeit vEin - Nennwindgeschwindigkeit vN - Abschaltwindgeschwindigkeit vAb - Rotor-Nennleistung PRN - Nennleistungsbeiwert cpN . 2.2 Geben Sie für das Generatorsystem in der Windenergieanlage an: - Nennleistung PGN - Nennstrom IGN - Generatordrehzahlbereich nG,min ≤ nG ≤ nG,max - Technologie (Begründung!) - Polpaarzahl p des Generators (Begründung!) - Nennleistung des Umrichters PUN . 2.3 Berechnen Sie für die Windenergieanlage am Onshore-Standort: - Mittlerer jährlicher Energieertrag  - Mittlere jährliche Volllaststunden  .

File: RE_Klausur_150204

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E6-RE – Regenerative Energien Klausur 04.02.2015 Prof. Dr.-Ing. Michael Röther Department Informations- und Elektrotechnik Aufgabe 3:

Rendite bei Eigenverbrauch

Die Rendite der PV-Dachanlage aus Aufgabe 1 ist im Folgenden zu analysieren. Dabei sollen zwei verschiedene Konzepte untersucht werden: Konzept 1:

Die von der PV-Dachanlage erwirtschaftete Energie wird vollständig ins elektrische Versorgungsnetz eingespeist

Konzept 2:

Ein Teil der von der PV-Dachanlage erwirtschafteten Energie wird selbst verwertet, der restliche Anteil wird ins Versorgungsnetz eingespeist. Die Eigenverbrauchsquote beträgt 26%.

Es sind folgende Daten zugrunde zulegen: Haushalt: Jährlicher Energiebedarf: Energiebezugspreis:

4.200 kWh/a 25 Ct/kWh

PV-Dachanlage: Investitionskosten: Betriebskosten: Realer jährlicher Energieertrag: Inbetriebnahme:

9.800 EUR - - 4.600 kWh/a Nov. 2014

EEG 2014: Einspeisevergütung: Anlagennutzungsdauer:

12,62 Ct/kWh 20 Jahre

Zinssatz und Annuität:

File: RE_Klausur_150204

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E6-RE – Regenerative Energien Klausur 04.02.2015 Prof. Dr.-Ing. Michael Röther Department Informations- und Elektrotechnik Teilaufgaben: 3.1 Berechnen Sie für die PV-Dachanlage unter Zugrundelegung von Konzept 1: - Jahresvergütung Z1 - Annuitätsfaktor a1 - Zinssatz p 1 (Rendite). 3.2 Berechnen Sie für die PV-Dachanlage unter Zugrundelegung von Konzept 2: - Jährlich ins Versorgungsnetz eingespeiste Energie E2a - Jahresvergütung Z2a - Jährlicher Minderbezug von elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz E2b - Jährliche Minderkosten für aus dem Versorgungsnetz bezogener elektrischer Energie Z2b - Jahreseinnahmen Z2 - Annuitätsfaktor a2 - Zinssatz p 2 (Rendite).

Lösung: Aufgabe 1:

15 Stk; 24,46 m2 ; Monokristallin; 327 Wp; 54,7 V; 5,98 A; 0,78; 20,05%; Mit αU = (-0,1766 V/°C)/64,9 V = -0,0027 1/°C: 36,29 V ≤ UMPP ≤ 59,18 V; 70,21 V; Mit αI = (0,0035 A/°C)/6,46 A = 0,0005 1/°C: 7,95 A; 5586 kWh; 4580,5 kWh; 91,61 MWh; 4351,5 kWh; 4334,1 kWh; 4097,6 kWh; 4216,15 kWh; 85 MWh; 7,2%.

Aufgabe 2:

6,15 MW; 3,5 m/s; 12 m/s; 25 m/s; 6,81 MW; 35,32%; 6,21 MW; 543 A; 742,2 min-1 ; 1347 min-1 ; Doppelt gespeister Asynchrongenerator wg. eingeschränktem Drehzahlbereich; Mit p = 3 liegt synchrone Drehzahl n0 = 1000 min-1 im eingeschränkten Drehzahlbereich; 2,16 MW; 21,9 GWh; 3561 h.

Aufgabe 3:

580,52 EUR/a; 0,0592; 1,75%; 3404 kWh/a; 429,59 EUR/a; 1196 kWh/a; 299 EUR/a; 728,59 EUR/a; 0,0743; 4% .

Zu Aufgabe 1:

Datenblatt der PV-Module E20-327 (1 Seite)

File: RE_Klausur_150204

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100 % 95 %

SunPower

SunPower

Herkömmliche Garantie

Herkömmliche Garantie

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5

10

15

20

0

25

Jahre

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