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Expertise- und simulationsbasierte, mehrstufige Tragwerksoptimierung im Entwurf von Windenergieanlagen

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[Quelle: http://d-nb.info]

In der Arbeit werden zwei Ziele verfolgt: Erstens die Entwicklung eines Verfahrens zur integrierten Kombination von Topologie-, Form- und Dimensionsoptimierung auf Grundlage des synergetischen Einsatzes von Expertenwissen und Simulationen; und darauf aufbauend zweitens die Integration des entwickelten Verfahrens in den Entwurfsprozess eines neuartigen Tragwerks für Windenergieanlagen (WEA). Ausgangspunkt und innere Stufe des mehrstufigen Verfahrens ist die klassische Tragwerksbemessung des Bauingenieurwesens, bei der die Querschnittsabmessungen als Designvariablen behandelt werden. Durch Expertenwissen und den Informationsrückfluss aus späteren Entwurfs- und Realisierungsphasen gelingt die algorithmische Definition von Lebenszykluskosten. Das physikalische Verhalten der untersuchten Tragwerke wird über flexible, parametrisierte und segmentierte Strukturmodelle abgebildet. Damit werden zwei maßgebliche Anforderungen zur Erzeugung praxisrelevanter Ergebnisse erfüllt. Topologie- und Formoptimierung werden als äußere Stufe der Optimierung definiert und mittels algorithmisch iterativer Kopplung mit der Dimensionsoptimierung kombiniert. Zur Lösung der äußeren Stufe kommt das Antwortflächenverfahren zum Einsatz, was parallelisierte Berechnungen ermöglicht. Die Einhaltung von globalen Restriktionen (Eigenfrequenzsperrbereiche von WEA) hat maßgeblichen Anteil am Berechnungsaufwand. Zur Reduktion der Rechenzeit wird ein auf dem Optimalitätskriterium der Spannungshomogenisierung aufbauendes Verfahren entwickelt. Die Trennung von lokalen und globalen Restriktionen und die Lösung der globalen Restriktionen mittels Optimalitätskriteriums, ermöglichen die Lösung des komplexen Optimierungsproblems in der vorliegenden Form. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Verfahrens wird am Beispiel der Sockelgründung für Onshore-WEA gezeigt. Sie äußert sich in der klaren Verbesserung der entworfenen WEA im Vergleich mit bestehenden Tragwerken hinsichtlich der Massen und der Lebenszykluskosten. Weiterhin erlaubt die vorgestellte Umsetzung durch ihre segmentierte, frei erweiterbare Struktur die passgenaue Abbildung der Problemstellungen in verschiedenen Entwurfsphasen. Dies ermöglicht eine schnelle Steigerung des Informationsniveaus – dem roten Faden des Entwurfsprozesses – und damit eine effiziente Lösung der technischen Fragestellung.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Sylvia Höhentinger
Photovoltaikanlagen bauen, pflegen und nützen!
Für eine saubere Zukunft
1.
2021, 144 S., 28 Farbabb. 210 mm, Softcover
tredition

 

 

"Dass Photovoltaikanlagen nicht gereinigt und gewartet werden müssen, stellt sich bei immer mehr Anlagen als Fehleinschätzung heraus. Manche Betreiber warten aber so lange, bis das Moos am unteren Modulrand zwischen Rahmen und Abdeckglas eingewachsen ist. Das zerstört das Modul", so die Autorin. "Nur wenigen Anlagenbetreibern ist bekannt, dass Moose und Flechten dem Modulglas Mineralien entziehen. Das verändert die Materialstruktur und es entstehen milchige Stellen im Glas. Die mindern die Modul-Leistung langfristig. Von der Verschattung durch den Bewuchs ganz abgesehen", erklärt sie. Dass Schmutz von Modulen durch Schnee, Regen und einen hohen Selbstreinigungseffekt einfach abrutscht, hält sie für kompletten Blödsinn. "Bei einem Auto ist jedem klar, dass es gewaschen werden muss, wenn der Schmutz runter soll. Kein Mensch glaubt, dass ein Auto sauber wird, wenn es zugeschneit ist und der Schnee bei Tauwetter abrutscht. Es glaubt auch niemand, dass ein Regenguss Fahrzeuge vom Schmutz befreit", so Höhentinger." Aus meiner Erfahrung verschmutzen alle Oberflächen irgendwann, in irgendeiner Form. Manche weniger, andere mehr, aber in jedem Fall hilft nur noch reinigen", erklärt sie. Sylvia Höhentinger spricht aus Erfahrung. Vor ihrem Sprung in die Selbstständigkeit mit der Reinigung und Wartung von Photovoltaikanlagen war sie im professionellen Reinigungsgeschäft tätig. "Wer 5 Jahre seine Anlage nicht reinigt und Bewuchs auf den Modulen hat, der hat zu lange gewartet", sagt sie. "Solche Anlagen sollten spätestens alle 2 Jahre gereinigt werden. Dann geht es schneller, es ist günstiger und für die Anlage und den Ertrag ist es besser", so die PV-Expertin.

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Heiko Schwarzburger, Sven Ullrich
Sonnenstrom aus der Gebäudehülle
Grundlagen und Praxistipps zur bauwerkintegrierten Photovoltaik (BIPV)
2021, 189 S., 27 cm, Hardcover
VDE-Verlag

 

 

Bauwerkintegrierte Photovoltaik, abgekürzt BIPV (Building Integrated Photovoltaic), hat sich mittlerweile zu einem interessanten Geschäftsfeld entwickelt. Die Möglichkeiten, Solarpaneele in Fassade oder Dach zu integrieren, werden technisch und ästhetisch immer ausgefeilter und wirtschaftlicher. Das Interesse, diese Möglichkeiten kennenzulernen und zu nutzen, steigt; auch vor dem Hintergrund der seit 2021 geltenden EU-Gebäuderichtlinie, die für neue Gebäude eine weitgehend ausgeglichene Energiebilanz (nearly zero energy) fordert. Das Buch richtet sich an B2B-Zielgruppen, die Dächer und Fassaden für Solarstrom nutzen wollen - im Neubau und in der Bestandssanierung. Die Autoren zeigen anhand von zahlreichen Fotos die vielfältigen Einsatz- und Gestaltungsmöglichkeiten von BIPV, geben ausführliche Hinweise zur Technik, Planung und Wirtschaftlichkeit und präsentieren Tipps zum Betrieb und zur Wartung der Anlagen.

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Horst-Joachim Lüdecke
Energie und Klima
Chancen, Risiken und Mythen
4., Aufl.
2020, 221 S., 215 mm, Softcover
expert-verlag

 

 

Mit der Energiewende und im Klimaschutz erfindet sich Deutschland neu. Es nimmt dabei eine weltweite Sonderstellung ein. Die komplette Umgestaltung der elektrischen Stromversorgung wurde auf den Weg gebracht. Was früher nur die zuständigen Ingenieure beschäftigte, interessiert heute vor dem Hintergrund aktueller politischer Entscheidungen die gesamte Gesellschaft. Die aktuelle Energiewende und die Klimaschutzmaßnahmen können nur dann sinnvoll sein, wenn sich hieraus Vorteile für den Naturschutz, die Versorgungssicherheit mit elektrischem Strom und die Kosten ergeben. Dieses Buch untersucht die Chancen, Risiken, Vor- und Nachteile des deutschen Weges. Die Konkurrenzfähigkeit unseres Landes, die Sicherheit gegen Stromausfälle, die Steuerlast, die Energiekosten jeden Bürgers und schließlich die Umwelt stehen auf dem Spiel.

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Ullrich Becker
PV-Anlage Und was jetzt?
2019, 136 S., 19 cm, Softcover
Re Di Roma-Verlag

 

 

Das Buch versteht sich als Ratgeber für Betreiber kleiner PV-Anlagen (nicht größer als 30 kWp). Mit den Anforderungen der Netzbetreiber, der Bundesnetzagentur, des Finanzamtes und anderen Institutionen fühlen sich neue Anlagenbetreiber oft überfordert. Auch während des langjährigen Betriebs einer PV-Anlage können Fragen aufkommen. Beispielsweise bei Reparaturen oder Umbauten der Anlage. Was geschieht beim Verkauf der Immobilie oder was passiert, wenn nach 20 Jahren die Förderung ausläuft? Die Gesetzestexte im EEG sind schwer verständlich und nicht alles, was im EEG steht, ist für Betreiber kleiner PV-Anlagen zutreffend. In dem Ratgeber gibt es Antwort auf Fragen zum Betrieb einer PV-Anlage aber auch Hilfestellung bei der Planung einer Anlage.

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Wolfgang Schröder
Gewerblicher Betrieb von Photovoltaikanlagen
Betreiberverantwortung, Betriebssicherheit, Direktvermarktung
2018, 240 S., 167 Abb. u. 5 Tab., Hardcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Buch beschäftigt sich mit Fragen der Vermarktung und Eigenstromnutzung, aber auch mit Steueroptimierungen für gewerblich betriebene Dach- und Freifeldanlagen. Zunächst werden aber grundsätzliche Fragen zur Betreiberhaftung, dem Sinn regelmäßiger Prüfungen, der Ertragssicherung und dem Fehlerpotenzial geklärt. Darüber hinaus werden in Hinblick auf den rechtssicheren Anlagenbetrieb Fragen zu Haftungsrisiken insbesondere bei Anlagen auf fremden Dächern, zur Rolle des Betriebsführers, zum baulichen Brandschutz und Personenschutz, zu Sondermessungen und selbstverständlich zur prinzipiellen Eignung von Dächern beantwortet. Weitere Schwerpunkte sind die Themenbereiche Sonderbauwerke und Anlagen in landwirtschaftlichen Betriebsstätten.

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
Weitere Informationen rund um das Thema Bauforschung finden Sie in unserem
Portal Bauforschung

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Marc Großklos, Iris Behr, Daniel Paschka
Möglichkeiten der Wohnungswirtschaft zum Einstieg in die Erzeugung und Vermarktung elektrischer Energie. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2985
2016, 125 S., 40 Abb. u. 25 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Verkauf von selbst erzeugter elektrischer Energie an Mieter innerhalb des Gebäudes kann die Wirtschaftlichkeit von Investitionen in regenerative Erzeugungsanlagen bzw. Kraft-Wärme-Kopplung nennenswert verbessern und so die Nutzung dieser Techniken befördern. Im Forschungsvorhaben wurden konkrete Umsetzungen von Mieterstrom durch Wohnungsunternehmen oder Kooperationspartner sowie unterschiedliche Modelle des Verkaufs des Stroms an die Mieter an Hand von Praxisbeispielen zusammengestellt und analysiert. Weiterhin wurden verschiedene Messkonzepte für Mieterstrom dokumentiert. Die gefundenen Lösungen zeigen die Bandbreite für Wohnungsunternehmen (inkl. Genossenschaften) bei der Vermarktung selbst erzeugter elektrischer Energie. In Experteninterviews mit Entscheidungsträgern der Wohnungs-, aber auch der Energiewirtschaft wurden die Motivationen und Entscheidungswege in unterschiedlichen Unternehmen erfragt. Die Experteninterviews wurden durch eine Online-Umfrage bei über 100 Wohnungsunternehmen ergänzt, in der die Gründe erhoben wurden sich mit Mieterstrom zu beschäftigen oder auch nicht. Die Stromerzeugung beeinflusst auch die Energiebilanz des Gebäudes, je nach energetischem Standard, Strombedarf und Anlagentechnik. In Vergleichsrechnungen wurden diese Zusammenhänge analysiert. Weiterhin wurde die Wirtschaftlichkeit von Mieterstrom aus Sicht eines Wohnungsunternehmens, eines Contractors sowie aus Mietersicht beispielhaft berechnet. Aus den Experteninterviews, der Online-Umfrage und eigenen Recherchen wurden Hemmnisse für eine stärkere Verbreitung von Mieterstrom im organisatorischen, energiewirtschaftlichen und juristischen Bereich identifiziert und Vorschläge zum Abbau der Hemmnisse erarbeitet. Mit Mieterstrom sind einerseits Effizienzsteigerungen in den Beständen möglich, andererseits z. B. für Plus-Energie-Gebäude gangbare Modelle zu skizzieren. Wirtschaftlichkeitsberechnungen zeigen, dass Mieter durch günstigere Stromtarife profitieren können. Zum Mieterstrom wurde im Juni 2015 eine Tagung in Darmstadt vera

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Bernhard Weller, Jasmin Fischer
Untersuchung eines gedämmten Paneels mit integrierter Photovoltaik zur Verwendung in Pfosten-Riegel-Konstruktionen (Gedämmtes PV-Paneel). Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2902
2015, 64 S., Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit Verabschiedung der EU-Richtlinie 2010/31/EU werden die Mitgliedstaaten der Europäischen Union verpflichtet, Maßnahmen zu ergreifen, um sicherzustellen, dass spätestens bis zum 31. Dezember 2020 alle neu errichteten Gebäude Niedrigstenergiegebäude sein werden. Um dieses zu erreichen ist der Einsatz erneuerbarer Energien zur Deckung des Energiebedarfs von Gebäuden ein wesentlicher Faktor. Opake Fassadenbereiche bieten flächenmäßig ein großes Potenzial für die Integration von Photovoltaik. Ziel des vorliegenden Projektes war die Entwicklung eines opaken Fassadenpaneels mit integrierter Photovoltaik für die Anwendung in Pfosten-Riegel-Fassaden. Opake Brüstungspaneele für Pfosten-Riegel-Fassaden bestehen in der Regel aus einem Dämmkern, einer rückseitigen Verkleidung und einer vorderseitigen Abdeckung. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Möglichkeiten untersucht, die vorderseitige Abdeckung durch ein Photovoltaikmodul zu ersetzen. Es wurden zwei Prototypenserien entwickelt. Die erste Prototypenserie ist für den Einsatz in Systemfassaden gedacht, bei denen die Paneele mittels Klemmleisten vierseitig linienförmig an den Pfosten und Riegeln befestigt werden. Die zweite Prototypenserie ist für den Einsatz in Structural-Glazing-Fassaden konzipiert, bei denen die Paneele über Silikon-Klebungen an den Pfosten und Riegeln befestigt werden. Bei Structural-Glazing-Fassaden sind keine Klemmleisten erforderlich und es ergibt sich ein ebenes und von der Materialität einheitliches Erscheinungsbild. Hierfür waren Untersuchungen zur Materialverträglichkeit zwischen Klebstoff und Laminatsfolie des Photovoltaik-Moduls erforderlich. Es wurden Probekörper hergestellt, die unterschiedlichen künstlichen Alterungsszenarien unterzogen wurden. Die fertigen Prototypen wurden in einer Bestrahlungsprüfung getestet. Die Prüfungen dienten zur Bestimmung der Temperaturentwicklung auf den Oberflächen des Moduls und in Zellebene sowie zur Bestimmung der Abhängigkeit zwischen Temperatur und Modulleistung. Mit den durchgeführten Prüfungen kon

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Patrick Dewit Van Styvendael, Christian Heller, Oliver Mayer
Renewable Energy Balancing for residential Homes
Konzept für ein Auslegungstool zur Kapazitätsdimensionierung von Batteriespeichern für EFH als Energieplushäuser
Enthält CD mit einem Excel-Tool (Bestandteil nur bei der gedruckten Version).
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2865
2013, 134 S., num. col. illus. and tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Dieses Projekt fokussiert sich auf das "Regenerative Energien-Management für Wohnhäuser". Kosten für elektrische Energie steigen stetig. Aus diesem Grund gibt es einen positiven Trend zum Eigenverbrauch dezentral erzeugter Energie. Das Auftreten von regenerativer Energie aus Photovoltaik und Wind sind von starken Fluktuationen unterlaufen. Von Nöten ist eine Speicher Lösung, um den Eigenverbrauch zu steigern. Batterien erfüllen als Speicher die Anforderungen von einem Wohnhaus, da diese klein und leistungsstark sind. Im Rahmen des Projektes ist zu ermitteln: "Welche Dimensionierung der Batteriekapazität ist nötig für ein Wohnhaus und wie viel Eigenverbrauch kann damit erreicht werden?". Ein Programm wurde entwickelt zur Überprüfung der Auslegung. Die Anforderungen wurden auf eine einfache und leicht handhabbare Software gelegt. Die Berechnung erfolgt als Besonderheit über eigens anpassbare Last- und Generator-Profile. Eigenverbrauch kann zu einem zufriedenstellenden Maße erhöht werden. Die Bedingung dafür sind fortlaufende und hinreichende Energieerträge von der Generator Seite.

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Bernhard Weller, Jasmin Fischer, Hubertus Wabnitz
Integration von CIS-Photovoltaik in Wärmedämm-Verbundsysteme (PV-WDVS). Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2839
2013, 73 S., 48 Abb.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Forschungsprojekt beinhaltet die Erprobung einer innovativen Wärmedämm-Verbundsystem-Fassade, in die flexible, dünnschichtige Photovoltaik-Module integriert werden. Ziel ist es, eine multifunktionale "energieaktive" Fassade mit PV-Modulen als integralen Bestandteil des Bauteils zu verwirklichen. Hierbei werden neuartige, flexible und dünnschichtige PV-Module im Klebeverfahren auf das WDV-System aufgebracht. Mit der Entwicklung einer PV-WDVS-Fassade wird somit erstmals ein Bauteil die Funktion einer wärmedämmenden, vollfunktionstüchtigen Außenwandbekleidung mit der Nutzung regenerativer Energien vereinigen. Die Konstruktion der PV-WDVS-Fassade sieht ferner eine einfache und handwerksgerechte Verarbeitung der Systemkomponenten vor. Dies kommt einer im Vergleich zu konventionellen Systemen verbesserten Wirtschaftlichkeit zugute, die eine breite Anwendung z. B. im Rahmen der Gebäudesanierungsprogramme zur CO2-Reduzierung ermöglichen wird. Die Forschungsergebnisse bestätigen die technische Machbarkeit und - von den zukünftigen Rahmenbedingungen abhängige - Wirtschaftlichkeit der PV-WDVS-Fassade. Die Verklebung der flexiblen, dünnschichtigen CIS-PV-Elemente mit einem zweikomponentigen Silikon-Klebstoff auf einer PU-Trägerplatte, die in das WDV-System integriert wird, erwies sich sowohl in Laboruntersuchungen als auch im Schnelltest unter wechselnder Klimabeanspruchung als ausreichend tragfähig und dauerhaft. Die Leistungsmessungen der CIS-PV-Elemente bestätigten einen nur geringen Leistungsabfall bei erhöhten Elementtemperaturen infolge längerer Sonnenlichteinstrahlung und einen insgesamt guten Wirkungsgrad der Elemente. Bauphysikalische Untersuchungen des PV-WDVS-Fassadensystems ergaben auch bei Betrachtung mehrjähriger Zyklen keine unzulässige Feuchteanreicherung im System. Erste Brandversuche lassen eine spätere Einstufung in die Brennbarkeitsklassen B2 oder B1 vermuten. Die dünnschichtigen und flexiblen CIS-PV-Module sind frei von Schwermetallen und zeichnen sich durch eine gute Recyclingfähigkeit aus. Als Faz

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M. Norbert Fisch, Thomas Wilken, Franziska Bockelmann, Christina Stähr
Netto-Plusenergie-Gebäude mit Stromlastmanagement und Elektro-Mobilität. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2860
2013, 45 S., 31 Abb. u. 11 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Kernziel des F+E-Vorhabens ist die Evaluierung der energetischen Performance des Netto-Plusenergie-Standards für das Einfamilienhaus. Dabei umfasst die Energiebilanz den Gebäudebetrieb, den Haushaltsstrom sowie die Elektromobilität. Unter anderem steht im Rahmen der wissenschaftlichen Untersuchung ein hoher Eigenstromnutzungsanteil aus der Photovoltaik im Fokus. Das Gesamtkonzept berücksichtigt die folgenden Aspekte zur Umsetzung des Netto-Plusenergie Standards: - die Reduzierung des Jahres-Endenergiebedarfs für Heizung und Warmwasser; - die Reduzierung des Jahres-Strombedarfs für Haushaltsgeräte und Beleuchtung; - eine rationelle Energieerzeugung und -verteilung; - die Nutzung der Sonnenenergie zur Wärme- und Stromerzeugung; - die direkte Nutzung des solar erzeugten Stroms für E-Mobilität und Speicherung in Batterien; - eine Gebäudeleittechnik (GLT) zur Steuerung und zur Umsetzung eines Lastmanagement sowie ein Monitoring zur Erfolgskontrolle und Betriebsoptimierung. Das primäre Ziel, den Netto-Plusenergie-Standard bei gleichzeitig hoher Nutzerzufriedenheit zu erreichen, wird in den ersten zwei Betriebsjahren voll erfüllt. Der solare Deckungsanteil der PV-Anlage am Gesamtstromverbrauch beträgt 2011 rd. 32 Prozent und wurde 2012 auf 48 Prozent gesteigert. Die direkte solare Eigenstromnutzung betrug in 2011 18 Prozent und konnte 2012 auf 33 Prozent der erzeugten Solarstrommenge erhöht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass noch weiteres Potential zur Steigerung der Eigenstromnutzung vorhanden ist. Dieses soll in den Folgejahren realisiert werden. Um das gesamte System weiter zu optimieren soll in einem Anschlussprojekt eine aktive Funktionsbeschreibung zur Spezifikation und Überwachung des Gebäudebetriebs entwickelt werden. Die Steigerung des Eigenstromanteils im Gebäude soll durch folgende Maßnahmen umgesetzt werden: - Ausbau der thermischen Speichermassen (Pufferspeichervergrößerung); - Optimierte Nutzung der vorhanden thermischen Gebäudemasse (aktive Funktionsbeschreibung und optimierte Regelstrategien); - On-Lin

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Dürschner, Christian
Modifizierte Kaskadenschaltung. Eigenverbrauch mit Überschusseinspeisung aus zwei PV-Anlagen (kostenlos)
Sonnenenergie, 2021

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Butscher, Ralf
Sonnige Zeiten. Sinkende Kosten,neue Technik und pfiffige Anwendungen beflügeln die Nutzung des Sonnenlichts als Energiequelle
Bild der Wissenschaft, 2021

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Steinborn, Hanjo; Koopmann, Tammo; Sprötge, Martin
Empfindlichkeit des Graureihers gegenüber Windenergieanlagen. Ergebnisse einer BACI-Untersuchung
Naturschutz und Landschaftsplanung, 2021

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Sutter, Jörg
Online Rechner für Ü20-Anlagen. Neues Tool der DGS hilft bei der Entscheidungsfindung (kostenlos)
Sonnenenergie, 2021

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Netz, Hartmut
Haus unter Strom. Neue effektive Solarzellen schmücken Fassaden und Dächer
Bild der Wissenschaft, 2021

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Highlights aus dem Programm 2022