Stoffsammlung „Praktikum im Schwerpunkt“ 1. Solarkollektorprüfstand a) Erklärung zum Versuchsaufbau Der Solarkollektorprüfstand besteht aus mehreren Baueinheiten, wie: Gestell Solarsimulationseinrichtung Hydraulischer Kreislauf Windsimulation Messtechnik Im Oberrahmen befindet sich sie Solarstrahlungseinrichtung. Sie besteht aus 32 Quecksilberdampflampen und 27 Halogenlampen. Die Strahlungsintensität ist mittels vier Spindeln in der Höhe verstellbar und durch Vergrößern oder Verkleinern des Abstandes zw. Der SSE und der Oberfläche des Moduls bzw. Kollektors regelbar. Die Leistung der Halogenlampen ist zusätzlich über einen Dimmer regelbar. Im Mittelrahmen ist die Windsimulation befestigt und er nimmt das Shuttle-Blech auf, in dem sich der Solarkollektor bzw. PV-Modul befindet. Die Windsimulationseinrichtung besteht aus sechs Gleichstrom-Axial-Lüftern. Der Luftdurchsatz beträgt bis zu 250 m3/h bei einer mittleren Windgeschwindigkeit von 2 m/s. Die WSE wird zur zusätzlichen Kühlung des PV-Moduls verwendet. Der Unterrahmen ergibt mit dem Mittelrahmen das Grundgestell des Prüfstandes. Dort sitzen zwei Spindelhubelemente zur Neigung des Prüfstandes aus der Horizontalen heraus. Der Prüfstand besitzt zwei thermische Kreisläufe: Der Primär-Kreislauf ist der Kryomatenkreislauf. Am Kryomat wird eine Vorwahltemperatur eingestellt. Der Primär-Kreislauf ist mittels eines Gegenstromwärmetauschers mit dem Sekundär-Kreislauf verbunden. Der SekundärKreislauf wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe angetrieben und dient zur Kühlung der Photovoltaikmodule mittels einer Kühlplatte. Beide Kreisläufe verwenden entsalztes Wasser als Kühlmedium. Zur Erfassung der Messwerte sind folgende Messeinrichtungen vorhanden: Temp.messeinrichtung zur Messung der Eintritts- und Austrittstemp. der Kühlplatte Temp.messeinrichtung zur Messung der Temp. auf der Unter- Und Oberseite des Solarmoduls Pyranometer zur Messung der Strahlungsintensität Windgeschwindigkeitsmessung mittels eines Flügelrades Turbinendurchflussmesser zur Messung des Volumenstromes Messmodule zur Messung der Stromstärke und Spannung b) Kennlinien siehe Skript c) Kurzfragen im Text Nennen Sie das erste Anwendungsgebiet der Photovoltaik! Energieversorgung von Satteliten Was bedeutet AM0? Welcher AM-Wert ist für Europa typisch? AM0: Air Mass 0; Strahlung hat noch keine Luftschicht der Erdatmosphäre durchschritten Solarkonstante (E0=1370 W/m2) Wert für Europa: AM 1,5 und ist gleich der Was versteht man unter „Eigenleitung“ eines Halbleiters? Elektron geht durch thermische Anregung vom Valenz- ins Leitungsband Dadurch entsteht ein Loch im Valenzband Loch wird durch ein Nachbarelektron aufgefüllt, welches wiederum ein Loch hinterlässt → Prozess wiederholt sich Wie nennt man eine gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen und zu welchem Zweck wird das gemacht? Dotierung Dient zur wesentlichen Verbesserung der Leitfähigkeit Welche Verluste treten in einer PV-Anlage auf? Photonen mit zu geringer Energie Eg < h*f Überschüssige Energie von Photonen mit Eg > h*f Diffusionsverluste Rekombination aus Ohmschen Widerständen, Füllfaktor und Reflexion Elektrische Energie Was bedeutet STC und wozu dient sie? Welche drei Faktoren beinhalten STC (Wert und Einheit) STC = Standard Testing Conditions; dienen zur Vergleichbarkeit von Messungen Strahlungsintensität E = 1000 W/m2 Zelltemperatur Tc = 25 °C Lichtspektrum AM = 1,5 Warum nutzt eine Solarzelle nicht das gesamte Sonnenspektrum für die Energieumwandlung aus? Energieinhalt der Photonen muss gleich oder größer dem Bandabstand Eg sein. Zu niedrige bzw. überschüssige Energie kann nicht genutzt werden. Weshalb ist beim Kurzschließen des PV-Moduls noch eine Spannung vorhanden? Leitungs- und innere Widerstände verursachen eine Spannung Aus welchen Grund nach Ihrer Meinung gelingt es nicht die Modultemperatur von 20 °C konstant zu halten? Äußere Einflüsse Thermische Beeinflussung durch Strahlung der Lampen Wie verhalten sich die Leistung und der Wirkungsgrad des PV-Moduls bei konstanter Einstrahlung in Abhängigkeit von der Modultemperatur? Was kann unternommen werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern? Die Zellenleistung und der Modultemperatur Maßnahme: Kühlung einbauen Wirkungsgrad sinken bei steigender Warum weichen die im Versuch ermittelten Kenndaten des PV-Moduls von den Herstellerangaben ab? Pyranometer in „höherer“ Ebene zur „Sonne“ Temperaturmessung auf Zelle angebracht Nicht exaktes Lichtspektrum d) Allgemeines Ziele des Praktikumversuches: Leistungsmessung Wirkungsgradbestimmung Halbleiter: Für direkte Umsetzung von Licht in elektrische Energie ist in allen Fällen ein Halbleitermaterial erforderlich. Unter einem Halbleiter ist ein Festkörper gemeint, dessen spezifische Leitfähigkeit auf beweglichen Elektronen beruht. Diese ist Temperaturabhängig. Bei Metallen nimmt die Leitfähigkeit bei steigender Temperatur ab, dagegen steigt sie bei Halbleitern stark an. Energie, die beim Zusammenstoß vom Photon an das Elektron abgegeben wird: hc E h f Innerer Photoeffekt Durch die Photonenenergie der eindringenden Strahlung werden freie elektrische Ladungsträger gebildet, die die Leitfähigkeit des betreffenden Halbleiters erhöhen. Das heißt, die Elektronen werden vom Valenzband ins Leitungsband befördert und an ihrer Stelle entstehen die positiv geladenen Ladungsträger. Äußerer Photoeffekt Die Strahlung bewirkt einen Elektronenaustritt aus dem Festkörper. Dieser Effekt spielt für die Energieerzeugung aus Sonnenstrahlung keine Bedeutung, da die austretenden Elektronen technisch nicht zur Stromerzeugung genutzt werden können. Arten von Solarzellen Monokristalline Solarzellen Polykristalline Solarzellen Amorphe Solarzellen Wichtige Erkenntnisse aus den Diagrammen Strom, Spannung und Leistung hängen bei konstanter Beleuchtung ganz wesentlich vom Verbraucherwiderstand ab Es gibt einen Widerstand, bei dem die erzielte Leistung ein Optimum erreicht (MPP) Ist der Verbraucherwiderstand kleiner als der optimale Widerstand, wirkt die Solarzelle als Stromquelle: Strom ist relativ konstant, unabhängig von der Zellenspannung Ist der Verbraucherwiderstand größer als der optimale Widerstand, wirkt die Solarzelle als Spannungsquelle: Zellenspannung ändert sich kaum, während Strom durch den Verbraucher mit steigendem Verbraucherwiderstand sinkt Mit steigender Zellentemperatur sinken sowohl die Leerlaufspannung als auch die Spannung im MPP Mit steigender Temperatur steigt der Kurzschlussstrom der Zelle geringfügig an Die Zellenleistung sinkt mit steigender Zelltemperatur, d.h. der Wirkungsgrad der Zelle wird schlechter 2. Wärmeübertrageranlage a) Arten von Plattenwärmetauschern? Plattenwärmeübertrager werden in gedichteter, halbverschweißter, vollverschweißter und gelöteter Ausführung hergestellt Im Versuch werden zwei gedichtete Plattenwärmeübertrager verwendet b) Vor- und Nachteile von gedichteten Plattenwärmeübertragern? Vorteile: Geringe erforderliche Wärmeübertragungsfläche durch hohe Wärmedurchgangskoeffizienten Geringe Verschmutzungsneigung aufgrund turbulenter Strömung in den Plattenspalten Bei Gegenstromführung sind geringe Temperaturdifferenzen zw. beiden Medien möglich Aufgrund des kompakten Aufbaus platzsparende Bauweise, geringes Gewicht und geringer Inhalt Flexibler Aufbau gestattet Anpassung an veränderte Betriebsparameter Einfache Wartung, gute Reinigungsfähigkeit Niedriger Anschaffungspreis Nachteile Verfügbare Dichtungsmaterialien begrenzen Betriebstemperatur Betriebsdruck (Einsatzgrenzen etwa bei 200 °C, 25bar) Dichtungen sind Verschleißteile, die Wartungskosten verursachen c) Geometrie Abb. 3 im Skript und d) Eigenschaften von PH- und SW-Systemen PH-Systeme: Thermodynamisch harte Prägung Erzeugung einer hohen Turbulenz Sehr hoher Wärmeübergangskoeffizient Relativ hoher Druckverlust Für niedrige viskose und nicht verschmutzte Medien geeignet SW-Systeme: Thermodynamisch weiche Prägung Erzeugung geringerer Turbulenzen Geringerer Wärmeübergangskoeffizient Geringer Druckverlust Für höher viskose und verschmutzte Medien geeignet e) Abb. 4 im Skript f) Gleichung schreiben und erläutern!! m2 c p 2 dt 2 Q W R Q V d m2 = Masse des Wassers im Zwischenkreislauf [kg] cp2 = mittlere spezifische Wärmekapazität des Wassers im Zwischenkreislauf [kJ/kgK] t2 = Temperatur des Wassers im Speicher [K] Zeit [s ] Q übertragener Gesamtwärmestrom [kW ] W R aufgebrachte Rührerleis tung [kW ] Q V Verlustwärmestrom von Speicher , Rohrleitun gen und Wärmeübertrager W 01 [kW ] Im Versuch werden die Wärmeverluste an die Umgebung vernachlässigt, ein Rührwerk ist nicht vorhanden, so das gilt Q V W R 0. Dient zur Ermittlung des Temperaturverlaufs des Speicherinhalts g) Vorraussetzung für die Differenzialgleichung: Vermischung und Heißwassereintrittstemperatur müssen konstant sein h) Besonderheiten des Druckverlustes Der Druckverlust hängt u.a. von der Strömungsgeschwindigkeit, der Oberflächenbeschaffenheit und der Geometrie des durchströmten Kanals ab. In Plattenwärmeübertragern wird der Druckverlust eines Fluids bei abweichenden Betriebsdrücken beider Medien außerdem durch den Gegendruck des weiten Mediums beeinflusst. Dieser Gegendruck bewirkt ein Verengen oder Aufweiten des Plattenspalts und verursacht einen Anstieg oder eine Verringerung des Druckverlustes. Der Druckverlust bestimmt den Energieaufwand zur Förderung der Fluide durch Pumpen und damit die Betriebskosten des Wärmeübertragers. Deshalb sollte er so gering wie möglich sein. In Wärmeübertragern lässt sich der Druckverlust durch Messung des Eintrittdrucks und des Austrittdrucks ermitteln: p H , K pein p aus