Stoffsammlung „Praktikum im Schwerpunkt“

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Stoffsammlung „Praktikum im Schwerpunkt“
1. Solarkollektorprüfstand
a) Erklärung zum Versuchsaufbau
Der Solarkollektorprüfstand besteht aus mehreren Baueinheiten, wie:
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

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
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Pyranometer zur Messung der Strahlungsintensität
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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?

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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?
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Dotierung
Dient zur wesentlichen Verbesserung der Leitfähigkeit
Welche Verluste treten in einer PV-Anlage auf?
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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)
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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?
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Leitungs- und innere Widerstände verursachen eine Spannung
Aus welchen Grund nach Ihrer Meinung gelingt es nicht die Modultemperatur von 20
°C konstant zu halten?

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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?
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
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?
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Pyranometer in „höherer“ Ebene zur „Sonne“
Temperaturmessung auf Zelle angebracht
Nicht exaktes Lichtspektrum
d) Allgemeines
Ziele des Praktikumversuches:
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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:
hc
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
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Monokristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen
Amorphe Solarzellen
Wichtige Erkenntnisse aus den Diagrammen
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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:



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Thermodynamisch harte Prägung
Erzeugung einer hohen Turbulenz
Sehr hoher Wärmeübergangskoeffizient
Relativ hoher Druckverlust
Für niedrige viskose und nicht verschmutzte Medien geeignet
SW-Systeme:
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

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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
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