Exa (ab Meerese.) Flashcards

Question 1

Q

Gezeiten

Bedingt durch den Wechsel des Wasserstandes kann es in küstennahen Bereichen zu was kommen?

Answer

A

starken Ausgleichsströmungen

Question 2

Q

Gezeitenkraftwerke - das Ein-Becken-System mit Einwegnutzung

Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise!

Answer

A

Zeichnung -> siehe slide 14

Funktionsweise:
- Abtrennung des Wasserbeckens durch Mauern und einen Damm

Im Damm sind eine Schleuse und eine Turbine
Bei Flut strömt Wasser durch Schleuse ins Becken
Bei Ebbe wird Wasser aus dem Becken durch eine Turbine ins Meer geleitet (Energieerzeugung)
Nachteil: Stromproduktion nur bei Ebbe

Question 3

Q

Gezeitenkraftwerke - das Ein-Becken-System mit Zweiwegnutzung

Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise!

Answer

A

Zeichnung -> slide 15!!

Funktionsweise:
- Abtrennung des Wasserbeckens durch Mauern und einen Damm

Im Damm sind eine Schleuse und eine Turbine
Turbine kann in beide Richtungen durchströmt werden (Zweiwegnutzung)
Schleuse beschleunigt nur das Ein- und Ausströmen des Wassers in Zeiten mit nahezu keinem Höhenunterschied zwischen Speicherbecken und Meer
Vorteil: Stromproduktion auch bei Flut
–> größerer Zeitraum der Energiebereitstellung
–> ABER keine kontinuierlichen und gleichmäßigen Mengen über Zeitverlauf (Nachteil)

Question 4

Q

Gezeitenkraftwerke - das Zwei-Becken-System

Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise (Gehe auch auf Vor- und Nachteile ein!)

Answer

A

-> Skizze auf Slide 17!!

Funktionsweise:
- Abtrennung des Wasserbeckens durch Mauern und einen Damm

Im Damm sind nur zwei Schleusen (keine Turbine)
Das Wasserbecken ist durch einen weiteren Damm in zwei Becken unterteilt
-> in diesem Damm befindet sich Turbine
Jedes der beiden Becken ist über jeweils eine Schleuse mit dem Meer in Verbindung
Steuerung über Ebbe-Flut immer so, dass Becken1 einen höheren Wasserstand hat als Becken2
-> bei Ebbe: Schleuse von Becken1 geschlossen und von Becken2 geöffnet
-> bei Flut anders herum
Wasser strömt von Becken1 zu Becken2 über Turbine und erzeugt Strom (in der Zeit ist Schleuse von Becken1 geschlossen)

Vorteil:
- Energieproduktion im Vergleich zu Ein-Becken-Systemen (Einweg-/Zweiwegnutzung) weiter vergleichmäßigt

Nachteile:
- höherer Platzbedarf
- höherer bautechnischer Aufwand für die Erstellung der beiden Becken

Question 5

Q

Gezeitenkraftwerke

Vergleiche Ein-Becken-System mit Einwegnutzung, Ein-Becken-System mit Zweiwegnutzung und Zwei-Becken-System in Bezug auf die Energiebereitstellung! (Vor- und Nachteile)

Answer

A

Zwei-Becken-System hat eine kontinuierliche und die gleichmäßigste Energiebereitstellung. (Grundlastfähig)
-> dafür höherer Platzbedarf und bautechnischer Aufwand

Ein-Becken-System mit Zweiwegnutzung hat keine kontinuierliche und gleichmäßige Energiebereitstellung, aber Energiebereitstellung bei Ebbe und Flut möglich.
-> bei Einwegnutzung Energiebereitstellung nur bei Ebbe

Question 6

Q

Benenne ein Gezeitenkraftwerk und beschreibe die Funktionsweise!

Answer

A

Gezeitenkraftwerke - das Ein-Becken-System mit Einwegnutzung

Zeichnung -> siehe slide 14

Funktionsweise:
- Abtrennung des Wasserbeckens durch Mauern und einen Damm

Im Damm sind eine Schleuse und eine Turbine
Bei Flut strömt Wasser durch Schleuse ins Becken
Bei Ebbe wird Wasser aus dem Becken durch eine Turbine ins Meer geleitet (Energieerzeugung)
Nachteil: Stromproduktion nur bei Ebbe

Question 7

Q

Beschreibe die unterschiedlichen Bauweisen von Gezeitenkraftwerken. Wie sind diese hinsichtlich der Energiebereitstellung zu bewerten?

Answer

A

-> Siehe andere Karteikarten (Fasse gedanklich zusammen)

Question 8

Q

Welche drei alternative Konzepte gibt es bisher für die Nutzung von Ebbe- und Flutstrom (bzw. für andere Strömungen wie z.B. Golfstrom)?

Answer

A

Vertikalläufer

Horizontalläufer (“Unterwasserwindräder”)

Sich auf- und abwärts bewegende Flügel

Question 9

Q

Wellennutzung

Zwischen welchen Prinzipien/Konzepten wird unterschieden? (3)

Beschreibe knapp was man darunter versteht!

Answer

A

Welleninduzierte Fallhöhe
-> Ziel ist es mit Hilfe der Wellenenergie eine technisch nutzbare Fallhöhe ggü. dem Meeresspiegel zu schaffen
(-> Speicherbecken-Systeme)

Oszillierende Wassersäule
-> Durch die Wellenbewegung wird ein Medium in eine schnelle Bewegung versetzt, die dann mithilfe einer Turbine genutzt werden kann

Hydrodynamische Bewegung
-> Bestimmte Komponenten folgen der Wellenbewegung und die dadurch realisierte Relativbewegung kann über entsprechende mechanische und/oder hydraulische Systeme genutzt werden

Question 10

Q

1) Benenne ein Prinzip der Wellennutzung und nenne ein Umsetzungsbeispiel!

2) Beschreibe und zeichne das Konzept

Answer

A

1) Prinzip: Welleninduzierte Fallhöhe
-> Bsp. TAPCHAN

2) Beschreibung:

Anlage wird an der Küste betrieben.

Die auflaufenden Wellen werden über eine Keilrinne in ein erhöht liegendes Sammelbecken geleitet.

In der Keilrinne wird die kinetische Energie der Wellen in potenzielle Energie umgewandelt
-> die Wellenhöhe nimmt dabei wegen der abnehmenden Breite zu

Der Wasserspiegel des Sammelbeckens liegt einige Meter über dem Meeresspiegel

Das auf einem höheren potenziellen Niveau gesammelte Meerwasser kann dann über eine Turbine in elektrische Energie umgewandelt werden und zurück ins Meer geleitet werden

-> Skizze auf slide 36!

Question 11

Q

Wellennutzung - Prinzip der welleninduzierten Fallhöhe

Speicherbecken-Systeme auf dem offenen Meer

1) Nenne ein Beispiel!

2) Nenne zwei Nachteil von Speicherbecken-Systemen auf dem offenen Meer!

Answer

A

1) Wave-Dragon (Abb. slide 38)

2) Nachteile:

Schwankende Durchströmung der Turbine –> diskontinuierliche Energiebereitstellung
wichtige Komponenten offenem Meer ausgesetzt

Question 12

Q

Beschreibe die ganz grundsätzliche Funktionsweise eines Wasserkraftwerkes!

Answer

A

Ein Wasserkraftwerk nutzt die potenzielle Energie des Wassers und wandelt diese in mechanische Energie und schließlich in Elektrizität um.

Question 13

Q

?? besitzen keine Druckleitungen (Rohrleitungen zwischen Einlass und Turbine), das Wasser fließt direkt aus dem Einlass in die Turbine.

Answer

A

Laufwasserkraftwerke

(andere Wasserkraftwerke haben dagegen eine Druckleitung (bzw. Rohrleitung zwischen Einlass und Turbine))

Question 14

Q

Energiepotential des Wassers (Bernoulli)

Herleitung (slide 7)

Annahme dann, dass für einen Fluss (also ohne Stauung o.Ä.) die Geschwindigkeit und der Druck entlang des Flusses sich nicht ändert.
-> die nutzbare Höhe ist die Differenz der geodätischen Höhe

hnutzbar = (h1 - h2)

Leitung und Energie
-> Potentielle Energie: E = m x g x h
-> Leistung: P = mPunkt x g x h

Wie kann die Leistung des Wassers und die potentielle Energie des Wassers berechnet werden?

Answer

A

Leistung:

Pwa = mPunktwa x g x (h1 - h2)

Potentielle Energie:

E = Vwa x rohwa x g x (h1 - h2)

-> wa: Wasser

Question 15

Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung der Turbine

Wie kann die Leistung einer Turbine (PTurbine) berechnet werden?

Answer

A

PTurbine

= etaTurbine x mPunktwa x g x hnutzbar

= etaTurbine x Pwa,act

Pwa,act: Leistung Wasser

hnutzbar -> nutzbare Höhe (immer höherer Punkt - niedrigerer)

eta Turbine: Turbinenwirkungsgrad
(–> umfasst auftretende Verluste, bedingt durch die Volumenänderung, Turbulenzen, Reibung)

Question 16

Q

Beschreibe die Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerkes!

Answer

A

Zulauf:
-> partielle Umwandlung potentielle Energie in kinetische Energie (Energieverluste)
Druckrohrleitung (nicht in jedem Wasserkraftwerk*1):
-> weitere Umwandlung von potentieller Energie in Druckenergie
-> Energieverluste durch Reibung
Turbine:
Umwandlung der Druckenergie*2 in mechanische Energie
-> Verluste durch Volumenänderung, Turbulenzen, Reibung
Auslass:
Rohrauslass ist im Durchmesser größer als hinter Turbine
-> reduziert Druck hinter Turbine
-> verringert Verwirbelungen und damit die daraus resultierenden Verluste
-> effizientere Ausnutzung der Fallhöhe (pot. Energie)

*1 –> Laufwasserkraftwerke besitzen keine Druckleitungen, das Wasserr fließt direkt aus dem Einlass in die Turbine!

*2 –> Niederdruckturbinen arbeiten hier eher mit kinetischer Energie

Question 17

Q

Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen

Welche möglichen Klassifizierungen sind gebräuchlich? (2)

Answer

A

Klassifizierung anhand der Druckstufe:
- Niederdruckanlagen
- Mitteldruckanlagen
- Hochdruckanlagen

Klassifizierung in:
- Laufwasserkraftwerke
- Speicherwasserkraftwerke

Zusammenhang siehe slide 16! (VL Wasserkr.)

Question 18

Q

Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen

Niederdruckanlagen wie unterteilt werden?

Answer

A

Ausleitungskraftwerke

Flusskraftwerke:
- Buchtenkraftwerke
- Pfeilerkraftwerke
- überströmte Kraftwerke
- zusammenhängende Kraftwerke

–> Sind i.d.R. Laufwasserkraftwerke

Question 19

Q

Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen

Wie ist die Zuteilung von Niederdruckanlagen, Mitteldruckanlagen und Hochdruckanlagen in die Kategorisierung nach Laufwasserkraftwerke oder Speicherwasserkraftwerke.

Answer

A

Niederdruckanlagen sind i.d.R. immer Laufwasserkraftwerke

Mitteldruckanlagen sind meist Speicherwasserkraftwerke, können bei kleineren Anlagen auch Laufwasserkraftwerke sein

Hochdruckanlagen sind immer Speicherwasserkraftwerke

Question 20

Q

Was charakterisiert Niederdruckanlagen?

Answer

A

Charakterisiert durch großflächige Flüsse und geringes Gefälle bis zu 20m

Question 21

Q

Skizziere eine Wasserkraftanlage grob!

-> z.B. niedriges Gefälle (z.B. Ausleitungskraftwerk)

Answer

A

Siehe Schaubilder

Question 22

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen

Turbinentypen können grundsätzlich klassifiziert werden nach? (2)
–> Nenne jeweils Beispiel-Turbinentypen zu jeder Kategorie

Answer

A

Überdruckturbinen (bzw. Reaktionsturbinen)
-> z.B. Francis-, Kaplan-, Rohr- oder Strafloturbine

Gleitdruckturbinen (bzw. Aktionsturbinen)
-> z.B. Peltonturbine

Question 23

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen

Beschreibe die Funktionsweise von Überdruckturbinen (bzw. Reaktionsturbinen)!

Answer

A

Wandeln die potentielle Energie überwiegende in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie gewandelt wird

Question 24

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen

Beschreibe die Funktionsweise von Gleichdruckturbinen (bzw. Aktionsturbine)!

Answer

A

Turbine wandelt kinetische Energie (Geschwindigkeitsenergie) in Rotationsenergie (mechan. Energie)
-> Druck vor und nach der Turbine sind gleich und entsprechen fast dem Atmosphärendruck

((-> vorher wurde Lage- und Druckenergie in kinetische Energie gewandelt))

Question 25

Q

Wesentlicher Unterschied zwischen Überdruckturbinen (Reaktionsturbinen) und Gleichdruckturbine (Aktionsturbine)?

Answer

A

Bei Gleichdruckturbinen ist der Druck vor und nach der Turbine gleich. Anders als bei der Überdruckturbine wird hier nicht mit der Druckenergie gearbeitet, sondern mit der kinetischen Energie (bzw. Geschwindigkeitsenergie).

(weil Lage- und Druckenergie des Wasser wird vor der Turbine durch Wasserführung vollständig in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt)

Question 26

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen

Ordne Pelton, Kaplan vertikal, Kaplan horizontal und Francis nach Nutzhöhen aufsteigend!

Answer

A

Kaplan horizontal (2-20m) < Kaplan vertikal (10-60m) < Francis (30-700m) < Pelton (600-2000m)

Question 27

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen

Kaplan-Turbine

Beschreibe das Arbeitsprinzip der Kaplan-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?

Answer

A

Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine)

Arbeitet wie ein umgedrehter Propeller.

Die Flussrichtung des Wassers ist axial durch die Turbine

Der Wasserfluss wird umgeleitet -> höhere Verluste

Verstellbare Leitschaufeln und verstellbare Laufradschaufeln (doppelt regulierbare Turbine)
-> bessere Anpassung an unterschiedliche Durchflussmengen und damit einen höheren Wirkungsgrad

Skizze siehe slide 39!

Question 28

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen

Rohrturbine

Beschreibe das Arbeitsprinzip der Rohrturbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?

Answer

A

Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine)

wie Kaplanturbinen, jedoch horizontal durchströmt
-> hier keine Richtungsänderung —> weniger Verluste
Der Generator sitzt vor der Turbine hermetisch abgeschlossen
doppelt regulierbare Turbine

Skizze slide 41!

Question 29

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen

Straflo-Turbine

Beschreibe das Arbeitsprinzip der Straflo-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?

Answer

A

Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine)

externer Ringgenerator bei dem der Rotor als Ring auf dem Laufrad sitzt
Vor und hinter der Turbine sind nur die Lager untergebracht

Skizze slide 42!

Question 30

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen

Straflo-Turbine

Nenne einen Vor- und einen Nachteil dieses Turbinentypes!

Answer

A

Vorteil:
Sehr flache Wirkungsgradkurve
-> hoher Wirkungsgrad über großen Durchflussbereich

Nachteil:
Hohe Kosten für die Abdichtung zwischen Rotor und Stator

Question 31

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen

Francis-Turbine

Benenne und beschreibe das Arbeitsprinzip der Francis-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze.

Answer

A

Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine)

Beschreibung:
- Flussrichtung wird umgelenkt von radial zu axial (vertikal) durch die Turbine

durch diese Umleitung des Wasserflusses entstehen höhere Verluste
im Gegensatz zur Kaplan-Turbine (doppelt) nur einfach regulierte Turbine über verstellbare Leitschaufeln (feste, starre Laufradschaufeln)

(Ziel sind hohe Drehzahlen
-> geringeres Drehmoment an der Turbine -> kleinere Abmessungen -> Turbinengröße und Kraftwerkskomponenten können reduziert werden)

Skizze slide 43!

Question 32

Q

Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen

Pelton-Turbine (wichtig)

Beschreibe das Arbeitsprinzip der Pelton-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?

Answer

A

Arbeitsprinzip:
Gleichdruckturbine (bzw. Aktionsturbine)

Turbine wandelt kinetische Energie
in Rotationsenergie um. (Druck vor und hinter Turbine gleich)

Beschreibung:

Wasserfluss wird über eine oder mehrere Düsen gesteuert

-Wasser wird in einem Strahl auf die Schaufelblätter geschossen

Nach Umwandlung in mechanische Energie tropft das Wasser in ein Unterbecken

(Skizze slide Zsmf!)

Question 33

Q

Vergleiche Kaplan-Turbine (mit und ohne spitalförmigen Einlauf), Rohrturbine, Straflo-Turbine, Francisturbine und Peltonturbine hinsichtlich 1) Einsatzbereich (+Nennfallhöhe) und 2) Wirkungsgrad!

Answer

A

Kaplan-Turbine:

1) hauptsächlich in Flusskraftwerken, bei Nennfallhöhe bis 60m mit stark fluktuierenden Wassermengen

2) Hoher Wirkungsgrad innerhalb eines Wasserdurchflusses von 30-100%

Rohrturbine:
1) in Flusskraftwerken, Nennfallhöhe bis 25m

2) Hoher Wirkungsgrad in weitem Stellbereich des Durchflusses
(–> wie Kaplanturbine, jedoch horizontal durchströmt ohne Richtungsänderung -> weniger Verluste)

Straflo-Turbine:
1) in Flusskraftwerken, Nennfallhöhe bis 50m

2) sehr flache Wirkungsgradkurve -> hoher Wirkungsgrad über großen Durchflussbereich

Francisturbine:
1) in Speicher- und Flusskraftwerken, bei mittleren Nennfallhöhen bis 700m und konstantem Durchfluss

2) Hohe Wirkungsgrade erst ab 60% vom Auslegungsdurchfluss erreichbar
(-> Guter Wirkungsgrad von 60 - 100% Wasserdurchfluss)

Peltonturbine:
1) in Speicherkraftwerken, für hohe Nennfallhöhe bis 2000m und geringe Wassermengen wirtschaftlich

2) Sehr flache Wirkungsgradkurve bereits ab 10-100% Nenndurchfluss

Question 34

Q

(Energie-)Umwandlungskette bei Wasserkraftanlage

Beschreibe die Kette!

Answer

A

Wandlung der potentiellen Energie (des am Wehr anstehenden Wassers) in kinetische Energie & Druckenergie (innerhalb der Druckleitung)
-> kinetische Energie bei Gleitdruckturbinen (z.B. Peltonturbine)
-> Druckenergie bei Überdruckturbinen (z.B. Francis- oder Kaplan-Turbine)
Wandlung der kinetischen Energie und Druckenergie in mechanische Energie (durch Turbine, auch wieder je nach Turbinentyp kinetisch oder Druck)
ggf. Umwandlung der mechanischen Energie in mechanische Energie (Änderung Drehmoment und Drehzahl durch Getriebe)
Umwandlung mechanische Energie in elektrische Energie (durch Generator)
Meist elektrische - elektrische Umwandlung (Änderung Spannungsniveau durch Transformator)

((Siehe auch nochmal anhand einer bestimmten Skizze einer konkreten Wasserkraftanlage ))

Question 35

Q

Beschreibe die Pelton- und die Francis-Turbine, falls notw. benutze eine Skizze. Benenne die zwei unterschiedlichen Arbeitsprinzipien und definiere die Arbeitshöhen.

Answer

A

1) Pelton-Turbine

Beschreibung:

Wasserfluss wird über eine oder mehrere Düsen gesteuert

-Wasser wird in einem Strahl auf die Schaufelblätter geschossen

Nach Umwandlung in mechanische Energie tropft das Wasser in ein Unterbecken

Arbeitsprinzip:
Gleichdruckturbine (bzw. Aktionsturbine)

Umwandlung der Lage- bzw. Druckenergie des Wassers in kinetische Energie (bzw. Geschwindigkeitsenergie)
(-> welche anschließend dann in Rotationsenergie gewandelt wird)

Arbeitshöhe/Nennfallhöhe: bis 2000m

(Skizze slide Zsmf!)

2) Francis-Turbine:

Beschreibung:
- Flussrichtung wird umgelenkt von radial zu axial (vertikal) durch die Turbine

durch diese Umleitung des Wasserflusses entstehen höhere Verluste
im Gegensatz zur Kaplan-Turbine (doppelt) nur einfach regulierte Turbine über verstellbare Leitschaufeln (feste, starre Laufradschaufeln)

(Ziel sind hohe Drehzahlen
-> geringeres Drehmoment an der Turbine -> kleinere Abmessungen -> Turbinengröße und Kraftwerkskomponenten können reduziert werden)

Arbeitsprinzip:
Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine)

-> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird

Arbeitshöhe/Nennfallhöhe: bis 700m

Skizze slide 43!

Question 36

Q

Solar Radiation

Spektrale Leistungsdichte an der Oberfläche

Globale Strahlung = direkte Strahlung + diffuse Strahlung

Absorption durch: O3, O2, H2O, CO2

Welche Arten von Streuung gibt es und wann liegen diese jeweils vor? (2)

Answer

A

Rayleigh Streuung (Partikeldurchmesser < lambda)
–> bei blauen Himmel und roter Sonnenaufgang/-untergang

Mie Streuung (Partikeldurchmesser > lambda)
–> bei grauem Himmel

lambda: Wellenlänge des Lichtes

(siehe slide 8 PV I)

Question 37

Q

Beschreibe den Photoeffekt und seine Unterteilung kurz!

Answer

A

Herauslösung von Elektronen aus Materie irgendwelcher Art durch absorbierte elektromagnetische Strahlung

-> Äußerer Photoeffekt:
Elektronen verlassen die bestrahlte absorbierende Materie

-> Innerer Photoeffekt (für VL relevante):
Elektronen verbleiben als freie Elektronen in der Materie (z.B. Halbleiter)

Question 38

Q

Photovoltaik - Bändermodell

Beschreibe kurz das Bändermodell.

Zeichne es für einen Leiter (enganeinander und überlappend), Halbleiter und Isolator!

Answer

A

Elektronen auf energetisch höheren, breiteren Bändern sind mit zunehmender Energie beweglicher und ihre Bindung an die Einzelatome geringer

Vom ersten Band an werden die Bänder mit Elektronen gefüllt
-> das zuletzt vollständig gefüllte Band heißt Valenzband (VZ)

Das nächsthöhere Band, das Leitungsband (LB) kann teilweise gefüllt oder vollständig leer sein.

Esubg ist der Bandabstand

Zeichnungen siehe slide 18 (VL PV I)!

Question 39

Q

Photovoltaik

Wonach werden Leiter, Halbleiter und Nichtleiter (bzw. Isolator) unterschieden?

Answer

A

nach dem spezifischen Widerstand [ohm m]

-> Leiter: geringen spezifischen Widerstand (

-> Halbleiter: mittlerer spezifischer Widerstand (10^-5 ohm m und 10^7 ohm m)

-> Nichtleiter (Isolatoren): hohen spezifischen Widerstand

–
-> Halbleiter für diese VL (bzw. PV) relevant(!)

Question 40

Q

Photovoltaik - Bändermodell

Beschreibe Halbleiter anhand des Bändermodells!
-> Erkläre auch mit einer Skizze!

Answer

A

Mittlerer spezifischer Widerstand zwischen 10^-5 und 10^7 ohm m

Leitungsband ist unbesetzt

Geringe Bandbreite Esubg (Esubg < 5 eV)
–> dadurch können Elektronen durch den Einfluss von Licht in das Leitungsband gehoben werden

Dies wird innerer Photoeffekt genannt

-> Skizze siehe slide 20 (VL PV I) !!

Question 41

Q

Welche Elemente kommen als Halbleiter bei Photovoltaik zum Einsatz?

Answer

A

Elemente der 4 Hauptgruppe
–> Silizium, Germanium, Zinn

oder in Kombination aus:
Elementen der 3.Hauptgruppe (Aluminium, Galium, Indium) und 5.Hauptgruppe (Phosphor, Arsen, Antimon)
-> z.B. Galliumarsenid

oder in Kombination aus Elementen der Gruppe 12 (Nebengruppen) und der 6. Hauptgruppe
-> z.B. Cadmiumtellurid

-> Merke mit Abbildung slide 21+22+23 (VL PV I)

Question 42

Q

Welches Element wird besonders häufig in Solarmodulen verwendet?

Answer

A

Silizium (Esubg = 1,107 eV)

Question 43

Q

Nenne 3 Halbleiter!

Answer

A

Silizium

Galliumarsenid

Cadmiumtellurid

Question 44

Q

Was sind Halbleiter? (Exam)

Answer

A

Feststoffe deren spezifischer Widerstand bzw. Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren liegt

Im “Normalzustand” meist nicht leitend

Question 45

Q

Photovoltaik - Störstellenleitung

Bsp. Silizium-Kristallgitter

Jeweils zwei benachbarte Atome teilen sich zwei Elektronen
–> Elektronenpaarbindung

?(1)? ist voll besetzt mit Elektronen und ?(2)? leer

Durch ?(3)? oder ?(4)? können ?(5)? vom Valenz- in das Leitungsband angehoben werden.
-> Elektron ist im Leitungsband ?(6)?
-> es bleibt ein ?(7)? zurück

Durch die Löcher entstehet die ?(8)? von Halbleitern (auch ?(9)? genannt)

Answer

A

(1) Valenzband

(2) Leitungsband

(3) Licht (mit einer hinreichenden kurzen Wellenlänge)

(4) Wärme

(5) Elektronen

(6) frei beweglich

(7) Loch

(8) Eigenleitung

(9) intrinsische Leitfähigkeit

(siehe Abbildung slide 24!! (VL PV I)

Question 46

Q

Photovoltaik - Störstellenleitung

Eine andere technisch wichtige Eigenschaft ist die Möglichkeit der Dotierung.

Was versteht man allgemein darunter?

Answer

A

Eine Dotierung beeinflusst die natürliche Konzentration von freien Ladungsträgern durch einen kontrollierten Einbau geringer Mengen von Fremdatomen (Donatoren oder Akzeptoren) in die Gitterstruktur

Question 47

Q

Erkläre was es bedeutet, wenn eine Solarzelle n-Dotiert ist (kurz)! (n-Halbleiter)

Answer

A

Einbringung von Fremdatomen (aus der V. Hauptgruppe) mit mehr (fünf) Elektronen auf der Außenseite (Donatoren bzw. Elektronengeber)

Nicht alle Elektronen gehen folglich Elektronenpaarbindung ein, wodurch nicht gebundene Elektronen als Leitungselektronen zur Verfügung stehen.

Question 48

Q

n-Dotierung -> negative Dotierung -> Einbringung Fremdatom mit mehr Valenzelektronen auf Außenseite (fünfwertige Elemente)

p-Dotierung -> positive Dotierung -> Einbringung Fremdatom mit weniger Valenzelektronen auf Außenseite (dreiwertige Elemente oder tiefer)

Question 49

Q

Erkläre was es bedeutet, wenn eine Solarzelle p-Dotiert ist (kurz)! (p-Halbleiter)

Answer

A

Einbringung von Fremdatomen (meist III. Hauptgruppe) mit weniger Elektronen auf der Außenseite (Akzeptoren)

Dadurch entstehen Löcher. (Es fehlt einem Silizium-Atom ein Elektron für die Elektronenpaarbindung)

Question 50

Q

Mit welchem Element kann Silizium-Kristallgitter p-dotiert werden? (p: positiv)

Question 51

Q

Zeichne das Bändermodell für eine n-Dotierung und für eine p-Dotierung!

Answer

A

siehe slide 27 (n) +28 (p) !! (VL PV I)

Question 52

Q

Wichtig: n-dotierte Halbleiter mit einer großen Anzahl von Leitungsbandelektronen zeigen auch eine geringfügige p-Leitung

Wahr/Falsch?

Question 53

Q

Beschreibe die Funktionsweise einer Solarzelle! (wichtig)

Answer

A

Entstehen einer elektrischen Spannung in einem Festkörper durch die Absorption von Licht.

Schritte:

Entstehung frei beweglicher elektrischer Ladungsträger durch Lichtabsorption
Räumliche Trennung der positiven und negativen Ladungsträger durch ein internes elektrisches Feld
Ableitung der Ladungsträger über Kontakte zu einem Verbrauchswiderstand

Question 54

Q

Zeichne den p-n Übergang mit Raumladungszone!

Answer

A

siehe Abbildung slide 34! (Zum Verständnis auch slide 36 ansehen)

Question 55

Q

Photovoltaik - max. theoretischer Wirkungsgrad

1) Für Silizium liegt der theoretische Maximalwirkungsgrad unter Berücksichtigung der Einstrahlung eines schwarzen Strahlers mit 5.800K bei?

2) Der REALISTISCHE max. theoretische Wirkungsgrad auf Grund von Absorption und Streuung der Photonen in der Atmosphäre und von internen Verlusten durch Rekombination und nicht-Absorption in der Zelle liegt bei?

Answer

A

1) 44%

2) 29%

Question 56

Q

Warum liegt der REALISTISCHE max. theoretische Wirkungsgrad von Silizium mit 29 % unter dem theoretischen Maximalwirkungsgrad von Silizium unter Berücksichtigung der Einstrahlung eines schwarzen Strahlers (Sonne) mit 5.800K (44%)? (2)

Answer

A

Gründe:
- Absorption und Streuung der Photonen in der Atmosphäre
- interne Verluste durch Rekombination und nicht-Absorption in der Zelle

Question 57

Q

Warum ist Silizium ein sehr gutes Ausgangsmaterial für Solarzellen? (3)

Answer

A

es weist einen realistisch theoretischen Wirkungsgrad von 29% auf. (vergleichsweise hoch (siehe auch Abb. slide 41+42)
es ist weit verbreitet
es ist sehr günstig

Question 58

Q

Aufbau einer typischen Solarzelle.

Beschrifte (ggf. zeichne) slide 43!!

Question 59

Q

Was wird unter Raumladungszone verstanden? Erkläre kurz wie diese zustande kommt!

Answer

A

Die Raumladungszone, auch Sperrschicht genannt, ist der Übergang zwischen einem p- und einem n-Dotierten Gebiet.

In dieser kommt es teilweise zur Rekombination von Ladungsträgern und teilweise zur Aufteilung der Ladungsträger.

Nach außen ist die Zone im Gleichgewicht und elektrisch neutral.

Im Inneren bildet sich aber ein elektrisches Feld im Grenzbereich.

Dadurch können Ladungsträger getrennt werden.

Question 60

Q

Welche Solarzelle (einzelne, also nicht Mehrschichtsolarzellen) weist den höchsten Wirkungsgrad auf? Wie hoch ist er?

Answer

A

monokristalline Solarzelle (PERL (passivated emitter, rear locally-diffused)

eta = 24,7% (im Labor)

-> schon sehr nah an den 29% des realistischen maximalen theoretischen Wirkungsgrades

Question 61

Q

Monokristalline Solarzellen weisen den höchsten Wirkungsgrad auf (24,7%, im Labor).
((Mehrschichtsolarzellen also Kombination von Solarzellen noch höhere Wirkungsgrade))

Wie wird dieser Wert erreicht? (5)
(-> quasi Vorteile von monokristallinen Solarzellen)

Answer

A

Oberflächenpassivierung auf beiden Seiten
-> weniger Rekombination

Hochdotierte Punktkontakte auf der Vorder- und Rückseite
-> weniger Rekombination

Invertierte Pyramide als Struktur
-> weniger Reflektionsverluste

TCO Transparenz Leitfähige Oxidschicht
-> weniger Verschattung durch Leiterbahnen

Doppelschicht von Antireflexionsbeschichtung (Silizium-Nitrit)
-> höhere Absorptionsrate, da weniger Reflexion (von 30% auf 10% Reflexion)

Question 62

Q

Mehrschichtsolarzellen können deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen als einzelne Solarzellen.

Wahr/Falsch?

Answer

A

Wahr (z.B. 37,9% siehe slide 45)

Question 63

Q

Was ist der Grund für einen höheren Wirkungsgrad bei Mehrschichtsolarzellen?

Answer

A

Höhere Ausnutzung des gesamten Einstrahlungsprofiles.
-> Einsatz unterschiedlicher Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken (Esubg), um Licht über weites Wellenlängenspektrum hinweg nutzen zu können.

(siehe slide 45 VL PV I)

Question 64

Q

Welchen Vorteil haben Mehrschichtsolarzellen. Erkläre diese genau. (Probeexam)

Answer

A

Besonders hoher Wirkungsgrad

Photon gibt einen Teil seiner Energie in einer Schicht ab und kann den Rest in einer anderen Schicht abgeben (Licht vers. Wellenlängen nutzbar)

Answer 61

A

Einschmelzen
Mit Einkristall Impfen
Drehen und langsam herausziehen
herausziehen und abkühlen

(siehe slide 49 (VL PV I), ordne auch Bildern zu)

Answer 62

A

Herstellung von hochreinem Polysilizium aus Quarzsand
Ziehen eines einkristallinen Si-Stabes
Herstellung von Si-Schreiben aus Kristall

(slide 50 (VL PV I))

Answer 63

A

Leitungsband (LB) und Valenzband (VB) eines Leiters überschneiden sich oder besitzen nur einen sehr kleinen Bandabstand mit besetzten LB

Bei einem Halbleiter ist das LB wie bei einem Isolator unbesetzt.
-> Elektronen können durch Einfluss von Energie/Licht in das LB gehoben werden.

Bei Isolator LB ebenfalls unbesetzt, der Bandabstand ist aber größer, sodass Elektronen nicht in LB gehoben werden können.

-> Grenze zwischen Halbleiter und Isolator: Bandabstand von 5 eV (in VL teils auch mit 4eV angegeben)

(Halbleiter < 5eV und Isolator >= 5 eV)

Skizze siehe Abbildungen auf slide 18!!

Answer 64

A

1) Dotierung ist das kontrollierte Einbringen von Fremdatomen (Donatoren oder Akzeptoren)

2) Eine Solarzelle benötigt eine p- und eine n-Dotierung(!)

3)
n-Dotierung: z.B. durch Phosphor, fünfwertiges Element bringt zusätzliches Elektron ein

p-Dotierung: z.B. durch Brom, dreiwertiges Element sodass ein Elektron fehlt und eine Lücke entsteht

Answer 65

A

Die Raumladung erzeugt im Bereich der Grenzflächen ein elektrisches Feld.

-> Entstehen nun frei bewegliche Ladungsträger durch Lichtabsorption werden diese durch das elektrische Feld räumlich getrennt.
-> Die Ladungsträger werden dann über Kontakte abgeleitet

Answer 66

A

Silizium
-> große Vorkommen
-> preiswert
(-> hoher Wirkungsgrad)

Answer 67

A

Bei Diode sind Strom I und Spannung U gleichgerichtet, was den Verbrauch darstellt.
-> Hier funktioniert die Zelle als Diode, die Licht detektiert und in elektrische Signale umwandelt

Bei Solarzelle sind Strom I und Spannung U entgegengesetzt gerichtet, was die Erzeugung von Strom darstellt.
-> Hier wird die Solarzelle zur Energiegewinnung genutzt

(beide halbleiterbasiert, entgegengesetzte Anwendung/Nutzung)

Answer 68

A

1) Zeichnung siehe slide 18!

2)
Stromquelle: Photonstrom

2 Dioden:
-> 1. Diode (beschreibt idealen p-n-Übergang)
-> 2. Diode (beschreibt Temperaturabhängigkeit)

2 Widerstände:
-> Parallelwiderstand (sollte groß sein! -> weniger Verl.)
-> Serienwiderstand (sollte klein sein -> weniger Verl.)

Answer 69

A

Geringerer Serienwiderstand und höherer Parallelwiderstand

Answer 70

A

Weil die Leistung der Solarzelle abhängig von der Spannung ist
(-> Leistung P steigt mit steigender Spannung bis zum Maximum Power Point und fällt dann ab)

(siehe auch slide 20! (VL PV II)

Answer 71

A

Steigende Leistung (MPP) der Solarzelle mit sinkender Solarzellentemperatur

Steigende Leistung (MPP) der Solarzelle mit steigender solarer Einstrahlung

(In der Realität werden höhere Solarzellentemperaturen in Kauf genommen, aufgrund der höheren Leistung bei höherer Sonneneinstrahlung, (+ Kühlung wäre aufwendig))

Answer 72

A

PV Modul oder Kombination aus vielen Modulen zusammen

Buck/Boost-Konverter (DC/DC)
(-> Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler)

MPP-Tracker
-> steuert Buck/Boost Konverter

Wechselrichter DC/AC

VSC-Kontroller (Voltage Sequence Controller)
-> steuert Wechselrichter

Answer 73

A

1) Änderung der Ausgangsleistung durch Änderung der Belastungsspannung des PV-Moduls

Wenn: Modul-Systemspannung > Eingangsspannung
-> Buck Konverter

Wenn: Modul-Systemspannung < Eingangsspannung
-> Boost-Konverter

2) Anpassung des Widerstandes wäre technisch zu aufwendig

Answer 74

A

Ist ein Schalter zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Widerstand (ideal)

-> Wandelt höhere Eingangsspannung in niedrigere Ausgangsspannung um

(
Im Mittel ist die Ausgangsspannung v0 immer niedriger als die Eingangsspannung Vsubin

Als Bsp., wenn der Schalter 75% der Zeit geschlossen ist:

Vsub0 = 0,75 * Vsubin = D * Vsubin

Mit: Duty Cycle (D) = tsubon / TsubS

-> tsubon: Zeit, die der Schalter geschlossen ist
-> TsubS: Gesamtzeit (offen und geschlossen)
)

Answer 75

A

1)
Wird eingesetzt, um Spannung zu erhöhen
-> wandelt DC-Strom niedriger Spannung in DC-Strom mit höherer Spannung um

2)
(Skizze slide 26+27)

Ein Schalter kontrolliert den Leistungsfluss

Eine Spule speichert Energie für eine Zwischenzeit

Ein Kondensator speichert und glättet die Spannung von Vsubin und vsubL

Answer 76

A

1)
Durch ein Schaltsystem, welches die Belastungsspannung ändern kann

Durch die Steuerung der Schaltzeit wird die Spannung kontrolliert

2)
Buck-Konverter
-> wenn Modul-Systemspannung > Eingangsspannung

Boost-Konverter
-> wenn Modul-Systemspannung < Eingangsspannung

3) Anpassung des Widerstandes wäre technisch zu aufwendig (!)

Answer 77

A

1) Maximum Power Point

2) Methode der Lastsprünge (Perturb and Observe)
–> Anpassung der Spannung:
- zunächst Messen von Strom und Spannung
-> dann Leistungsberechnung
-> dann Anpassung von Duty Cycle (D) je nach Leistungsänderung

3) Weil im Gegensatz zur Konstant Spannung (open voltage method) die Leistungsbereitstellung nicht unterbrochen werden muss

(aber kann dafür zur Oszillation kommen(!))

Answer 78

A

Methode der Lastsprünge (Perturb and Observe)
Konstant Spannung (open voltage method)

Answer 79

A

Umwandlung von DC-Ladung in AC-Ladung

Es werden Schalter verwendet, um die Ausgangsspannung wie mithilfe eines Boost-Konverters zu ändern

Wenn dieser Vorgang sehr schnell hintereinander geschieht, entsteht ein Verhalten, welches dem einer sinus-Kurve ähnelt

Mit einer mehrfachen Schalteranordnung kann die Güte/die Genauigkeit der Sinus-Kurve erhöht werden

Mithilfe von großen Spulen kann zudem eine Glättung der verbleibenden Oszillation erreicht werden.

(siehe slide 35-38)

Answer 80

A

Durch mehrfache Schalteranordnung und eine Glättung der verbleibenden Oszillation mithilfe von großen Spulen(!)

(siehe slide 37)

Answer 81

A

Solarstrahlung:
-> Anteil direkter und diffuser Strahlung

PV-Modul:
-> Ausrichtung
-> Modul-Wirkungsgrad
-> Einstrahlung
-> Temperatur

DC/AC Umrichter
-> Gesamtwirkungsgrad

DC/AC Umrichter (Wechselrichter)
-> Gesamtwirkungsgrad

Answer 82

A

Reihenschaltung von einzelnen Zellen innerhalb eines Modules

Reihenschaltung von Modulen untereinander zu einem String

Parallelschaltung der Strings

(siehe slide 42)

Answer 83

A

Problem: Wenn Teile der Solarzelle im Schatten liegen, kann der Ertrag des ganzen Modules sinken
-> Grund: Der verschattete Teil verhält sich in diesem Moment als Widerstand im Stromkreis

Lösung: Bypassdioden
-> leiten den Strom an dem abgeschatteten Modul vorbei

(Abb. slide 43)

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