Exa (ab Meerese.) Flashcards

Question

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

Answer 1

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)

Answer 2

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

Answer 3

Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- 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!

Answer 4

Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- - wie Kaplanturbinen, jedoch horizontal durchströmt -> hier keine Richtungsänderung —> weniger Verluste - Der Generator sitzt vor der Turbine hermetisch abgeschlossen - doppelt regulierbare Turbine Skizze slide 41!

Answer 5

Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- - 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!

Answer 6

Vorteil: Sehr flache Wirkungsgradkurve -> hoher Wirkungsgrad über großen Durchflussbereich Nachteil: Hohe Kosten für die Abdichtung zwischen Rotor und Stator

Answer 7

Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- 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!

Answer 8

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!)

Answer 9

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

Answer 10

1. 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) 2. Wandlung der kinetischen Energie und Druckenergie in mechanische Energie (durch Turbine, auch wieder je nach Turbinentyp kinetisch oder Druck) 3. ggf. Umwandlung der mechanischen Energie in mechanische Energie (Änderung Drehmoment und Drehzahl durch Getriebe) 4. Umwandlung mechanische Energie in elektrische Energie (durch Generator) 5. Meist elektrische - elektrische Umwandlung (Änderung Spannungsniveau durch Transformator) ((Siehe auch nochmal anhand einer bestimmten Skizze einer konkreten Wasserkraftanlage ))

Answer 11

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!

Answer 12

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)

Answer 13

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)

Answer 14

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)!

Answer 15

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(!)

Answer 16

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) !!

Answer 17

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)

Answer 18

Silizium (Esubg = 1,107 eV)

Answer 19

Silizium Galliumarsenid Cadmiumtellurid

Answer 20

Feststoffe deren spezifischer Widerstand bzw. Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren liegt Im "Normalzustand" meist nicht leitend

Answer 21

(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)

Answer 22

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

Answer 23

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.

Answer 24

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)

Answer 25

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

Answer 26

Entstehen einer elektrischen Spannung in einem Festkörper durch die Absorption von Licht. Schritte: 1. Entstehung frei beweglicher elektrischer Ladungsträger durch Lichtabsorption 2. Räumliche Trennung der positiven und negativen Ladungsträger durch ein internes elektrisches Feld 3. Ableitung der Ladungsträger über Kontakte zu einem Verbrauchswiderstand

Answer 27

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

Answer 28

1) 44% 2) 29%

Answer 29

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

Answer 30

- 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

Answer 31

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.

Answer 32

monokristalline Solarzelle (PERL (passivated emitter, rear locally-diffused) eta = 24,7% (im Labor) -> schon sehr nah an den 29% des realistischen maximalen theoretischen Wirkungsgrades

Answer 33

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)

Answer 34

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

Answer 35

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)

Answer 36

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 37

1. Einschmelzen 2. Mit Einkristall Impfen 3. Drehen und langsam herausziehen 4. herausziehen und abkühlen (siehe slide 49 (VL PV I), ordne auch Bildern zu)

Answer 38

1. Herstellung von hochreinem Polysilizium aus Quarzsand 2. Ziehen eines einkristallinen Si-Stabes 3. Herstellung von Si-Schreiben aus Kristall (slide 50 (VL PV I))

Answer 39

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 40

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 41

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 42

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

Answer 43

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 44

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 45

Geringerer Serienwiderstand und höherer Parallelwiderstand

Answer 46

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 47

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 48

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 49

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 50

Ist ein Schalter zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Widerstand (ideal) -> Wandelt höhere Eingangsspannung in niedrigere Ausgangsspannung um (Skizzen siehe slide 25) -- ( 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 51

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 52

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 53

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 54

1. Methode der Lastsprünge (Perturb and Observe) 2. Konstant Spannung (open voltage method)

Answer 55

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 56

Durch mehrfache Schalteranordnung und eine Glättung der verbleibenden Oszillation mithilfe von großen Spulen(!) (siehe slide 37)

Answer 57

Solarstrahlung: -> Anteil direkter und diffuser Strahlung PV-Modul: -> Ausrichtung -> Modul-Wirkungsgrad -> Einstrahlung -> Temperatur DC/AC Umrichter -> Gesamtwirkungsgrad DC/AC Umrichter (Wechselrichter) -> Gesamtwirkungsgrad

Answer 58

Reihenschaltung von einzelnen Zellen innerhalb eines Modules Reihenschaltung von Modulen untereinander zu einem String Parallelschaltung der Strings (siehe slide 42)

Answer 59

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)