Exa (ab Meerese.) Flashcards
Gezeiten
Bedingt durch den Wechsel des Wasserstandes kann es in küstennahen Bereichen zu was kommen?
starken Ausgleichsströmungen
Gezeitenkraftwerke - das Ein-Becken-System mit Einwegnutzung
Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise!
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
Gezeitenkraftwerke - das Ein-Becken-System mit Zweiwegnutzung
Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise!
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)
Gezeitenkraftwerke - das Zwei-Becken-System
Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise (Gehe auch auf Vor- und Nachteile ein!)
-> 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
Gezeitenkraftwerke
Vergleiche Ein-Becken-System mit Einwegnutzung, Ein-Becken-System mit Zweiwegnutzung und Zwei-Becken-System in Bezug auf die Energiebereitstellung! (Vor- und Nachteile)
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
Benenne ein Gezeitenkraftwerk und beschreibe die Funktionsweise!
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
Beschreibe die unterschiedlichen Bauweisen von Gezeitenkraftwerken. Wie sind diese hinsichtlich der Energiebereitstellung zu bewerten?
-> Siehe andere Karteikarten (Fasse gedanklich zusammen)
Welche drei alternative Konzepte gibt es bisher für die Nutzung von Ebbe- und Flutstrom (bzw. für andere Strömungen wie z.B. Golfstrom)?
Vertikalläufer
Horizontalläufer (“Unterwasserwindräder”)
Sich auf- und abwärts bewegende Flügel
Wellennutzung
Zwischen welchen Prinzipien/Konzepten wird unterschieden? (3)
Beschreibe knapp was man darunter versteht!
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
1) Benenne ein Prinzip der Wellennutzung und nenne ein Umsetzungsbeispiel!
2) Beschreibe und zeichne das Konzept
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!
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!
1) Wave-Dragon (Abb. slide 38)
2) Nachteile:
- Schwankende Durchströmung der Turbine –> diskontinuierliche Energiebereitstellung
- wichtige Komponenten offenem Meer ausgesetzt
Beschreibe die ganz grundsätzliche Funktionsweise eines Wasserkraftwerkes!
Ein Wasserkraftwerk nutzt die potenzielle Energie des Wassers und wandelt diese in mechanische Energie und schließlich in Elektrizität um.
?? besitzen keine Druckleitungen (Rohrleitungen zwischen Einlass und Turbine), das Wasser fließt direkt aus dem Einlass in die Turbine.
Laufwasserkraftwerke
(andere Wasserkraftwerke haben dagegen eine Druckleitung (bzw. Rohrleitung zwischen Einlass und Turbine))
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?
Leistung:
Pwa = mPunktwa x g x (h1 - h2)
Potentielle Energie:
E = Vwa x rohwa x g x (h1 - h2)
-> wa: Wasser
Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung der Turbine
Wie kann die Leistung einer Turbine (PTurbine) berechnet werden?
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)
Beschreibe die Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerkes!
- 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
Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen
Welche möglichen Klassifizierungen sind gebräuchlich? (2)
Klassifizierung anhand der Druckstufe:
- Niederdruckanlagen
- Mitteldruckanlagen
- Hochdruckanlagen
Klassifizierung in:
- Laufwasserkraftwerke
- Speicherwasserkraftwerke
Zusammenhang siehe slide 16! (VL Wasserkr.)
Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen
Niederdruckanlagen wie unterteilt werden?
Ausleitungskraftwerke
Flusskraftwerke:
- Buchtenkraftwerke
- Pfeilerkraftwerke
- überströmte Kraftwerke
- zusammenhängende Kraftwerke
–> Sind i.d.R. Laufwasserkraftwerke
Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen
Wie ist die Zuteilung von Niederdruckanlagen, Mitteldruckanlagen und Hochdruckanlagen in die Kategorisierung nach Laufwasserkraftwerke oder Speicherwasserkraftwerke.
Niederdruckanlagen sind i.d.R. immer Laufwasserkraftwerke
Mitteldruckanlagen sind meist Speicherwasserkraftwerke, können bei kleineren Anlagen auch Laufwasserkraftwerke sein
Hochdruckanlagen sind immer Speicherwasserkraftwerke
Was charakterisiert Niederdruckanlagen?
Charakterisiert durch großflächige Flüsse und geringes Gefälle bis zu 20m
Skizziere eine Wasserkraftanlage grob!
-> z.B. niedriges Gefälle (z.B. Ausleitungskraftwerk)
Siehe Schaubilder
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen
Turbinentypen können grundsätzlich klassifiziert werden nach? (2)
–> Nenne jeweils Beispiel-Turbinentypen zu jeder Kategorie
Überdruckturbinen (bzw. Reaktionsturbinen)
-> z.B. Francis-, Kaplan-, Rohr- oder Strafloturbine
Gleitdruckturbinen (bzw. Aktionsturbinen)
-> z.B. Peltonturbine
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen
Beschreibe die Funktionsweise von Überdruckturbinen (bzw. Reaktionsturbinen)!
Wandeln die potentielle Energie überwiegende in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie gewandelt wird
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen
Beschreibe die Funktionsweise von Gleichdruckturbinen (bzw. Aktionsturbine)!
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))
Wesentlicher Unterschied zwischen Überdruckturbinen (Reaktionsturbinen) und Gleichdruckturbine (Aktionsturbine)?
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)
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen
Ordne Pelton, Kaplan vertikal, Kaplan horizontal und Francis nach Nutzhöhen aufsteigend!
Kaplan horizontal (2-20m) < Kaplan vertikal (10-60m) < Francis (30-700m) < Pelton (600-2000m)
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen
Kaplan-Turbine
Beschreibe das Arbeitsprinzip der Kaplan-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?
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!
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen
Rohrturbine
Beschreibe das Arbeitsprinzip der Rohrturbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?
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!
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen
Straflo-Turbine
Beschreibe das Arbeitsprinzip der Straflo-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?
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!
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen
Straflo-Turbine
Nenne einen Vor- und einen Nachteil dieses Turbinentypes!
Vorteil:
Sehr flache Wirkungsgradkurve
-> hoher Wirkungsgrad über großen Durchflussbereich
Nachteil:
Hohe Kosten für die Abdichtung zwischen Rotor und Stator
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen
Francis-Turbine
Benenne und beschreibe das Arbeitsprinzip der Francis-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze.
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!
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen
Pelton-Turbine (wichtig)
Beschreibe das Arbeitsprinzip der Pelton-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?
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!)
Vergleiche Kaplan-Turbine (mit und ohne spitalförmigen Einlauf), Rohrturbine, Straflo-Turbine, Francisturbine und Peltonturbine hinsichtlich 1) Einsatzbereich (+Nennfallhöhe) und 2) Wirkungsgrad!
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
(Energie-)Umwandlungskette bei Wasserkraftanlage
Beschreibe die Kette!
- 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 ))
Beschreibe die Pelton- und die Francis-Turbine, falls notw. benutze eine Skizze. Benenne die zwei unterschiedlichen Arbeitsprinzipien und definiere die Arbeitshöhen.
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!
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)
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)
Beschreibe den Photoeffekt und seine Unterteilung kurz!
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)
Photovoltaik - Bändermodell
Beschreibe kurz das Bändermodell.
Zeichne es für einen Leiter (enganeinander und überlappend), Halbleiter und Isolator!
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)!
Photovoltaik
Wonach werden Leiter, Halbleiter und Nichtleiter (bzw. Isolator) unterschieden?
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(!)
Photovoltaik - Bändermodell
Beschreibe Halbleiter anhand des Bändermodells!
-> Erkläre auch mit einer Skizze!
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) !!
Welche Elemente kommen als Halbleiter bei Photovoltaik zum Einsatz?
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)
Welches Element wird besonders häufig in Solarmodulen verwendet?
Silizium (Esubg = 1,107 eV)
Nenne 3 Halbleiter!
Silizium
Galliumarsenid
Cadmiumtellurid
Was sind Halbleiter? (Exam)
Feststoffe deren spezifischer Widerstand bzw. Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren liegt
Im “Normalzustand” meist nicht leitend
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)
(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)
Photovoltaik - Störstellenleitung
Eine andere technisch wichtige Eigenschaft ist die Möglichkeit der Dotierung.
Was versteht man allgemein darunter?
Eine Dotierung beeinflusst die natürliche Konzentration von freien Ladungsträgern durch einen kontrollierten Einbau geringer Mengen von Fremdatomen (Donatoren oder Akzeptoren) in die Gitterstruktur
Erkläre was es bedeutet, wenn eine Solarzelle n-Dotiert ist (kurz)! (n-Halbleiter)
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.
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)
…
Erkläre was es bedeutet, wenn eine Solarzelle p-Dotiert ist (kurz)! (p-Halbleiter)
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)
Mit welchem Element kann Silizium-Kristallgitter p-dotiert werden? (p: positiv)
Bor
Zeichne das Bändermodell für eine n-Dotierung und für eine p-Dotierung!
siehe slide 27 (n) +28 (p) !! (VL PV I)
Wichtig: n-dotierte Halbleiter mit einer großen Anzahl von Leitungsbandelektronen zeigen auch eine geringfügige p-Leitung
Wahr/Falsch?
Wahr
Beschreibe die Funktionsweise einer Solarzelle! (wichtig)
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
Zeichne den p-n Übergang mit Raumladungszone!
siehe Abbildung slide 34! (Zum Verständnis auch slide 36 ansehen)
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?
1) 44%
2) 29%
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)
Gründe:
- Absorption und Streuung der Photonen in der Atmosphäre
- interne Verluste durch Rekombination und nicht-Absorption in der Zelle
Warum ist Silizium ein sehr gutes Ausgangsmaterial für Solarzellen? (3)
- 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
Aufbau einer typischen Solarzelle.
Beschrifte (ggf. zeichne) slide 43!!
…
Was wird unter Raumladungszone verstanden? Erkläre kurz wie diese zustande kommt!
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.
Welche Solarzelle (einzelne, also nicht Mehrschichtsolarzellen) weist den höchsten Wirkungsgrad auf? Wie hoch ist er?
monokristalline Solarzelle (PERL (passivated emitter, rear locally-diffused)
eta = 24,7% (im Labor)
-> schon sehr nah an den 29% des realistischen maximalen theoretischen Wirkungsgrades
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)
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)
Mehrschichtsolarzellen können deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen als einzelne Solarzellen.
Wahr/Falsch?
Wahr (z.B. 37,9% siehe slide 45)
Was ist der Grund für einen höheren Wirkungsgrad bei Mehrschichtsolarzellen?
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)
Welchen Vorteil haben Mehrschichtsolarzellen. Erkläre diese genau. (Probeexam)
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)
Herstellung Monokristallin
Ablauf des Einkristall Tiegelziehens (Czochralski (CZ)-Verfahren) (Schmelzzüchtung)
Nenne die Reihenfolge beim Einkristall-Tiegelziehens! (4)
- Einschmelzen
- Mit Einkristall Impfen
- Drehen und langsam herausziehen
- herausziehen und abkühlen
(siehe slide 49 (VL PV I), ordne auch Bildern zu)
Herstellung Monokristallin (aus Quarzsand)
Herstellung von Siliziumscheiben (Wafern) im Czochralski-Verfahren (CZ). (Schmelzzüchtung)
Nenne die wesentlichen Herstellungsschritte! (3)
- Herstellung von hochreinem Polysilizium aus Quarzsand
- Ziehen eines einkristallinen Si-Stabes
- Herstellung von Si-Schreiben aus Kristall
(slide 50 (VL PV I))
Erläutere den Unterschied zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren. Falls notwendig fertige eine Skizze an. Benenne die Grenze zwischen Halbleiter und Isolatoren genau.
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!!
1) Was bedeutet Dotierung?
2) Welche Dotierungen werden für Solarzellen benötigt?
3) Beschreibe die unterschiedlichen Dotierungstypen und benenne je ein Element, mit dem diese Dotierung erfolgen kann.
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
Wie erfolgt die Trennung der Ladungsträger in einer Solarzelle?
Beschreibe den Vorgang genau!
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
Welches Element wird besonders häufig in Solarmodulen verwendet?
Nenne auch zwei Gründe, die für die Nutzung dieses Element sprechen!
Silizium
-> große Vorkommen
-> preiswert
(-> hoher Wirkungsgrad)
U-I Charakteristik einer Silizium Solarzelle
Zeichne Abbildung auf slide 15+16! (VL PV II !!)
…
U-I-Charakteristik einer Silizium Solarzelle
Erkläre den Unterschied zwischen Diode und Solarzelle
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)
1) Zeichne das Ersatzschaltbild einer Solarzelle.
2) Benenne und Beschreibe die einzelnen Komponenten.
3) Wie sollten die Widerstände gewählt werden?
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.)
U-I-Charakteristik einer Silizium Solarzelle - Einfluss der Widerstände
Was führt zu einem höheren Wirkungsgrad (höheren MPP)?
Geringerer Serienwiderstand und höherer Parallelwiderstand
Wieso ist es wichtig die Spannung einer Solarzelle zu regeln?
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)
U-I-Charakteristik einer Silizium Solarzelle
Einfluss der Temperatur und der Einstrahlung auf die Leistung der Solarzelle
Beschreibe den Einfluss!
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))
Der MPP ist geringer mit zunehmender Temperatur
Wahr/Falsch?
Wahr
Welche Bestandteile hat eine PV-Anlage? (5)
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
Buck-Boost Konverter und MPP-Tracker
1) Wie kann die Ausgangsleistung angepasst werden ohne den Widerstand zu verändern?
2) Warum würde man nicht einfach den Widerstand verändern?
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
Was ist ein Buck-Konverter? Wozu dient er bei PV-Modul?
(Skizziere auch ein Schaltbild und den Spannungsverlauf)
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)
)
1) Wozu dient ein Boost-Konverter?
2) Skizziere auch ein Schaltbild und gehe auf die Komponenten ein!
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
1) Wie kann die Modulspannung (Ausgangsspannung) angepasst werden, ohne den Widerstand zu verändern?
2) Benenne zwei mögliche Komponenten, die diese Anpassung durchführen können.
(Probeklausur)
3) Warum erfolgt in handelsüblichen PV-Systemen die Anpassung nicht über eine Änderung des Widerstandes?
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 (!)
1) Was bedeutet MPP?
2) Erkläre eine mögliche Methode, um den MPP zu finden!
3) Warum sollte aus Ihrer Sicht diese Methode verwendet werden?
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(!))
Buck-Boost-Konverter und MPP-Tracker
Nenne 2 Methoden, um den MPP zu finden und erkläre kurz!
- Methode der Lastsprünge (Perturb and Observe)
- Konstant Spannung (open voltage method)
DC/AC Converter (bzw. Wechselrichter) und VSC
Was ist das Ziel? Beschreibe das Vorgehen!
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)
Wie wird bei DC/AC Konvertern (Wechselrichtern) die Güte/Genauigkeit der Sinus Kurve erhöht?
Durch mehrfache Schalteranordnung und eine Glättung der verbleibenden Oszillation mithilfe von großen Spulen(!)
(siehe slide 37)
Wirkungsgrad einer Gesamt-PV-Anlage
Was muss mit einfließen?
Solarstrahlung:
-> Anteil direkter und diffuser Strahlung
PV-Modul:
-> Ausrichtung
-> Modul-Wirkungsgrad
-> Einstrahlung
-> Temperatur
DC/AC Umrichter
-> Gesamtwirkungsgrad
DC/AC Umrichter (Wechselrichter)
-> Gesamtwirkungsgrad
Wirkungsgrad einer Gesamt-PV-Anlage
Wie wird i.d.R. die Verschaltung vorgenommen?
Reihenschaltung von einzelnen Zellen innerhalb eines Modules
Reihenschaltung von Modulen untereinander zu einem String
Parallelschaltung der Strings
(siehe slide 42)
Wirkungsgrad einer PV Anlage - Abschattung
Worin besteht das Problem und wie sieht die Lösung aus?
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)
