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Theorie zu erneuerbare Energie Solar
Theorie zu erneuerbare Energie Solar
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Was bedeuten die Begriffe Primär-, Sekundär-, End- und Nutzenergie?
Primärenergie: Energiequellen, die zur Verfügung stehen (Kohle, Erdgas, Wind, Sonne). Direkt genutzte Primärenergie wird in Energiestatistiken of nicht erfasst oder nur geschätzt. Dies betrifft vor allem Sonne, Wind, Erwärme, Umgebungswärme, Holz und Biomasse.
Sekundärenergie: Wird durch Energieumwandlung und Raffination erzeugt (Strom, Wasserstoff). Leichterer Transport (Benzin, Brickets). Kann oft nicht genau von Endenergie unterschieden werden.
Endenergie: Handelbares Gut, welches der Verbraucher direkt nutzt (Elektrizität, Benzin, Heizöl). Der Endenergieverbrauch ist kleiner als der Primätenergieverbrauch und er sagt aus, wie effizient Endenergie in Nutzen umgewandelt werden kann.
Welche Energieformen sind Biomasse, Wasserstoff, Heizöl, Waldhackschnitzel, Heizwärme?
Biomasse: Ressourcenpotenzial aller biogener Stoffe, was Primärenergie entspricht. Werden jedoch 100 Tonnen Biomasse zum Kraftwerk geliefert, ist dies Endenergie.
Wasserstoff wird dagegen meist als typischer Sekundärenergieträger bezeichnet. Wenn Wasserstoff jedoch für Endkunden verfügbar gemacht wird, wäre der verkaufte Wasserstoff mit Benzin und Diesel als Endenergie gleichzustellen.
Heizwärme ist Nutzenergie.
Wieso wird in der Gesamtenergiestatistik zwischen Brennstoffen und Treibstoffen unterschieden?
Aus logistischen und vor allem fiskalischen Gründen. Diesel und Benzin unterstehen einer Mineralölsteuer, Heizöl nicht, obwohl Heizöhl chemisch praktisch identisch ist mit Diesel. Die ungleiche steuerliche Behandlung ist aus ressourcenökonomischer Sicht fragwürdig, da der wirtschaftliche Vorteil zur Einsparung von Heizöl viel geringer ist als der Anreit zu Einsparung von Treibstoffen. Steuerpolitisch ist es jedoch gerecht, die Kosten des Verkehrs zumindest teilweise über den Treibstoffpreis zu erheben.
Wie beurteilen Sie den Begriff Alternativenergie?
Der Begriff sollte nicht verwendet werden, da sie physikalisch keinen Sinn macht. Sinnvoll ist erneuerbare und nicht erneuerbare Energie.
Was beschreibt die Bestrahlungsstärke? Nennen Sie Formelzeichen, Einheit und einen Wert dazu.
Bestrahlungsstärke Ee in [W/m2] = spezifische Strahlungsleistung pro Fläche, typische Werte betragen bei klarem Himmel in der Grössenordnung von 1000 W/m2.
Was beschreibt die Solarkonstante?
Solarkonstante E0=Solarstrahlung oberhalb der Erd-Atmosphäre auf eine senkrecht zur Sonne gerichtete Fläche = 1368 W/m2.
Wie gross ist die mittlere Strahlungsleistung auf der Erdoberfläche? Um wie viel ist die Stahlung geringer als über der Atmosphäre und wieso?
Mittlere Strahlungsleistung auf der Erdoberfläche = 161 W/m2
161/1367=12% oder ungefähr 1/8.
Gründe: 1. Flächenverhältnis von Kugeloberfläche/Kreisquerschnitt (1/4). 2. Reflecxion und Absorption von Mittel ewas mehr als 50% in der Atmosphäre.
Mit welcher Wellenlänge strahlen die Sonne und die Erde? Woher kommt der Unterschied?
Die Wellenlänge der Strahlung eines Körpers ist abhängig von dessen Oberflächentemperatur. Je kälter der Körper, umso langwelliger strahlt er.
Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur als thermischer Strahler von 5777 K und weist damit ihre maximale Strahlungsleistung im kurzwelligen Bereich um 0.5 mikrometer mit einer hohen Leistung im Wellenlängenbereich von 0.24 bis 3 mikrometer.
Die Erde mit rund 300 K hat die maximale Strahlungsleistung bei rund 10 mikrometer (langwellig).
Die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der von einem Körper ermittierten Strahlung ist für den Treibhauseffekt der Erden und auch für die Funktion eines Sonnenkollegktors entscheidend.
Zeichne den Wirkunggrad eines Sonnelkollektors in Funktion der Kollektortemperatur bzw. der Nutztemperatur der erzeugten Wärme und kennzeichnen und erläutern Sie die Verluste in einer Grafik gemäss nachfolgender Vorlage mit Ta= Umgebungstemperatur.
Sie Bild
Was wird als Wärmeübergang (alpha-Wert) und Wärmedurchgang (U-Wert) bezeichnet? Welche Einheiten haben alpha und U?
Wärmeübergang: Wärmeübertragung zw. Fluid & Feststoff [alpha]= W/m2K
Wärmedurchgang: Wärmeübertraung eines Medium höherer Temperatur durch eine feste Wand hindurch an ein Medium tieferer Temperatur [U]= W/m2K.
Wärmeübergang/Wärmeleitung/Wärmeübergang
Fluid/Feststoff Feststoff Feststoff/Fluid2
Wieso empfinden Sie 18-grädiges Wasser als kalt und 18-grädige Luft al relativ warm?
Wärmestrom ist entscheidend. Von Temperaturdifferenz und Wärmeübergangswert abhängig (Flüssigkeit viel höher als Gas).
Ist der U-Wert eines Bauteils oder Gebäudes eine Stoffkonstante? Begründung?
U ist keine Stoffkonstante. Von Strömungsgeschwindigkeit und Stoffeigenschaften des umgebenden Fluids abhängig. Konvektion.
Nennen Sie einigen wichtige Anwendungen von Wärmeübergängen und Wärmeübertragern.
Kondensation, Verdampfung etc.
Erleutern Sie das Funktionsprinzip eines Wärmeübertragers und stellen Sie die Temperatur-verhältnisse für einen Gleich- und Gegenstrom-Wärmeübertrager dar.
Siehe Bild
Wieso entspricht eine Rückwärmezahl von 1 in Realität nicht 100% Wärmerückgewinnung
Da bei der Rückwärmezahl die latente Wärme nicht berücksichtigt wird.
Vor der Abreise in die Sommerferien vergessen Sie den Kühlschrankt zu schliessen. Wie beeinflusst dies die Raumteperatur in der Küche sofort und nach einer Woche? Wieso?
Zuerst sinkt die Raumteperatur, da die gespeicherte Kälte in den Raum dringt und auf Mischtemperatur läuft.
Danach steigt die Temperatur, da das Kühlschrankaggregat nun dauernd in Betrieb steht und die gesamte zugeführte Leistung (Strom) netto als Abwärme an die Küche abgibt.
Haus A verfügt über eine mit Aussenthermostat geregelte Heizung mit Wärmeverteilung über Fussbodenheizung und Zusatzradiatoren.
Haus B verfügt über eine mit Raumthermostaten geregelte Heizung mit Radiatoren.
Im Winter bemerken Sie, dass die Raumluft sehr trocken ist. Wieso?
Sie kaufen Wasserverdunster, die an die Radiatroen gehängt werden. Wie beeinflusst dies die Raumtemperatur und den Energieverbrauch von Haus A und B?
A: Energieverbrauch bleibt unverändert, da die Heizungsregelung durch die Wasserverdunster nicht beeinflusst wird. Allerdings sinkt die Raumteperatur, da ein Teil der Heizwärme zur Wasserverdungstung verbraucht wird.
B: Die Temperatur wird durch Regelung konstant gehalten, so dass die Verdampfungsenthalpie zur Wasserverdunstung zusätzlich gebraucht wird. Energieverbracuh steigt.
Sonnenlaufbahn am kürzesten und längsten Tag des Jahres sowie an den Tagen zwischen den Sonnenwenden für einen Ort nördlich des Äquators.
Siehe Bild
Zeichne den qualitativen Jahresverlauf des Ertrags eines in der Schweiz installierten und Richung Süden orientierten Kollektors für folgende Anordnung: 42°, 60°geneigt.
Welche Neigungen sind besser für Photovoltaik und Solarthermie?
42° Neigung erzielt in unseren Breiten den maximalen Jahresertrag, was für Fotovoltaik bei Einspeisung ideal ist. Die grössten Beiträge fallen allerdings im Sommerwuartal an, wenn der Sonnenazimut am höchsten ist. Im Winterquartal und in den Übergangsquartalen steht die Sonne einen grösseren Zeitanteil bei niedrigem Azimut. Hier empfängt eine stärker geneigte Kollektorebene einen grösseren Anteil der dann absolut gesehen geringeren Einstrahlung.
60° Kollektorneigung erzielt in unseren Breiten den maximalen Ertrag im Winterhalbjahr, was für Solarthermie ideal ist.
Fazit für Neigungswinkel
Für Solarthermie ist eine Neigung von 60° oder gar von 90° gut geeignet. Der Ertrag der diffusen Strahlung ist dabei allerdings geringer als bei flacher Neigung.
Welche Eigenschaften weisen folgende Komponenten auf, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen?
Solargas, Absorber-Oberfläche, Absorber-Grundmaterial (Welche Eigenschaften ist entscheidend und in welcher Reihenfolge sind folgende Materialien am besten: Edelstahl, Eisen, Kupfer, Aluminium.
Solargas: Selektive spektrale Eigenschaften der Transparenz: Hohe Transparenz TAU für kurzwelliges Sonnenlicht (von aussen nach innen). Kleine Transparenz Tau für langwellige Infrarotstrahlung (von innen nach aussen).
Absorber-Oberfläche: Selektive spektrale Eigenschaften von alpha bzw epsilon:
alpha(=epsilon)> 0.95 für kurzwelliges Sonnenlicht
epsilon(=alpha)< 0.05 für langwellige Infrarotstrahlung
Absorber-Grundmaterial: Wärmeleitfähigkeit: Kupfer> Aluminium> Eisen> Edelstahl
Die kostengünstige Variante zur solaren Bereitstellung von Warmwasser sind direkt mit Brauchwasser durchströmte Kollektoren. Wo und unter welchen Bedingungen ist dieses Prinzip geeignet und wieso kommt es in der Schweiz praktisch nicht zu Anwendung?
In klimatischen Bedingungen ohne Frostgefahr kann eine einfache und effiziente Bereitstellung von Warmwasser durch direkte Durchströmung von Kollektroen realisiert werden. Für Klimazonen mit Frost wie etwa die Schweit sind diese Systeme ungeeignet.
Die Linien 1 und2 zeigen die Kollektorkennlinie ein und disselben Kollektor-Typs.
Für welche Bedingung gelten die zwei unterschiedlichen Kennlinien?
Wieso weisen die Kennlinien bei einer Übertempemperatur von 0 K den gleichen Wirkungsgrad auf, nicht jedoch bei einer Übertemperatur > 0K?
1 gilt für eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2, 2 für 500 W/m2.
Die spezifischen optischen Verluste in Prozent der Bestrahlungsstärke sind unabhängig von der Bestrahlungsstärke. Bei einer Übertemperatur von 0 K treten nur optische Verlust auf, sodass der Wirkungsgrad an diesem Punkt dem optischen Wirkungsgrad entspricht von im Beispiel rund 80% entspricht.
Der Absolutwert der thermischen Verluste ist unabhängig von der Bestrahlungsstärke und abhängig von der Kollektorfläche und der Üvertemperatur. Bei halbierter Bestrahlungsstärke sind die absoluten thermischen Verluste unverändert, die absolute Bestrahlungsleistung jedoch halbiert, weshalb die thermischen Verluste bezogen auf die Bestrahlungsstärke bei 500 W/m2 doppelt so hoch sind und der Kollektorwirkungsgrad deshalb halb so gross wie bei 1000 W/m2.
Die Grafik zeigt die Kollektorkennlinien der Kollektoren Typ 1 und 2.
Um welche Kollektorbauart handelt es sich bei 1 und 2 und wieso?
Für welche Anwendung ist 1 und 2 besser? und wieso?
1= Flachkollektor, 2= Vakuumröhrenkollektor, aufgrund der Kennlinie mit Konzentration (CPC).
1 ist besser für Heizung und Warmwasser, da der Wirkungsgrad bis zu einer Übertemperatur von 70°C höher ist. 2 ist besser für Anwendungen mit Übertemperaturen von mehr als 70°C.
Beschreiben sie die Bedeutung der Stagnation und der Stagnationstemperatur. Wann tritt Stagnation auf und welche Konsequenzen hat sie? Wie wird die Stagnationstemperatur bestimmt?
Die thermischen Verluste können durch Doppelverglasung reduziert werden, demgegen¨ber werden aber die ptischen Verluste grösser. Der Kollektorwirkungsgrad wird dadurch bei geringen Übertemperaturen niederiger und erst ab einer bestimmten Übertemperatur von 30° C grösser als mit Einfachverglasung. Die deutlich höheren Kosten zahlen sich deshalb kaum aus bzw. eine Vergrösserung der Bruttofläche ist für eine allfällige Ertragssteigerung im gleichen Umfang ökonomischer.
Was beschreibt der Jahresnutzungsgrad?
Der Jahresnutzungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen Jahresertrag und Jahresbestrahlung.
Wieso ist die Konzentration der Sonnenstrahlen bei einem theoretischen Wert limitiert? Welche maximale Temperatur wäre mit dieser Konzentration theoretisch erreichbar?
Weil die Sonnenstrahlen nicht parallel sind und der Öffnungswinkel der Strahlen bei der Reflexion erhalten bleibt. Dadurch ergibt sich ein theoretischer Maximalwert der Konzentration von 46211. Bei dieser Konzentration ergäbe sich bei einem idealen Absorber eine Stagnationstemperatur von 5777 K entsprechend der Temperatur der Sonnenoberfläche als idealer thermischer Strahler.
Wieso ist die Anwendung der konzetrierenden Solarthermie im Schweizer Mittelland eher uninteressant?
Weil der Diffusanteil über 50% beträgt und dieser Anteil der Strahlung nicht oder nur stark eingeschränkt konzentiert werden kann.
Zeichnen Sie die Kennlinie einer Solarzelle, beschriften sie die Achsen und geben Sie den Betriebszustand mit maximaler Leistung an. Wie wird dieser Betriebspunkt ermittelt?
I-U_Kennlinie und P-U-Kennlinie einer Solarzelle für eine gegebene Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 und Punkt maximaler Leistung MPP
MPP wird ermittelt durch Produkt P=U*I, Ableitung =0 ergibt das Maximum.
Eine Fotovoltaik-Zelle lieferte bei einer Bestrahlung von 1000W/m2 einen Strom von 2 A bei einer Spannung von 0.5 V. Was liefert die Zelle bei Bestrahlung von 500 W/m2 und bei 250 W/m2.
Das U/I-Diagramm einer PV-Zelle zeigt:
der Zellstrom ist ungefähr proportional zu Bestrahlung
der MPP bleibt praktisch bei gleicher Spannung, erst bei geringer Bestrahlung verschiebt er sich
Somit gilt ungefähr: 500W/m2 liefert die Zelle 1A bei 0.5V. Bei 250W/m2 liefert die Zelle 0.5 A bei 0.5 V.
Sie wollen mit den Solarzellen (0.5V, 2A bei 1000 W/m2) eine Anlage zu Laden einer 12V Autobatterie mit einer Kapazität von 60Ah bauen, wozu eine Ladespannung von 14 V benötigt wird. Beschreiben sie den Aufbau des kostengünstigen Ladesystem und geben Sie an m wie lange das Laden der leeren Batterie bei 1000 W/m2 dauert. Was geschieht, wenn die Bestrahlung 500W/m2 beträgt.? Was schlagen Sie vor, um die Ladezeit zu verkürzen?
Mindest-System: 28 Solarzellen in Serie-Schaltung liefern 14 V bei 2A,
Bei einem verlustfreien Aufbau der Anlage wird die Batterie in 60Ah /2A =30h geladen.
Bei 500W/m2 halbiert sich ungefähr der Strom der Solartellen, was die Ladezeit verdoppelt.
Zur Verkürzung der Ladezeit müssen mindestens zwei Systeme parallel geschaltet werden, wodurch die Ladezeit halbiert wird.
Als theoretische Alternative kann die Solarstrahlung um den Faktor 2 konzentriert werden.
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Was bedeuten die Begriffe Primär-, Sekundär-, End- und Nutzenergie?
Primärenergie: Energiequellen, die zur Verfügung stehen (Kohle, Erdgas, Wind, Sonne). Direkt genutzte Primärenergie wird in Energiestatistiken of nicht erfasst oder nur geschätzt. Dies betrifft vor allem Sonne, Wind, Erwärme, Umgebungswärme, Holz und Biomasse.
Sekundärenergie: Wird durch Energieumwandlung und Raffination erzeugt (Strom, Wasserstoff). Leichterer Transport (Benzin, Brickets). Kann oft nicht genau von Endenergie unterschieden werden.
Endenergie: Handelbares Gut, welches der Verbraucher direkt nutzt (Elektrizität, Benzin, Heizöl). Der Endenergieverbrauch ist kleiner als der Primätenergieverbrauch und er sagt aus, wie effizient Endenergie in Nutzen umgewandelt werden kann.
Welche Energieformen sind Biomasse, Wasserstoff, Heizöl, Waldhackschnitzel, Heizwärme?
Biomasse: Ressourcenpotenzial aller biogener Stoffe, was Primärenergie entspricht. Werden jedoch 100 Tonnen Biomasse zum Kraftwerk geliefert, ist dies Endenergie.
Wasserstoff wird dagegen meist als typischer Sekundärenergieträger bezeichnet. Wenn Wasserstoff jedoch für Endkunden verfügbar gemacht wird, wäre der verkaufte Wasserstoff mit Benzin und Diesel als Endenergie gleichzustellen.
Heizwärme ist Nutzenergie.
Wieso wird in der Gesamtenergiestatistik zwischen Brennstoffen und Treibstoffen unterschieden?
Aus logistischen und vor allem fiskalischen Gründen. Diesel und Benzin unterstehen einer Mineralölsteuer, Heizöl nicht, obwohl Heizöhl chemisch praktisch identisch ist mit Diesel. Die ungleiche steuerliche Behandlung ist aus ressourcenökonomischer Sicht fragwürdig, da der wirtschaftliche Vorteil zur Einsparung von Heizöl viel geringer ist als der Anreit zu Einsparung von Treibstoffen. Steuerpolitisch ist es jedoch gerecht, die Kosten des Verkehrs zumindest teilweise über den Treibstoffpreis zu erheben.
Wie beurteilen Sie den Begriff Alternativenergie?
Der Begriff sollte nicht verwendet werden, da sie physikalisch keinen Sinn macht. Sinnvoll ist erneuerbare und nicht erneuerbare Energie.
Was beschreibt die Bestrahlungsstärke? Nennen Sie Formelzeichen, Einheit und einen Wert dazu.
Bestrahlungsstärke Ee in [W/m2] = spezifische Strahlungsleistung pro Fläche, typische Werte betragen bei klarem Himmel in der Grössenordnung von 1000 W/m2.
Was beschreibt die Solarkonstante?
Solarkonstante E0=Solarstrahlung oberhalb der Erd-Atmosphäre auf eine senkrecht zur Sonne gerichtete Fläche = 1368 W/m2.
Wie gross ist die mittlere Strahlungsleistung auf der Erdoberfläche? Um wie viel ist die Stahlung geringer als über der Atmosphäre und wieso?
Mittlere Strahlungsleistung auf der Erdoberfläche = 161 W/m2
161/1367=12% oder ungefähr 1/8.
Gründe: 1. Flächenverhältnis von Kugeloberfläche/Kreisquerschnitt (1/4). 2. Reflecxion und Absorption von Mittel ewas mehr als 50% in der Atmosphäre.
Mit welcher Wellenlänge strahlen die Sonne und die Erde? Woher kommt der Unterschied?
Die Wellenlänge der Strahlung eines Körpers ist abhängig von dessen Oberflächentemperatur. Je kälter der Körper, umso langwelliger strahlt er.
Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur als thermischer Strahler von 5777 K und weist damit ihre maximale Strahlungsleistung im kurzwelligen Bereich um 0.5 mikrometer mit einer hohen Leistung im Wellenlängenbereich von 0.24 bis 3 mikrometer.
Die Erde mit rund 300 K hat die maximale Strahlungsleistung bei rund 10 mikrometer (langwellig).
Die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der von einem Körper ermittierten Strahlung ist für den Treibhauseffekt der Erden und auch für die Funktion eines Sonnenkollegktors entscheidend.
Zeichne den Wirkunggrad eines Sonnelkollektors in Funktion der Kollektortemperatur bzw. der Nutztemperatur der erzeugten Wärme und kennzeichnen und erläutern Sie die Verluste in einer Grafik gemäss nachfolgender Vorlage mit Ta= Umgebungstemperatur.
Sie Bild
Was wird als Wärmeübergang (alpha-Wert) und Wärmedurchgang (U-Wert) bezeichnet? Welche Einheiten haben alpha und U?
Wärmeübergang: Wärmeübertragung zw. Fluid & Feststoff [alpha]= W/m2K
Wärmedurchgang: Wärmeübertraung eines Medium höherer Temperatur durch eine feste Wand hindurch an ein Medium tieferer Temperatur [U]= W/m2K.
Wärmeübergang/Wärmeleitung/Wärmeübergang
Fluid/Feststoff Feststoff Feststoff/Fluid2
Wieso empfinden Sie 18-grädiges Wasser als kalt und 18-grädige Luft al relativ warm?
Wärmestrom ist entscheidend. Von Temperaturdifferenz und Wärmeübergangswert abhängig (Flüssigkeit viel höher als Gas).
Ist der U-Wert eines Bauteils oder Gebäudes eine Stoffkonstante? Begründung?
U ist keine Stoffkonstante. Von Strömungsgeschwindigkeit und Stoffeigenschaften des umgebenden Fluids abhängig. Konvektion.
Nennen Sie einigen wichtige Anwendungen von Wärmeübergängen und Wärmeübertragern.
Kondensation, Verdampfung etc.
Erleutern Sie das Funktionsprinzip eines Wärmeübertragers und stellen Sie die Temperatur-verhältnisse für einen Gleich- und Gegenstrom-Wärmeübertrager dar.
Siehe Bild
Wieso entspricht eine Rückwärmezahl von 1 in Realität nicht 100% Wärmerückgewinnung
Da bei der Rückwärmezahl die latente Wärme nicht berücksichtigt wird.
Vor der Abreise in die Sommerferien vergessen Sie den Kühlschrankt zu schliessen. Wie beeinflusst dies die Raumteperatur in der Küche sofort und nach einer Woche? Wieso?
Zuerst sinkt die Raumteperatur, da die gespeicherte Kälte in den Raum dringt und auf Mischtemperatur läuft.
Danach steigt die Temperatur, da das Kühlschrankaggregat nun dauernd in Betrieb steht und die gesamte zugeführte Leistung (Strom) netto als Abwärme an die Küche abgibt.
Haus A verfügt über eine mit Aussenthermostat geregelte Heizung mit Wärmeverteilung über Fussbodenheizung und Zusatzradiatoren.
Haus B verfügt über eine mit Raumthermostaten geregelte Heizung mit Radiatoren.
Im Winter bemerken Sie, dass die Raumluft sehr trocken ist. Wieso?
Sie kaufen Wasserverdunster, die an die Radiatroen gehängt werden. Wie beeinflusst dies die Raumtemperatur und den Energieverbrauch von Haus A und B?
A: Energieverbrauch bleibt unverändert, da die Heizungsregelung durch die Wasserverdunster nicht beeinflusst wird. Allerdings sinkt die Raumteperatur, da ein Teil der Heizwärme zur Wasserverdungstung verbraucht wird.
B: Die Temperatur wird durch Regelung konstant gehalten, so dass die Verdampfungsenthalpie zur Wasserverdunstung zusätzlich gebraucht wird. Energieverbracuh steigt.
Sonnenlaufbahn am kürzesten und längsten Tag des Jahres sowie an den Tagen zwischen den Sonnenwenden für einen Ort nördlich des Äquators.
Siehe Bild
Zeichne den qualitativen Jahresverlauf des Ertrags eines in der Schweiz installierten und Richung Süden orientierten Kollektors für folgende Anordnung: 42°, 60°geneigt.
Welche Neigungen sind besser für Photovoltaik und Solarthermie?
42° Neigung erzielt in unseren Breiten den maximalen Jahresertrag, was für Fotovoltaik bei Einspeisung ideal ist. Die grössten Beiträge fallen allerdings im Sommerwuartal an, wenn der Sonnenazimut am höchsten ist. Im Winterquartal und in den Übergangsquartalen steht die Sonne einen grösseren Zeitanteil bei niedrigem Azimut. Hier empfängt eine stärker geneigte Kollektorebene einen grösseren Anteil der dann absolut gesehen geringeren Einstrahlung.
60° Kollektorneigung erzielt in unseren Breiten den maximalen Ertrag im Winterhalbjahr, was für Solarthermie ideal ist.
Fazit für Neigungswinkel
Für Solarthermie ist eine Neigung von 60° oder gar von 90° gut geeignet. Der Ertrag der diffusen Strahlung ist dabei allerdings geringer als bei flacher Neigung.
Welche Eigenschaften weisen folgende Komponenten auf, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen?
Solargas, Absorber-Oberfläche, Absorber-Grundmaterial (Welche Eigenschaften ist entscheidend und in welcher Reihenfolge sind folgende Materialien am besten: Edelstahl, Eisen, Kupfer, Aluminium.
Solargas: Selektive spektrale Eigenschaften der Transparenz: Hohe Transparenz TAU für kurzwelliges Sonnenlicht (von aussen nach innen). Kleine Transparenz Tau für langwellige Infrarotstrahlung (von innen nach aussen).
Absorber-Oberfläche: Selektive spektrale Eigenschaften von alpha bzw epsilon:
alpha(=epsilon)> 0.95 für kurzwelliges Sonnenlicht
epsilon(=alpha)< 0.05 für langwellige Infrarotstrahlung
Absorber-Grundmaterial: Wärmeleitfähigkeit: Kupfer> Aluminium> Eisen> Edelstahl
Die kostengünstige Variante zur solaren Bereitstellung von Warmwasser sind direkt mit Brauchwasser durchströmte Kollektoren. Wo und unter welchen Bedingungen ist dieses Prinzip geeignet und wieso kommt es in der Schweiz praktisch nicht zu Anwendung?
In klimatischen Bedingungen ohne Frostgefahr kann eine einfache und effiziente Bereitstellung von Warmwasser durch direkte Durchströmung von Kollektroen realisiert werden. Für Klimazonen mit Frost wie etwa die Schweit sind diese Systeme ungeeignet.
Die Linien 1 und2 zeigen die Kollektorkennlinie ein und disselben Kollektor-Typs.
Für welche Bedingung gelten die zwei unterschiedlichen Kennlinien?
Wieso weisen die Kennlinien bei einer Übertempemperatur von 0 K den gleichen Wirkungsgrad auf, nicht jedoch bei einer Übertemperatur > 0K?
1 gilt für eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2, 2 für 500 W/m2.
Die spezifischen optischen Verluste in Prozent der Bestrahlungsstärke sind unabhängig von der Bestrahlungsstärke. Bei einer Übertemperatur von 0 K treten nur optische Verlust auf, sodass der Wirkungsgrad an diesem Punkt dem optischen Wirkungsgrad entspricht von im Beispiel rund 80% entspricht.
Der Absolutwert der thermischen Verluste ist unabhängig von der Bestrahlungsstärke und abhängig von der Kollektorfläche und der Üvertemperatur. Bei halbierter Bestrahlungsstärke sind die absoluten thermischen Verluste unverändert, die absolute Bestrahlungsleistung jedoch halbiert, weshalb die thermischen Verluste bezogen auf die Bestrahlungsstärke bei 500 W/m2 doppelt so hoch sind und der Kollektorwirkungsgrad deshalb halb so gross wie bei 1000 W/m2.
Die Grafik zeigt die Kollektorkennlinien der Kollektoren Typ 1 und 2.
Um welche Kollektorbauart handelt es sich bei 1 und 2 und wieso?
Für welche Anwendung ist 1 und 2 besser? und wieso?
1= Flachkollektor, 2= Vakuumröhrenkollektor, aufgrund der Kennlinie mit Konzentration (CPC).
1 ist besser für Heizung und Warmwasser, da der Wirkungsgrad bis zu einer Übertemperatur von 70°C höher ist. 2 ist besser für Anwendungen mit Übertemperaturen von mehr als 70°C.
Beschreiben sie die Bedeutung der Stagnation und der Stagnationstemperatur. Wann tritt Stagnation auf und welche Konsequenzen hat sie? Wie wird die Stagnationstemperatur bestimmt?
Die thermischen Verluste können durch Doppelverglasung reduziert werden, demgegen¨ber werden aber die ptischen Verluste grösser. Der Kollektorwirkungsgrad wird dadurch bei geringen Übertemperaturen niederiger und erst ab einer bestimmten Übertemperatur von 30° C grösser als mit Einfachverglasung. Die deutlich höheren Kosten zahlen sich deshalb kaum aus bzw. eine Vergrösserung der Bruttofläche ist für eine allfällige Ertragssteigerung im gleichen Umfang ökonomischer.
Was beschreibt der Jahresnutzungsgrad?
Der Jahresnutzungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen Jahresertrag und Jahresbestrahlung.
Wieso ist die Konzentration der Sonnenstrahlen bei einem theoretischen Wert limitiert? Welche maximale Temperatur wäre mit dieser Konzentration theoretisch erreichbar?
Weil die Sonnenstrahlen nicht parallel sind und der Öffnungswinkel der Strahlen bei der Reflexion erhalten bleibt. Dadurch ergibt sich ein theoretischer Maximalwert der Konzentration von 46211. Bei dieser Konzentration ergäbe sich bei einem idealen Absorber eine Stagnationstemperatur von 5777 K entsprechend der Temperatur der Sonnenoberfläche als idealer thermischer Strahler.
Wieso ist die Anwendung der konzetrierenden Solarthermie im Schweizer Mittelland eher uninteressant?
Weil der Diffusanteil über 50% beträgt und dieser Anteil der Strahlung nicht oder nur stark eingeschränkt konzentiert werden kann.
Zeichnen Sie die Kennlinie einer Solarzelle, beschriften sie die Achsen und geben Sie den Betriebszustand mit maximaler Leistung an. Wie wird dieser Betriebspunkt ermittelt?
I-U_Kennlinie und P-U-Kennlinie einer Solarzelle für eine gegebene Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 und Punkt maximaler Leistung MPP
MPP wird ermittelt durch Produkt P=U*I, Ableitung =0 ergibt das Maximum.
Eine Fotovoltaik-Zelle lieferte bei einer Bestrahlung von 1000W/m2 einen Strom von 2 A bei einer Spannung von 0.5 V. Was liefert die Zelle bei Bestrahlung von 500 W/m2 und bei 250 W/m2.
Das U/I-Diagramm einer PV-Zelle zeigt:
der Zellstrom ist ungefähr proportional zu Bestrahlung
der MPP bleibt praktisch bei gleicher Spannung, erst bei geringer Bestrahlung verschiebt er sich
Somit gilt ungefähr: 500W/m2 liefert die Zelle 1A bei 0.5V. Bei 250W/m2 liefert die Zelle 0.5 A bei 0.5 V.
Sie wollen mit den Solarzellen (0.5V, 2A bei 1000 W/m2) eine Anlage zu Laden einer 12V Autobatterie mit einer Kapazität von 60Ah bauen, wozu eine Ladespannung von 14 V benötigt wird. Beschreiben sie den Aufbau des kostengünstigen Ladesystem und geben Sie an m wie lange das Laden der leeren Batterie bei 1000 W/m2 dauert. Was geschieht, wenn die Bestrahlung 500W/m2 beträgt.? Was schlagen Sie vor, um die Ladezeit zu verkürzen?
Mindest-System: 28 Solarzellen in Serie-Schaltung liefern 14 V bei 2A,
Bei einem verlustfreien Aufbau der Anlage wird die Batterie in 60Ah /2A =30h geladen.
Bei 500W/m2 halbiert sich ungefähr der Strom der Solartellen, was die Ladezeit verdoppelt.
Zur Verkürzung der Ladezeit müssen mindestens zwei Systeme parallel geschaltet werden, wodurch die Ladezeit halbiert wird.
Als theoretische Alternative kann die Solarstrahlung um den Faktor 2 konzentriert werden.
