Entwicklung eines Sensorsystems zur Ermittlung der Bestrahlungsstärke


Facharbeit (Schule), 2011
15 Seiten, Note: 1,0

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Inhalt

1. Fragestellung und Zielsetzung

2. Notwendigkeit der Messung

3. Physikalischer Ansatz

4. Auswahl des Sensorelements
4.1 Kriterien zur Auswahl
4.2 Geeignete Materialien

5. Konstruktion des Sensorsystems
5.1 Erfassungsmodul
5.2 Verarbeitungsmodul
5.3 Steuerungsmodul

6. Beurteilung und Verbesserung
6.1 Beurteilung des Sensorsystems
6.2 Maßnahmen zur Verbesserung

7. Danksagung

8. Literaturverzeichnis

9. Abkürzungsverzeichnis

Abstract

Um das Potential der erneuerbaren Energiequelle Sonne besser einschätzen zu können, wird ein Messgerät zur kalorimetrischen Erfassung der Bestrahlungsstärke Igl entwickelt. Die durch den Seebeck-Effekt hervorgerufene Thermospannung UĮ ist hierbei proportional zur thermi- schen Leistung. Das Sensorsystem besteht aus einem Peltierelement als Sensor, sowie elektri- sche Schaltungen zur Verarbeitung und Steuerung. Hierbei wird die eine Seite des Peltierelements auf konstanter Temperatur gehalten, während die andere Seite mit der zu mes- senden Starhlungsquelle bestrahlt wird. Nach dem heutigen Entwicklungsstand ist eine Tole- ranz von etwa ±30 W/m[2]zu erwarten.

1. Fragestellung und Zielsetzung

In einer sich ständig entwickelnden Welt ist die Energieversorgung eine der wichtigsten Her- ausforderungen in der Zukunft. Da die heutige Energieversorgung größtenteils auf fossile Quellen zurückgreift ist es unabdingbar, möglichst schnell auf erneuerbare Ressourcen umzu- steigen. Die momentan noch weit verbreite Technik, Exergie mit Hilfe der Kernspaltung zu erzeugen, gerät zudem noch wegen ihrer Sicherheitsrisiken in starker Kritik. Aus diesem Grund genießt die Sonnenenergie großes öffentliches Interesse[1]. Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energiequellen hat die Sonnenenergie den Vorteil, dass die Solarkraftwerke weitestgehend vom Standort unabhängig sind. So sind geographische Faktoren wie zum Bei- spiel das Relief nicht bei der Standortwahl stark hinderlich. Trotzdem ist der Energieertrag oft unterschiedlich. So hängt die Effizienz eines Solarkraftwerkes von vielen geophysikalischen Faktoren ab.

Das Ziel dieser Facharbeit ist es, das Potential der Energieressource Sonne besser einschätzen zu können. Hierzu wird ein Sensorsystem entwickelt, welches die globale Bestrahlungsstärke Igl der Sonne misst. Diese physikalische Größe gibt dabei die thermische Leistung der Sonne pro Flächeneinheit an[1].

Zuerst wird hierbei die Notwendigkeit der Messung der Bestrahlungsstärke Igl genauer erläutert. Anschließend wird ein physikalisches Konzept entwickelt, mit dessen Hilfe ein Sensorelement konstruiert werden kann. Ferner wird eine Schaltung entwickelt, um die vom Sensorelement erzeugte Spannung zu verstärken und anschließend auslesen zu können. Schließlich wird das Sensorsystem hinsichtlich seiner Genauigkeit reflektiert. Außerdem werden in dieser Arbeit Vorschläge zur Verbesserung des Sensorsystems genannt werden.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Begründung der Konstruktion des Sensorsystems. Hierbei sollen etwaige Vor und Nachteile abgewogen werden, sodass ein möglichst genaues Sensorsystem konstruiert werden kann. Dieser Aspekt ist elementar notwendig, wenn man eine quantitative Aussage über die aktuelle Insolation der Sonne treffen möchte.

2. Notwendigkeit der Messung

Der Menschheit stehen momentan viele Möglichkeiten in der Exergiegewinnung zur Verfü- gung. Besonders im Bereich der erneuerbaren Energien existiert ein großes Spektrum an sol- chen Technologien. Aus diesem Grund ist es sinnvoll zu wissen, wo welche Technik am effi- zientesten einzusetzen ist. Besonders bei der Stromgewinnung ermöglicht das in Europa breit ausgebaute Stromnetz eine strategische Standortwahl. So müssen die in Frage kommenden Standorte für Solaranlagen hinsichtlich ihrer Eignung zur Exergiegewinnung beurteilt werden, um eine optimale Effizienz zu erreichen.

Diese Notwendigkeit der Messung ist unter anderem darin begründet, dass die thermische Leistung der Sonne von Ort zu Ort variieren kann. Die Insolation der Sonne auf die Erde vari- iert nämlich aufgrund geophysikalischer Prozesse nicht nur im Verlaufe der Jahreszeiten. Am äußeren Rand der Atmosphäre ist die extraterrestrische Bestrahlungsstärke sehr konstant. Sie liegt hierbei bei etwa 1360 W/m2 im jährlichen Mittel und schwankt im Verlaufe des Jah- res aufgrund des unterschiedlichen Abstandes zur Sonne um etwa 7%[6]. Die Tatsache, dass man auf der Erdoberfläche lediglich einige hundert W/m2 messen kann, liegt in der Beschaf- fenheit der Atmosphäre begründet. Dabei werden die einfallenden Sonnenstrahlen auf vielfäl- tigste Art und Weise von selbiger gebrochen, absorbiert und teilweise reflektiert[6]. Diese Beeinflussung ist abhängig von der aktuellen Zusammensetzung der Atmosphäre. So absor- bieren bestimmte Moleküle elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlän- genbereich unterschiedlich stark[6]. Daraus resultieren so genannte Absorptionsbanden und Absorptionsfenster im Spektrum der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche[20]. Da diese Absorptionen nicht unerheblich sind und sich die Zusammensetzung der Atmosphäre aufgrund von Wetteränderungen sich ständig ändert, kann man keinen konstanten Wert der Insolation auf der Erdoberfläche erwarten. Somit ist eine mindestens einem Jahr umfassende Messung durchzuführen, um die Tauglichkeit des Standortes für Solaranlagen quantitativ un- tersuchen zu können. Dadurch werden sich jährlich wiederholende Wetterereignisse erfasst; es entsteht ein Jahresdurchschnittswert, welcher repräsentativer ist, als zum Beispiel die An- gabe eines Maximums.

Die einfachste Methode zu einer solchen Messung wäre das Ermitteln der Durchschnittstemperatur. Diese Werte kann man zwar als Anhaltspunkt nehmen, allerdings können sie etwas schwanken, da die Temperatur teilchenabhänig ist. Sie beschreibt die durchschnittliche kinetische Energie der einzelnen Teilchen. Und selbige können ihren Aufenthaltsort sehr schnell infolge von Wind oder Ähnlichem ändern. So ist die Temperatur in maritimen Gebieten deutlich milder, obwohl Igl das nicht ist. Diese örtliche Unschärfe verfälscht das Ergebnis. So ist es empfehlenswert, Igl direkt zu messen.

Eine weitere Möglichkeit ist die photometrische Erfassung der Insolation, bei dem die an ei- ner Photodiode abfallende elektrische Leistung proportional zur einfallenden Strahlung ist. Doch auch dieses empfindliche und schnelle Sensorsystem hat einen Nachteil: Es erfasst die Strahlung nicht in ihrem ganzen Spektrum, sondern registriert nur bestimmte Wellenlängen- bereiche signifikant[10].

Ziel der Messung ist es aber, die gesamte Leistung der Insolation zu ermitteln. Somit wird die Messung bei dem zu entwickelnden Sensor kalorimetrisch erfolgen. Dazu wird das Licht mit Hilfe eines Absorbers in Wärme umgewandelt und anschließend den daraus entstehenden Wärmestrom erfasst.

3. Physikalischer Ansatz

An dieser Stelle wird ein physikalisches Konzept entwickelt, mit dessen Hilfe man ein solches Sensorsystem konstruieren kann. Es werden physikalische Effekte erläutert, welche mit der Insolation unmittelbar im Zusammenhang stehen.

Im Folgenden wird ein homogener, elektrisch leitender Festkörper betrachtet. Ist die Tempe- ratur bei einem Ende des Leiters anderes als die Temperatur des anderen Endes, so entsteht zwischen den beiden Enden des Leiters ein Wärmestrom entlang des Temperaturgefälles nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vom Wärmeren zum kälteren Ort[5]. Aufgrund dieses Phänomens wird eine Thermospannung UĮ erzeugt. Diesen Effekt nennt man Seebeck- Effekt, die Ursache dafür ist die Thermodiffusion[9]. Hierbei diffundieren die freien La- dungsträger (meist Elektronen) entlang des Wärmestroms zu dem kälteren Ort. Nach einiger Zeit befindet sich so ein Ladungsträgerüberschuss in den Bereichen mit der geringeren ther- mischen Energie; es entsteht ein thermoelektrisches Feld Eth zwischen den beiden Orten[9]. Im Gegenzug bildet sich aber auch aufgrund der unterschiedlich verteilten Elektronen ein elektrisches Feld Eel mit einer elektrischen Feldkraft [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] in entgegengesetzter Richtung. Da beide Kräfte dieselben Teilchen beeinflussen, entsteht anschließend ein Kräftegleichgewicht zwischen den beiden Kräften[9]. So kann man den Wärmestrom bestimmen, indem man das elektrische Feld Eel misst: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], wobei d der Abstand zwischen den beiden Orten ist, zwischen denen das Temperaturgefälle herrscht. Die Proportionalität lässt sich nun nutzen, um durch das Messen von UĮ Rückschlüsse auf die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Orten ziehen zu können. So ist auch UĮ definiert: Sie ist als die elektrische Span- nung im offenem Schaltkreis pro Kelvin Temperaturdifferenz definiert; ihre Einheit ist V/K [8].

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Details

Titel
Entwicklung eines Sensorsystems zur Ermittlung der Bestrahlungsstärke
Note
1,0
Autor
Jahr
2011
Seiten
15
Katalognummer
V190460
ISBN (Buch)
9783656163763
Dateigröße
631 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Diese Arbeit wurde mit 15 KMK-Punkten bewertet. Des weiteren erreichte dieses Projekt den Regionalsieg in der Sparte Technik des Jugend forscht-Wettbewerbes im Jahre 2012 in Celle. Das Projekt wurde außerdem mit dem ZfP-Sonderpreis der DGfZP ausgezeichnet.
Schlagworte
Bestrahlungsstärke, Solarsensor, Energieeffizienz
Arbeit zitieren
Daniel Loos (Autor), 2011, Entwicklung eines Sensorsystems zur Ermittlung der Bestrahlungsstärke, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/190460

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Titel: Entwicklung eines Sensorsystems zur Ermittlung der Bestrahlungsstärke


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