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 Ualpha ist hierbei proportional zur thermischen Leistung. Das Sensorsystem besteht aus einem Peltierelement als Sensor, sowie elektrische Schaltungen zur Verarbeitung und Steuerung. Hierbei wird die eine Seite des Peltierelements auf konstanter Temperatur gehalten, während die andere Seite mit der zu messenden Strahlungsquelle bestrahlt wird. Nach dem heutigen Entwicklungsstand ist eine Toleranz von etwa ±30 W/m2 zu erwarten.
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.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Facharbeit?
Diese Facharbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Sensorsystems zur Messung der globalen Bestrahlungsstärke (Igl) der Sonne, um das Potential der Sonnenenergie besser einschätzen zu können. Es wird die Notwendigkeit solcher Messungen erläutert, ein physikalisches Konzept zur Sensorkonstruktion entwickelt, eine Schaltung zur Spannungsverstärkung und Auslesung entworfen, und das resultierende Sensorsystem hinsichtlich seiner Genauigkeit bewertet.
Warum ist die Messung der Bestrahlungsstärke wichtig?
Die Messung der globalen Bestrahlungsstärke ist wichtig, um die effizientesten Standorte für Solaranlagen zu bestimmen. Die thermische Leistung der Sonne variiert von Ort zu Ort und im Laufe der Zeit aufgrund geophysikalischer Prozesse und atmosphärischer Bedingungen. Eine umfassende Messung über mindestens ein Jahr ist notwendig, um die Eignung eines Standortes quantitativ zu beurteilen.
Welche physikalischen Prinzipien werden bei der Sensorentwicklung verwendet?
Die Sensorentwicklung basiert auf dem Seebeck-Effekt. Dabei entsteht eine Thermospannung (UĮ) in einem elektrisch leitenden Festkörper, wenn zwischen seinen Enden ein Temperaturgefälle besteht. Diese Thermospannung ist proportional zur thermischen Leistung, wodurch Rückschlüsse auf die Temperaturdifferenz und somit auf die Bestrahlungsstärke möglich sind.
Welche Komponenten umfasst das Sensorsystem?
Das Sensorsystem besteht aus einem Peltierelement als Sensor, sowie elektrischen Schaltungen zur Signalverarbeitung und Steuerung. Eine Seite des Peltierelements wird auf konstanter Temperatur gehalten, während die andere Seite mit der zu messenden Strahlungsquelle bestrahlt wird.
Welche Genauigkeit ist vom entwickelten Sensorsystem zu erwarten?
Nach aktuellem Entwicklungsstand ist mit einer Toleranz von etwa ±30 W/m² bei der Messung der Bestrahlungsstärke zu rechnen.
Welche Alternativen zur kalorimetrischen Messung gibt es, und warum wurde diese gewählt?
Alternativen zur kalorimetrischen Messung umfassen die Ermittlung der Durchschnittstemperatur und die photometrische Erfassung der Insolation. Die kalorimetrische Messung wurde gewählt, da sie die gesamte Leistung der Insolation erfasst, indem das Licht in Wärme umgewandelt und der daraus resultierende Wärmestrom erfasst wird. Temperaturmessungen können durch lokale Bedingungen beeinflusst werden, und photometrische Sensoren erfassen nicht das gesamte Strahlungsspektrum.
Was sind Absorptionsbanden und Absorptionsfenster im Zusammenhang mit der Sonnenstrahlung?
Absorptionsbanden und Absorptionsfenster beziehen sich auf die unterschiedliche Absorption elektromagnetischer Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen durch bestimmte Moleküle in der Atmosphäre. Dies beeinflusst die Menge und das Spektrum der Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht.
Was ist die extraterrestrische Bestrahlungsstärke und wie unterscheidet sie sich von der Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche?
Die extraterrestrische Bestrahlungsstärke ist die Sonnenstrahlung am äußeren Rand der Atmosphäre, die im jährlichen Mittel bei etwa 1360 W/m² liegt. Auf der Erdoberfläche ist die Bestrahlungsstärke aufgrund der Absorption, Brechung und Reflexion durch die Atmosphäre deutlich geringer (einige hundert W/m²).
Welche Rolle spielt die Standortwahl bei der Nutzung von Solarenergie?
Die Standortwahl ist entscheidend für die Effizienz von Solaranlagen. Da die Insolation von Ort zu Ort variiert, müssen potenzielle Standorte hinsichtlich ihrer Eignung zur Exergiegewinnung beurteilt werden, um eine optimale Effizienz zu erreichen. Messungen der globalen Bestrahlungsstärke helfen bei dieser Beurteilung.
Welche Faktoren beeinflussen die Insolation auf der Erdoberfläche?
Die Insolation auf der Erdoberfläche wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, darunter geophysikalische Prozesse (z.B. Jahreszeiten, Abstand zur Sonne) und die Zusammensetzung der Atmosphäre (z.B. Absorption durch Moleküle, Wetteränderungen).
- Citation du texte
- Daniel Loos (Auteur), 2011, Entwicklung eines Sensorsystems zur Ermittlung der Bestrahlungsstärke, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/190460
