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Physik | Technik
Jona Pfenniger, 2003 | Triengen, LU
Die Sonneneinstrahlung ist die Grundlage für viele essenzielle Vorgänge auf der Erde und bietet eine direkte technische Anwendung in der Solarenergie. Dabei gewinnen Solarzellen als eine nachhaltige Energiequelle zunehmend an Bedeutung. Die folgende Arbeit setzt sich mit einer effektiven und günstigen Methode zur Bestimmung des Wirkungsgrades von Solarzellen auseinander. Als Grundlage der Arbeit wird eine theoretische Bestimmung der Solarkonstante vorgenommen. Mit einem in mehreren Durchgängen verbesserten experimentellen Aufbau wird die Strahlungsintensität der Sonne auf der Erdoberfläche ermittelt. Mithilfe der gewonnenen Daten wird die Solarkonstante bestimmt und mit dem theoretischen Wert verglichen. Die nur geringen Abweichungen weisen auf eine hohe Genauigkeit der Messmethode hin. Dies erlaubt folglich, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu überprüfen. Aufgrund der Einfachheit und der Mobilität des vorgeschlagenen Messaufbaus kann dies ortsunabhängig vorgenommen werden.
Fragestellung
(I) Wie kann eine möglichst effektive und günstige Methode zur Bestimmung des Wirkungsgrades von Solarzellen entwickelt werden? (II) Ist es möglich, die Solarkonstante als Referenzwert zu verwenden, um die Genauigkeit der Methode zu überprüfen? (III) Kann ein einfacher und mobiler Aufbau für die Messungen entwickelt werden? (IV) Welchen Einfluss haben unterschiedliche Messhöhen oder atmosphärische Bedingungen auf die Messresultate? (V) Wie verhalten sich die gemessenen Wirkungsgrade handelsüblicher Solarzellen im Vergleich zu den Herstellerangaben?
Methodik
Um die Solarkonstante zu bestimmen, wird das Lambert-Beer’sche Gesetz angewendet, das die Intensitätsabschwächung von Licht beim Durchtreten eines Mediums bzw. der Atmosphäre beschreibt. Durch einige Termumformungen kann dieses Gesetz in eine lineare Funktionsvorschrift umgeformt werden. Zur Intensitätsmessung der Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche wird eine schwarze Platte mittels eines Stativs senkrecht zur Sonne ausgerichtet und somit erwärmt. Zusätzlich wird parallel eine Referenzplatte elektrisch auf dieselbe Temperatur wie die erste Platte beheizt. Die Heizleistung entspricht dabei der eingehenden Strahlungsleistung des Lichtes. Die gemessenen Intensitätswerte werden in Abhängigkeit des Neigungswinkels der Sonne als Datenpunkte festgehalten und extrapoliert, um die Solarkonstante zu bestimmen. Der Vergleich mit dem theoretischen Wert erlaubt dann einen Rückschluss auf die Genauigkeit der Methode. Mit dem beschriebenen Aufbau kann nun der Wirkungsgrad einer Solarzelle im Vergleich zur Strahlungsintensität der Sonne an einem beliebigen Ort überprüft werden.
Ergebnisse
Werden die aus mehreren Messserien extrapolierten Werte für die Solarkonstante gemittelt, ergibt sich ein Wert von 1,401 kW/m2 mit einer Fehleruntergrenze von 1,354 kW/m2 bzw. einer Fehlerobergrenze von 1,450 kW/m2. Dabei liegt der Literaturwert für die Solarkonstante von 1,361 kW/m2 innerhalb dieser Grenzen und die Abweichung zum gemittelten Wert beträgt lediglich 2,94 %. Die Messung des Wirkungsgrades einer handelsüblichen Solarzelle ergibt einen Wert von 11,7 % bei einem deklarierten Wert von 10,9 %. Die jeweiligen atmosphärischen Bedingungen und Messhöhen können nachvollziehbar in Verbindung mit den Messdaten gebracht werden.
Diskussion
Da die experimentell bestimmte Solarkonstante in mehreren Messreihen relativ nahe am Literaturwert liegt, ist davon auszugehen, dass die entwickelte Methode effektiv ist. Allerdings wird festgestellt, dass die beiden Platten nicht den exakt gleichen Bedingungen ausgesetzt sind. Dabei handelt es sich, neben einigen schwer quantifizierbaren kleinen Störfaktoren, hauptsächlich um die unterschiedliche Strahlungsbilanz im Infrarot-Bereich der Platten. Die Wirkungsgrade der Solarzellen werden nahe über den deklarierten Werten gemessen. Die Abweichungen können auf zu niedrig deklarierte Werte des Herstellers zurückgeführt werden (Minimumangaben aus Garantiegründen).
Schlussfolgerungen
Die entwickelte Methode und Apparatur liefern erstaunlich genaue Resultate. Die Bestimmung der Solarkonstante und die Messung des Wirkungsgrades von Solarzellen können dabei ortsunabhängig und mit einfachen Mitteln vorgenommen werden. Allerdings könnten in einem Folgeexperiment die Einflüsse verschiedener Störfaktoren auf die Messung untersucht werden. Dies wäre ebenfalls dienlich, um die Präzision bei der Messung der Wirkungsgrade von Solarzellen zu erhöhen. Um die Methode kommerziell einsetzen zu können, wären eine Komprimierung sowie eine Automatisierung erforderlich.
Würdigung durch die Expertin
Dr. Natalia Engler
In seiner Arbeit erforscht Jona Pfenniger Möglichkeiten für einen effektiven und günstigen Wirkungsgrad-Test der Solarzellen. Dabei liegt der Fokus seiner Forschung auf der Entwicklung einer Messmethode, um die Intensität der Sonneneinstrahlung zu bestimmen. Mit viel Wissbegierde hat Jona sich in die theoretischen Grundlagen der Sonnenradiometrie eingearbeitet und bewies einen kreativen Forschungsgeist durch seine steten Bemühungen, den eigenen experimentellen Aufbau zu verbessern. Seine Arbeit beeindruckt durch das Volumen des erworbenen Fachwissens und die sorgfältig verfasste Dokumentation.
Prädikat:
hervorragend
Sonderpreis Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Technikpreis – European Space Camp (ESC)
Kantonsschule Sursee
Lehrer: Dr. Stefano Chiantese