Solarenergie 04 - Sonne - Hochschule Düsseldorf...Solarenergie HSD Hochschule Düsseldorf...

Solarenergie

HSDHochschule Düsseldorf University of Applied Sciences 29. September 2015

Prof. Dr. Alexander Braun, Prof. Dr. Carsten Fülber // Solarenergie // WS 2015 / 2016

Die Sonne

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung Lichtentstehung

• Wärme ist Bewegung der Atome

• Im Festkörper ist die Bewegung Schwingung

• Diese Schwingungen können selber Photonen aufnehmen und abgeben

HSDHochschule Düsseldorf University of Applied Sciences

29. September 2015

Wärmestrahlung Schwarzer Strahler

• Idealisiertes System zur Berechnung der Eigenschaften von Wärmestrahlung.

• Ein schwarzer Strahler absorbiert alle eingestrahlte elektromagnetische Strahlung.

• Im thermischen Gleichgewicht strahlt er dann aber auch genau die gleiche Energie wieder ab, nur mit einem

29. September 2015

Wärmestrahlung Planck‘sche Strahlungsformel

• Die Planck‘sche Strahlungsformel beschreibt die spektrale Energiedichte eines schwarzen Strahlers, d.h. sein Spektrum:

• Das Spektrum eines schwarzen Strahlers hängt nur von dessen Temperatur ab!

U(⌫, T ) =8⇡h⌫3

c3· 1

eh⌫/kT � 1

29. September 2015

Wärmestrahlung Spektrum

Quelle: Wikipedia

Wärmestrahlung Strahlungsmaximum

• Das Wien‘sche Verschiebungsgesetz beschreibt die Wellenlänge der Strahlungsmaximums:

• Die Wellenlänge des Strahlungsmaximums verschiebt sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen.

�max

· T = konst. = 2898µmK

Quelle: Wikipedia

Wärmestrahlung Strahlungsleistung

• Integriert man das Spektrum auf erhält man die gesamte abgestrahlte Leistung.

• Die Leistung wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben:

P = � ·A · T 4

29. September 2015

Aufgabe

• Nehmen Sie an, Ihre Solaranlage sei selber ein Schwarzkörper-Strahler. Rechnen Sie mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes aus, wie viel Leistung ihre Solaranlage auf dem Dach selber als Wärmestrahlung abgibt. Berechnen Sie dies für 20◦C, 50◦C und 80◦C. Nehmen Sie eine Fläche von 1m2 an. Es gilt:

• Betrachten Sie die Ergebnisse als prozentualen Unterschied.

� = 5.67 · 10�8 W

Wärmestrahlung Farbtemperatur

• Das Spektrum des schwarzen Strahlers wird nur über den einen Parameter Temperatur festgelegt.

• Damit kann jeder Temperatur eine Farbe zugewiesen werden, die dann Farbtemperatur heisst.

Quelle: Wikipedia

Sonne als Wärmestrahler

• Schwarzer Strahler mit 6000K• Lichtleistung ca. 5000-facher

Energiebedarf der Menschheit

Solarkonstante

• Wieviel Sonnenlicht kommt auf der Erde an?

• Langjährig gemittelte Intensität der Sonnenstrahlung in W/m2

• Gemessen oberhalb der Erdatmosphäre

Atmosphäre

1367 W/m2

29. September 2015

Fraunhofer‘sche Linien• Fraunhofer wollte die Qualität von Gläsern bestimmen• Er suchte eine Referenz, gegen die er Abweichungen des

Brechungsindex vergleichen konnte• Bei der systematischen Analyse des Sonnenspektrums in hoher

Auflösung fand er viele dunkle Linien, die wir heute als Absorptionslinien chemischer Elemente erkennen.

• Die Elemente sind sowohl in der Sonnen- als auch der Erdatmosphäre.

F: Wasserstoff D: Natrium

29. September 2015

Absorption in der Atmosphäre

Quelle:

29. September 2015

Luftmasse

• Definiert die Menge Luft, durch die das Sonnenlicht hindurch muss.

• Luftmasse = ,Air mass‘ (AM)• Relativ zu senkrechtem Einfall

gemessen:

• AM0 ist außerhalb der Atmosphäre gemessen

• AM1 ist bei senkrechten Einfall (kürzeste Strecke)

• AM1.5 ist bei 48.2° Einfall

Atmosphäre

Luftmasse• Bei flachen Winkeln im Winter

nimmt die Luftmasse deutlich zu.

• Berlin, Winter : 14°

• Berlin, Sommer: 61°

• Lambert-Beer‘sches Gesetz!

Quelle: Wikipedia

AM = 4.13

AM = 1.14

29. September 2015

Referenzspektrum ASTM G173

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000

Wavelength nm

ASTM G173-03 Reference Spectra

Etr W*m-2*nm-1

Direct+circumsolar W*m-2*nm-1

Referenzspektrum ASTM G173

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000

Wavelength nm

ASTM G173-03 Reference Spectra

Etr W*m-2*nm-1

Direct+circumsolar W*m-2*nm-1

• American Society for Testing and Materials

• Definiertes Spektrum um verschiedene Solarmodule vergleichen zu können

29. September 2015

Sonnenstand im Laufe des Tages und des Jahres

29. September 2015

Elevation und Azimuth

Elevation

http://de.wikipedia.org/wiki/Azimut

29. September 2015

Deklination

http://en.wikipedia.org/wiki/Position_of_the_Sun

29. September 2015

Deklination

�↵s

Deklination �

Breitengrad '

Elevation ↵s

� = 23.45�

29. September 2015

Deklination

�↵s

Deklination �

Breitengrad '

Elevation ↵s

� = 0�

29. September 2015

Deklination

Deklination �

Breitengrad '

Elevation ↵s

� = �23.45�

29. September 2015

Sonnenstand im Laufe des Tages und des Jahres

Messung des Sonnenlichts

• Sonnenlicht-Komponenten• Direkt (Direct normal

incidence, DNI)• Diffus

• Detektor• Ebener Detektor• Aufgestellter Detektor

• Bei blauem Himmel kommt Licht aus allen Himmelsrichtungen.

• Die Intensität ist in guter Näherung unabhängig von der Blickrichtung.

• Bei Sonnenlichtmessungen wird deswegen in den direkten Anteil und den diffusen Hintergrund unterschieden:• Direkt • Diffus

direkt diffus

Messung des Sonnenlichts• Bei einem horizontalen

Detektor muss der Winkel zwischen der Sonnenrichtung und der Normalen des Detektors berücksichtigt werden.

• Die Komponente der eingestrahlten Leistung wird Direct Normal Incidence (DNI) genannt.

DNI = I0 · cos↵

• Um die DNI zu erhöhen kann der Detektor angestellt werden.

• Dies erhöht vor allem die Leistung im Winter.

• Dadurch reduziert sich der Anteil der diffusen Strahlung, da ein Teil des Himmels durch das Modul selber verdeckt wird.

Zahlen und Fakten

• Momentane maximale Leistung

• Energieertrag• Langfristige Mittelung

29. September 2015

Eingestrahlte Leistung

180°0'0"

160°0'0"W

140°0'0"W

120°0'0"W

100°0'0"W

80°0'0"W

60°0'0"W

40°0'0"W

20°0'0"W

0°0'0"

20°0'0"E

40°0'0"E

60°0'0"E

80°0'0"E

100°0'0"E

120°0'0"E

140°0'0"E

160°0'0"E

180°0'0"

80°0'0"S 80°0'0"S

70°0'0"S 70°0'0"S

60°0'0"S 60°0'0"S

50°0'0"S 50°0'0"S

40°0'0"S 40°0'0"S

30°0'0"S 30°0'0"S

20°0'0"S 20°0'0"S

10°0'0"S 10°0'0"S

0°0'0" 0°0'0"

10°0'0"N 10°0'0"N

20°0'0"N 20°0'0"N

30°0'0"N 30°0'0"N

40°0'0"N 40°0'0"N

50°0'0"N 50°0'0"N

60°0'0"N 60°0'0"N

70°0'0"N 70°0'0"N

80°0'0"N 80°0'0"N

Yearly Mean of Irradiance in W/m²

0 - 10

Realized by Michel Albuisson, Mireille Lefèvre, Lucien Wald.Edited and produced by Thierry Ranchin. Date of production: 23 November 2006.Centre for Energy and Processes, Ecole des Mines de Paris / Armines / CNRS.

Averaged Solar Radiation 1990-2004

W / m2

http://www.soda-is.com/eng/map/maps_for_free.html

29. September 2015

US Daten

http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/1961-1990/redbook/atlas/

29. September 2015

Sonnenstrahlung und -Energie

Durchschnittliche ,geerntete‘ Energiepro Jahr

Quelle: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php#

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