fuel cell box wettbewerb 2013 – phase ii yaren yücelmis zeliha tasci ingeborg-drewitz-...
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Fuel Cell Box Wettbewerb 2013 – Phase II
Yaren Yücelmis
Zeliha TasciIngeborg-Drewitz-
Gesamtschule Gladbeck
Reiner Schulz (MKULNV), Dr. Thomas Kattenstein (Energieagentur.NRW), Yaren Yücelmis, Guntram Seippel, Zeliha Tasci (IDG), Ake Johnsen (h-tec)
und Volker Lindner (h2-netzwerk-ruhr)
Übergabe der Fuel Cell Box am 8. März 2013 im Revue Palast Ruhr in Herten
Presse
WAZ Gladbeck, 12.03.2013
WAZ Herten, 13.03.2013
1a) Farbcode der Widerstände
http://www.fremo-hemsbach.de/Mc_farbcode_b2.jpg
Die 8 Widerstände sind durch einen Farbcode gekennzeichnet, der mit Hilfe der nebenstehenden Tabelle entziffert werden kann.
1a) Wertetabelle der 8 Messwiderstände
Nr. Farbcode R / +/- 5%
R1 rot - rot - silber - gold 0,22
R2 orange - orange - silber - gold 0,33
R3 braun - grau - gold - gold 1,8
R4 gelb - violett - gold - gold 4,7
R5 orange - orange - schwarz - gold 33
R6 blau - grau - schwarz - gold 68
R7 braun - schwarz - braun - gold 100
R8 orange - orange - braun - gold 330
1a) Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen
Reihenschaltung
Rges= R1 + R2 Parallelschaltung1/Rges = 1/R1 + 1/R2
oder auchRges = (R1 x R2) /
(R1 + R2)
Abbildungen und Formeln nach http://www.fairaudio.de/hifi-lexikon-begriffe/elektrotechnische-grundbegriffe.html
Durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Widerständen lässt sich die Anzahl der Widerstandswerte von ursprünglich 8 Widerständen deutlich erhöhen.
1a) Reihen- und/oder Parallelschaltung von 3 Widerständen
1x
1x
3x
3x
Bei insgesamt 3 Widerständen gibt es 8 verschiedene Möglichkeiten.
Zum einen können alle drei Widerstände in Reihe bzw. parallel geschaltet sein, zum anderen sind zwei verschiedene Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltung möglich, wobei jeder der 3 Widerstände „alleine“ stehen kann, so dass diese Versionen je 3mal möglich sind.
1a) Reihen- und/oder Parallelschaltung von 4 Widerständen
1x1x
4x
4x3x
3x
6x
12x
Bei 4 Widerständen ergeben sich durch Reihen- und/oder Parallelschaltungen insgesamt 34 Möglichkeiten.
1) Abhängigkeit der Leerlaufspannung eines Solarmoduls vom EinstrahlwinkelWinkel / ° U/V
0 1,6810 1,9320 2,0830 2,1740 2,2150 2,2560 2,2770 2,2980 2,390 2,32
Winkelabhängigkeit der Leerlaufspannung
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 20 40 60 80 100
Winkel / °
U /
V
Deutlich zu erkennen ist, dass der Einstrahlungswinkel einen nur geringen Einfluss auf die Leerlaufspannung hat. Dies macht deutlich, dass die Spannung primär eine materialabhängige Größe ist.
1) Abhängigkeit des Kurzschlussstroms eines Solarmoduls vom EinstrahlwinkelWinkel / ° I / A
0 0,006410 0,0120 0,0530 0,1140 0,1650 0,260 0,2370 0,2680 0,2890 0,29
Winkelabhängigkeit des Kurzschlussstroms
00,050,1
0,150,2
0,250,3
0,35
0 20 40 60 80 100
Winkel / °
I / A
Hier wird deutlich, dass der Kurzschlussstrom vom Einstrahlungswinkel abhängig ist. Fällt das Licht senkrecht auf das Solarmodul, so können die Lichtstrahlen tiefer in das Solarmodul eindringen und es können mehr Elektronen in dem Modul freigesetzt werden.
1b) Messwerte eines Solarmoduls
MPP
R U/V I/A P/W
Kurzschluss 0 0,47 0
R1 0,17 0,47 0,0799
R2 0,22 0,47 0,1034
R3 0,89 0,46 0,4094
R4 1,97 0,41 0,8077
R5 2,28 0,0569 0,129732
R6 2,3 0,0316 0,07268
R7 2,31 0,022 0,05082
R8 2,32 0,007 0,01624
Leerlauf 2,35 0 0
MPP: Maximum Power Point – Punkt maximaler Leistung
1b) Kennlinie eines Solarmoduls
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5
U/V
I/A
MPP
1b) Leistungskurve eines Solarmoduls
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,5 1 1,5 2 2,5
U/V
P/W
MPP
1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Messwerte
MPP
R U/V I/A P/W
Kurzschluss 0 0,85 0
R1 0,26 0,85 0,221
R2 0,3 0,85 0,255
R3 0,32 0,85 0,272
R4 0,41 0,85 0,3485
R5 1,68 0,84 1,4112
R6 3,6 0,73 2,628
R7 4,3 0,0129 0,05547
R8 4,31 0,004 0,01724
Leerlauf 4,35 0 0
1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Kennlinie
-0,10
0,10,20,30,40,50,60,70,80,9
0 1 2 3 4 5U/V
I/A
MPP
1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Leistungskurve
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 1 2 3 4 5
U/V
P/W
MPP
1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Messwerte
MPP
R U/V I/A P/W
Kurzschluss 0 1,54 0
R1 0,54 1,54 0,8316
R2 0,71 1,52 1,0792
R1+R2 1,09 1,44 1,5696
R3//R4 1,55 1,13 1,7515
R3 1,71 0,9 1,539
R4 2,01 0,41 0,8241
R5 2,18 0,058 0,12644
R6 2,24 0,0318 0,071232
R7 2,27 0,0226 0,051302
R8 2,33 0,0073 0,017009
Leerlauf 2,39 0 0
R1+R2 Reihenschaltung;
R3//R4 Parallelschaltung
1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Kennlinie
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
U/V
I/A
MPP
1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Leistungskurve
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
U/V
P/W
MPP
Kennlinien von Solarmodulen im Vergleich
Gut zu erkennen ist die Erhöhung der Stromstärke durch die Parallelschaltung und die Erhöhung der Spannung durch die Reihenschaltung.
-0,20
0,20,40,60,8
11,21,41,61,8
0 1 2 3 4 5U/V
I/A
Solarmodul
Reihen-undParallelschaltungParallelschaltung
MPPs
Leistungskurven von Solarmodulen im Vergleich
Die größte Leistung wird bei der Reihen- und Parallelschaltung der Solarmodule erreicht: P = 2,628 W, R = 68
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 1 2 3 4 5
U/V
P/W
Solarmodul
Reihen- undParallelschaltungParallelschaltung
MPPs
1e) Ermittlung der optimalen Winkelausrichtung der Windkraftanlage
Abstand 10 cm, R = 4,7
MPP
Winkel / ° U/V I/A P/W0 0,16 0,03 0,004810 0,43 0,09 0,038720 0,68 0,13 0,088430 1,08 0,22 0,237640 1,3 0,25 0,32550 1,6 0,31 0,49660 1,63 0,32 0,521670 1,64 0,33 0,541275 1,68 0,34 0,571280 1,4 0,3 0,4290 0 0 0
1e) Ermittlung der optimalen Winkelausrichtung der Windkraftanlage
Als optimale Ausrichtung zwischen Flügelfläche und Windstrom wurde ein Winkel von etwa 75° ermittelt.
00,10,20,3
0,40,50,60,7
0 20 40 60 80 100
Winkel / °
P/W
MPP
1f) Windkraftanlage - Messwerte
MPP
R U/V I/A P/WKurzschluss 0 0,38 0
R1 0,07 0,37 0,0259R2 0,1 0,37 0,037
R1+R2 0,16 0,36 0,0576R3 0,41 0,36 0,1476
R1+R2+R3 0,62 0,35 0,217R4 1,68 0,34 0,5712
R1+R2+R3+R4 2,1 0,29 0,609R5//R6 4,3 0,18 0,774
R5 4,71 0,14 0,6594R6 5,43 0,07 0,3801R7 6,15 0,04 0,246R8 6,41 0,02 0,1282
Leerlauf 7,7 0 0
1f) Strom-Spannungs-Kennlinie der Windkraftanlage
00,05
0,10,15
0,20,25
0,30,35
0,4
0 2 4 6 8 10
U/V
I/A MPP
1f) Leistungskurve der Windkraftanlage
Die größte Leistung wird mit P = 0,774 W bei der Parallelschaltung der Widerstände R5 und R6 erreicht. R ges (R5//R6) = 22,22
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
0 2 4 6 8 10
U/V
P/W
MPP
1g) Leistung der Windkraftanlage bei unterschiedlichem Abstand
Abstand /cm U/V I/A P/W10 4,3 0,18 0,77420 3,73 0,16 0,596830 3,4 0,14 0,47640 3,15 0,13 0,409550 2,65 0,12 0,31860 2,55 0,11 0,280570 2,42 0,1 0,24280 2,22 0,09 0,199890 2 0,08 0,16
100 1,19 0,01 0,0119
1g) Leistung der Windkraftanlage bei unterschiedlichem Abstand
Man erkennt deutlich die Leistungsabnahme bei zunehmendem Abstand.
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
0 20 40 60 80 100 120
Abstand / cm
P / W
1h) Parallelschaltung der Elektrolyseure - Messwerte
R U/V I/A P/WR1 0,12 0 0R2 0,17 0 0
R1+R2 0,3 0 0R3//R4 0,58 0 0
(R1+R3)//R4 0,64 0 0(R2+R3)//R4 0,68 0 0
vermutet 1,4 0 0(R1+R2+R3)//R4 1,59 0,2 0,318
R3 1,62 0,29 0,4698R4 1,78 0,77 1,3706R5 1,89 1,1 2,079R6 1,89 1,13 2,1357R7 1,9 1,14 2,166R8 1,91 1,15 2,1965
Kabel 1,93 1,16 2,2388
1h) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Strom-Spannungs-Kennlinie
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 0,5 1 1,5 2 2,5
U/V
I/A
Uz = ca. 1,55 V
1i) Reihenschaltung der Elektrolyseure - Messwerte
R U/V I/A P/WR1 0,13 0 0R2 0,17 0 0R3 2,24 0 0
R3//R4 1,61 0 0R1+R2+R3 3,08 0,03 0,0924
R4 3,49 0,43 1,5007R5 3,94 1,04 4,0976R6 3,96 1,1 4,356R7 3,98 1,12 4,4576R8 4 1,15 4,6
ohne 4,01 1,17 4,6917
1i) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Strom-Spannungs-Kennlinie
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
-1 0 1 2 3 4 5
U/V
I/A
Uz = ca. 3,1 V
1j) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Leistung und Zeit
Messwerte Rechnung
U = 1,97 V P = U * I
I = 1,15 A = 1,97 V * 1,15 A
t = 211,36 s = 2,27 W
VH2 = 30 cm³
Ho = 12,745 Ws/cm³
ges.: P
Die elektrische Leistung betrug 2,27 W und es wurden 211,36 s für die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff benötigt.
1j) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Energieverbrauch und Wirkungsgrad
Energieverbrauch:
E = P * t
= 2,27 W * 211,36 s
= 705,39 Ws
Wirkungsgrad:
= (VH2 * Ho) / (E)
= (30 cm³ * 12,745 Ws/cm³) / 705,39 Ws
= 54,20 %
Der Energieverbrauch betrug 705,39 Ws und
der Wirkungsgrad lag bei 54,20 %.
1k) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Leistung und Zeit
Messwerte Rechnung
U = 4,12 V P = U * I
I = 1,16 A = 4,12 V * 1,16 A
t = 105,79 s = 4,78 W
VH2 = 30 cm³
Ho = 12,745 Ws/cm³
ges.: P
Die elektrische Leistung betrug 4,78 W und es wurden 105,79 s für die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff benötigt.
1k) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Energieverbrauch und Wirkungsgrad
Energieverbrauch:
E = P * t
= 4,78 W * 105,79 s
= 505,59 Ws
Wirkungsgrad:
= (VH2 * Ho) / (E)
= (30 cm³ * 12,745 Ws/cm³) / 505,59 Ws
= 75,62 %
Der Energieverbrauch betrug 505,59 Ws und der Wirkungsgrad lag bei 75,62 %.
Auf Grund des höheren Wirkungsgrades und des geringeren Energieverbrauches haben wir uns für die Reihenschaltung der Elektrolyseure entschieden.
1l) Kennlinie und Leistungskurve einer Brennstoffzelle - Messwerte
R U/V I/A P/W
Leerlauf 0,93 0 0
R8 0,9 0,0026 0,00234
R7 0,86 0,0081 0,006966
R6 0,85 0,0114 0,00969
R5 0,82 0,0207 0,016974
R4 0,7 0,15 0,105
R3 0,61 0,31 0,1891
R1+R2 0,46 0,58 0,2668
R2 0,34 0,71 0,2414
R1 0,28 0,74 0,2072
Kurzschluss 0 0,76 0
MPP
1l) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
I/A
U/V MPP
1l) Leistungskurve einer Brennstoffzelle
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 0,2 0,4 0,6 0,8
I/A
P/W
MPP
1m) Reihenschaltung von Brennstoffzellen - Messwerte
MPP
R U/V I/A P/W
Leerlauf 3,71 0 0
R8 3,44 0,0103 0,035432
R7 3,22 0,0307 0,098854
R6 3,16 0,0432 0,136512
R5 3,01 0,0778 0,234178
R4 2,12 0,44 0,9328
R1+R2+R3 1,67 0,62 1,0354
R2+R3 1,54 0,66 1,0164
R3 1,37 0,7 0,959
R2 0,4 0,75 0,3
R1 0,3 0,75 0,225
Kurzschluss 0 0,76 0
1m) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzellen-Reihenschaltung
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 0,2 0,4 0,6 0,8
I/A
U/V MPP
1m) Leistungskurve einer Brennstoffzellen-Reihenschaltung
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8
I/A
P/W
MPP
1n) Parallelschaltung von Brennstoffzellen - Messwerte
R U/V I/A P/W
Leerlauf 0,94 0 0
R8 0,93 0,0028 0,002604
R7 0,91 0,0086 0,007826
R6 0,9 0,0124 0,01116
R5 0,88 0,0229 0,020152
R4 0,79 0,16 0,1264
R3 0,73 0,38 0,2774
R2 0,58 1,16 0,6728
R1 0,54 1,38 0,7452
R1//R2 0,43 1,76 0,7568
Kabel 0,26 2,25 0,585
Kurzschluss 0 2,47 0
MPP
1n) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzellen-Parallelschaltung
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
I/A
U/V
MPP
1n) Leistungskurve einer Brennstoffzellen-Parallelschaltung
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
I/A
P/W
MPP
1n) Vergleich der Ergebnisse der Brennstoffzellenversuche
00,5
11,5
22,5
33,5
4
0 1 2 3
I/A
U/V
ReihenschaltungParallelschaltungEinzelzelle
An den Kennlinien kann man gut erkennen, dass sich durch die Reihenschaltung der Brennstoffzellen die Spannung und durch die Parallelschaltung die Stromstärke erhöht (siehe auch 1o)).
MPPs
1o) Maximale Leistung der Brennstoffzellen – Vergleich der Leistungskurven
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1 2 3
I/A
P/W
ReihenschaltungParallelschaltungEinzelzelle
MPPs
Die größte Leistung mit P = 1,0354 W wird bei der Reihenschaltung der Brennstoffzellen erreicht. Hierzu wurden die Widerstände R1 bis R3 in Reihe geschaltet mit R ges = R1 + R2 + R3 = 2,35
Auf Grund unserer Versuchsergebnisse haben wir uns bei den Solarmodulen für die Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung und bei den Elektrolyseuren und den Brennstoffzellen für eine Reihenschaltung entschieden.
1p) Aufbau des Gesamtsystems
2a) Einsatz der Brennstoffzellentechnologie in der Realität.
Jenseits der Laborbedingungen ist zu bedenken, dass die regenerativen Energiequellen Wind und Sonne wesentlich unzuverlässiger sein werden. Der Wind wird nicht nicht immer gleichmäßig stark aus einer Richtung wehen und die Sonne wird im Laufe eines Tages unterschiedlich intensiv auf die Solarmodule einstrahlen. Die Erträge werden sehr stark z.B. von möglichen Wolken oder dem Winkel der Einstrahlung abhängig sein.
Im Bereich der Brennstoffzellentechnologie werden deutlich größere Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Wasserstoffspeicher notwendig sein, was mit erheblichen Kosten verbunden sein wird. Zudem muss bei großen Mengen an Wasserstoff deutlich mehr auf die Sicherheit geachtet werden.
2b) Lösung der ModellsituationEnergiequellen
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 5 10 15 20 25 30
h/d
Lastprofil
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 5 10 15 20 25 30
h/d
Last
Verbraucher 1
Verb. 2
Wind
Sonne
Der Vergleich der beiden Diagramme zeigt, dass zwischen 4:00 und 7:00 Uhr, zwischen 14:00 und 15:00 Uhr und zwischen 18:00 und 20:00 Uhr auf den Wasserstoff zurückgegriffen werden muss. Zwischen 10:00 und 13:00 Uhr kann der deutliche Energieüberschuss zur Wasserstoffproduktion genutzt werden, ansonsten reicht die erzeugte Energie auch beim Anschluss beider Verbraucher noch zu einer kleinen Wasserstoffproduktion aus
2b) Lösung der ModellsituationUhrzeit Verbraucher Energiequelle
0 bis 2 gelbe und rote Glühlampe, Aufladung des Kondensators Wind
2 bis 4 gelbe Glühlampe Wind
4 bis 5 gelbe Glühlampe Kondensator, Wasserstoff
5 bis 7 gelbe und rote Glühlampe, Aufladung des Kondensators Wasserstoff
7 bis 10 gelbe und rote Glühlampe, Aufladung des Kondensators, Elektorolyseur Kondensator, Sonne
10 bis 11 gelbe und rote Glühlampe, Elektrolyseur Sonne, Wind
11 bis 13 gelbe Glühlampe, Elektrolyseur Sonne, Wind
13 bis 14 gelbe Glühlampe, Elektrolyseur Wind
14 bis 15 gelbe Glühlampe, Aufladung des Kondensators Kondensator, Wasserstoff
15 bis 17 gelbe Glühlampe, Elektrolyseur, Aufladung des Kondensators Kondensator, Sonne
17 bis 18 gelbe und rote Glühlampe, Elektrolyseur Sonne
18 bis 20 gelbe und rote Glühlampe Kondensator, Wasserstoff
20 bis 24 gelbe und rote Glühlampe, Elektrolyseur Kondensator, Wind
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
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