Anleitung zum Praktikum Energiesysteme

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Luft- und Raumfahrttechnik Professur für Raumfahrtsysteme Anleitung zum Praktikum Energiesysteme Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einleitung Solarzellen Grundlagen Versuch Aufbau Durchführung Thermoelektrische Generatoren Funktionsweise Versuch Aufbau Durchführung Auswertungen Versuchsauswertung Solarzelle TEG Abschätzung des EPS eines Raumfahrzeuges Verständnisfragen Quellen... 16

2 1 Einleitung Ziel dieses Praktikums ist das Erlernen der wesentlichen Randbedingungen der Energiekonvertierung, -speicherung und -verteilung in mobilen Systemen der Luft- und Raumfahrt sowie die Vermittlung des grundlegenden Verständnisses der photovolatischen, thermoelektrischen und elektrochemischen Energiewandlung und der Ableitung technischer Auswahlkriterien. Die Einführungsveranstaltung hat dabei eine Übersicht über die theoretischen Grundlagen gegeben. Innerhalb des praktischen Teils liegt der Fokus auf der temperaturabhängigen Kennwertermittlung von Solarzellen und thermoelektrischen Generatoren für Raumfahrtanwendungen. Durch die Versuche soll ein grundlegendes Verständnis für die Problematiken beim Einsatz dieser Technologien unter Temperaturwechselbedingungen vermittelt werden. In der anschließenden Auswertung sollen die Ergebnisse aus dem praktischen Teil ausgewertet werden und eine grobe Auslegung des Energiesystems (EPS) eines Low-Earth-Orbit-Satelliten durchgeführt werden. 2 Solarzellen 2.1 Grundlagen Solarzellen basieren auf dem photovoltaischen Effekt von Halbleitern. Dabei befindet sich ein p-n-übergang dicht unter einem lichtdurchlässigen Halbleiterkristall an dem ein schwaches elektrisches Feld ausgeprägt ist. Lichtquanten, die in die Solarzelle eintreten, erzeugen auf beiden Seiten des p-n-übergangs Elektronen bzw. Löcher. Durch das vorhandene elektrische Feld am Übergang diffundieren jeweils die Minoritätsträger (Elektronen im p-bereich bzw. Löcher im n-bereich) auf die andere Seite. Zudem bewirkt das elektrische Feld die Ausbildung einer Sperrschicht und verhindert damit die Rückdiffusion. Die dadurch entstehende Ladungstrennung (p-bereich wird positiv, n-bereich negativ) ruft eine elektromotorische Kraft hervor, die technisch genutzt werden kann. Im Rahmen dieses Praktikums soll die Abhängigkeit der elektrischen Leistungskenndaten einer Solarzelle von zwei Randbedingungen untersucht werden: Angeschlossener Lastwiderstand: Die maximale elektrische Leistung ist dann generierbar, wenn der Lastwiderstand dem Innenwiderstand der Solarzelle entspricht. Dies betrifft sämtliche elektrische Versorgungseinheiten. In Abbildung 1 ist ein Ersatzschalbild für eine Solarzelle dargestellt. Hierbei gilt für die nutzbare Leistung P L, die über dem Lastwiderstand abfällt: ( ) 2

3 Aus ergibt sich für R L Bei diesem Verhältnis zwischen R L und R i wird von einer Leistungsanpassung gesprochen. Es ergibt sich der Punkt der maximalen Leistung aber nicht des maximalen Wirkungsgrads. Um in technischen Systemen möglichst viel Leistung generieren zu können, wird ein Maximum Power Point Tracking genutzt. Dabei wird über verschiedene Konzepte eine Leistungsanpassung durchgeführt. R i U 0 R L Abbildung 1: Ersatzschaltbild für eine Solarzelle; R i : Innenwiderstand, R L : Lastwiderstand, U 0 : Urspannung Temperatur der Solarzelle: Bei steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad und damit auch die generierte elektrische Leistung der Solarzelle. Der Grund hierfür ist in den Eigenschaften von Halbleitermaterialien zu finden. Vor allem nimmt der so genannte Dunkelstrom (Eigenstrom) zu, was zu einem leichten Anstieg des Kurzschlussstromes und einem deutlich stärkeren Absinken der Leerlaufspannung führt. 2.2 Versuch Durch diesen Versuch sollen die Abhängigkeit der Solarzellenkenndaten vom Lastwiderstand und der Temperatur verdeutlicht werden. Dazu wird die Spannung der Solarzelle, die über einem veränderbaren Lastwiderstand abfällt, bei verschiedenen Temperaturen aufgezeichnet Aufbau In Abbildung 2 ist der Solarzellen-Teststand dargestellt. Er besteht aus folgenden Elementen: Lampeneinheit (1): Hierbei handelt es sich um eine Hochleistungs-LED, die mit dem schmalen Netzteil versorgt werden. Zudem wird der Kühlkörper durch einen Lüfter aktiv gekühlt. Die LED entspricht nicht dem Spektrum der Sonne. Zum Verständnis des generellen Verhaltens von Solarzellen ist dies aber ausreichend. Die Einstellungen bzgl. Strom und Spannung dürfen nicht verändert werden. Schalten Sie die LED über den elektronischen Schalter an der Front des Netzteils an und aus. 3

4 Solarzelleneinheit (2): Diese Einheit nimmt das Peltierelement zum Kühlen bzw. Heizen auf. Auf der einen Seite befindet sich die thermisch gekoppelte Solarzelle, auf der anderen ein Kühlkörper mit Lüfter, um eine zuverlässige Wärmesenke bereitzustellen (Die erreichbaren Temperaturen bei der Verwendung von Peltierelementen hängt maßgeblich von der Größe der Wärmesenke und ihrer thermischen Kopplung ab). Das Peltierelement wird über das schwarze Netzteil versorgt. Während des Kühlens ist das rote Kabel in die (+)-Buchse und das schwarze in die (-)-Buchse zu stecken. Beim Heizen muss an dieser Stelle eine Umpolung vorgenommen werden (siehe 2.2.2). Zudem wird in dieser Einheit über einen Pt-1000-Sensor die Temperatur gemessen. Elektronikbox (3): Darin befindet sich die Steuerungs- und Messelektronik. Abdeckung (4): Da die LED sehr hell ist und zu Schädigungen der Augen führen kann, muss der Strahlengang des Teststandes abgedeckt sein. Hierauf ist vor Inbetriebnahme zu achten. Widerstandsdekade (5): Die Lastwiderstände werden über eine Widerstandsdekade nacheinander eingestellt, die Belegung des Drehregler bzw. der Buchsen finden Sie in Tabelle 2. Messrechner: Die Steuerung und Messwertaufzeichnung erfolgt über das Programm LabView. Als Interface zwischen Teststand und PC dient eine entsprechende AD-Wandler-Karte auf USB-Basis. Die genaue Bedienung der Software ist in Abschnitt beschrieben Abbildung 2: Solarstellen-Teststand 4

5 2.2.2 Durchführung In Abbildung 3 ist ein Screenshot der Steuersoftware zum Solarzellen-Teststand dargestellt. Dabei sind folgende Elemente bei Durchführung zu beachten: Im Diagramm Solarzellenspannung wird die gemessene Spannung der Solarzelle grafisch dargestellt. Der aktuelle numerische Wert ist in dem Feld SZ-Spannung zu finden. Die Einheit ist jeweils Volt. Das Diagramm Temperatur stellt zum einen den Temperaturverlauf dar, zum anderen ist in ihm auch die Solltemperatur zu sehen. Die numerischen Werte dazu sind in den entsprechenden Feldern zu sehen bzw. einzutragen. Einheit ist jeweils Grad Celsius. Der Schalter Steuerung aktiviert die Regelung des Peltierelements. Dabei zeigt die LED Peltier aktiv an, ob eine Spannung im Moment anliegt (rot: spannungsfrei, grün: Spannung liegt an). Zudem kann über den Schalter Kühlen/Heizen eingestellt werden, ob die Solarzelle gekühlt oder geheizt werden soll. Wenn die LED blau ist, dann ist der Kühlmodus aktiv, bei einer roten LED der Heizmodus. Der obere rechte Bereich ist für die Datenaufzeichnung zuständig. Auf die genaue Bedienung wird weiter unten eingegangen. Abbildung 3: Software des Solarzellen-Teststandes Während des Praktikums sind verschiedene Temperaturen an der Solarzelle einzustellen. Zudem soll bei jeder der Temperaturen die Spannung über einem 5

6 variablen Lastwiderstand gemessen werden. Die einzustellenden Werte entnehmen Sie Tabelle 1 und Tabelle 2. Tabelle 1: Einzustellende Temperaturwerte; Werte werden zu Beginn des Praktikums genannt Temperatur [ C] T1 T2 T3 Tabelle 2: Einzustellende Lastwiderstände; unter Dekade beschreibt der Buchstabe, in welche Buchse das Kabel gesteckt sein muss, die Zahl die Stellung des Drehreglers; für den Wert ist in das Widerstandsfeld 1 einzutragen und in der Auswertung entsprechend zu beachten. Nummer Wert [kω] 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Dekade A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 B0 Nummer Wert [kω] 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 Dekade B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 C0 Nummer Wert [kω] 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 Dekade C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 Folgender Versuchsablauf ist einzuhalten: 1. Temperatur in Feld Soll Temperatur eintragen 2. Steuerung aktivieren (LED muss grün sein). 3. Beleuchtung einschalten. 4. Warten bis sich die Regelung eingependelt hat. Das ist der Fall, wenn mehrere Schaltzyklen im Temperaturdiagramm zu sehen sind. 5. Wert des angeschlossenen Lastwiderstands eintragen. 6. Durch Drücken des entsprechenden Schalters Zeit zurücksetzen. Zeit springt erst bei Beginn der Datenaufzeichnung auf null. 7. Datenaufzeichnung beginnen (LED muss grün leuchten). 8. Wenn die LED neben dem Schalter Zeit zurücksetzen grün leuchtet, ist die minimale Messzeit erreicht. Datenaufzeichnung stoppen. 9. Erst dann neuen Lastwiderstand einstellen. Wieder bei Schritt Nummer 5 beginnen. 10. Messung der Leerlaufspannung nicht vergessen. In das Widerstandsfeld den Wert 1 eintragen und das in der Auswertung entsprechend berücksichtigen. Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur müssen über Heizen eingestellt werden. Hierzu sind folgende Dinge zu beachten: 1. Netzteil für die Peltier-Versorgung ausschalten. 6

7 2. Polung am Netzteil vertauschen (roter Stecker in schwarze Buchse und umgekehrt). 3. Schalter Kühlen/Heizen in der Software bedienen. LED muss von Blau auf Rot wechseln. 4. Netzteil wieder einschalten. In Abbildung 4 ist der Aufbau der Datei zu erkennen. Es handelt sich dabei von LabView aus um eine Textdatei (.lvm). Diese kann aber über den üblichen Weg in Excel eingelesen werden und dort entsprechend weiter bearbeitet werden Abbildung 4: Aufbau der Textdatei mit den Messdaten aus dem Solarzellen-Versuch; 1: Header, 2: Zeit [s]; 3: Solarzellenspannung [V], 4: Temperatur ist [ C], 5: Temperatur soll [ C], 6: Widerstand [Ω] 3 Thermoelektrische Generatoren 3.1 Funktionsweise Thermoelektrische Generatoren (TEGs) sind kleine elektronische Bauelemente, die einen Wärmestrom in elektrische Leistung wandeln können. Ihre Funktionsweise basiert neben dem Joulschen- und dem Thomson-Effekt im Wesentlichen auf 2 Effekten: Der Seebeck-Effekt tritt in homogenen leitenden Materialien auf, die einem Temperaturgradienten unterliegen. Dadurch, dass auf der heißeren Seite die Elektronen stärker schwingen als auf der kälteren, kommt es zu einer Ladungsverschiebung in Richtung der kälteren Seite. Folge ist das Entstehen eines elektrischen Potentials zwischen der kalten und der heißen Seite. Technisch nutzbar ist diese Spannung aber nur, wenn zwei verschiedene Materialien elektrisch in Reihe geschaltet sind und die jeweiligen Kontaktstellen unterschiedlichen Temperaturen unterliegen. Der Peltier-Effekt tritt hingegen nur an Kontaktstellen zweier verschiedener elektrischer Leiter auf, die von einem Strom durchflossen 7

8 werden. Die beiden elektrischen Leiter haben unterschiedliche Energieniveaus. Deren Wert wird durch den Peltier-Koeffizienten beschrieben. Fließt nun der Strom durch diese Kontaktstelle, müssen sich die jeweiligen Elektronen an das Energieniveau des neuen Materials anpassen. Es ist also zu unterscheiden, in welche Richtung der Strom fließt: Kommt ein Elektron von der energieärmeren auf die höherenergetische Seite, so muss es an der Kontaktstelle Energie aufnehmen. Folge ist die Abkühlung, es wird also gekühlt. Fließt der Strom nun andersherum, müssen die Elektronen thermische Energie abgeben, was zu einer Erhöhung der Temperatur der Kontaktstelle führt. In der Literatur ist oft zu finden, dass diese beiden Effekte jeweils die Umkehrung des anderen sind. Dies ist insofern irreführend, als dass sich beide nicht voneinander trennen lassen und stets gleichzeitig auftauchen, sobald der Stromkreis geschlossen ist. Wird ein TEG aber im Ganzen betrachtet, so kann insgesamt von einer Umkehrung der Funktion gesprochen werden: Das Element arbeitet als Generator (also als TEG), wenn durch einen anliegenden Wärmestrom ein elektrischer Strom bzw. eine Spannung induziert wird; liegt ein äußerer elektrische Strom an, so wirkt es als Peltierelement. Bei der Peltier- Funktion wird aber nicht durch das Anliegen eines äußeren Stroms Wärme aus dem Element abtransportiert bzw. hinein gebracht, sondern es fungiert als eine Art Wärmepumpe, die je nach Stromrichtung Wärme von der einen auf die andere Seite pumpt. Zudem wird die zugeführte elektrische Leistung in das Gesamtsystem als Verlustleistung eingebracht. Abbildung 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines TEGs. Um eine möglichst hohe elektrische Leistung zu erreichen, werden dotierte Halbleiter verwendet. Jeweils ein p- und ein n-dotierter Werkstoff elektrisch in Reihe geschaltet, bilden ein Thermopaar. Innerhalb eines TEGs werden von diesen Thermopaaren eine Vielzahl elektrisch in Reihe und thermische parallel geschaltet. Abbildung 5: Aufbau eines TEGs; nach [1] 8

9 3.2 Versuch Aufbau In Abbildung 6 ist der TEG-Teststand dargestellt. Er besteht aus folgenden Elementen: TEG-Einheit mit Heiß- und Kaltschuh (1): Die Heißseite wird über eine Heizfolie realisiert, die mittel Pulsweitenmodulation geregelt wird. Der Kaltschuh wird über eine Wasserkühlung, bei sehr niedrigen geforderten Temperaturen zusätzlich über ein Peltierelement, gekühlt. Temperatursensoren auf Heiß- und Kaltseite ermöglichen sowohl die Messung der erreichten Temperaturen als auch die Berechnung des Wärmestroms. Elektronikboxen (2): Darin befindet sich die Steuerungs- und Messelektronik. Widerstandsbox (3): Die Lastwiderstände werden über eine Widerstandsbox nacheinander eingestellt, die Belegung der Buchsen ist auf der Box beschriftet. Messrechner (4): Die Messdaten werden aus dem entsprechenden Programm abgelesen. Im Rahmen des Praktikums lässt sich lediglich die Heißschuhtemperatur einstellen und regeln Abbildung 6: Aufbau des TEG-Teststandes; 1: TEG-Aufnahme und Hardware, 2: Elektronik, 3: Widerstandsdekade, 4: Messrechner mit Software 9

10 Abbildung 7: Flansch mit Testfläche zur Bereitstellung der Temperatur für den Kaltschuh des zu testenden TEGs Durchführung Im Rahmen dieses Versuchs sollen die Leistungskenndaten eines TEGs in Abhängigkeit der Temperaturen (Heiß- bzw. Kaltschuh) und der angeschlossenen elektrischen Last bestimmt werden. Untersucht wird ein TEG der Firma Marlow Industries, dessen Datenblatt Sie im Anhang finden. Die Teststandsoftware ist für das Praktikum einfach gehalten. Aus diesem Grund lässt sich nur die Heißschuhtemperatur (T3) einstellen und regeln. Die Lastwiderstände werden manuell verändert und die Messwerte nicht aufgezeichnet. Es müssen daher die jeweiligen Spannungen abgelesen werden und in das zur Verfügung gestellte Messblatt eingetragen werden. Abbildung 8: TEG-Teststandsoftware; im Praktikum sind nur Diagramme für die Temperaturen und Spannungen sowie die Einstellung der Heißschuhtemperatur (T3) verfügbar. 10

11 Tabelle 3: Einzustellende Heißschuhtemperaturen; Werte werden zu Beginn des Praktikums bekannt gegeben. T3 (Heißschuh) Temperatur [ C] Sie finden die Widerstandswerte, die Sie während des Praktikums einstellen müssen, in der während des Praktikums ausgegeben Tabelle. Dazu verbinden Sie an der Widerstandsbox immer einen Zehnerwert mit einem Einerwert mit dem Kabel. Die Addition dieser beiden Werte bestimmt dann den gewählten Lastwiderstand (Abbildung 9). 10Ω- Schritte 1Ω- Schritte Abbildung 9: Widerstandsbox Folgender Versuchsablauf ist einzuhalten: 1. Heißschuhtemperatur in Feld Soll Temperatur eintragen. 2. Warten bis sich die Temperatur des Heißschuhs eingependelt hat. Das ist der Fall, wenn T3 den Sollwert erreicht. Heiß- und Kaltschuhtemperatur notieren (T3 und T4). 3. Lastwiderstand über die Widerstandsbox einstellen, Einpegeln abwarten. 4. Wert der abgelesenen Spannung eintragen. 5. Neuen Lastwiderstand einstellen. 6. Nach Aufnahme alle Lastwiderstände bei für eine neue Kennlinien wieder mit Schritt 1 beginnen. 4 Auswertungen Die Bewertung des gesamten Praktikums erfolgt durch die Abgabe eines Protokolls. Dieses beinhaltet zum einen die Versuchsauswertung (siehe 4.1) und die Auslegung des EPS (siehe 4.2) und zum anderen die Beantwortung der Ver- 11

12 ständnisfragen (siehe 4.3). Pro Praktikumsgruppe ist ein gemeinsames Protokoll fristgerecht abzugeben. 4.1 Versuchsauswertung Im Rahmen der Versuchsauswertung sind die unten genannten Diagramme und Abhängigkeiten der beiden Versuchsteile zu erstellen. Geben Sie neben den Diagrammen auch Tabellen mit den entsprechenden Mittelwerten aus den Messungen und der daraus berechneten Größen mit ab. Sollten Sie Ergebnisse erhalten, die nicht Ihren Erwartungen entsprechen, diskutieren Sie diese kurz. Gerade der Solarzellen-Teststand unterliegt größeren Hysteresen und Ungenauigkeiten. Bilden Sie deshalb jeweils die Mittelwerte der Messdaten und legen Sie als Temperatur die Soll-Temperatur und nicht die Ist-Temperatur zu Grunde. Zur Beschreibung des Verhaltens ist das in diesem Rahmen ausreichend. Auf eine Fehlerrechnung kann verzichtet werden. Diese Hinweise gelten auch für die Auswertung des TEG-Versuches. Vergleichen Sie die Kennlinien von Solarzelle und TEG. Neben der Versuchsauswertung soll das EPS eines fiktiven Raumfahrzeuges grob ausgelegt werden. Da sich die Leistungskenndaten der im Praktikum untersuchten Solarzelle stark von den in der Raumfahrt genutzten unterscheiden, erfolgt die Auslegung auf der Basis eines Datenblatt der Firma AZUR Space. Die dazu notwendigen Randbedingungen finden Sie in Abschnitt Solarzelle TEG Stellen Sie die U-I-Kennlinien bei verschiedenen Temperaturen in einem Diagramm dar. Stellen Sie die Leistung-Spannung-Kennlinien bei verschiedenen Temperaturen in einem Diagramm dar. Ermitteln Sie die Temperaturabhängigkeit des Maximum-Power-Points. Verwenden Sie dazu die jeweiligen Punkte aus der P-U-Kennlinie und tragen Sie diese in ein P-T-Diagramm ein. Legen Sie zwischen die 3 Messpunkte eine geeignete Gerade und geben die dazugehörige Funktion P M (T) an. Stellen Sie zudem den Verlauf von P M (T) im U-I-Diagramm dar. Kurze Interpretation der Ergebnisse. Stellen Sie die U-I-Kennlinien bei verschiedenen Temperaturen in einem Diagramm dar. Stellen Sie die Leistung-Spannung-Kennlinien (P(U)) bei verschiedenen Temperaturen in einem Diagramm dar. Stellen Sie die Leistung-Widerstand-Kennlinien (P(R)) bei verschiedenen Temperaturen in einem Diagramm dar. 12

13 Stellen Sie zudem den Verlauf des Innenwiderstandes R i (T) in einem geeigneten Diagramm dar. Nehmen Sie einen linearen Verlauf an. Kurze Interpretation der Ergebnisse. 4.2 Abschätzung des EPS eines Raumfahrzeuges Es soll das EPS eines Satelliten grob ausgelegt werden. Der Leistungsbedarf dieses fiktiven Satelliten ist in Abbildung 10 bzw. Tabelle 4 dargestellt. Zudem zeigt Abbildung 11 den Temperaturverlauf des Solarpanels. Für den Satelliten gelten folgende Randbedingungen: Es handelt sich um einen LEO-Satelliten. Die Solarzellen (3G 28%) stammen von der Firma AZUR Space. Das Datenblatt finden Sie im Anhang. Die Solarzellenfläche hat eine Größe von 1m², die α/β-nachgeführt ist. Der Sonnenvektor steht also senkrecht auf der Fläche. Die Auslegung erfolgt für einen BOL/EOL-Faktor von 2. Als Speicher befindet sich ein Cluster aus Lithium-Batterien an Bord. Es handelt sich dabei um Zellen der Firma Saft vom Typ VES 100 (Datenblatt siehe Anhang). Die Temperatur des Batteriepacks ist immer ideal. Für das EPS gelten folgende Wirkungsgrade: o Konvertierungswirkungsgrad η K = 0,9 o Lade-/Entladewirkungsgrad η L/E = 0,5 o Der Verteilungswirkungsgrad kann vernachlässigt werden. Im Rahmen der groben Auslegung ist auf folgende Fragestellungen einzugehen: Reicht die Solarzellenfläche aus, um den Satelliten mit elektrischer Energie zu versorgen? Kann das EPS noch ausreichend Energie liefern unter Berücksichtigung eines BOL/EOL-Faktors von 2? Inwieweit kann bzw. muss die Solarzellenfläche verändert werden? Wie schwer muss das Batteriepack mindestens sein, um den Anforderungen von Seiten des Satelliten gerecht zu werden (es muss mindestens 500Wh el bereitstellen können)? Bitte beachten Sie folgende Hinweise: Die Verbraucher werden in der Sonnenphase direkt mit Energie versorgt. Sowohl beim Laden als auch beim Entladen muss eine Spannungskonvertierung durchgeführt werden. Ermitteln Sie die Temperaturabhängigkeit der Leistung aus den entsprechenden Werten aus dem Datenblatt. Die Funktion P(T) kann als linear angenommen werden. Der Lade-/Entladewirkungsgrad setzt sich aus den Wirkungsgraden der beiden einzelnen Prozesse zusammen. Diese sind als gleich groß anzunehmen. 13

14 Temperatur [ C] Leistung [W] Zeit [min] TCS EPS CDHS PL CS Abbildung 10: Vereinfachte Darstellung des Leistungsbedarfs des Satelliten über einen Orbitumlauf Sonnenphase Schattenphase Zeit [min] Abbildung 11: Temperaturverlauf der Solarzellenfläche über einen Orbitumlauf; tatsächlich und die daraus abgeleitete Näherung T SZ (t) = 0,001t³ - 0,1925t² + 9,074t - 45,969 14

15 Schattenphase Sonnenphase Tabelle 4: Leistungsbedarf des LEO-Satelliten und seiner Subsysteme über einen Orbitumlauf Leistungsbedarf [W] Zeit [min] TCS EPS CDHS PL CS Gesamt Verständnisfragen 1. Stellen Sie die wichtigen Komponenten und Wirkungsgrade des EPS in einem Flussschaubild dar. 2. Warum ist innerhalb des Energiesystems eines Raumfahrzeugs eine Spannungskonvertierung notwendig? Wovon hängt die Höhe der Busspannung ab? 3. Nennen Sie generelle Energiequellen in der Raumfahrt. Terrestrisch werden Turbinen etc. zur Energiewandlung genutzt. Warum sind derartige dynamische Wandlungsprozesse in der Raumfahrt als problematisch einzuschätzen? 4. Worin liegt der wesentliche Unterschied bei der Wahl eines Batteriesystems für eine LEO- bzw. GEO-Mission? 5. In welchem Rahmen könnte der Einsatz von Brennstoffzellen in der Raumfahrt sinnvoll sein? 6. In Abbildung 12 ist der Verlauf der Heiß- und Kaltschuhtemperatur und der generierten Spannung eines TEGs dargestellt. Die beiden Temperaturen wurden mit einem elektrischen Heizer bzw. einem Peltierelement eingestellt. Beide wurden mit einer konstanten elektrischen Leistung betrieben. Außerhalb des markierten Bereichs befand sich der TEG im Leerlauf. Bei Anschluss einer elektrischen Last sank die Heißschuh- 15

16 Temperatur [ C] Spannung [V] temperatur, die Kaltschuhtemperatur stieg hingegen. Worin liegt die Begründung für dieses Verhalten? elektrische Last angeschlossen 1,8 1,6 1,4 1, Zeit Temperatur Heißschuh Temperatur Kaltschuh TEG-Spannung 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Abbildung 12: Generierte Spannung und Temperaturverlauf an Heiß- und Kaltseite eines TEG bei Anschluss einer Last 7. TEGs bergen das Potential, kleine Leistungen zu generieren um diese z.b. dem EPS eines (Klein)-Satelliten bereitzustellen. Zeigen Sie die Randbedingungen und die wesentlichen Unterschiede im Vergleich zum Einsatz von TEGs in Verbindung mit Radioisotopengeneratoren (RTG) auf. 8. Was ist der wesentliche Unterschied zwischen einem RTG und einem Kernreaktor? Warum werden in der Raumfahrt ausschließlich RTGs eingesetzt? 9. Warum ist Maximum-Power-Point-Tracking notwendig? Ziehen Sie die Ergebnisse aus den beiden Versuchen in Ihre Überlegungen ein. 5 Quellen [1] Snyder, J.: Complex thermoelectric materials, nature materials VOL 7,

17 marlow industries, inc. Subsidiary of II-VI INCORPORATED TECHNICAL DATA SHEET Preliminary TG Thermoelectric Generator TYPICAL PERFORMANCE VALUES Tc ( C) 27 ± 2 ACR (Ω) Device ZT c 0.72 MECHANICAL CHARACTERISTICS NEGATIVE LEAD (BLUE) 1.18 [30.00] MARLOW TG _ HOT SIDE.800±.33 [20.32±8.38] POSITIVE LEAD (RED) 1.18 [30.00] 4.0±.50 [101.6±12.70] 1.34 [34.01] HOT SIDE Th -00, -00S.003 [0.08].002 [0.05] -00L, -00LS.002 [0.05].001 [0.03] A.002 [0.05].001 [0.03] COLD SIDE Tc A -00, -00S.159±.005 [4.04±0.13] -00L, -00LS, -10-O.155±.001 [3.94±0.03] ORDERING OPTIONS AVAILABLE MODIFICATIONS Model Number TG TG L TG S TG LS Description Cooler, No Lapping, No Seal Cooler, Lapped Model, No Seal Cooler, Sealed Model, No Lapping Cooler, Lapped and Sealed Model Non-standard cooler wiring; red lead wire is positive and blue lead wire is negative. For more modification information, consult one of our Applications Engineers. DOC # REV F - PAGE 1 OF 2

18 Hot Side Temperature ( C) Cold Side Temperature ( C) Optimum Efficiency, η (%) Optimum Power (W) Optimum Voltage (V) Load Resistance for Opt η (Ω) Open Circuit Voltage, VOC (V) Closed Circuit Current (A) Thermal Resistance ( C/W) Performance information is given in a nitrogen environment and cold side temperatures of 50 C and 100 C. TG device temperature does not include thermal resistance of heat sinks. For performance information in vacuum, other cold side temperatures, or specific heat sinks, consult one of our applications engineers. Installation Recommended mounting methods: TG s are typically mounted under compression not to exceed 200 psi with thermal grease or flexible graphite. For additional information, please contact an applications engineer. Operation Cautions For maximum reliability, continuous operation below 200 C (cold side and hot side) and intermittent operation up to 250 C on the hot side of the TG is recommended. CONTACT US: For customer support or general questions please contact a local office below or consult our website for distributor information. Marlow Industries, Inc Vista Park Road Dallas Texas (tel) (fax) II-VI Japan Inc. WBG Marive East 17F 2-6 Nakase, Mihama-ku Chiba-Shi, Chiba Japan (tel) (fax) center@ii-vi.co.jp Marlow Industries Europe GmbH Im Tiefen See Darmstadt - Germany Tel.: +49 (0) Fax.: +49 (0) II-VI Singapore Pte., Ltd. Blk. 5012, Techplace II #04-07 & 05-07/12, Ang Mo Kio Ave. 5 Singapore (65) (tel) (65) (fax) info@ii-vi.com.sg Marlow Industries China, II-VI Technologies Beijing A subsidiary of II-VI Incorporated Rm 202, 1# Lize 2nd Middle Road Wangjing, Chaoyang District Beijing China ext 105 (tel) (fax) info@iivibj.com DOC # REV F - PAGE 2 OF 2

19 Cell Type: 3G - 28% This cell type is a GaInP/GaAs/Ge on Ge substrate triple junction solar cell ( efficiency class 28% ). The cell is equipped with an integrated by-pass diode, which protects the adjacent cell in the string. Drawing and picture not to scale (Dimensions in mm)

20 Cell Type: 3G - 28% Design and Mechanical Data Base Material GalnP2/GaAs/Ge on Ge substrate AR-coating TiO x /Al 2 O 3 Dimensions 40 x 80 mm ± 0.1 mm Cell Area cm 2 Average Weight 86 mg/cm 2 Thickness 150 ± 20 µm Ag - Thickness 4 10 µm Grid Design Grid system with 3 contact pads Shadow Protectin Integrated protection diode V forward (1.2 I SC ) 2.5 V; T = 25 ± 3 C Electrical Data BOL 2.5E14 5E14 1E15 Average Open Circuit V OC [mv] Average Short Circuit I SC [ma] Voltage at max. Power V pmax [mv] Current at max. Power I pmax [ma] Average Efficiency ŋ bare [%] Remaining 28 C in accordance with qualification tests Standard : CASOLBA 2005 ( 05-20MV1, etc) ; Cell Type: 3G-28%; Spectrum: AMO WRC (1367 W/m² ) ; T = 28 C Temperature Gradients BOL 2.5E14 5E14 1E15 Open Circuit Voltage dv oc /dt [mv/ C] Short Circuit Current di sc /dt [ma/c ] Voltage at max. Power dv mp /dt [mv/ C] Current at max. Power di mp /dt [ma/ C] Threshold Values Absorptivity 0,91 (with CMX 100 AR) Pulltest > 1.7 N at 45 welding test (with 12.5 mm Ag stripes) Development Status Qualified HNR RIX dated April 2007 AZUR SPACE Solar Power GmbH Theresienstr Heilbronn Telefon: Telefax: info@azurspace.com

21 Rechargeable lithium battery VES 100 High specific energy space cell Benefits l Excellent energy density and specific energy l Hermetically-sealed cells l Long cycle life: 18 year GEO at 80 % DOD 70,000 LEO cycles at 20 % DOD l Qualified in 2000 Main applications l LEO missions (Radar, Optical...) l MEO l Launchers, probes l High energy applications Cell electrical characteristics Nominal voltage Nominal capacity at C/1.5 rate at 4.1 V/3 V & 20 C Maximum discharge current at 25 C Specific energy (minimum guaranteed) Energy density Cell mechanical characteristics Diameter (max) Height (max) Mass (max) Cell operating conditions 3.6 V 27 Ah 100 A (Continuous ~2 s pulse) 118 Wh/Kg 230 Wh/l 53 mm 185 mm 0.81 kg Flight heritage l GIOVE-B 04/08 l Proteus platform (in orbit: Calipso 03/06, Corot 12/06, to be launched in 2008/2009 SMOS, MEGHA-TROPIQUES, Jason-2) l Kompsat 3 & 5 Lower voltage limit for discharge Charging method Charging voltage (max) Continuous (0 C to + 45 C) 2.57 V Constant current/constant voltage (CCCV) 4.1 V Recommended continuous charge current GEO/MEO C/10 LEO (20 % DOD) C/5 Operating temperature Charge +10 C to + 35 C Discharge 0 C to + 40 C Storage and transportation temperature - 40 C to + 65 C NB: VES 100 are sold only in modules or batteries. June 2008