Phase II. Ein Beitrag von Marie Christin Hälker, Kim Koschanowski und Florian Brückner, Ingeborg-Drewitz- Gesamtschule Gladbeck

Transkript

1 Phase II Ein Beitrag von Marie Christin Hälker, Kim Koschanowski und Florian Brückner, Ingeborg-Drewitz- Gesamtschule Gladbeck

2 Boxenübergabe am im Planetarium Bochum Dr. Frank-Michael Baumann (EnergieAgentur.NRW), Leif-Eric Schulte (TÜV NORD) Staatssekretär Peter Knitsch (MKULNV) (oben von links) Prof. Dr. Susanne Hüttemeister (Planetarium), Marie Christin Hälker, Florian Brückner, Guntram Seippel (Ingeborg-Drewitz-Gesamtschule Gladbeck), Ake Johnsen (H-TEC) (unten von links)

3 Boxenübergabe im Planetarium Bochum

4 Presse Stadtspiegel Gladbeck,

5 WAZ Gladbeck,

6 1a) Messwiderstände I. Farbcode Die 10 Widerstände sind durch einen Farbcode gekennzeichnet, der mit Hilfe der nebenstehenden Tabelle entziffert werden kann.

7 1a) Messwiderstände I. Farbcode Für unsere 10 Widerstände ergeben sich die folgenden Werte: Nr. Farbcode R / Ω Toleranz R1 rot - rot - silber - gold 0,22 +/- 5% R2 orange - orange - silber - gold 0,33 +/- 5% R3 braun - grau - gold - gold 1,8 +/- 5% R4 orange - orange - gold - gold 3,3 +/- 5% R5 gelb - violett - gold - gold 4,7 +/- 5% R6 braun - schwarz - schwarz - gold 10 +/- 5% R7 orange - orange - schwarz - gold 33 +/- 5% R8 blau - grau - schwarz - gold 68 +/- 5% R9 braun - rot - braun - gold 120 +/- 5% R10 orange - orange - braun - gold 330 +/- 5%

8 II. Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen Reihenschaltung Rges= R1 + R2 Durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Widerständen ergeben sich zahlreiche weitere Möglichkeiten. Parallelschaltung 1/Rges= 1/R1 + 1/R2 oder auch Rges= (R1 * R2) / (R1 + R2) Abbildungen und Formeln nach

9 III. Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen Einen 6,5 Ω Widerstand erhält man durch die Reihenschaltung von R3 und R5: Rges = R3 + R5 = 1,8 Ω + 4,7 Ω = 6,5 Ω Einen 30,0 Ω Widerstand erhält man durch eine Parallelschaltung von R7 und R10: Rges = (R7 * R10) / (R7 + R10) = (33 Ω * 330 Ω) / (33 Ω Ω) Rges = Ω² / 363 Ω = 30 Ω Einen 2,489 Ω Widerstand erhält man, indem man R1, R2 und eine Parallelschaltung von R4 und R5 in Reihe schaltet: Rges = R1 + R2 + [(R4 * R5) / (R4 + R5)] Rges = 0,22 Ω + 0,33 Ω + [(3,3 Ω * 4,7 Ω) / (3,3 Ω + 4,7 Ω)] Rges = 0,22 Ω + 0,33 Ω + [(15,51 Ω²) / (8 Ω)] = 2,48875 Ω = 2,489 Ω (gerundet)

10 1b) Solarmodule I. Winkelabhängigkeit ngigkeit von Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom Winkel / U0 / V Ik / ma 0 3,6 6,4 10 3,68 35,6 20 3,83 45,7 30 3,94 55,5 40 4,05 65,6 50 4,14 76,8 60 4,19 86,1 70 4,22 93,5 80 4,24 98,9 90 4,26 100,4

11 I. Leerlaufspannung und Einstrahlwinkel Winkelabhängigkeit der Leerlaufspannung 4,3 4,2 4,1 4 U/V 3,9 3,8 3,7 3,6 3, Winkel / 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.

12 I. Kurzschlussstrom und Einstrahlwinkel Winkelabhängigkeit des Kurzschlussstroms I/mA Winkel / 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.

13 I. Leerlaufspannung und Temperatur Temperatur Leerlaufspannung T/ C Uo/V 19,7 4,55 21,7 4,51 23,7 4,47 25,2 4,44 26,5 4,41 27,8 4,38 28,6 4,35 29,7 4,33 30,7 4,3 31,8 4,28 32,6 4,25 35,1 4,22 36,3 4,19 37,5 4,17 38,4 4,15 U/V 4,6 4,55 4,5 4,45 4,4 4,35 4,3 4,25 4,2 4,15 4,1 Temperaturabhängigkeit T/ C Klar zu erkennen ist, dass die Leerlaufspannung mit steigender Temperatur deutlich sinkt.

14 I. Kurzschlussstrom und Temperatur Temperatur Kurzschlussstrom T/ C I/mA 19, ,7 116,4 24,5 116,4 26,4 116,4 28,6 116,7 29,9 116,8 31,6 117,5 32,6 117,5 33,4 117,9 34,5 117,9 35,4 118,4 36,2 118,4 36,9 118,4 37,8 118, ,7 119,5 40,7 119,5 41, , ,4 120,1 I/mA 120, , , , , ,5 Temperaturabhängigkeit T/ C Im Gegensatz zur Leerlaufspannung steigt der Kurzschlussstrom mit steigender Temperatur, allerdings nur in minimalen Werten, so dass die Temperatur vor allem auf die Spannung einen Einfluss hat.

15 II. Kennlinie eines Solarmoduls R U/V I/A P/W Kurzschluss 0 0,128 0 R10 0,54 0,126 0,06804 R9 0,54 0,126 0,06804 R8 0,67 0,124 0,08308 R7 0,82 0,12 0,0984 R6 0,92 0,12 0,1104 R5 1,38 0,11 0,1518 R4 3,24 0,0848 0, R3 3,9 0,0536 0,20904 R2 3,93 0,0313 0, R1 4 0,0121 0,0484 Leerlauf 4, Maximum Power Point - MPP

16 II. Kennlinie eines Solarmoduls Kennlinie eines Solarmoduls U/V 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 I/A MPP

17 III. Reihen- und Parallelschaltung Reihenschaltung R U/V I/A P/W Kurzschluss 0 0,24 0 R10 0,07 0,24 0,0168 R9 0,09 0,24 0,0216 R8 0,43 0,24 0,1032 R7 0,79 0,24 0,1896 R6 1,09 0,24 0,2616 R5 2,34 0,23 0,5382 R4 3,9 0,102 0,3978 R3 3,93 0,0549 0, R2 3,99 0,042 0,16758 R1 4,01 0,0314 0, Leerlauf 4, Parallelschaltung U/V I/A P/W 0 0, ,7 0,126 0,0882 0,72 0,125 0,09 0,91 0,124 0, ,06 0,122 0, ,19 0,122 0, ,77 0,12 0,2124 4,2 0,1105 0,4641 7,23 0,0991 0, ,98 0,0636 0, ,11 0,0244 0, , Maximum Power Point - MPP

18 III. Reihen- und Parallelschaltung Kennlinien U/V MPP Parallelschaltung Solarmodul Reihenschaltung 0 0,1 0,2 0,3 I/A Deutlich zu erkennen ist die Verdopplung der Spannung bei der Reihenschaltung und die Verdopplung der Stromstärke bei der Parallelschaltung

19 1c) Elektrolyseur I. Leistung, Zeit und Sauerstoffvolumen Messwerte und Vorgaben Rechnung VH2 = 40 cm³ U = 3,91 V I = 1,19 A t = 147,10 s P = U * I = 3,91 V * 1,19 A = 4,6529 W VO2 = 20 cm³ ges.: P Die elektrische Leistung betrug 4,6259 W und es wurden 147,10 s für die Produktion von 40 cm³ Wasserstoff und 20 cm³ Sauerstoff benötigt.

20 II. Wirkungsgrad Gegeben: VH2 = 40 cm³ Ho = 12,745 Ws/cm³ P = 4,6529 W t = 141,10 s Berechnung des Wirkungsgrades: η = (VH2 * Ho) / (P * t) = (40 cm³ * 12,745 Ws/cm³) / (4,6529 W * 141,10 s) = 0,7765 = 77,65 % Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs beträgt 77,65 %. Den Wirkungsgrad berechnet man, indem man den Output durch den Input dividiert, in diesem Fall das gewonnene Wasserstoffvolumen und dessen Brennwert (VH2 * Ho) durch die zugeführte elektrische Energie (Eel = P * t).

21 2. Brennstoffzellen I. Kennlinie und Leistungskurve im Wasserstoff/Luft Betrieb Widerstand Spannung Stromstärke Leistung R/W U/V I/A P/W Kurzschluss 0 0,75 0 R1 0,21 0,73 0,1533 R2 0,29 0,72 0,2088 R3 1,17 0,63 0,7371 R4 1,83 0,55 1,0065 R5 2,16 0,47 1,0152 R6 2,83 0,1748 0, R7 3,1 0,081 0,2511 R8 3,25 0,0447 0, R9 3,38 0,027 0,09126 R10 3,56 0,0107 0, Leerlauf 3, MPP

22 I. Kennlinie im Wasserstoff/Luft -Betrieb Strom-Spannungs-Kennlinie U/V 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, ,2 0,4 0,6 0,8 I/A MPP

23 I. Leistungskurve im Wasserstoff/Luft - Betrieb 1,2 1 0,8 Leistungskurve MPP P/W 0,6 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 I/A

24 II. Kennlinie und Leistungskurve im Wasserstoff/Sauerstoff-Betrieb Widerstand Spannung Stromstärke Leistung R/Ω U/V I/A P/W Kurzschluss 0 4,01 0 R1 0,95 3,34 3,173 R2 1,24 3,11 3,8564 R3 2,3 1,24 2,852 R4 2,6 0,78 2,028 R5 2,75 0,59 1,6225 R6 3,13 0,1924 0, R7 3,3 0,0863 0,28479 R8 3,4 0,0467 0,15878 R9 3,47 0,0278 0, R10 3,59 0,0108 0, Leerlauf 3, MPP

25 II. Kennlinie im Wasserstoff/Sauerstoff-Betrieb Strom-Spannungs-Kennlinie U/V 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, I/A MPP

26 II. Leistungskurve im Wasserstoff/Sauerstoff-Betrieb Leistungskurve P/W 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, I/A

27 II. Kennlinienvergleich Strom-Spannungs-Kennlinie 4,5 4 3,5 U/V 3 2,5 2 1,5 MPP Wasserstoff/Luft Wasserstoff/Sauerstoff 1 0, I/A Es zeigt sich quasi eine Verfünffachung der Stromstärke, da sich auch der Sauerstoffgehalt verfünffacht hat

28 II. Leistungskurvenvergleich Leistungskurve P/W 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 MPP I/A Wasserstoff/Luft Wasserstoff/Sauerstoff Auch die Leistung nimmt deutlich zu, etwa um das vierfache.

29 III. Reihen- und Parallelschaltung Reihenschaltung Parallelschaltung Widerstand Spannung Stromstärke Leistung R/Ω U/V I/A P/W Kurzschluss R1 1,2 4 4,8 R2 1,5 3,7 5,55 R3 3,59 1,93 6,9287 R4 4,35 1,31 5,6985 R5 4,73 1,02 4,8246 R6 5,44 0,54 2,9376 R7 6,23 0,1619 1, R8 6,51 0,089 0,57939 R9 6,74 0,0536 0, R10 7,1 0,0213 0,15123 Leerlauf 7, Im Kurzschluss bzw. bei den kleinen Widerständen waren die Ströme so groß, dass eine genaue Messung kaum möglich war. Spannung Stromstärke Leistung U/V I/A P/W 0 6,5 0 1,3 4,7 6,11 1,68 3,89 6,5352 2,58 1,39 3,5862 2,82 0,85 2,397 2,93 0,63 1,8459 3,22 0,1978 0, ,37 0,0881 0, ,47 0,0476 0, ,54 0,0283 0, ,65 0,011 0, , MPP

30 III. Reihen- und Parallelschaltung Kennlinien Brennstoffzellen U/V MPP Einzelzelle Reihenschaltung Parallelschaltung I/A Auch hier erkennt man deutlich die Zunahme der Spannung bei der Reihenschaltung und die Zunahme der Stromstärke bei der Parallelschaltung.

31 III. Reihen- und Parallelschaltung Leistungskurven Brennstoffzellen P/W I/A MPP Einzelzelle Reihenschaltung Parallelschaltung Hinsichtlich der Leistung gibt es kaum Unterschiede zwischen der Reihen- und der Parallelschaltung. Die etwas höhere Leistung spricht für die Reihenschaltung.

32 IV. Reihen- und Parallelschaltung von drei Brennstoffzellen Wir erwarten, dass sich bei der Reihenschaltung die Spannung nochmals deutlich erhöht, im Leerlauf auf etwa 12V, und bei der Reihenschaltung die Stromstärke nochmals deutlich steigt, beim Kurzschluss auf etwa 10-12A. Bei der Leistung erwarten wir sowohl bei der Reihenschaltung als auch bei der Parallelschaltung ein Leistungsmaxima von etwa 10-12W.

33 V. Wirkungsgrad Widerstand Spannung Stromstärke Leistung Verbrauch Zeit Heizwert elektr. Energie R/Ω U/V I/A P/W VH2 / cm³ t/s Hu / J/cm³ E / Ws R1 0,65 1,41 0, ,69 10,8 4, R2 0,85 1,45 1, ,84 10,8 8,4303 R3 1,75 0,96 1,68 5 8,88 10,8 14,9184 R4 2,48 0,74 1, ,43 10,8 22, R5 2,62 0,58 1, ,02 10,8 22, R6 3,03 0,1863 0, ,04 10,8 22, R7 3,22 0,0841 0, ,52 10,8 15, R8 3,34 0,0459 0, ,12 10,8 17, R9 3,44 0,0275 0, ,16 10,8 7, R10 3,58 0,0108 0, ,06 10,8 2, Energie H2 Wirkungsgrad E H2 / WS η / % 54 7, , , , , , , , , , Der größte Wirkungsgrad wurde nicht bei der maximalen Leistungsabgabe erzielt, es besteht also kein Zusammenhang. Der optimale Betriebspunkt liegt im Widerstand R5 = 4,7 Ω.

34 3. NRWisitor I. Aufbau Zunächst wurde das Fahrverhalten auf ebener Strecke getestet mit unterschiedlichen Verschaltungen. Nr. 1 Brennstoffzellen in Reihe, Motoren parallel Nr. 2 Brennstoffzellen parallel, Motoren parallel Nr. 3 Brennstoffzellen in Reihe, Motoren in Reihe Strecke Zeit Verbrauch Geschwindigkeit Nr. s/m t/s VH2 / cm³ v/ m/s , , ,15 Hierbei zeigte sich, dass die Verschaltung Nr. 1 die höchste Geschwindigkeit erzielt, beim größten Verbrauch. Beim Testen am Berg zeigte sich dann, dass die Verschaltungen Nr. 2 und Nr. 3 auch kleinste Steigungen nicht schafften, so dass unsere Entscheidung für Verschaltung Nr. 1 gefallen ist.

35 I. Aufbau Wir haben uns für drei Brennstoffzellen in Reihenschaltung und den Motoren in Parallelschaltung entschieden. Zudem verwenden wir 3 Tanks, einen für Sauerstoff und zwei für Wasserstoff.

36 II. Fahrdauer Strecke Zeit Verbrauch Geschwindigkeit s/m t/s VH2 / cm³ v/ m/s , , , ,316 Der NRWisitor fuhr 120m in 380s und hatte damit eine Geschwindigkeit von 0,316m/s. Anfänglich fuhr er etwas langsamer und hatte auch einen größeren Verbrauch. Weg-Zeit-Diagramm s/m t/s

37 III. Steigungen Länge Höhe Steigung Verbrauch Zeit Geschwindigkeit Verbrauch/Strecke s/m h/cm % VH2/cm³ t/s v/m/s VH2/s / cm³/m ,306 0, ,32 0, ,06 0, ,97 0,2 2, ,4 0,16 3 0, ,44 0,073 10,6

38 III. Steigungen v / m/s Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Steigung 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 VH2/s / cm³/m Verbrauch pro Meter in Abhängigkeit von der Steigung Steigung / % Steigung / % Mit zunehmender Steigung wird der NRWisitor immer langsamer und der Gasverbrauch steigt. Die Steigung von 42% ist schon sehr grenzwertig.

39 IV. Aufbau mit Solarmodulhalter

40 V. Modellaufgabe Für einen Teilabschnitt benötigt unser NRWisitor etwa 8s, bei einem Verbrauch von etwa 5,25 cm³ Wasserstoff. Nach 10 Teilabschnitten müsste getankt werden, also nach 80s. Der Tankvorgang dauert 202 s mit dem Steckernetzteil. Bei 30 Teilabschnitten würde die Fahrtzeit 240s betragen und es müsste bis zum Erreichen des Ziels zweimal nachgetankt werden, was 404s benötigen würde. Insgesamt werden also 644s benötigt, wenn der NRWisitor vollgetankt starten kann. Vor der Rückfahrt müsste allerdings erneut aufgetankt werden.

41 3c) Weiterführende Überlegungen Jenseits der Laborbedingungen ist zu bedenken, dass die Sonne keine zuverlässige Energiequelle sein wird, da sie im Laufe eines Tages unterschiedlich intensiv auf die Solarmodule einstrahlt. Die Erträge werden sehr stark z.b. vom Winkel der Einstrahlung abhängig sein bzw. von möglichen Staubwinden auf der Marsoberfläche. 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. Zudem werden auch für den NRWisitor die Marsbedingungen eine Herausforderung sein: Staub und Unebenheiten werden die Fahrt und die Technologie stark beeinträchtigen.

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