Solarenergie Die Sonne
Wärmestrahlung
Wärmestrahlung Lichtentstehung Wärme ist Bewegung der Atome Im Festkörper ist die Bewegung Schwingung Diese Schwingungen können selber Photonen aufnehmen und abgeben
Wärmestrahlung Lichtentstehung Wärme ist Bewegung der Atome Im Festkörper ist die Bewegung Schwingung Diese Schwingungen können selber Photonen aufnehmen und abgeben
Wärmestrahlung Lichtentstehung Wärme ist Bewegung der Atome Im Festkörper ist die Bewegung Schwingung Diese Schwingungen können selber Photonen aufnehmen und abgeben
Wärmestrahlung Lichtentstehung Wärme ist Bewegung der Atome Im Festkörper ist die Bewegung Schwingung Diese Schwingungen können selber Photonen aufnehmen und abgeben
Wärmestrahlung Lichtentstehung Wärme ist Bewegung der Atome Im Festkörper ist die Bewegung Schwingung Diese Schwingungen können selber Photonen aufnehmen und abgeben
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
Wärmestrahlung Planck sche Strahlungsformel Die Planck sche Strahlungsformel beschreibt die spektrale Energiedichte eines schwarzen Strahlers, d.h. sein Spektrum: U(, T )= 8 h 3 c 3 1 e h /kt 1 Das Spektrum eines schwarzen Strahlers hängt nur von dessen Temperatur ab!
Wärmestrahlung Spektrum Quelle: Wikipedia
Wärmestrahlung Strahlungsmaximum Das Wien sche Verschiebungsgesetz beschreibt die Wellenlänge der Strahlungsmaximums: max T = konst. = 2898 µmk Die Wellenlänge des Strahlungsmaximums verschiebt sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen. 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
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 1m 2 an. Es gilt: =5.67 10 8 W m 2 K 4 Betrachten Sie die Ergebnisse als prozentualen Unterschied.
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
Sonne Schwarzer Strahler mit 6000K Lichtleistung ca. 5000-facher Energiebedarf der Menschheit
Solarkonstante Atmosphäre Wieviel Sonnenlicht kommt 1m 2 auf der Erde an? Langjährig gemittelte Intensität der Sonnenstrahlung in W/m 2 Gemessen oberhalb der Erdatmosphäre 1367 W/m 2
Wie heiß wird es? Im Sommer können Gegenstände, die in der Sonne liegen, sehr heiß werden. Nehmen Sie an, Ihr Gegenstand sei ein Schwarzer Körper. Wie heiß kann er in der Sonne werden? Hinweis: thermodynamisches Gleichgewicht!
Wie heiß wird es? Thermodynamisches Gleichgewicht: der schwarze Körper absorbiert genau so viel Energie wie er emittiert. Bei welcher Temperatur ist also die Verlustleistung gleich der eingestrahlten Leistung? Stefan-Boltzmann-Gesetz P = A T 4 In der Praxis: Weniger Lichtleistung als Solarkonstante (Atmosphäre) Keine perfekte Absorption / Emission s 1367 W/m 2 5.67 10 8 W/(m 2 K 4 ) 394 K 121 C
Sonne
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
Absorption in der Atmosphäre Quelle:
Luftmasse Definiert die Menge Luft, durch die das Sonnenlicht hindurch muss. Luftmasse =,Air mass (AM) Relativ zu senkrechtem Einfall gemessen: AM = l l 0 AM0 ist außerhalb der Atmosphäre gemessen AM1 ist bei senkrechten Einfall (kürzeste Strecke) AM1.5 ist bei 48.2 Einfall AM0 AM1 AM1.5 Atmosphäre
Luftmasse Bei flachen Winkeln im Winter nimmt die Luftmasse deutlich zu. Berlin, Winter: 14 AM =4.13 Berlin, Sommer: 61 AM =1.14 Lambert-Beer sches Gesetz! Quelle: Wikipedia
Referenzspektrum ASTM G173 ASTM G173-03 Reference Spectra 2,00 1,75 Etr W*m-2*nm-1 Direct+circumsolar W*m-2*nm-1 Spectral Irradiance W m!2 nm -1 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 Wavelength nm
Referenzspektrum ASTM G173 ASTM G173-03 Reference Spectra 2,00 Etr W*m-2*nm-1 American Society for Testing and Materials Definiertes Spektrum um verschiedene Solarmodule vergleichen zu können Spectral Irradiance W m!2 nm -1 1,75 Direct+circumsolar W*m-2*nm-1 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 Wavelength nm
Sonnenstand
Sonnenstand im Laufe des Tages und des Jahres
Elevation und Azimuth Elevation http://de.wikipedia.org/wiki/azimut
Deklination http://en.wikipedia.org/wiki/position_of_the_sun
Breitengrad ' Deklination Elevation s Deklination s = 23.45 http://en.wikipedia.org/wiki/position_of_the_sun
Breitengrad ' Deklination Elevation s Deklination s =0 http://en.wikipedia.org/wiki/position_of_the_sun
Deklination Breitengrad ' Deklination Elevation s s = 23.45 http://en.wikipedia.org/wiki/position_of_the_sun
Sonnenstand im Laufe des Tages und des Jahres
Messung des Sonnenlichts Sonnenlicht-Komponenten Direkt (Direct normal incidence, DNI) Diffus Detektor Ebener Detektor Aufgestellter Detektor
Messung des Sonnenlichts direkt diffus 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
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 = I 0 cos
Messung des Sonnenlichts 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.
Aufgabe Im Sommer steht die Sonne bei uns ca. 76 hoch, im Winter nur noch 29. Berechen Sie, wie stark die DNI über das Kosinus-Gesetz reduziert ist. Nehmen Sie zwei Fälle an: für eine horizontale Solaranlage und für eine Solaranlage, die auf einem Dach mit einer Neigung von 30 montiert ist. Gehen Sie von I 0 = 1000 W/m2 einfallender Sonnenstrahlung aus, und ignorieren Sie die Air mass. DNI = I 0 cos
Zahlen und Fakten
Eingestrahlte Leistung Averaged Solar Radiation 1990-2004 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"N 80 0'0"N 70 0'0"N 70 0'0"N 60 0'0"N 60 0'0"N 50 0'0"N 50 0'0"N 40 0'0"N 40 0'0"N 30 0'0"N 30 0'0"N 20 0'0"N 20 0'0"N 10 0'0"N 10 0'0"N 0 0'0" 0 0'0" 10 0'0"S 10 0'0"S 20 0'0"S 20 0'0"S 30 0'0"S 30 0'0"S 40 0'0"S 40 0'0"S 50 0'0"S 50 0'0"S 60 0'0"S 60 0'0"S 70 0'0"S 70 0'0"S 80 0'0"S 80 0'0"S 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" Yearly Mean of Irradiance in W/m² 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 100-110 110-120 120-130 130-140 140-150 150-160 160-170 170-180 180-190 190-200 200-210 210-220 220-230 230-240 240-250 250-260 260-270 270-280 280-290 W / m 2 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. Copyright: Ecole des Mines de Paris / Armines 2006. All rights reserved. http://www.soda-is.com/eng/map/maps_for_free.html
US Daten http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/1961-1990/ redbook/atlas/
Sonnenstrahlung und -Energie Quelle: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ apps4/pvest.php# Durchschnittliche,geerntete Energie pro Jahr