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Fuel Cell Box Wettbewerb 2013 – Phase II Yaren Yücelmis Zeliha Tasci Ingeborg-Drewitz- Gesamtschule Gladbeck Reiner Schulz (MKULNV), Dr. Thomas Kattenstein.

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Präsentation zum Thema: "Fuel Cell Box Wettbewerb 2013 – Phase II Yaren Yücelmis Zeliha Tasci Ingeborg-Drewitz- Gesamtschule Gladbeck Reiner Schulz (MKULNV), Dr. Thomas Kattenstein."—  Präsentation transkript:

1 Fuel Cell Box Wettbewerb 2013 – Phase II Yaren Yücelmis Zeliha Tasci Ingeborg-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

2 Presse WAZ Gladbeck, WAZ Herten,

3 1a) Farbcode der Widerstände Die 8 Widerstände sind durch einen Farbcode gekennzeichnet, der mit Hilfe der nebenstehenden Tabelle entziffert werden kann.

4 1a) Wertetabelle der 8 Messwiderstände

5 1a) Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen Reihenschaltung Rges= R1 + R2 Parallelschaltung 1/Rges = 1/R1 + 1/R2 oder auch Rges = (R1 x R2) / (R1 + R2) Abbildungen und Formeln nach Durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Widerständen lässt sich die Anzahl der Widerstandswerte von ursprünglich 8 Widerständen deutlich erhöhen.

6 1a) Reihen- und/oder Parallelschaltung von 3 Widerständen 1x 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.

7 1a) Reihen- und/oder Parallelschaltung von 4 Widerständen 1x 4x 3x 6x 12x Bei 4 Widerständen ergeben sich durch Reihen- und/oder Parallelschaltungen insgesamt 34 Möglichkeiten.

8 1) Abhängigkeit der Leerlaufspannung eines Solarmoduls vom Einstrahlwinkel 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.

9 1) Abhängigkeit des Kurzschlussstroms eines Solarmoduls vom Einstrahlwinkel 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.

10

11 1b) Messwerte eines Solarmoduls MPP MPP: Maximum Power Point – Punkt maximaler Leistung

12 1b) Kennlinie eines Solarmoduls MPP

13 1b) Leistungskurve eines Solarmoduls MPP

14 1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Messwerte MPP

15 1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Kennlinie MPP

16 1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Leistungskurve MPP

17 1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Messwerte MPP R1+R2 Reihenschaltung; R3//R4 Parallelschaltung

18 1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Kennlinie MPP

19 1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Leistungskurve MPP

20 Kennlinien von Solarmodulen im Vergleich Gut zu erkennen ist die Erhöhung der Stromstärke durch die Parallelschaltung und die Erhöhung der Spannung durch die Reihenschaltung. MPPs

21 Leistungskurven von Solarmodulen im Vergleich Die größte Leistung wird bei der Reihen- und Parallelschaltung der Solarmodule erreicht: P = 2,628 W, R = 68  MPPs

22 1e) Ermittlung der optimalen Winkelausrichtung der Windkraftanlage Abstand 10 cm, R = 4,7  MPP

23 1e) Ermittlung der optimalen Winkelausrichtung der Windkraftanlage Als optimale Ausrichtung zwischen Flügelfläche und Windstrom wurde ein Winkel von etwa 75° ermittelt. MPP

24 1f) Windkraftanlage - Messwerte MPP

25 1f) Strom-Spannungs-Kennlinie der Windkraftanlage MPP

26 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  MPP

27 1g) Leistung der Windkraftanlage bei unterschiedlichem Abstand

28 Man erkennt deutlich die Leistungsabnahme bei zunehmendem Abstand.

29 1h) Parallelschaltung der Elektrolyseure - Messwerte

30 1h) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Strom-Spannungs-Kennlinie Uz = ca. 1,55 V

31 1i) Reihenschaltung der Elektrolyseure - Messwerte

32 1i) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Strom-Spannungs-Kennlinie Uz = ca. 3,1 V

33 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 V H2 = 30 cm³ H o = 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.

34 1j) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Energieverbrauch und Wirkungsgrad Energieverbrauch: E = P * t = 2,27 W * 211,36 s = 705,39 Ws Wirkungsgrad:  = (V H2 * H o ) / (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 %.

35 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 V H2 = 30 cm³ H o = 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.

36 1k) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Energieverbrauch und Wirkungsgrad Energieverbrauch: E = P * t = 4,78 W * 105,79 s = 505,59 Ws Wirkungsgrad:  = (V H2 * H o ) / (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.

37 1l) Kennlinie und Leistungskurve einer Brennstoffzelle - Messwerte MPP

38 1l) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle MPP

39 1l) Leistungskurve einer Brennstoffzelle MPP

40 1m) Reihenschaltung von Brennstoffzellen - Messwerte MPP

41 1m) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzellen-Reihenschaltung MPP

42 1m) Leistungskurve einer Brennstoffzellen- Reihenschaltung MPP

43 1n) Parallelschaltung von Brennstoffzellen - Messwerte MPP

44 1n) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzellen-Parallelschaltung MPP

45 1n) Leistungskurve einer Brennstoffzellen- Parallelschaltung MPP

46 1n) Vergleich der Ergebnisse der Brennstoffzellenversuche 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

47 1o) Maximale Leistung der Brennstoffzellen – Vergleich der Leistungskurven 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 

48 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

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50 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.

51 2b) Lösung der Modellsituation 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

52 2b) Lösung der Modellsituation

53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.


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