Maximaler Theoretischer Wirkungsgrad u.a. Wahrheiten

Sonnenenergie - Sonnenlicht in elektrischen Strom wandeln
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Maximaler Theoretischer Wirkungsgrad u.a. Wahrheiten

Ungelesener Beitrag von admin » 31.10.2019, 21:14

Auch, wenn manche Zeitgenossen es ablehnen, die Physik ist Natur und die hat völlig natürliche Grenzen. So auch die "Solarzelle" und damit auch wo liegt der maximale Wirkungsgrad den ein PV-Modul überhaupt je haben kann ?

Wenn "natürlich", dann gilt selbstverständlich hier die Begrenzung über das Material aus dem eine "photovoltaische Zelle" gefertigt wird. Um sich überhaupt dieser Begrenzung "annähern" zu können, setzt auch die Zelltechnologie unterschiedliche Grenzwerte.

Generell ist es vollkommen "natürlich", das jeder energetische Wandlungsprozess sich in zwei Bereiche aufspaltet - in Exergie (der Teil der beteiligten Gesamtenergie der die gewandelte Form erreicht) und der unausweichliche Teil Anergie, welche Menschen gern als "Verlustenergie" bezeichnen.

Diese Begriffe gehen auf Zoran Rant einen slowenischer Maschinenbauingenieur zurück, der diese Begriffe in 1953 "offiziell" eingeführt hat. Da Energie eine "Erhaltungsgröße" ist, die sich in der Summe nicht verändert, macht es erheblichen Sinn, sprachliche Begriffe zu haben, mit denen die entstehenden energetischen Zustände "qualitativ" und damit aus menschlicher Sicht einfach und treffend bezeichnet werden können.

Je nachdem mit wem man es zu tun hat bei den meist laienhaften "Überlegungen" was den wohl die beste Methode sei um an die benötigte "Energie" zu kommen, zeigt sich leider sehr schnell, wie gering das Verständnis bei solchen Prozessen tatsächlich ist. Der beinahe "unverbrüchliche Glaube" der menschliche Erfindungsgeist, sei "irgendwie und irgendwann" dann doch in der Lage 100% "herauszuholen". Sicher, an den 100% Energie ändert sich nichts, nur steht dieser Prozentsatz niemals als Exergie zur Verfügung. Da wird, gleichgültig wie genial sich durch menschliches Zutun eine solche "Maschine" entwickelt, immer ein Anteil der Energie als "Anergie" anfallen.

Von "Exergieverlusten" zu reden ist einigermaßen korrekt (es geht ja nichts "verlustig", lediglich der "Anergieanteil wird um genau diesen Betrag größer)

"Energieverluste" ist etwas, was unmöglich ist, gleichgültig was da abläuft, die Energieerhaltung gilt als wichtiges Prinzip aller Naturwissenschaften.
WIKI hat geschrieben:Soweit heute bekannt ist, wurde der Energieerhaltungssatz zuerst vom Heilbronner Arzt Julius Robert von Mayer (1814–1878) formuliert. Im Jahr 1842 wies er durch entsprechende Versuche nach, dass eine bestimmte Bewegungsenergie bei vollständiger Umwandlung in Wärme stets die gleiche Wärmemenge ergibt. Er bestimmte zudem den Wert dieses „mechanischen Wärmeäquivalents“. Unabhängig von Mayer taten dies auch 1843 James Prescott Joule – dessen Arbeiten damals weit bekannter waren – und weitere Physiker und Ingenieure wie Ludwig August Colding in Dänemark (ebenfalls 1843). Endgültig ausformuliert wurde der Energieerhaltungssatz 1847 von Hermann von Helmholtz. Er berichtete in Berlin am 23. Juli 1847 über die „Konstanz der Kraft“ und untermauerte den Energieerhaltungssatz.
Bleibt eben nur aus menschlicher Sicht diese natürlichen Vorgänge in "erwünschte Anteile = Exergie" und weil "nicht nutzbare Anteile = Anergie" als unerwünschten Anteil aufzuspalten. Dabei müssen Anergieanteile keineswegs immer als "Verlust" abgeschrieben werden. Durch entsprechende Technologie, können Teile der Anergie als Exergie den Gesamtwirkungsgrad verbessern.

Was auch klar sein dürfte, wenn der "Energiegehalt", also die Energieausgangsmenge (auf Fläche oder Volumen oder Stoff bezogen) relativ klein ist, wird die durch den Wandlungsprozess erzielbare Exergiemenge ebenfalls dazu in einem vergleichbaren Verhältnis stehen. Da der sich daraus ergebende "Wirkungsgrad" immer ein Prozentsatz dem der Vorgang zu Grunde liegt, darstellt, kann man den Wirkungsgrad nur bei vergleichbaren Vorgängen tatsächlich auch direkt vergleichen.

Ein aussagekräftige Grafik (stammt aus dem WIKI "Energiewandler" und wurde von Oldracoon - WikiProjekt SVG erstellt) macht dies hoffentlich verständlich :
800px-Kraftwerkstypen.svg.png
Ebenso wie dieser Screenshot aus dem selben WIki :
Energieformen.jpg

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Maximaler Theoretischer Wirkungsgrad für eine Solarzelle

Ungelesener Beitrag von admin » 31.10.2019, 22:01

Wenn man weiß, der Wirkungsgrade der Umwandlung ist immer kleine Eins, weiß man nach was man suchen muss. In Zeiten des Internets, ist das lediglich eine recht bequeme Suche über eine der Suchmaschinen.

Wie schon gesagt das Ziel der Suche ist der Wirkungsgrad. Wie viel Prozent Exergie - hier elektrische Energie - ist theoretisch möglich. Was wurde bis dato im Labor erreicht und was ist "praxisnah" zu erwarten :
Martin Werner hat geschrieben: QuelleDer maximale theoretische Wirkungsgrad für eine Solarzelle ist durch den Bandabstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband des Zellmaterials und der Frequenz des genutzten Teils des Lichtspektrums festgelegt. Er liegt für Si bei 41%. In der Praxis wurden im Labor bisher max. 24 % erreicht. Da die Bandlücke für ein Material festgelegt ist kann eigentlich nur eine Frequenz, deren Energie gleich oder größer als die Bandlücke ist Elektronen ins Leitungsband heben. Dabei wird aber immer nur die der Bandlücke entsprechende Energie in elektrische Energie umgesetzt. Bei Materialien mit mehreren unterschiedlichen Bandlücken (multijunction) können entsprechend mehrere Frequenzen genutzt werden und damit höhere Wirkungsgrade erzielt werden.

Fazit: es gibt eine materialspezifische physikalische Grenze, die nicht übersprungen, aber durch kluge Kombination vergrößert werden kann.
"Andersherum" der Anergieanteil liegt bezogen auf das was die "liebe Sonne" da bewirkt bei 59%.

Einzig denkbare Veränderung des ansonsten unvermeidbaren Anergieanteils, wenigstens einen Teil der entstehenden Wärme "nutzbar" machen. Sicher nicht unmöglich, ob sich allerdings der technische und auch der damit verbundene energetische Aufwand dafür "lohnen" (nein nicht finanziell !) würde ? Leider ist da, wo Wärme für Heizzwecke brauchbar wäre, die Ausgangsenergie ebenfalls sehr gering und durch die Umgebungstemperatur nur mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad, wenn überhaupt nutzbar.

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Maximaler Theoretischer Wirkungsgrad u.a. Wahrheiten

Ungelesener Beitrag von admin » 31.10.2019, 22:58

Die selbe Quelle und eine ähnliche Frage "kann es einmal eine Solarzelle mit 100% Wirkungsgrad geben ?"

Rein theoretisch selbstverständlich - vorausgesetzt man bezieht "100%" auf die "natürliche Obergrenze" der bereits erwähnten 41%.

Genau da dürften die größten Schwierigkeiten für die allermeisten Laien und sicher auch einiger Fachleute liegen. Das scheint bei den auf diesen Beitrag von Herrn Michael Kessler der Fall zu sein. Herr Kessler schreibt :
Realistischer als die in dem anderen Beitrag genannten 41% (für Siliziumsolarzellen) sind die ca. 31-33% (für Siliziumsolarzellen), die sich für das AMG1.5 Spektrum (realistische Strahlungsbedingungen auf der Erde) und nicht-konzentriertes Sonnenlicht ergeben. Denn das sind die Bedingungen, die für fast alle verbauten PV-Anlagen vorherrschen.

Wieso 31-33%? Es kommt immer darauf an, welche genaue Definition/Berechnungsmethode man verwendet! Um dies mit Zahlen aus der FORSCHUNG und der PRODUKTION zu vergleichen:
Forschung: Maximaler Wirkungsgrad: ca. 25%

Produktion: Maximaler Wirkungsgrad: ca. 22.4% (SunPower, Median der Produktion)

D.h. man ist in der Forschung bei ca. 81% (25% / 31%) und in der Produktion bei ca. 72% (22.4% / 31%) des maximal möglichen Wirkungsgrades. Diese letzten ca. 20-30% rauszuholen ist teilweise nicht realisierbar (Man kann beispielsweise keine Solarzelle herstellen, an der überhaupt keine Reflektion an der Oberfläche exisitiert) - definitiv aber sehr teuer!

Es gibt Solarzellen, die einen Wirkungsgrad > 30% haben und in der Raumfahrt verwendet werden, in der jedes zusätzliche Gramm, welches ins All gebracht werden muss, extrem teuer ist. Diese Solarzellen bestehen dann aus verschiedenen Materialien (Germanium, Galliumarsenid, etc.) und können einen größeren Teil (z.B. die für das menschliche Auge unsichtbare Infrarot-Strahlung ("Wärmestrahlung") des Sonnenlichtes in elektrische Energie umwandeln als z.B. Siliziumsolarzellen. Rekord sind hier 43% (UNSW in Australien).

Meiner Einschätzung nach ist es auch weniger relevant den Wirkungsgrad so weit wie möglich zu erhöhen als vielmehr die relevante Kennziffer € / kW_peak zu senken.
Nun ja, nimmt man die maximalen 41% Exergie und vergleicht sie mit dem Laborergebnis von 25% Exergie, kommt man schon mal auf 61% bei eher aktuellen Werten in der Fläche - ich nehme schon recht gute 18% Exergie an, wären das ca. 44% der theoretisch möglichen Exergie.

Ob man je wirklich auf 100% kommt (was dann "nur noch" 59% Anergieanteil bedeuten würde) hängt davon ab, ob es überhaupt sinnvoll ist für gewiss gigantische Mengen von PV-Modulen derartig großen Aufwand zu betreiben.

Im Gegensatz zu Herrn Kessler sehe ich die Aussage "Meiner Einschätzung nach ist es auch weniger relevant den Wirkungsgrad so weit wie möglich zu erhöhen als vielmehr die relevante Kennziffer € / kW_peak zu senken." nur vordergründig als relevant an. Es ist nicht das Geld was wirklich zählt, sondern das notwendige Energieinvestment das bei der Annäherung an die theoretisch möglichen 100% erforderlich sein dürfte. Bekommt man das allerdings mit relativ kleinem energetischen Aufwand hin, sollte man dies auch tun. Die Forschung selbst benötigt vergleichsweise geringe Energiemengen um an mögliche Ergebnisse zu kommen.

Das größter Problem der Menschheit ist nicht das beliebig vermehrbare Geld, sondern eindeutig die gigantische Energiemenge die "wir" bislang rücksichtslos aus sehr endlichen fossilen Quellen generieren. Allein die ebenfalls gigantischen Anergiemengen die dabei meist schädliche Nebenwirkungen entfalten, sind der blanke Irrsinn.

Das war anfänglich noch entschuldbar. Schließlich mussten die nun vorliegenden Ergebnisse erst über Forschung Erprobung erreicht werden. Erste Dampfmaschinen (Thomas Newcomen) erreichten Wirkungsgrade unter 1% !

James Watt konnte die Dampfmaschine erheblich verbessern und dadurch bereits 60 % ! der zuvor benötigten Steinkohle einsparen. Seine Konstruktionen konnten den Wirkungsgrad verdreifachen - 3% Exergie und 97% Anergie (diese Begriffe existierten zu dieser Zeit noch nicht)

Wer genügend Zeit hat kann sich ja mal dieses Filmchen "Einführung Exergie & Anergie" ansehen.

Dann noch das folgende Filmchen "Entropie - Science Slam Finale - Von Kühltürmen und der Unumkehrbarkeit der Dinge" dort wird gleich noch erklärt wo all die Anergie landet - "Entropie" ein weiterer wichtiger aber trauriger Zustand den man kennen sollte :roll:

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