Measurement of SK-Ecat performance in a series of sessions from October 20 to November 19 2021
Leistungsmessung des SK-Ecat in einer Folge von Sitzungen zwischen dem 20. Oktober und dem 19. November 2021
Università di Bologna – Alma mater studiorum
Giuseppe Levi
Measurement of SK-Ecat performance in a series of sessions
from October 20 to November 19 2021.
21. November 2021
Zusammenfassung
Im Rahmen des Vertrags zwischen dem Fachbereich Physik und der Leonardo Corporation wurden einige Messungen durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des Prototypen eines SK-Ecat (nachfolgend Prototyp A genannt) über einen Zeitraum von drei Stunden zu ermitteln. Während einer weiteren Messsitzung wurde ein zweiter, sich von diesem unterscheidender Prototyp (nachfolgend Prototyp B genannt) ebenfalls getestet. Dieser technische Bericht beinhaltet die Ergebnisse der an diesen Prototypen durchgeführten Messungen und dient dem internen Forschungs- und Entwicklungsprozess der Leonardo Corporation und stellt keine Industriezertifizierung dar.
1. Einleitung
Der untersuchte Prototyp A (siehe Abbildung 1) hatte die Form eines Würfels mit einer Seitenlänge von 150 mm, der eine Lichtquelle enthielt und mit einer 600 mm hohen reflektierenden Pyramide verbunden war, über die das Licht auf ein 500 × 330 mm großes Solarpanel sowie auf einige Kontrollsensoren im Fußbereich geleitet wurde. Eine sorgfältige Inspektion des Gerätes hat ergeben, dass seine gesamte Konstruktion praktisch leer ist und nicht mehr als 2 kg wiegt. Während des Betriebs ging von der Oberseite ein sehr intensives blaues Licht aus, das das Solarpanel und die Sensoren an der Unterseite anstrahlte. Nach Angaben des Auftragnehmers handelt es sich bei den Solarzellen um hocheffiziente Mehrschichtzellen mit einer Energieausbeute von 40 %, die sich für das Lichtspektrum der Lichtquelle in besonderer Weise eignen.
Der Prototyp B hatte ein völlig anderes Aussehen und war offenbar eine technologische Weiterentwicklung des ersten Prototyps: Ein kleiner weißer Kasten mit einer quadratischen Grundfläche und einer Kantenlänge von 7 cm sowie einer Höhe von 9 cm, der auf einem weiteren silberfarbenen Quader mit einer Grundfläche von 9 × 7 cm und einer Höhe von 2 cm aufgesetzt war. Einige Drähte mündeten in den oberen Teil und zwei Gruppen von Kabeln, rote und schwarze, führten aus dem unteren Teil heraus. Das Gewicht des gesamten Prototypen B betrug etwa 250 g. Bei Prototyp B war es nicht möglich, das Innere zu inspizieren, aber es wurde beobachtet, dass während des Betriebs kaltes weißes Licht aus dem Unterteil austrat.
Beide Prototypen waren an mehrere Steuerelektronikplatinen angeschlossen, die über eine an das Stromnetz angeschlossene Spannungsversorgung betrieben wurden.
Die vom Solarpanel (bei Prototyp A) oder anderweitige aus dem System herausführende Drähte (bei Prototyp B) waren auf direktem Wege mit einem Lastwiderstand verbunden, der in einem Isolierölbad gekühlt wurde. Bei dem Lastwiderstand handelte es sich um ein handelsübliches Modell „Arcol 21.10 GB HS 150 1 R J“.[1]
2. Die Messungen
Die durchgeführten Messungen betrafen die Leistungsaufnahme und -abgabe des Systems. Die Eingangsleistung wurde direkt an der 220-V-50-Hz-Steckdose unter Verwendung eines industriellen Leistungsmessgerätes gemessen. Die Ausgangsleistung wurde mit einem hochpräzisen Multimeter FLUKE 189 gemessen.[2] Zu Kontrollzwecken kam gelegentlich ein zweites Multimeter zum Einsatz, das eine geringere Genauigkeit aufwies und Ergebnisse lieferte, die mit denen des ersten Multimeters völlig übereinstimmten. Die erste Messung, die durchgeführt wurde, diente der Bestimmung des tatsächlichen Wertes des Lastwiderstands.
Tabelle 1: Messung des Lastwiderstands mit einem Wert von 1 Ω, der dem Nennwert des Widerstands entspricht. In beiden Tests wurde derselbe Widerstand verwendet.
| Messung | Wert | Einheit |
| Widerstand des Kabels | 0,4 | Ω |
| Gesamtwiderstand | 1,4 | Ω |
| Lastwiderstand | 1,0 ± 0,2 | Ω |
Angesichts des geringen Wertes des Lastwiderstandes wurde beschlossen, kein Amperemeter in Reihe in den Stromkreis zu schalten, um die Versuchsbedingungen nicht zu beeinträchtigen. Aus der Messung des Spannungsabfalls an den Widerstandsklemmen lassen sich der Strom und die Verlustleistung leicht ermitteln.
Die mit einem industriellen Wattmeter[3] gemessene Eingangsleistung wurde zunächst im vom Stromnetz getrennten Zustand und anschließend im eingeschalteten Zustand gemessen, so dass die Verluste durch das Stromnetz herausgerechnet werden konnten. Im Falle des Prototypen A führte diese Messung für die Leistungsaufnahme des Systems zu einem Wert von 1,1 W, während im Falle des Prototypen B die Nettoaufnahme zu gering war, um gemessen werden zu können.
Während des Betriebs des Gerätes war das Wattmeter immer in Funktion und zeigte eine konstante Leistungsaufnahme an. Der Spannungsabfall an den Enden des Widerstandes wurde …
Tabelle 2: Messung der vom Prototypen A aufgenommenen Leistung.
| Messung | Wert | Einheit | cos Φ |
| Leerlaufleistung | 0,2 | W | 0,06 |
| Leistung im Betrieb | 1,3 | W | 0,08 |
| Nettoleistung | 1,1 ± 0,2 | W |
Tabelle 3: Messung der vom Prototypen B aufgenommenen Leistung. Die Leistung war zu gering, um mit dem verwendeten industriellen Wattmeter gemessen werden zu können. Unter Berücksichtigung der Genauigkeit des verwendeten Wattmeters stimmen die beiden Werte jedoch überein.
| Messung | Wert | Einheit | cos Φ |
| Leerlaufleistung | 0,8 | W | 0,05 |
| Leistung im Betrieb | 0,6 | W | 0,06 |
… bei Prototyp A über einen Zeitraum von drei Stunden und bei Prototyp B über einen Zeitraum von etwa sechs Stunden kontinuierlich gemessen.
Auch bei ausgeschaltetem Gerät wurde an den Enden des Widerstands ein geringer Spannungsabfall gemessen. Dieses Phänomen wurde durch Umgebungslicht verursacht, das durch den reflektierenden Kegel gefiltert wurde. Die Feststellung dieses Signals war eine weitere Bestätigung dafür, dass die gemessene Spannung im Falle des Prototypen A vom Solarpanel sowie von einem photoelektrischen Bauteil herrührte.
3. Strahlungsmessungen
Zusätzlich zu den Messungen der abgegebenen Leistung wurden in einer späteren Sitzung (19.11.2021) auch Messungen zu einer eventuellen Emission von ionisierender Strahlung durchgeführt.
Für die Messungen kam ein Zähler LUDLUM 2241-3[4] zum Einsatz, an den ein Detektor Modell 44-9[5] angeschlossen war. Darüber hinaus wurde ein tragbarer Handzähler GMC-500 Plus von GQ Electronics verwendet, der in der Lage ist, Daten als Funktion der Zeit aufzuzeichnen.
Der GQ-Zähler wurde etwa 50 Minuten vor Ankunft im Labor eingeschaltet und blieb so lange eingeschaltet, bis man sich wieder aus dem Labor entfernt hat. Das LUDLUM-Messgerät im Labor wurde vor dem Einschalten des Reaktors eingeschaltet, um die Hintergrundstrahlung am Standort zu messen.
Bevor der Reaktor eingeschaltet wurde, wurde mit beiden Geräten zunächst die Hintergrundstrahlung gemessen. Die Messung erfolgte mehrmals und ergab (mit dem LUDLUM-Scaler-Ratemeter) bei ausgeschaltetem Reaktor Werte zwischen 118 und 160 Impulsen pro Minute. Die Platzierung des Detektors neben dem Reaktor (siehe Abbildung 3) und das Einschalten des Reaktors führten zu keinem statistisch signifikanten Anstieg der Impulse, wobei die Werte von 117 im Minimum bis 168 im Maximum reichten. Aufgrund seiner kleineren Sensorfläche lagen die mit dem GQ-Zähler ermittelten Werte darunter, doch auch in diesem Fall konnte kein signifikanter Unterschied zwischen ein- und ausgeschaltetem Reaktor festgestellt werden.
Tabelle 4: Spannungsabfall an den Widerstandsklemmen bei Prototyp A. Der Wert blieb während des Messzeitraums nahezu konstant. Es werden drei Datenpunkte aufgeführt. Die Messgenauigkeit betrug 1 mV. Die geringfügige Spannungsdifferenz bei ausgeschaltetem Gerät ist auf das Umgebungslicht zurückzuführen.
| Messung | Wert | Einheit |
| Spannungsabfall (11,50) | 9,96 | V |
| Spannungsabfall (13,20) | 9,99 | V |
| Spannungsabfall (14,50) | 9,97 | V |
| Spannung aus | ≈ 0,18 | V |
Tabelle 5: Spannungsabfall an den Widerstandsklemmen für den Prototypen B. Der Wert blieb während des Messzeitraumes nahezu konstant. Es werden sechs Datenpunkte aufgeführt. Die Messgenauigkeit betrug 1 mV. Auch hier zeigte sich eine geringe Abhängigkeit der Messung von der Umgebungshelligkeit.
| Messung | Wert | Einheit |
| Spannungsabfall (11.10) | 11,4 | V |
| Spannungsabfall (11,50) | 11,6 | V |
| Spannungsabfall (12,15) | 11,7 | V |
| Spannungsabfall (14,32) | 11,7 | V |
| Spannungsabfall (16,02) | 11,7 | V |
| Spannungsabfall (17,12) | 11,7 | V |
| Spannung aus | ≈ 0,12 | V |
4. Abschließende Überlegungen
Dieser Bericht fasst die Ergebnisse von Messungen zusammen, die im Laufe mehrerer Sitzungen zwischen dem 20. Oktober und dem 19. November 2021 durchgeführt wurden.
Die untersuchten Prototypen erzeugen offensichtlich eine Leistung von etwa 100 W, wobei sie lediglich 1 W oder weniger verbrauchen. Die Herkunft der freigesetzten Leistung ist dem Verfasser dieses Berichtes nicht bekannt.
Die durch das Solarpanel erzeugte Stromdichte liegt offenkundig bei ≈ 6,1 mA cm2 und damit deutlich unter der angegebenen maximalen Stromdichte für kommerzielle (≈ 35 mA cm2) und labortechnische (≈ 42 mA cm2) Solarzellen. Im Falle des Prototypen B übersteigt die Stromdichte (≈ 158 mA cm2) im Flächenverhältnis die Werte aller bekannten Solarzellen bei weitem. Wie die durchgeführten Messungen gezeigt haben, wurden mit dem Prototypen B insgesamt ≈ 624 Wh an Energie erzeugt. Wenn man berücksichtigt, dass das Gesamtvolumen 567 cm3 = 0,563 l und das Gesamtgewicht etwa 250 g beträgt, zeigt sich, dass die Energiedichte des Prototypen die gravimetrische und die volumetrische Energiedichte bekannter Batterien zu übertreffen scheint.[6]
Bei den am 19. November 2021 durchgeführten Messungen wurde keine signifikante Emission ionisierender Strahlung durch den Prototypen B festgestellt.
5. Ein mögliches Forschungs- und Entwicklungsprogramm
In diesem Abschnitt wird ein mögliches Forschungs- und Entwicklungsprogramm für die hier untersuchte Technologie skizziert und ihr Potenzial aufgezeigt. Die von uns angestellten Überlegungen sind als vorläufig und konservativ im Hinblick auf mögliche reale Entwicklungen zu betrachten und beruhen auf den durchgeführten Messungen.
Unter der sehr konservativen Annahme, dass es bei der zugrunde liegenden Technologie zu keinen weiteren Entwicklungen kommen wird, lässt sich die mögliche Energiemenge berechnen, die durch einen Gerätesatz erzeugt werden kann, der in einem standardmäßigen IEC-60297-Rack montiert ist. Die typischen Abmessungen eines solchen Racks bestehen in einer nutzbaren Mindestbreite von 17,75 Zoll, einer Tiefe von 36 Zoll und einer Höhe von 42 oder 45 „Rack Units“ (HE – Höheneinheit), wobei 1 HE genau 1,75 Zoll entspricht. Jede Rack-Ebene besitzt eine nutzbare horizontale Fläche von ≈ 45 × 88 cm.
Geht man einmal davon aus, dass die SK-ECAT-Einheiten mit den gleichen Abmessungen wie beim Prototypen B nebeneinander angeordnet werden, dann könnte jede Ebene 54 Einheiten aufnehmen, bei einer vertikalen Belegung von 3 HE (13 cm).
Basierend auf den aktuellen Messungen ergibt sich daraus für alle 3 HE eine Leistung von 5,4 kW; in ein 45-HE-Rack passen 15 solcher Einheiten mit einer Gesamtleistung von etwa 81 kW pro Rack. Schon aus diesen Zahlen geht hervor, dass eine einzige 3-HE-Einheit genug Strom für ein ganzes Rack voller Server liefern könnte, die im Durchschnitt etwa 4 kW verbrauchen. Weitere Einheiten könnten zur Stromversorgung der Kühlsysteme eingesetzt werden.
Bei größeren Anwendungen ist die Installation von Generatorracks in Containern denkbar, die auf diese Weise zu leicht zu transportierenden und zu installierenden Modulen ausgebaut werden könnten. Ein Standardcontainer weist Innenabmessungen von 12 × 2,35 m bei einer Höhe von 2,39 m auf und kann somit bis zu 38 Racks mit einer möglichen Gesamtleistung …
… von etwa 3 MW aufnehmen. Dies ist vergleichbar mit der Leistung von Kernreaktoren, wie sie in der Schifffahrt in der Größenordnung von 90 MW (27 Container) bis 345 MW (115 Container) zum Einsatz kommen. In beiden Fällen würden das beanspruchte Volumen, das geringere Gewicht und eine erhebliche Vereinfachung des Systems diese Art der Anwendung durchaus rechtfertigen.
Es sei noch angemerkt, dass die Leistung einer Eisenbahnlokomotive im Bereich von 3 bis 9 MW liegt, so dass auch derartige Anwendungen möglich erscheinen.
Bei der Dimensionierung der Reaktoren muss nicht immer von der Maximalleistung des Systems ausgegangen werden. Durch den gleichzeitigen Betrieb von Modulen für eine kontinuierliche Energieerzeugung sowie durch den Einsatz von Akkumulatoren könnte das System kompakter gestaltet werden. Bei der Konzipierung künftiger Anwendungen sollten folgende Ausgangspunkte berücksichtigt werden:
- eine vollständige Strom-Spannungs-Kennlinie des einzelnen Moduls, um die Bedingungen zu ermitteln, unter denen die maximale Leistung übertragen und der Füllfaktor erreicht wird (siehe z. B. [7]);
- eine Studie über die Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der einzelnen gebauten Zellen;
- eine Studie über die Konstanz der Eigenschaften der einzelnen Module in Abhängigkeit von der Zeit und den Umgebungsbedingungen;
- eine Untersuchung zur Verschaltung verschiedener Module untereinander (siehe z.B. [8]);
Aus technischer Sicht macht sich eine Optimierung der Mechanik erforderlich, um sie robust, kompakt und leicht zu machen und in die Lage zu versetzen, etwaige überschüssige Wärme abführen zu können.
So könnten gedruckte Schaltkreise aus Kohlenstofffasern die Zusammenschaltung der verschiedenen Bauelemente gewährleisten und gleichzeitig die Funktion einer mechanischen Verstärkung übernehmen und dabei eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Eine gesteigerte Leistung und eine leichte Struktur könnten auch zu Anwendungen in der Luftfahrt führen.[9] Ein detaillierteres Forschungsprogramm mit Umsetzungszielen, Gantt-Diagramm, Qualitätskontrolle und Budget kann jedoch nur mit dem Einverständnis des Erfinders Andrea Rossi umgesetzt werden.
Erklärung über das Nichtvorliegen eines Interessenkonflikts
Der Autor erklärt hiermit, dass zwischen ihm und keiner anderen Person, Firma oder Organisation ein möglicher Interessenkonflikt oder eine finanzielle oder persönliche Beziehung besteht, die die Durchführung und die Ergebnisse dieser Untersuchung in unangemessener Weise beeinflussen könnte.
Referenzen
- ↑ RS. Resistor data sheet. URL: docs.rs-online.com/8b3e/0900766b815a22a3.pdf. (abgerufen am 03.11.2021)
- ↑ FLUKE. 187-189 User Manual. URL: dam-assets.fluke.com/s3fs-public/187_189_umita0200.pdf. (abgerufen am 03.11.2021)
- ↑ handsontec. D52-2047 User Manual. URL: handsontec.com/dataspecs/Instruments/DIN%20Rail%20Power%20Meter.pdf. (abgerufen am 19.07.2021)
- ↑ LUDLUM Measurements inc. Model 2241-3 Digital Scaler-Ratemeter. URL: ludlums.com/products/all-products/product/model-2241-3. (abgerufen am 21.11.2021)
- ↑ LUDLUM Measurements inc. Model 44-9 Alpha-Beta-Gamma Detector. URL: ludlums.com/products/all-products/product/model-44-9. (abgerufen am 21.11.2021)
- ↑ University of Washington. Li-Ion Batteries. URL: cei.washington.edu/education/science-of-solar/battery-technology. (abgerufen am 08.11.2021)
- ↑ Aleksandr Ivanovich Kanareykin. „On the correctness of calculating the Fill Factor of the solar module“. In: 808.1 (July 2021), p. 012018. doi: 10.1088/1755-1315/808/1/012018. URL: doi.org/10.1088/1755-1315/808/1/012018.
- ↑ Takeshi Tayagaki et al. „Comparative Study of Power Generation in Curved Photovoltaic Modules of Series- and Parallel-Connected Solar Cells“. In: IEEE Journal of Photovoltaics 11.3 (2021), pp. 708-714. doi: 10.1109/JPHOTOV.2021.3060399.
- ↑ Nischal Thapa et al. „All electric aircraft: A reality on its way“. In: Materials Today: Proceedings 43 (2021). 1st International Conference on Energy, Material Sciences and Mechanical Engineering, pp. 175-182. issn: 2214-7853. doi: doi.org/10.1016/j.matpr.2020.11.611. URL: sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785320392853.
Erratum und Antworten
Dr. Giuseppe Levi - Erratum sowie Dr. Andrea Rossi - Antworten