Fortgeschritten Mathematik & Logik 15 Punkte · ~30 Min.

Sinusfunktion: Modellierung einer Solaranlage

Aufgabenstellung

Die Leistung einer Photovoltaik-Anlage (in kW) wird an einem Sommertag durch die Funktion

P(t)=3,2⋅sin⁡ ⁣(π14⋅(t−5))+0,8,5≤t≤19P(t) = 3{,}2 \cdot \sin\!\left(\frac{\pi}{14} \cdot (t - 5)\right) + 0{,}8, \quad 5 \leq t \leq 19

modelliert, wobei tt die Uhrzeit in Stunden ist (z.B. t=12t = 12 für 12:0012{:}00 Uhr).

  • (a) Bestimmen Sie den Zeitpunkt der maximalen Leistung und den zugehörigen Wert. (3 BE)
  • (b) Ab welcher Leistung lohnt sich die Einspeisung ins Netz? Angenommen, die Einspeiseschwelle beträgt 2,0  kW2{,}0 \; \text{kW}. Ermitteln Sie das Zeitintervall, in dem eingespeist werden kann. (5 BE)
  • (c) Berechnen Sie die gesamte Energieproduktion (in kWh) des Tages, also ∫519P(t) dt\displaystyle\int_5^{19} P(t) \, dt. (4 BE)
  • (d) Ein Haushalt verbraucht konstant 1,5  kW1{,}5 \; \text{kW}. Bestimmen Sie den Zeitraum, in dem die Anlage mehr produziert als der Haushalt verbraucht. (3 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Maximum (a)

sin⁡(⋅)\sin(\cdot) hat sein Maximum bei 11, also:

π14(t−5)=π2⇒t−5=7⇒t=12\frac{\pi}{14}(t - 5) = \frac{\pi}{2} \quad \Rightarrow \quad t - 5 = 7 \quad \Rightarrow \quad t = 12

P(12)=3,2⋅1+0,8=4,0P(12) = 3{,}2 \cdot 1 + 0{,}8 = 4{,}0

Maximale Leistung: 4,0  kW um 12:00 Uhr\boxed{\text{Maximale Leistung: } 4{,}0 \; \text{kW um } 12{:}00 \text{ Uhr}}

Schritt 2: Einspeisezeitraum (b)

P(t)≥2,0P(t) \geq 2{,}0:

3,2⋅sin⁡ ⁣(π14(t−5))+0,8≥2,03{,}2 \cdot \sin\!\left(\frac{\pi}{14}(t-5)\right) + 0{,}8 \geq 2{,}0

sin⁡ ⁣(π14(t−5))≥1,23,2=0,375\sin\!\left(\frac{\pi}{14}(t-5)\right) \geq \frac{1{,}2}{3{,}2} = 0{,}375

π14(t−5)≥arcsin⁡(0,375)≈0,3844\frac{\pi}{14}(t-5) \geq \arcsin(0{,}375) \approx 0{,}3844

t−5≥14⋅0,3844π≈1,713⇒t1≈6,71t - 5 \geq \frac{14 \cdot 0{,}3844}{\pi} \approx 1{,}713 \quad \Rightarrow \quad t_1 \approx 6{,}71

Zweite Lösung (absteigender Ast):

π14(t−5)≤π−0,3844≈2,757\frac{\pi}{14}(t-5) \leq \pi - 0{,}3844 \approx 2{,}757

t−5≤14⋅2,757π≈12,287⇒t2≈17,29t - 5 \leq \frac{14 \cdot 2{,}757}{\pi} \approx 12{,}287 \quad \Rightarrow \quad t_2 \approx 17{,}29

Einspeisung mo¨glich von ca. 6:43 bis 17:17 Uhr≈10,6 Stunden\boxed{\text{Einspeisung möglich von ca. } 6{:}43 \text{ bis } 17{:}17 \text{ Uhr} \approx 10{,}6 \text{ Stunden}}

Schritt 3: Gesamte Energieproduktion (c)

∫519P(t) dt=∫519(3,2⋅sin⁡ ⁣(π14(t−5))+0,8)dt\int_5^{19} P(t) \, dt = \int_5^{19} \left(3{,}2 \cdot \sin\!\left(\frac{\pi}{14}(t-5)\right) + 0{,}8\right) dt

Substitution: u=π14(t−5)u = \frac{\pi}{14}(t-5), du=π14dtdu = \frac{\pi}{14} dt, dt=14πdudt = \frac{14}{\pi} du

Grenzen: t=5⇒u=0t = 5 \Rightarrow u = 0, t=19⇒u=πt = 19 \Rightarrow u = \pi

=∫0π(3,2sin⁡(u)+0,8)⋅14π du= \int_0^{\pi} \left(3{,}2 \sin(u) + 0{,}8\right) \cdot \frac{14}{\pi} \, du

=14π[−3,2cos⁡(u)+0,8u]0π= \frac{14}{\pi}\left[-3{,}2\cos(u) + 0{,}8u\right]_0^{\pi}

=14π[(−3,2⋅(−1)+0,8π)−(−3,2⋅1+0)]= \frac{14}{\pi}\left[(-3{,}2 \cdot (-1) + 0{,}8\pi) - (-3{,}2 \cdot 1 + 0)\right]

=14π[3,2+0,8π+3,2]=14π(6,4+0,8π)= \frac{14}{\pi}\left[3{,}2 + 0{,}8\pi + 3{,}2\right] = \frac{14}{\pi}(6{,}4 + 0{,}8\pi)

=14⋅6,4π+14⋅0,8=89,6π+11,2≈28,52+11,2= \frac{14 \cdot 6{,}4}{\pi} + 14 \cdot 0{,}8 = \frac{89{,}6}{\pi} + 11{,}2 \approx 28{,}52 + 11{,}2

∫519P(t) dt≈39,7  kWh\boxed{\int_5^{19} P(t) \, dt \approx 39{,}7 \; \text{kWh}}

Schritt 4: Überschusszeitraum (d)

P(t)>1,5P(t) > 1{,}5:

3,2⋅sin⁡ ⁣(π14(t−5))+0,8>1,53{,}2 \cdot \sin\!\left(\frac{\pi}{14}(t-5)\right) + 0{,}8 > 1{,}5

sin⁡ ⁣(π14(t−5))>0,73,2≈0,2188\sin\!\left(\frac{\pi}{14}(t-5)\right) > \frac{0{,}7}{3{,}2} \approx 0{,}2188

π14(t−5)>arcsin⁡(0,2188)≈0,2208\frac{\pi}{14}(t-5) > \arcsin(0{,}2188) \approx 0{,}2208

t1>5+14⋅0,2208π≈5,98t_1 > 5 + \frac{14 \cdot 0{,}2208}{\pi} \approx 5{,}98

Zweite Grenze: t2≈5+14(π−0,2208)π≈18,02t_2 \approx 5 + \frac{14(π - 0{,}2208)}{\pi} \approx 18{,}02

U¨berschuss von ca. 6:00 bis 18:00 Uhr≈12 Stunden\boxed{\text{Überschuss von ca. } 6{:}00 \text{ bis } 18{:}00 \text{ Uhr} \approx 12 \text{ Stunden}}

Ergebnis

FrageAntwort
Maximale Leistung4,04{,}0 kW um 12:0012{:}00 Uhr
Einspeisezeitraumca. 6:436{:}43 bis 17:1717{:}17 Uhr
Gesamtenergie≈39,7\approx 39{,}7 kWh
Überschuss über 1,51{,}5 kWca. 6:006{:}00 bis 18:0018{:}00 Uhr