Entwicklung und Bau eines Solarkollektors eine Messreihe zum Verständnis des Betriebsverhaltens...
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Entwicklung und Bau eines Solarkollektors für Laborübungen Schriftliche Hausarbeit, vorgelegt im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für das Lehramt der Sekundarstufe I von Stephan Auroyer Münster, den 27. Dezember 2006 Themensteller: Prof. Dr. Hein Institut für Technik und ihre Didaktik Westfälische Wilhelms-Universität Münster
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Entwicklung und Bau
eines Solarkollektors
für Laborübungen
Schriftliche Hausarbeit, vorgelegt im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für
das Lehramt der Sekundarstufe I
von Stephan Auroyer
Münster, den 27. Dezember 2006
Themensteller: Prof. Dr. Hein
Institut für Technik und ihre Didaktik
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung .............................................................................. 4
1.1. Zielstellung .................................................................................... 4
1.2. Die gesellschaftliche Relevanz regenerativer Energiequellen .. 4
1.3. Ergebnisform und Methode......................................................... 5
2. Theoretische Grundlagen.................................................... 6
2.1. Physikalische Grundlagen ........................................................... 6
2.1.1. Arbeit, Energie und Leistung ............................................. 6
2.1.2. Elektromagnetische Strahlung ........................................... 7
2.1.3. Wärmemenge und spezifische Wärmekapazität .............. 8
2.2. Der Solarkreislauf und seine Bestandteile.................................. 9
2.2.1. Der Kollektor und der Absorber...................................... 10
2.2.2. Die Wirkungsgradkennlinie.............................................. 12
3. Ausgangsbedingungen und Geräteanforderungen.........16
3.1. Dimensionierung des Kollektors und der Strahler.................. 16
3.2. Dimensionierung des Wärmespeichers und des
Wärmetauschers ......................................................................... 17
3.3. Regelung des Einstrahlwinkels.................................................. 20
3.4. Regelung der Fließgeschwindigkeit .......................................... 21
4. Betriebsverhalten des Modells ..........................................22
4.1. Wichtige Hinweise vor der Inbetriebnahme ............................ 22
4.3. Temperaturen im Wärmespeicher ............................................ 25
4.4. Anschluss des Wärmetauschers ................................................ 26
2
4.5. Berechnung des Transmissionskoeffizienten τ......................... 27
4.6. Die Wirkungsgradkennlinie η(x)............................................... 28
4.7. Berechnung der Koeffizienten α und k1 ................................... 30
4.8. Berechnung des zweiten thermischen Verlustkoeffizienten k230
4.9. Berechnung der Speicherleistung PSpeicher ................................ 31
4.10. Offene Frage: Vergleich der theoretischen und der gemessenen
Wirkungsgradkennlinie ............................................................. 33
5. Experimentieranleitung für Tutoren ...............................34 6. Ausblick...............................................................................42 7. Anhang ................................................................................43
7.1. Messungen mit dem Kalorimeter .............................................. 43
7.2. Messungen mit dem Kollektor................................................... 49
7.2.1. Kollektor bei 1m Entfernung.................................................. 49
7.2.2. Kollektor bei 1,5 m Entfernung.............................................. 50
8. Zeichnungen........................................................................51
8.1 Der Absorber............................................................................... 51
8.2. Das Kalorimeter.......................................................................... 52
9. Bilder ...................................................................................53 10. Abbildungsverzeichnis.......................................................55 11. Literaturverzeichnis...........................................................56 Erklärung...................................................................................58
3
1. Einleitung1.1. Zielstellung
Ziel dieser Arbeit ist das Modell einer Solarkollektoranlage, die von
Studierenden bei Laborübungen am Institut für Technik und ihre Didaktik
der Westfälischen Wilhelms-Universität genutzt werden soll.
Die Richtlinien und Lehrpläne für das Fach Technik in der Sekundarstufe I
des Landes Nordrhein-Westfalen schlagen den „Rationellen Umgang mit
Energie“ als eigenes Thema vor. Als Inhaltsbeispiele werden dort konkret
Sonnenkollektoren genannt, die die elektromagnetischen Strahlen der Sonne
zur Warmwasserbereitung nutzen.
Am Institut für Technik und ihre Didaktik werden den Studierenden in
Praktika bereits Einsichten in das Betriebsverhalten von Windkonvertern,
Fotovoltaikanlagen und Brennstoffzellen vermittelt. Es ist auch eine „reale“
Solarkollektoranlage zur Warmwasseraufbereitung vorhanden, die aber
aufgrund ihrer Größe und Komplexität ungeeignet für die typischen
begleitenden Laborübungen der Vorlesung „Energietechnik“ ist.
Ziel ist also, ein funktionierendes Modell eines Sonnenkollektors zu
entwickeln, das in etwa 90 Minuten auf- und abgebaut werden kann und
mindestens eine Messreihe zum Verständnis des Betriebsverhaltens erlaubt.
1.2. Die gesellschaftliche Relevanz regenerativer Energiequellen
Die fossilen Energiequellen sind begrenzt, das kann man nicht abstreiten. Es
gibt aber sehr unterschiedliche Meinungen darüber, ob der Höhepunkt der
fossilen Energieproduktion, beim Erdöl als „Peak Oil“ bezeichnet, bereits
erreicht ist oder erst viel spätere Generationen betreffen wird.
Egal ob die Informationen aus der Handelszeitschrift „Oil and Gas Journal“
oder der „BP Statistical Review of World Energy“ stammen, es gibt keine
zuverlässigen Statistiken: sie verfolgen immer ein bestimmtes Ziel oder
Interesse der jeweiligen Verfasser. So wird beim Herausgeber BP im
Klappentext vermerkt, dass sie die Angaben nicht auf vertraulicher Basis
erhalten haben.
Die Gegner der aktuellen Energiepolitik argumentieren leider auch sehr
populistisch. Zum Beispiel stammt Abbildung 1 aus dem „Solarbuch“ nach
4
WITZEL u. SEIFRIED. Sie zeigt die Fläche, mit welcher der heutige
Weltenergiebedarf bei nur 10% Wirkungsgrad solar gedeckt werden könnte.
Abb. 1 Flächenbedarf für eine solare Vollversorgung bei 10% Wirkungsgrad (Quelle: WITZEL 1984)
Natürlich ist diese Art der solaren Vollversorgung theoretisch möglich, aber
wirtschaftlich und politisch nicht umsetzbar. Die Abbildung dient hier nur
als Hilfe zur Größeneinordnung. Man beachte, dass die Fläche in der Sahara
liegt und auf anderen Teilen der Erde viel größer sein müsste.
Manche Autoren (vgl. HEINBERG oder CAMPBELL) behaupten, dass es
durchaus Ersatzmöglichkeiten für unsere Energieversorgung gibt, von denen
aber keine so billig und bequem sein wird, wie es das Erdöl war.
Sicher ist, dass unsere industrielle Zivilisation auf dem Verbrauch von
begrenzten Energievorräten beruht. Wenn diese Vorräte knapp werden, wird
der Kampf um die verbleibenden Ressourcen erhebliche wirtschaftliche,
geopolitische und gesellschaftliche Folgen haben.
1.3. Ergebnisform und Methode
Um eine vom Wetter unabhängige, konstante und somit gut berechenbare
Energiequelle zu erzeugen, wird die Anlage mit Halogenstrahlern beleuchtet.
Über ein für dieses Projekt gebautes Kalorimeter, lässt sich auf die pro
Quadratmeter aufgenommene Strahlungsleistung Pauf schließen.
5
Die Strahlung wird zur Erwärmung eines Wasserspeichers genutzt. Aus dem
Temperaturanstieg des Wassers errechnet sich die vom Kollektor genutzte
Leistung Pnutz.
Die Anlage wird so konzipiert sein, dass mit möglichst wenig Aufwand
einzelne Bauteile verändert werden können. So sollen Messungen mit einer
oder zwei Glasscheiben, mit hoher oder geringer Fließgeschwindigkeit des
Wärmeträgermediums und mit unterschiedlichen Abständen und Winkeln
der Strahler durchgeführt werden. Auch die Fließrichtung im Wärmetauscher
soll einfach und schnell verändert werden können.
Alle Messreihen werden ausgewertet und aus den wichtigsten Ergebnissen
resultiert die Experimentieranleitung am Ende dieser Arbeit.
2. Theoretische Grundlagen 2.1. Physikalische Grundlagen
2.1.1. Arbeit, Energie und Leistung
„Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten“. Diese Definition findet sich
in den meisten Lexika. Sie ist zwar richtig, aber nicht vollständig. Eine
bessere Definition stammt aus der Duden-Reihe Technik. Dort steht:
„Energie ist die Fähigkeit, Systeme mechanisch arbeiten zu lassen, Wärme
abzugeben und Strahlung, z.B. Licht, auszusenden“.
Die Energie E ist also eine Zustandsgröße und die Arbeit W eine
Prozessgröße. Beide Größen werden in der gleichen Einheit angegeben.
Es gilt:
[W] = [E] = 1 Joule = 1 J
Die Ableitung der Arbeit ∆W nach der Zeit ∆t entspricht der Leistung P.
Also:
P = tE
t ∆∆
=∆∆W
[P] = 1 J/s = 1 Watt = 1 W
6
2.1.2. Elektromagnetische Strahlung
„Ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches
Wirbelfeld. Ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches
Wirbelfeld.“ (vgl. MESCHEDE, S.425).
Elektrische und magnetische Felder können sich also gegenseitig induzieren.
James Clerk Maxwell (1831-1879) formulierte aufgrund dieser Tatsache
seine Theorie der elektromagnetischen Wellen, die kurze Zeit später von
Heinrich Hertz (1857-1894) experimentell bestätigt wurden.
Für unsere Belange kann die elektromagnetische Strahlung als ein
wellenförmiger Energietransport aufgefasst werden.
Die Wellen werden entweder durch ihre Wellenlänge λ oder durch ihre
Frequenz f gekennzeichnet. Dabei entspricht die Wellenlänge der Distanz
zwischen zwei aufeinander folgenden Wellenbergen oder Wellentälern.
Alle Wellen des elektromagnetischen Spektrums breiten sich im Vakuum
mit der Lichtgeschwindigkeit c ≈ 3 * 108 m/s aus. Die Anzahl der Wellen,
die einen bestimmten Punkt in einer Sekunde passieren, ergeben die
Wellenfrequenz f mit der Einheit [ f ] = 1/s.
Die Energie der elektromagnetischen Wellen errechnet sich über das
Plancksche Wirkungsquantum h:
E = h * f
E ~ f
Mit h = 6,62 * 10-34 Js
[ f ] = 1 s-1 = 1 Hertz = 1 Hz
[ E ] = 1 Joule = 1J
In Abb.2 ist das gesamte elektromagnetische Spektrum logarithmisch
aufgezeichnet. Äquivalente von Wellenlänge und Frequenz können direkt
auf den Skalen abgelesen werden. Durch den proportionalen Zusammenhang
E ~ f sind die hochenergetischen Strahlungen links und die anderen rechts
der Abbildung zu finden.
7
Abb. 2 Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung (Quelle: STRAHLER 1999)
Von der Sonne treffen Wellen aus dem ultravioletten Bereich, dem
sichtbaren Licht bis hin zur infraroten Strahlung auf die Erde.
2.1.3.Wärmemenge und spezifische Wärmekapazität
Wird einem Körper die Energie ∆W zugeführt, so erwärmt sich seine
Temperatur um den Betrag ∆T. Beide Beträge sind proportional zueinander
und hängen vom Material und der Masse m des Körpers ab. Die
hineingesteckte Energie, die zur Temperaturerhöhung führt, wird als die
Änderung ∆Q seiner Wärmemenge Q bezeichnet.
Es gilt:
∆W = ∆Q = c · m · ∆T
[∆Q] = 1J (Joule)
Die Abhängigkeit vom Material wird durch die spezifische Wärmekapazität
c berücksichtigt. Sie gibt die Wärmemenge an, die nötig ist, um einen
Körper der Masse m = 1kg um 1 Kelvin zu erhöhen. Die Einheit von c ist
demnach
[ c ] = Kkg
J•
Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist cWasser = 4185 J kg-1 K-1.
8
Über den Temperaturanstieg ∆T im Kalorimeter und im Wasserspeicher
kann die vom Kollektor aufgenommene Leistung PKol und die an das Wasser
abgegebene Leistung Pnutz ermittelt werden.
2.2. Der Solarkreislauf und seine Bestandteile
Der gesamte Solarkreislauf sollte einen verlustarmen Wärmetransport vom
Kollektor zum Wärmespeicher gewährleisten.
Die wichtigsten Teile sind:
- Der Sonnenkollektor
- Die Rohrleitungen
- Die Solarstation mit Pumpe und Regelung
- Sicherheitseinrichtungen
- Der Wärmespeicher mit Wärmetauscher
Eine richtige Dimensionierung der Kollektorfläche zum Wasserspeicher ist
enorm wichtig. Es ist zwar möglich, das Brauchwasser über das gesamte
Jahr nur mit Sonnenenergie zu erwärmen, aber wirtschaftlicher ist eine
Kombination aus Sonnenkollektor und anderen Energiequellen. Dies liegt
daran, dass die Anlage für den Winterbetrieb eine sehr große Absorberfläche
benötigt und im Sommer zu viel Wärme produzieren würde. Deshalb ist im
Wärmespeicher (vgl. Abb.3) ein zweiter Wärmetauscher angedeutet. Der
Wärmetauscher des Kollektors befindet sich immer im unteren Teil des
Speichers, da sich dort das kältere Wasser ansammelt.
Die Fließrichtung sollte so gewählt sein, dass das warme Wasser aus dem
Kollektor oben heraus fließt und auch den Wärmetauscher als erstes oben
erreicht.
Um Wärmeverluste beim Transport durch die Rohre zu minimieren, sind
kurze Wege vorteilhaft. Es ist also, sinnvoll den Wärmespeicher in die Nähe
des Kollektors zu stellen, meistens ist dies direkt unter dem Dach eines
Hauses. Ein Überblick über die einzelnen Teile des Kreislaufs gibt Abb.3.
9
Abb. 3 Der Solarkreislauf (Quelle: ALBERS 2001)
2.2.1. Der Kollektor und der Absorber
Der Kollektor (Abb.4) besteht aus einem Gehäuse mit ausreichender
Wärmedämmung, einer transparenten Abdeckung, dem Absorber und den
darunter liegenden Rohren zum Transportieren der erzeugten Wärme.
10
Abb. 4 Der Kollektor (Quelle: Themeßl 2004)
Gut aufeinander abgestimmte Teile sind ausschlaggebend für einen optimal
arbeitenden Kollektor. Heutzutage können Wirkungsgrade von über 90%
erreicht werden. Die Beschichtung des Absorbers ist hierbei besonders
wichtig. Während in der ersten Kollektorengeneration konventioneller
Schwarzlack verarbeitet wurde, verwendet man mittlerweile selektive
Beschichtungen. Diese reduzieren die Wärmeabstrahlung auf bis zu 85%
(Abb.5).
Abb. 5 Wärmeverluste in Abhängigkeit der Absorberbeschichtung (Quelle: Albers 2001)
11
2.2.2. Die Wirkungsgradkennlinie
Die aussagekräftigste Eigenschaft eines Systems ist der Wirkungsgrad η
(Eta), er beschreibt das Verhältnis der nutzbaren Leistung Pnutz zur vom
Kollektor aufgenommenen Leistung Pauf :
η = auf
nutz
PP
Dieses Verhältnis wird entweder in Prozent oder als Wert zwischen 0 und 1
angegeben.
Der Wirkungsgrad einer Solarkollektoranlage ist abhängig vom verwendeten
Absorber und seiner Beschichtung, von der Isolierung der gesamten Anlage,
vom Einstrahlwinkel und von der Differenz der Absorbertemperatur zur
Umgebungstemperatur.
Die ersten Bedingungen können in unserem Modell konstant gehalten
werden, aber die Differenz der Absorbertemperatur zur
Umgebungstemperatur verändert sich im Verlauf einer Messung dauernd.
Auf den folgenden Seiten werden die optischen und thermischen Verluste
einer jeden Kollektoranlage erläutert. In Abb.6 ist die ungefähre Aufteilung
der eingehenden Strahlung dargestellt.
Abb. 6 Optische und thermische Verluste am Absorber (Quelle: Themeßl 2004)
Optische Verluste
Aufgrund von Reflexion und Absorption an der Glasscheibe erreicht ein Teil
der Strahlung nicht den darunter liegenden Absorber. Die Reflexionsverluste
machen sich vor allem bei flach einfallenden Strahlen bemerkbar. Die
12
Transmissionsverluste werden durch die Lichtdurchlässigkeit des Materials
bestimmt und durch den Transmissionskoeffizienten τ beschrieben. Je nach
Glassorte dringen 85 bis 95% der Einstrahlung zum Absorber durch. Die
besseren Werte werden durch eisenarmes Solarglas erreicht.
Die am Absorber auftreffende Strahlung sollte möglichst vollständig in
Wärme umgewandelt werden. Um diesen Anteil zu quantifizieren,
verwendet man den Absorptionskoeffizienten α. Selektiv beschichtete
Absorber erreichen hier Werte von über 0,9. Das heißt, 90% der dort
ankommenden Strahlung wird in Wärme umgewandelt1. Aus dem Produkt
beider Koeffizienten α und τ ergibt sich nun der optische Wirkungsgrad ηo.
Es gilt:
ηo = α · τ Dieser gibt an, welcher Bruchteil der Strahlungsleistung Pauf am Absorber in
Wärmeleistung PAbs umgewandelt wird. Die Leistungsangaben P beziehen
sich hierbei jeweils auf einen Quadratmeter Absorberfläche.
Daraus folgt:
PAbs = ηo · Pauf = α · τ · Pauf
[PAbs] = W/m2
[Pauf] = W/m2
Thermische Verluste
Die im Kollektor erzeugte Wärmeleistung PAbs bewirkt einen
Temperaturanstieg ϑ Abs. Auf diese Temperatur wird auch die am Absorber
vorbeiströmende Wärmeträgerflüssigkeit aufgeheizt. Aufgrund energetischer
Ausgleichsprozesse zwischen Absorbertemperatur Absϑ und
Umgebungstemperatur ϑ Umg sind thermische Verluste PVer unvermeidbar.
Diese sind von der Konstruktion des Kollektors und von der
Temperaturdifferenz (ϑ Abs - ϑ Umg) abhängig. Es gilt:
PVer = k · (ϑ Abs- ϑ Umg)
[k] = Watt/m2K
[PVer] = Watt/m2
[ϑ Umg] = [ϑ Abs] = °C
1 Unser Absorber wurde lediglich mit konventionellem Schwarzlack behandelt. Sein Absorptionskoeffizient wird also erheblich geringer als α = 0,9 sein.
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Die Konstruktion des Kollektors wird hier durch den thermischen
Verlustkoeffizienten k berücksichtigt. Er gibt die Leistung in Watt an, die
pro Quadratmeter Kollektorfläche und pro Temperaturunterschied in Kelvin
an die Umgebung abgegeben wird. Durch selektive Beschichtungen können
hier Werte zwischen 2 und 4 Watt/m2K erreicht werden. Der
Verlustkoeffizient k unseres Kollektors wird wahrscheinlich schlechter
ausfallen.
Nutzbare Leistung
Die Nutzleistung Pnutz ist die Differenz zwischen der am Absorber
anliegenden Wärmeleistung PAbs und der an die Umgebung abgegebene
Verlustleistung PVer:
Pnutz = PAbs – PVer = α · τ · Pauf – k · )( UmgAbs ϑϑ −
Sofern die Kennwerte des Kollektors α, τ und k bekannt sind, kann nun bei
gegebener Strahlungsleistung Pauf, die nutzbare Wärmeleistung Pnutz für
jeden Quadratmeter errechnet werden.
Die Kollektorgleichung in 1. Näherung
Der Wirkungsgrad η kann nun folgendermaßen beschrieben werden:
η = auf
nutz
PP
= auf
UmgAbsauf
PkP )( ϑϑτα −∗−∗∗
= auf
UmgAbs
Pk
)( ϑϑτα
−∗−∗
η = xk ∗−∗τα
Der Ausdruck x = auf
UmgAbs
P)( ϑϑ −
wird als „reduzierte Temperatur“ bezeichnet
und in der graphischen Darstellung auf der x-Achse aufgetragen. Die
Kennlinie η(x) ist eine Gerade, deren Steigung durch den k-Wert und der
Schnittpunkt mit der y-Achse durch den Wert von α · τ beschrieben wird.
Die Kollektorgleichung in 2. Näherung
Die erste Näherung der Kollektorkennlinie η(x) ist in der graphischen
Darstellung eine Gerade. Leider zeigen praktische Messungen, dass diese
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lineare Beschreibung nicht hinreichend mit der Realität übereinstimmt. Bei
großen Temperaturunterschieden zwischen Absorber und Umgebung steigen
die Wärmeverluste nicht mehr linear. Der k-Wert ist dann keine Konstante
mehr, sondern eine Funktion der Temperaturdifferenz. Die Gleichung wird
deshalb um ein quadratisches Glied (vgl. LADENER) erweitert:
η(x) = α · τ – k1 · x – k2 · Pauf · x2
mit x = auf
UmgAbs
P)( ϑϑ −
In dieser Gleichung wird deutlich, dass neben dem optischen Wirkungsgrad
ηo= α · τ zusätzlich zwei thermische Verlustkoeffizienten k1 und k2
bestimmend sind. Dadurch entsteht in der graphischen Darstellung der
Kollektorkennlinie eine Krümmung bei großen x-Werten. Verdeutlicht wird
die Abweichung in Abb.7. Die zugrunde liegenden Kennwerte stammen aus
einer Ertragsvorhersage (vgl. LADENER, S.38) für einen selektiv
beschichteten Kollektor mit einfacher Verglasung.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3reduzierte Temperatur [x] = m2K/W
η(x)
2. Näherung
1. Näherung
Abb. 7 Wirkungsgrad eines Kollektors in erster und zweiter Näh
α = 0,9
τ = 0,9
k1 = 3,5 W/m2K
k2 = 0,015 W/m2K
Pauf = 1000W/m2
erung
15
3. Ausgangsbedingungen und Geräteanforderungen Es soll das typische Betriebsverhalten einer Kollektoranlage studiert werden.
Aufgrund der zeitlichen Begrenzung bei Laborübungen (90 Minuten) und
der Trägheit thermischer Anlagen ist es kaum möglich, mehrere Messungen
durchführen zu lassen. In der Experimentieranleitung am Ende dieser Arbeit
wird also ein Auftrag stehen, bei dem das typische Betriebsverhalten mit nur
einer Messreihe erkennbar wird.
Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören folgende Aspekte:
- Die Wassertemperatur im Speicher ϑ Speicher ist nicht an jedem Punkt
gleich. Das warme Wasser steigt auf, während das kalte Wasser
absinkt. Die Schichtung ist als linear zu betrachten und somit für
energetische Berechnungen durch den Mittelwert ϑ Speicher =
2untenoben ϑϑ +
zu ersetzen. Dies gilt nur, wenn die
Temperaturmesspunkte im gleichen Abstand über und unter der
Wassermittellinie liegen.
- Die Kennlinie der Wassertemperatur im Speicher hinsichtlich der
Zeit ϑ Speicher(t) ist eine Kurve, die sich einem Maximalwert annähert.
- Die Absorbertemperatur ϑ Abs ergibt sich aus dem Mittelwert des
Zulaufs ϑ zu und des Ablaufs ϑ ab, also ϑ Abs = 2
abzu ϑϑ + . Sie soll
auf diese Weise ermittelt werden, da der Absorber wie auch der
Speicher nicht an jeder Stelle die gleiche Temperatur aufweisen.
- Der Wirkungsgrad η der Anlage ist nicht konstant. Er sinkt mit
steigender Differenz der Absorbertemperatur gegenüber der
Umgebungstemperatur. Die Wirkungsgradkennlinie soll als Funktion
von x = auf
UmgAbs
P)( ϑϑ −
dargestellt werden.
3.1. Dimensionierung des Kollektors und der Strahler
Die ersten Überlegungen zur Dimensionierung der Anlage resultieren aus
Literaturangaben und bestimmten Vorgaben an die Mobilität.
16
In der Literatur wird der Wirkungsgrad eines Halogenstrahlers mit ca. 15 %
angegeben. Auch wenn sich diese Angaben nur auf die Lichtausbeute
beziehen, so sind sie doch ausschlaggebend für die Entscheidung vier
handelsübliche 500 Watt starke Halogenstrahler zu verwenden.
Der Kollektor soll möglichst groß, aber nicht unhandlich werden. Um gut
durch einen Türrahmen zu kommen, darf das Gehäuse mit den seitlichen
Anschlüssen 70 cm Breite nicht überschreiten. Mit der gleichen Höhe wird
eine Absorberfläche von etwa ¼ Quadratmeter2 erreicht.
Abb. 8 Dimensionierung des Kollektors und der Strahler
3.2. Dimensionierung des Wärmespeichers und des Wärmetauschers
Während die Strahler und der Kollektor von den räumlichen Gegebenheiten
abhängig sind, hängt die Größe des Wärmespeichers von der am Absorber
auftreffenden Strahlungsleistung Pauf ab. Hierzu werden erste Messungen mit
einem Kalorimeter3 durchgeführt.
2 Die Absorberfläche musste in der Breite leider auf 45 cm gekürzt werden. Wir arbeiten also mit 0,5m * 0,45m (= 0,225m2) Absorberfläche. 3 Daten und Zeichnungen des Kalorimeters befinden sich im Anhang.
17
Kalorimeter
Absorberfläche: 12 cm2
Tiefe: 10 cm
Volumen: 110 ml
Isolierung: Polyurethan-Schaum
Abb. 9 Das Kalorimeter
Über die Beziehung der Temperaturerwärmung ∆ϑ Kal kann die vom
Kalorimeter absorbierte Strahlungsleistung PKal ermittelt werden.
PKal = tQ∆∆ =
tmc Kal
∆∆•• ϑ
[PKal] = 1W
Die auftreffende Strahlung pro Quadratmeter Pauf ergibt sich aus:
Pauf = Kal
Kal
AP
[Pauf] = 1W/m2
Abb.10 zeigt, welche Leistung PKol auf unseren 0,225 m2 großen Absorber
treffen würde und wie diese Leistung von der Entfernung der Strahler
abhängt. Dabei gilt:
PKol = = aufPmm •• 22 45,05,0 aufPm •2225,0
[Pauf] = W/m2
PKol (s)
0100200300400500600
0 1 2 3[ s ] = m
[ P ] = Watt
Leistung proKollektorfläch
Abb. 10 Aufgenommene Leistung pro Kollektorfläche in Abhängigkeit der Entfernung der Strahler
18
Die zugehörigen Messreihen sind im Anhang aufgelistet. Auch wenn es sich
um eine saubere Hyperbel handelt, so sind die Messungen leider als zu hoch
einzuschätzen (vgl. Tab.1), da wir bei einem halben Meter Abstand
2162W/m2 Leistung erhalten. Die Strahler arbeiten aber mit maximal
2000Watt elektrischer Leistung.
Gründe hierfür können folgende sein:
- Die Kunststoffplatte vor dem Kalorimeter erwärmt sich bei geringen
Abständen auf über 80°C. Diese hohen Temperaturen können dazu
führen, dass das Wasser nicht nur von der runden schwarzen
Absorberfläche erwärmt wird, sondern auch von der Kunststoffplatte.
- Die vier Strahler senden keine parallelen Lichtstrahlen aus. Bei
geringem Abstand liegt das Kalorimeter in einem Kernstrahl. Ein
Rückschluss vom Kernstrahl auf einen Quadratmeter oder auf die
gesamte Kollektorfläche ist gerade bei geringen Abständen nicht sehr
genau.
Abstand Leistung auf Kalorimeter
Leistung pro m2
Leistung auf Kollektor Zeit Zeit
S PKal Pauf PKol ∆t 1 Liter ∆t 3 Liter
Meter Watt / 11,34cm2 Watt / m2 Watt / 0,225m2 Min Min
0,5 2,45 2162 487 9 26
1 0,96 845 190 22 66 1,5 0,45 394 89 47 141 2 0,27 237 53 79 237
2,5 0,19 169 38 110 330
Tab. 1 Leistungsberechnungen mit dem Kalorimeter
Auch wenn die Leistungsberechnungen nicht fehlerfrei sind, geben sie doch
gute Hilfestellungen für die Dimensionierung des Wärmespeichers. Die
letzten beiden Spalten in Tab. 1 sind Ergebnisse einer Überschlagsrechnung,
die die Zeit angibt, um ein bzw. drei Liter Wasser bei einem Wirkungsgrad
von 50% um ∆t = 30 K zu erwärmen. Die Abhängigkeit des Wirkungsgrades
von der Betriebstemperatur wird hierbei vernachlässigt. Die zugrunde
liegende Gleichung ist also lediglich:
19
tQ∆∆ = PKol =
tTmc
∆∆∗∗ ∆t =
KolPTmc ∆∗∗
Anhand dieser Überschlagsrechnung wurde ein drei Liter fassender
Wärmespeicher gebaut. Die ersten Messungen erforderten allerdings eine
Verkleinerung auf ein kleineres Fassungsvermögen.
Abb. 11 (links) Wärmetauscher für bis zu 4 Liter Wasser
Abb. 12 Wärmetauscher für 1 Liter Wasser
Abb. 13 (rechts) Wärmespeicher für 1 Liter Wasser
Der Grund für die Verkleinerung liegt in der Bedingung, dass nach
spätestens 90 Minuten die Temperaturkurve sichtbar werden soll. Es soll
schließlich nicht der Eindruck entstehen, der Temperaturanstieg verlaufe
linear.
3.3. Regelung des Einstrahlwinkels
Der optische Wirkungsgrad ηo gibt an, welcher Bruchteil der auftreffenden
Strahlung Pauf im Absorber in Wärmeleistung PAbs umgesetzt wird. Dieser
Zusammenhang gilt vorwiegend für senkrecht einfallende Strahlung. Die
Reflexionsverluste an der Abdeckung bei schräg einfallender Strahlung
werden nicht berücksichtigt. Um diesen Einfluss überprüfen zu können,
wurde vor dem Kollektor ein Winkelmesser (siehe Foto) befestigt. Mit
einem Faden kann nun der Winkel zu den Strahlern abgelesen werden. Da
der Wert des optischen Wirkungsgrades bis zu Winkeln von 50° in guter
Näherung gültig ist (vgl. LADENER, S.29), wird diese Messung aus
zeitlichen Gründen vorerst nicht durchgeführt.
20
3.4. Regelung der Fließgeschwindigkeit
Aus Punkt 2.1.4. ist bekannt, wie viel Wärmemenge ∆Q nötig ist, um eine
Flüssigkeit der Masse m um eine bestimmte Temperatur ∆ϑ zu erwärmen.
Die bekannte Nutzleistung Pnutz wird zum Erwärmen der kontinuierlich im
Absorber vorbeiströmenden Flüssigkeit verwendet.
Es gilt:
Pnutz = M * c * ∆ϑ
[M] = kg/s [∆ϑ ] = K
Mit ∆ϑ = ϑ ab - ϑ zu
Die Differenz ∆ϑ wird aus der Temperatur des Zulaufs ϑ zu und der
Temperatur des Ablaufs ϑ ab des Kollektors gebildet.
Soll das durchströmende Wasser um eine bestimmte Temperatur ∆ϑ erhitzt
werden und ist die Leistung Pnutz bekannt, so wird nun die Abhängigkeit der
durchströmenden Wassermenge deutlich:
M = ϑ∆•c
Pnutz
Geringe Temperaturdifferenzen erfordern einen hohen
Wärmeträgerdurchfluss. Hohe Temperaturdifferenzen erreicht man durch
geringe Fließgeschwindigkeiten. Der Volumenstrom kann also die
Absorbertemperatur und somit den Wirkungsgrad beeinflussen.
In unserer Anlage ist eine Drossel (siehe Foto) zur Regulierung der
Fließgeschwindigkeit vorhanden. Allerdings kann diese nicht genau
bestimmt werden, da die Anzeige ein herkömmlicher Wasserzähler aus der
Haustechnik ist. Er dient lediglich der Erkennung schneller und langsamer
Fließgeschwindigkeiten.
Abb. 14 (links) einfache Ausrichtung des Einstrahlwinkels
Abb. 15 (rechts) Drossel, Pumpe und Fließgeschwindigkeitsanzeige
21
4. Betriebsverhalten des Modells 4.1. Wichtige Hinweise vor der Inbetriebnahme
Befüllen des Wärmespeichers und Anschluss des Wärmetauschers
Der Speicher steckt in einem mit Polyurethan-Schaum (Montage-Schaum)
gefüllten Eimer. Die richtige Füllmenge Wasser wird mit einem Messbecher
dosiert. So kann über das Volumen auf die Masse geschlossen werden. Eine
genauere Befüllung ist durch Verwendung einer Waage gewährleistet.
Die Anschlüsse des Wärmetauschers befinden sich im abnehmbaren Deckel
des Speichers und sollten so angeschlossen werden, dass das Wasser aus
dem Kollektor erst oben durch die Spirale fließt. Diese Anschlussvariante
verhindert starke Verwirbelungen des Wassers und ermöglicht somit
sauberere Messungen.
Befüllen des Kollektorkreislaufs
Der Kollektorkreislauf wird über den Zulauf (3) befüllt. Hierzu wird ein
Gartenschlauch mit Schnappverschluss an einen Wasserhahn angeschlossen.
Der Zulauf (3) und beide Entlüftungsventile (2) und (8) müssen offen sein.
An den Enden der Entlüftungsschläuche sollte der Messbecher oder ein
anderes Behältnis zum Auffangen des überlaufenden Wassers stehen.
Ganz wichtig ist ein langsames Befüllen der Anlage, da sich sonst Luft in
den Rohren sammeln kann und die Pumpe nicht richtig arbeitet. Außerdem
entsteht bei zu schnellem Befüllen der Anlage ein zu großer Druck in den
Rohren, dem die Pumpe nicht standhält. Das Barometer sollte während des
gesamten Vorgangs beobachtet werden. Steigt der Druck kontinuierlich an,
sind wahrscheinlich die Entlüftungsventile verschlossen.
Wenn der Wärmetauscher und der untere Teil des Absorbers gefüllt sind,
tritt Wasser aus dem ersten Entlüftungsventil. Das Ventil kann nun
verschlossen werden. Etwas später wird Wasser aus dem oberen Ventil
fließen. Jetzt sollte erst der Zulaufhahn (3), dann der Wasserhahn und zum
Schluss das Entlüftungsventil (8) abgedreht werden, um ein Zurückfließen
des Wassers in den Gartenschlauch zu verhindern. Der Kollektorkreislauf ist
nun komplett gefüllt und entlüftet.
22
Abb. 16 Der Kollektor und seine Bestandteile
1) Kalorimeter 2) Entlüftungsventil unten 3) Hahn mit Gartenschlauchschnappverschluss zum einfachen Befüllen und Entleeren
des Kollektorkreislaufs 4) Volumenstromanzeige 5) Drossel zur Regelung der Fließgeschwindigkeit 6) Pumpe 7) Thermometer des Zulaufs (ϑ zu) 8) Entlüftungsventil oben 9) Thermometer des Ablaufs (ϑ ab) 10) Barometer 11) Thermometer im oberen Teil des Wärmespeichers (ϑ oben) 12) Thermometer im unteren Teil des Wärmespeichers (ϑ unten) 13) Wärmespeicher mit beiden Anschlüssen des Wärmetauschers
23
Abb. 17 Skizze des Versuchaufbaus
1 Lichtquelle 2000 Watt 10 Temperaturanzeige Tzu2 Entlüftungsventil oben 11 Absperrarmatur (Drossel) 3 Druckanzeige 12 Füll- und Entleerungsventil 4 Temperaturanzeige Tab 13 Volumenstromanzeige 5 Temperaturanzeige Toben 14 Pumpe 6 Temperaturanzeige Tunten 15 Kollektor
8 W r 9 Entlüftungsventil unten
7 Wärmespeicher ärmetausche
24
4.2. Berechnung der Strahlungsleistung Pauf
ie Strahlungsleistung pro Quadratmeter Pauf wird, wie unter 3.2.
beschrieben, über die Temperaturkurve ∆T(t) des Kalorimeters bestimmt.
Über einen Zeitraum von 60 Minuten wird der Temperaturanstieg im
Kalorimeter für unterschiedliche Entfernungen der Strahler ermittelt. Auch
hier wird man bei höheren Temperaturen eine Kurve erkennen. Die
maximale Strahlungsleistung Pauf der Strahler wird deshalb im unteren
Temperaturbereich ermittelt. (vgl. Abb.18).
D
∆T (t)
0
5
10
15
20
0 10 20 30 40 50 60[t] = min
[ ∆T ] = K
Abstand 0,5 m Abstand 1 m
Abstand 1,5 m Abstand 2 m
Abstand Leistung pro m2
s Pauf
Meter Watt / m2
0,5 2162
1 845
1,5 394
2 237
2,5 169
Abb. 18 Temperatursteigerung ∆T (t) des Kalorimeters bei unterschiedlichen Abständen
bereits unter 3.1.
wichtig war.
m noch einmal
ärmespeicher
armes Wasser steigt auf, während kaltes Wasser absinkt. Dieser Effekt ist
ei allen Messungen präsent. Im Speicher sind zwei Thermometer
ngebracht, die jeweils den gleichen Abstand zur Mittellinie haben. Da die
chichtung als linear zu betrachten ist, kann die Temperatur im Speicher
immer durch den Mittelwert beider Temperaturen
Die Tabelle der Leistung pro Quadratmeter Pauf wurde
erläutert, weil sie f di imensionierung des Wärmespeichersür e D
Sie ist der Vollständigkeit halber hier in gekürzter For
aufgeführt.
4.3. Temperaturen im W
W
b
a
S
untenϑ und obenϑ ersetzt
werden:
2untenoben
Speicherϑϑ
ϑ+
=
25
Den Unterschied der oberen und unteren Temperatur zeigt Abb.19.
Temperaturunterschiede im Speicher
40506070
[ T ] = °C
0102030
0 100 200[t] = min
obereTemperatur
untereTemperatur
Abb. 19 obere und untere Temperatur im 1-Liter-Wärmespeicher bei 1m S er-Ab
4.4. Anschluss des Wärmetauschers
mer die Variante zu wählen, wie sie auch unter 2.2. im
trahl stand.
Der Wärmetauscher kann auf zwei verschieden Arten angeschlossen werden.
Es ist im
Solarkreislauf dargestellt ist, d.h. das warme Wasser soll von oben nach
unten durch die Spirale fließen. Abb.20 resultiert aus einer Messung mit
zwei Glasscheiben, einem Strahlerabstand von einem Meter und drei Litern
Wasser im Speicher.
26
Guter und schlechter Anschluss des Wärmetauschers
0123456789
10
0 20 40 60
[ t ] = min
[ ∆T ] = K
schlechterAnschluss
guterAnschluss
Abb. 20 Vergleich beider Anschlussmöglichkeiten des Wärmetauschers
ollektorkreislaufs im unteren Teil des Speichers sehr viel Wärme ab.
ieses aufgewärmte Wasser steigt im Speicher nach oben. Der
e entgegen der natürlichen
ng des Transmissionskoeffizienten τ
Die Lichtdurchlässigkeit des Glases wird durch den
Transmissionskoeffizienten τ beschrieben. Am Kollektor können zwei
Glasscheiben getrennt voneinander ein- und ausgebaut werden. Um den
Transmissionskoeffizienten zu bestimmen, werden Messungen mit einer und
mit zwei Glasscheiben durchgeführt. Bei gleich bleibenden sonstigen
Bedingungen, kann über den Vergleich der Nutzleistung Pnutz auf τ
geschlossen werden.
Beim schlecht angeschlossenen Wärmetauscher gibt das heiße Wasser des
K
D
Wärm tauscher arbeitet also
Temperaturschichtung. Es kommt zu der in Abb.20 schwingenden und
wenig effektiven Temperatursteigerung.
Aufgrund dieser Tatsache wurden alle weiteren Messungen mit dem
besseren Anschluss durchgeführt.
4.5. Berechnu
27
Die Ergebnisse in Tab.2 basieren auf einer Messreihe mit 3 Litern Wasser
bei einem Abstand der Strahler von einem Meter. Die Messdauer betrug 60
Minuten.
t ∆T Qnutz Pnutz
1 Glasabdeckung 60 min 10,6 K 132924 J 36,92 W
2 Glasabdeckungen 60 min 8,95 K 112233 J 31,18 W
Tab. 2 Vergleich der Nutzleistung mit einer bzw. zwei Glasabdeckungen
Der Verlust durch die zweite Abdeckung beträgt etwa 16%. Da beide
Glasplatten identisch sind, ist der Transmissionskoeffizient pro Glasscheibe:
τ = 0,84.
Die zweite Glasabdeckung am Kollektor dient nur der Bestimmung des τ-
Wertes. Die weiteren Messungen erfolgen mit nur einer Glasabdeckung.
1 2 auf
it x =
4.6. Die Wirkungsgradkennlinie η(x)
Mit dem großen Wärmetauscher und dem großen Speicher können zwar
bessere Wirkungsgrade erzielt werden. Allerdings weist der kleine Speicher
für Übungszwecke bessere Eigenschaften auf, da er die
Wirkungsgradkennlinie in kürzerer Zeit sichtbar werden lässt.
Laut Kollektorgleichung
η(x) = α · τ – k · x – k · P · x2
auf
UmgAbs
P)( ϑϑ −
m hat der Kollektor seinen höchsten Wirkungsgrad,
essreihen sofort nach Befüllen der Anlage, also mit
kaltem Leitungswasser durchgeführt. Zweitens ist die Umgebungstemperatur
nicht gleich der Raumtemperatur, weil die Strahler sehr viel Wärme
abgeben, die sich aufgrund geringer Luftzirkulation um den Kollektor staut.
wenn x= 0, also die Absorbertemperatur gleich der Umgebungstemperatur
ist.
Die Messungen zeigen aber ein anderes Verhalten. Der Wirkungsgrad
erreicht sein Maximum viel später und fällt dann wie vorhergesagt ab. Die
Absorbertemperatur muss folglich noch lange Zeit unter der
Umgebungstemperatur gelegen haben. Dies hat zwei triviale Gründe:
Erstens wurden die M
28
Vor und hinter dem Kollektor bilden sich also relativ hohe
Temperaturunterschiede, die nur schwer messbar sind.
Abb.21 zeigt den Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Absorbertemperatur.
Im Maximum dieser K rve i ie A ertemp r gleich der
U tur.
u st d bsorb eratu
mgebungstempera
η ( T Absorber )[ η ] = %
024
8
14
[ T Absorber ] = °C
1012
1m6
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65Abb. 21 Wirkungsgrade mit verspäteten Maxima
Die Luft in der Umgebung des Kollektors hat also bei einem Strahlerabstand
on 37°C.
Der Wirkungsgrad i Temperatur x ist in
rgestellt. Der
zugrunde. Die schwarze Linie ist eine Gerade durch die ersten drei
von 1m eine Temperatur v
n Abhängigkeit der reduzierten
Abb.22 da roten Linie liegen die Messdaten aus 7.2.1. (Anhang)
Messpunkte nach dem Wirkungsgradmaximum.
29
η(x)[ η ] = %
η(x) = 0,13 - 1,4x
0,10,120,14
00,020,040,060,08
0,000 0,010 0,020 0,030 0,040[x] = m2K / W
1m
Linear(1.Näherung)
Abb. 22 Erste Näherung und Messwerte
4.7. Berechnung der Koeffizienten α und k1
Die Gleichung der Geraden in Abb.22 lautet
η(x) = 0,13 – 1,4x
enten τ = 0,84 und dem optischen
irkungsgrad ηo, dem Schnittpunkt mit der y-Achse, ergeben sich für den
Mit dem bekannten Transmissionskoeffizi
W
Absorptionskoeffizienten α
ηo = 13,084,0 =•α
α = 84,013,0 ≈ 0,15
und für den thermischen Verlustkoeffizienten k1
k1 ≈ 1,4 Km
W•2
4.8. Berechnung des zweiten thermischen Verlustkoeffizienten k2
Der Wirkungsgrad η(x), der Absorptionskoeffizient α, Der
Transmissionskoeffizient τ, der thermische Verlustkoeffizient k1 und die
Strahlungsleistung Pauf sind nun bekannt.
Es gilt:
η(x) = α · τ – k1 · x – k2 · Pauf · x2
30
21 )(
xPxxk
auf •−•−• ητα k2 =
In dieser Gleichung ist k2 eine Funktion des variablen Wirkungsgrades η(x).
Die einfachste Möglichkeit, k2 zu bestimmen, ist das Einsetzen eines
Wertepaares aus der Kurve aus Abb.22.
Wir nehmen als Beispiel x = 0,02 m2 K W-1 und η(x) = 0,088
Dann erhalten wir für k2
k2 = 2122
121-2
)02,0(845088,002,01,4Wm-0,840,15
−−
−−
•−••
KWmWmKWmK
22 KmW•
k2 ≈ 0,03
ktors, α, τ, k1 und k2 bekannt.
Speicher
on Brauchwasser lässt sich mit
Hilfe der Kennwerte de der Kollektorgleichung
espeichers PSpeicher ist demnach mit der
Absorberfläche des Modells ltiplizieren:
PSpeicher = Pnutz * 0,5m * 0 4 nutz * 0,225m2
[PSpeicher] = W
Die der Abb.23 zugrunde lieg el für die Speicherleistung ist:
Damit sind alle Kennwerte des Kolle
4.9. Berechnung der Speicherleistung P
Die nutzbare Leistung Pnutz zum Erwärmen v
s Kollektors und
vorhersagen. Dabei ist zu beachten, dass Pnutz immer in Watt/m2 angegeben
wird.
Die Leistung des Wärm
zu mu
, 5m = P
[Pnutz] = W/m2
ende Form
PSpeicher = t∆
= QSpeicher∆
t∆
TkgKkg
J∆••
•14180
Tmc ∆•• = t∆
31
Speichertemperatur ∆TSpeicher
und Speicherleistung PSpeicher
30,0
35,0
40,0[P] = Watt
35
40[ ∆T ] = K
0,0
5,0
10,0
15,0
0 50 150 200 250[t] = min
0
5
10
15
20
25
30
25,0
20,0
100
Speicherleistung
Temperaturanstieg im Speicher
bb. 23 Zusammenhang von Temperatur und Leistung
ert. Bei Erreichen
ber die pro Quadratmeter auftreffende Strahlungsleistung Pauf und der
PKol und der im Speicher
umgesetzten L
r Abstand gilt
A
Die Leistungskurve steigert sich bis zu einem Maximalw
dieses Wertes ist die Temperatur des Absorbers gleich der der Umgebung.
Davor war das Wasser in den Leitungen und im Speicher kälter als die
Umgebung.
Statt ü
pro Quadratmeter nutzbaren Leistung Pnutz kann der Wirkungsgrad auch über
die real am Kollektor auftreffende Leistung
eistung PSpeicher berechnet werden.
Für einen Mete
η = aufPnutzP
≈ 2845 −Wm
2−Wm ≈ 0,13
oder
η =
109
Kol
Spei
PP cher ≈
WW25
190≈ 0,13
32
4.10. Offene Frage: Vergleich der theoretischen und der gemessenen
Wirkungsgradkennlinie
Mithilfe der Kollektorgleichung, den ermittelten Kennwerten α, τ, k1, k2 und
der reduzierten Temperatur x kann nun eine theoretische
Wirkungsgradkennlinie für den vorliegenden Kollektor bestimmt werden.
Das folgende Diagramm vergleicht diese theoretische Linie mit den real
gemessenen Kennlinien aus 1m und 1,50m Entfernung.
Theoretischer und gemessener Wirkungsgrad
0
5
-0,025 -0,015
[x] = Km2/W
10
15
20
-0,005 0,005 0,015 0,025 0,035
[ η ] = %
theoretischer Wirkungsgrad Wirkungsgrad bei 1m
Wirkungsgrad bei 1,50m
Abb. 24 Theoretischer und gemessener Wirkungsgrad
Für positive x-Werte ist die Tendenz der Kurven deutlich. Theorie und
en weitestgehend überein. Unklar bleibt der Verlauf für
negative x-Werte bei denen die Umgebung wärmer als der Absorber ist.
etisch erhöht sich der Wirkungsgrad, weil die thermischen Verluste zu
ischen Gewinnen werden.
Unsere grundlegende Annahme, dass der Kollektor seinen maximalen
Wirkungsgrad bei x=0 hat, wäre falsch und alle Rechnungen zur
Bestimmung der Kennwerte fehlerhaft.
Diese Frage wird sich im Rahmen vorliegender Arbeit nicht mehr klären
lassen und sollte lediglich als Anregung zur Vertiefung betrachtet werden.
Praxis stimm
Theor
therm
33
5. Experimentieranleitung für Tutoren
Übung chen zu erwartenden Werte sind in
Technische Übungen
Die folgende Experimentieranleitung ist für die leitenden Tutoren der
en. Die bei den Versu
dieser Anleitung in blauer Schrift eingetragen.
Institut für Technik und ihre Didaktik
Bereich: Energietechnik Übung : Sonnenkollektor Name:
Vorname:
Datum:
Autoren: Stephan Auroyer Christian Hein
1. Zielsetzung In diesem Versuch sollen Sie Ihre Kenntnisse über die Wirkungsweise und das Betriebsverhalten von Sonnenkollektoren vertiefen und erweitern. Folgende Eigenschaften von Sonnenkollektoren sollen untersucht werden:
• Transmissionskoeffizient τ
• Thermische Verlustkoeffizienten k1 und k2 • Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad, Absorbertemperatur
ergie und Leistung nenkollektors
ei
Freiburg.
• Absorptionskoeffizient α
und Umgebungstemperatur • Schichtung des Wassers im Speicher
2. Vorbereitungsschwerpunkte • Berechnung thermischer En• Funktionsprinzip eines Son• Die Kollektorgleichung in 1. und 2. Näherung • Arbeiten mit Excel (fehlende Variablen berechnen; Diagramme) Literatur: SPÄTE, F. u. LADENER H. (2003)8: Solaranlagen. Handbuch der
thermischen Solarenergienutzung. Ökobuch Verlag, Staufen b
34
2.1. Definitionen Pauf und Pnutz : Die auftreffende Leistung Pauf und die nutzbare
Leistung Pnutz sind allgemeine Leistungsangaben, die in Watt pro Quadratmeter Kollektorfläche angegeben werden. Einheit: 1W m-2
PKol und PSpeicher: Die Leistung PKol bezieht sich direkt auf den
Kollektor. Sie wird, wie auch Pauf, über das Kalorimeter bestimmt. Speicher ergibt sich aus dem
cher. Es sind speziell für die vorhandene . Einheit: 1 Watt
Die im Speicher umgesetzte Leistung PTemperaturanstieg ∆TSpei
teAnlage berechnete Wer
.2. Wichtige Gleichungen und Formeln
TAbs = (Tzu+Tab)/2 [ T ] = 1 °C
TSpeicher= (Toben+Tunten)/2 [ T ] = 1 °C
∆Q =
azität cWasser
P = ∆Q/∆t [ P ] = 1 W
grad ηo = α · τ
[ x ] = Km2/W
irkungsgrad η = PSpeicher / PKol
3. Versuchsdurchführung AC T
2
Temperatur am Absorber
Temperatur im Speicher
Änderung der Wärmemenge
Spezifische Wärmekap
c · m · ∆T [ Q ] = 1 J
≈ 4180 J kg-1 K-1
Leistung
Optischer Wirkungs
Reduzierte Temperatur x = (TAbs-TUmg)/Pauf
Kollektorgleichung 1. Näherung η(x) = α·τ – k1·x
W
η = Pnutz / Pauf
H UNG: Das Modell wird über einen Wasserhahn befüllt. Alle Entlüftungsventile müssen offen sein, da die Pumpe nicht für
arf nie mehr als 1,5 bar anzeigen. or dem Schließen des letzten Ventils unbedingt das Wasser
solch hohen Leitungsdruck gebaut wurde. Das Barometer dVabstellen.
35
3.1. Versuchsaufbau:
1 Lichtquelle 2000 Watt 10 Temperaturanzeige Tzu
rossel) ngsventil
oben Pumpe
Temperaturanzeige Tunten 15 Kollektor
Entlüftungsventil unten
2 Entlüftungsventil oben 11 Absperrarmatur (D3 Druckanzeige 12 Füll- und Entleeru4 Temperaturanzeige Tab 13 Volumenstromanzeige
Temperaturanzeige T 14 5 67 Wärmespeicher 8 Wärmetauscher 9 Technische Daten Kollektoranlage: Lichtquelle: Halogen 4 X 500 W Absorber: 2mm Kupferblech Beschichtung: konventioneller Schwarzlack Rohre: 15mm Kupfer Pumpe: Eheim Kreiselpumpe 220V/50Hz Wärmespeicher: Wärmetauscher: 5 Windungen aus 90° Cu-Fittings 15mm Fassungsvermögen: 1 Liter
36
Kalorimeter:
Tiefe: 10 cm Volumen: 110 ml Isolierung: Polyurethan-Schaum Messpunkte:
Absorberfläche: 12 cm2
Speicher: Toben T untenAbsorber: Tzu TabKalorimeter: TKal 3.2. Messung aus 1 Meter Entfernung Messen Sie gleichzeitig die Temperaturen am Absorber (Tzu, Tab), im Speicher (Toben, Tunten) und im Kalorimeter TKal. In den folgenden Tabellen sind die Messpunkte fett markiert. Alle weiteren Werte können anhand der Formeln aus 2.2. berechnet werden. Das Kalorimeter dient der Bestimmung der auftreffenden Leistung Pauf bzw PKol. Es genügen Messwerte für t = 0min und t = 60 min.
Zeit Temperatur Kalorimeter
t TKalmin °C
0 24,3 60 31,8
F ormel Rechnung
∆t60 s 3600 ∆TKal K 7,5 T60 – T0 31,8 - 24,3 ∆QKal J 3449 c * m * ∆T 4180 * 0,11 * 7,5 P W 0,96 Kal ∆Q / ∆t60 3449 / 3600 Pauf Wm-2 800 PKal / FlächeKal 0,96 / 0,0012 PKol W 180 Pauf * FlächeKol 800 * 0,225
37
Die folgenden Messpunkte dienen der Bestimmung der Leistung im
icher und dem daraus resultierenden Wirkungsgrad
Temperaturen icher
Speicher PSpeη = PSpeicher/PKol.
Zeit im Spet T Tunten oben TSpeicher ∆TSpeicher ∆QSpeicher PSpeicher η
min °C °C °C K J W 0 20,7 23,9 22,3 5 21,5 25,2 23,4 1,1 4598 15,3 0,085 10 23,4 27,3 25,4 1,5 6270 20,9 0,116 15 25 29,4 27,2 1,8 7524 25,08 0,139 20 26,8 31,4 29,1 1,9 7942 26,5 0,147 25 28,6 33,7 31,2 2,1 8778 29,3 0,163 30 30,4 35,4 32,9 1,7 7106 23,7 0,132 35 32,4 37,1 34,8 1,9 7942 26,5 0,147 40 34,4 38,8 36,6 1,8 7524 25,1 0,139 45 35,9 40,2 38,1 1,5 6270 20,9 0,116 50 37,4 41,5 39,5 1,4 5852 19,5 0,108 55 38,9 42,9 40,9 1,4 5852 19,5 0,108 60 40,3 44,1 42,2 1,3 5434 18,1 0,101 65 41,5 45,3 43,4 1,2 5016 16,7 0,093 7 42,7 46,3 44,5 1,1 4598 15,3 0,085 0 75 43,8 47,3 45,6 1,1 4598 15,3 0,085 80 44,8 48,1 46,5 0,9 3762 12,5 0,069 8 45,8 48,9 47,4 0,9 3762 12,5 0,069 5 90 46,6 49,8 48,2 0,8 3344 11,1 0,062
38
Die Absorbertemperatur dient der Ermittlung der reduzierten
.
Temperatur x und der Bestimmung der Umgebungstemperatur.
Temperaturen Zeit im Absorber t Tab Tzu TAbs x
min 2°C °C °C Km /W 0 22 19 5 20, 5 10 26 23 24,5 15 20 31 27 29 25 33 29,5 31,25 0 30 35 32 33,5 0,013 35 40 39 35 37 0,032 45 50 42 39 40,5 0,051 55 60 44 41 42,5 0,063 65 70 47 44 45,5 0,079 75 80 49 46 47,5 0,09 85 90 51 47 49 0,099
39
4. Auswertung a) Der maximale Wirkungsgrad wird nach 25 Minuten erreicht. Der
Absorber hat dann eine Temperatur von 1,25 3 °C. Bei dieser m
b ell ie Tob und n(t) in einem Diagramm dar. Die
mp tur im iche her em bestimmten Wert, den ie n bschätzen können. Was bedeutet das? ei Er ichen de Maxim temperatur dient die Eingangsleistung r d Ausg der ische Verluste. Für den irkun sgrad g t in dem all η(x) = 0.
c elle ie η gra dar:
ann eicht Anla en len Wirkungsgrad? e An ge hat i ren maxmg gs
Te peratur ist x=0.
) tTe
S en S en(t) Tunter näera Spe t sich ein
S ur aB re r alnu em leich therm nW g il F
) St n S (TAbs) phisch W err die ge ihr maximaDi la h imalen Wirkungsgrad, wenn die U ebun te ratur h d rbermpe gleic er Abso temperatur ist.
e du hschnittliche Umgebungstemperatur liegt also bei ca.Di rc ,2531 °C. Hier =0.
d ich Sie d emessene Kennlinie η (x):
e re zierte peramg gste ratur rbertemperatur und der ftre den L tung uadratmeter Kollektorfläche Pauf. r m male Wirkungsgrad liegt bei x = 0
ist x
) Ze nend
ie gT mDi u e tu x ergibt sich aus r
U ebunf n
mpee s
, Absopr Qau fe i o
De axi Km2/W. e aru rhalte ir bei erem ll negative Werte für x?
ir b len da odell kaltem Wasser aus der Leitung. Dadurch ist der Absorber in der Anfangsphase kälter als seine Umgebung und führt somit zu negativen x-Werten
f) Bei gegebenem Transmissionskoeffizienten τ ≈ 0,84 können Sie
nun aus dem Schnittpunkt mit der y-Achse, also bei x=0, den optischen Wirkungsgrad ηo ablesen und den Absorptionskoeffizienten α berechnen.
Bei x = 0 Km2/W gilt: η = ηo = α · _τ__
) WW
m eefül
n ws M
uns mit
Mode
α = ηo / τ ≈ 0,163 / 0,84 ≈ 0,19 g) Legen Sie eine Gerade g(x) durch den maximalen Wirkungsgrad
bei x=0 und durch die zwei darauf folgenden Messwerte. Aus der Steigung dieser Geraden ergibt sich der thermische
Verlustkoeffizienten k1. Es gilt die Kollektorgleichung in 1. Näherung η (x) = ηo – k1 · x
k1 ≈ 1,5 bis 2,5 W/m2K h) Wie könnte der Absorptionskoeffizient α verbessert werden? Eine selektive Beschichtung des Absorbers erzielt Werte von
α>0,9.
i) Wie könnte der TDurch Verwendung von eisenar
ransmissionskoeffizient τ verbessert werden? men Solarglas kann τ verbessert
j) 1
ste
Vie
werden.
Wie könnte der thermische Verlustkoeffizient k verbessert werden?
Durch eine bessere Isolierung können die thermischen Verlugering gehalten werden
l Erfolg !!!
41
6. Ausblick eines
Sonnenkollektors zur Analyse seines Betriebsverhaltens zu entwickeln. Alle
n
ennwerte sind auch die Schwachstellen deutlich geworden.
eispielsweise könnten die Koeffizienten α und τ durch einen professionell
sorber und durch Verwendung von eisenarmen Solarglas
verbessert werden. Einen besseren Einblick in das Betriebsverhalten würden
die Studierenden dadurch allerdings kaum erhalten.
Eine Fehlerrechnung der Messungen wurde nicht verlangt und auch nicht
durchgeführt. Dennoch sei darauf hingewiesen, dass es besonders bei den
thermischen Verlustkoeffizienten k1 und k2 erhebliche Fehler gibt, die
aufgrund willkürlicher Auslegung der Geraden entstehen.
Das unterschiedliche Verhalten der theoretischen und der gemessenen
Kennlinien (vgl.4.10.) bei negativen x-Werten hat sich bis zur Abgabe der
Arbeit leider nicht geklärt. Die Frage bleibt offen und sollte zur Diskussion
anregen.
Abschließend möchte ich allen danken, die mich bei dieser Arbeit unterstützt
haben. Insbesondere seien erwähnt:
Werkmeister P. Zurstraßen für seine praktischen Erfahrungen;
Meine Eltern für die finanzielle Unterstützung;
Rudolf Leye für lange physikalische Diskussionen;
Cornelia Klein für ihre sprachliche Kompetenz;
Edmund Glock für seine Hilfe beim Kollektorgehäuse;
Meine Schwester, Sibille Schöntauf, und alle Freunde, die mir immer wieder
Mut machten, trotz knapp werdender Zeit, weitere Verbesserungen
vorzunehmen.
Danke.
Das Ziel dieser Arbeit war ein funktionierendes Modell
zu Beginn gestellten Anforderungen wurden realisiert. Über die ermittelte
K
B
gefertigten Ab
42
7. Anhang n mit dem Kalorimeter7.1. Messunge
Eigenschaften des Kalorimeters Formeln
Länge l = 100 mm
Durchmesser (innen) d = 38 mm
Radius r = 19 mm
Absorberfläche A = 11,34 cm2 A = Π * r2
Inhalt V = 0,113 Liter V = A * l
Dichte des Wassers ρ Wasser = 1 kg/dm3
Kalorimeter bei 0,5 m Abstand
Masse des Wassers m Wasser = 113 g m = ρ * V
spez. Wärmekapazität C Wasser = 4180 J/(kg*K)
Zeit Zeit Temperatur ∆T Σ ∆T ∆Q Absorbertemperatur Minuten Sekunden Celsius Kelvin Celsius Joule Celsius min s ˚C K ˚C J ˚C 0 0 23,4 23 5 300 24,4 1 1 460 29,4 10 600 26 1,6 2,6 736 33,4 15 900 27,6 1,6 4,2 736 30,8 20 1200 29,4 1,8 6 828 31,6 25 1500 31,1 1,7 7,7 782 31,2 30 1800 33,3 2,2 9,9 1012 33,2 35 2100 34,9 1,6 11,5 736 35,6 40 2400 36,6 1,7 13,2 782 35,4 45 2700 38,2 1,6 14,8 736 37,2 50 3000 39,8 1,6 16,4 736 40,8 55 3300 41,2 1,4 17,8 644 41 60 3600 42,6 1,4 19,2 644 43,2 Summe 19,2 8828
Leistung in Watt 2,45 Watt Fläche des Kalorimeters 11,34 cm2
Leistung pro Fläche 2162 Watt/m2
Kollektorfläche 0,225 m2
Leistung auf Kollektor 487 Watt
43
Kalorimeter bei 1 m Abstand Zeit Zeit Temperatur ∆T Σ ∆T ∆Q Minuten Sekunden Celsius Kelvin Celsius Joule min s ˚C K ˚C J 0 0 24,3 5 300 24,7 0,4 0,4 184 10 600 25 1 276 ,3 0,6 15 900 25,9 0,6 1,6 276 20 1200 26 2,3 ,6 0,7 322 25 1500 27,2 0,6 2,9 276 30 1800 27 3,6 ,9 0,7 322 35 2100 28,6 0,7 4,3 322 40 2400 29 5 322 ,3 0,7 45 2700 29 5,6 ,9 0,6 276 50 3000 30,6 6,3 0,7 322 55 3300 31 276 ,2 0,6 6,960 3600 31,8 0,6 7,5 276 Summe 7,5 3449
Leistung in Watt 0,96 WattFläche de 4 s Kalorimeters 11,3 cm2
Leistung Fläche 845 t/mpro Wat 2
Kollektor e ,225 fläch 0 m2
Leistung ollekto 190 Watt auf K r
44
Kalorimeter bei 1,5 m Abstand
∆T ∆Q Zeit Zeit Temperatur ∆T Σ Minuten Sekunden s n iu e Celsiu Kelvi Cels s Joulmin s ˚C ˚C J K 0 0 24,5 5 300 24,8 3 0,3 138 0,10 600 25,1 3 0,6 138 0,15 900 25,3 2 0,8 92 0,20 1200 25,7 4 1,2 184 0,25 1500 26 0,3 1,5 138 30 1800 26,3 3 1,8 138 0,35 2100 26,6 3 2,1 138 0,40 2400 26,9 3 2,4 138 0,45 2700 27,2 3 2,7 138 0,50 3000 27,4 2 2,9 92 0,55 3300 27,8 4 3,3 184 0,60 3600 28 0,2 3,5 92 Summe 5 1609 3,
Leistung in Watt 0,45 Watt Fläche des Kalorimeters 11,34 cm2
Leistung pro Fläche 394 Watt/m2
Kollektorfläche 0,225 m2
Leistung auf Kollektor 89 Watt
45
Kalorimeter bei 2 m Abstand Zeit Zeit Temperatu T T W r ∆ Σ ∆ ∆min Sekunden Celsius in s Joule Kelv Celsiu ˚C 0 0 24 10 ,3 0,3 0,3 137,94 600 2420 ,7 ,4 ,7 3,92 1200 24 0 0 1830 1800 25,1 ,4 ,1 3,92 0 1 1840 2400 25,4 ,3 ,4 37,94 0 1 150 3000 25,8 ,4 ,8 3,92 0 1 1860 3600 26,1 0,3 ,1 7,94 2 13 Summe ,1 5,58 2 96
Leistung in Watt Watt 0,27Fläche des Kalorimeters 4 cm211,3Leistung pr e Watto Fläch 237 /m2
Kollektorflä 25 m2che 0,2Leistung au Kollektor 53 Watt f
46
Kalorimeter bei 2,5 m Abstand
T Zeit Zeit emperatur ∆T Σ ∆T ∆Q Minuten CSekunden elsius Kelvin Celsius Joule min ˚C s K ˚C J 0 0 24,8 5 300 25 0,2 0,2 92 10 600 25,1 0,1 0,3 46 15 900 25,2 0,1 0,4 46 20 1200 25,3 0,1 0,5 46 25 1500 25,4 0,1 0,6 46 30 25,5 ,1 ,7 6 1800 0 0 435 2100 25,6 ,8 0,1 0 46 40 2400 25,8 0,2 1 92 Summe 1 460
Leistung in Watt 0,19 Watt
Fläche des Kalorimeters 4 211,3 cmLeistung pro Fläche 169 Watt/m2
Kollektorfläche 0,225 m2
Leistung auf Kollektor 38 Watt
47
Berechnung der Leistung Pauf durch die Strahler
and stung auf Leistung P1 auf Ko orfläche Leis ro m2
Abst Lei Kalorimeter llekt tung p
s PKal PK P/mol 2 m Watt W Watt / m2 att
0,5 2,45 48 2167 2 1 0,96 19 845 0 1,5 5 89 394 0,42 0,27 53 237 2,5 38 169 0,19
Strahlu leistun Kol bersch ichen tänden
0100
600
0 1 2 3 [ s ] = m
[ P ] = Watt
ngs g P i unte iedl Abs
200300400500
Leistung aufKollektorfläche
Strahlungsleistung PKal bei unterschiedlichen
Abständen
0,000,501,001,502,002,503,00
0 1 2 3 [ s ] = m
[ P ] = Watt
Leistung aufKalorimeter
48
7.2. Messungen mit dem Kollektor 7.2.1. Kollektor bei 1m Entfernung
Zeit Tunten T TSpeicher Σ ∆T ∆Q P η Taus Tzu rber x
oben TAbso
min °C ° K J att % °C °C C °C W °C 0 20,7 23,9 22,3 0 0 22 19 -0,020 0 20,5 1 23,4 27,3 25,35 3,05 1274 21,2 11,18 26 23 -0,015 0 9 24,52 26,8 31,4 29,1 6,8 2842 23,7 12,46 31 27 -0,009 0 4 29 3 30,4 35,4 32,9 10,6 4430 24,6 12,95 35 32 5 -0,004 0 8 33,4 34,4 38,8 36,6 14,3 5977 24,9 13,10 39 35 0,000 0 4 37 50 37,4 41,5 39,45 17,15 7168 23,9 12,57 42 39 5 0,004 7 40,60 40,3 44,1 42,2 19,9 83182 23,1 12,16 44 41 42,5 0,007 70 42,7 46,3 44,5 22,2 92796 22,1 11,6 47 44 45,5 0,010 80 44,8 48,1 46,45 24,15 100947 21,0 11,0 49 46 47,5 0,012 90 46,6 49,8 48,2 25,9 108262 20,0 10,5 51 47 49 0,014 100 48,2 51,4 49,8 27,5 114950 19,2 10,0 52 49 50,5 0,016 110 49,6 52,6 51,1 28,8 120384 18,2 9,60 54 50 52 0,018 120 51,3 53,7 52,5 30,2 126236 17,5 9,22 55 51 53 0,019 130 52,3 54,6 53,45 31,15 130207 16,7 8,78 56 52 54 0,020 140 53,2 55,3 54,25 31,95 133551 15,9 8,36 57 54 55,5 0,022 150 54 56,1 55,05 32,75 136895 15,2 8,00 58 55 56,5 0,023 160 54,8 57,2 56 33,7 140866 14,7 7,72 58 55 56,5 0,023 170 55,4 57,8 56,6 34,3 143374 14,1 7,39 59 56 57,5 0,024 180 56 58,4 57,2 34,9 145882 13,5 7,10 60 56 58 0,025 190 56,9 58,8 57,85 35,55 148599 13,0 6,86 60 57 58,5 0,025 200 57,4 59,2 58,3 36 150480 12,5 6,60 61 57 59 0,026 210 57,8 59,6 58,7 36,4 152152 12,1 6,35 61 58 59,5 0,027 220 58,1 59,8 58,95 36,65 153197 11,6 6,10 62 58 60 0,027
49
7.2.2. Kollektor bei 1,5 m Entfernung
Zeit T ten T T eicher Σ ∆T ∆Q P η Tau Tzu TAbsorber x
un oben Sp s
min ° ° K J Watt % °CC °C C °C °C 0 23,4 25 24,2 0 22 -0,027 21 21,5 10 24,2 26,3 25,25 1,05 4389 7,3 8,2 -0,25 23 24 020 20 2 26,75 2,55 1 0 -0,5,5 28 0659 8,9 1 ,0 27 24 25,5 016 30 27,3 29,8 28,55 4,35 1 1 -0,8183 10,1 1 ,4 29 26 27,5 011 40 29,1 31,3 30,2 6 2 1 -0, 5080 10,5 1 ,7 31 28 29,5 006 50 30,4 33,1 31,75 7,55 3 1 -0,1559 10,5 1 ,8 32 30 31 003 60 31,8 34,8 3 9 3 1 0,03,3 ,1 8038 10,6 1 ,9 33 31 32 00 70 33,6 35,5 34,55 1 4 1 0,00,35 3263 10,3 1 ,6 35 32 33,5 04 80 34,8 36,4 35,6 11,4 4 1 0,07652 9,9 1 ,2 36 34 35 08 90 35,8 37,3 36,55 1 5 0 0,02,35 1623 9,6 1 ,7 37 35 36 10 100 36,7 38,2 37,45 1 5 0 0,03,25 5385 9,2 1 ,4 38 35 36,5 11 110 37,5 38,9 38,2 1 5 0 0,04 8520 8,9 1 ,0 39 36 37,5 14 120 38,3 39,7 3 14,8 6 , 0,09 1864 8,6 9 7 39 37 38 15 130 39,1 40,6 39,85 1 6 , 0,05,65 5417 8,4 9 4 40 38 39 18 140 39,8 41,4 4 1 6 , 0,00,6 6,4 8552 8,2 9 2 41 39 40 20 150 40,4 41,9 41,15 1 7 , 0,06,95 0851 7,9 8 8 41 39 40 20 160 41,1 42,6 41,85 1 7 , 0,07,65 3777 7,7 8 6 42 40 41 23 170 41,6 43,2 42,4 18,2 7 , 0,06076 7,5 8 4 43 41 42 25 180 42,1 43,7 42,9 18,7 7 , 0,08166 7,2 8 1 43 41 42 25 190 42,5 44,2 43,35 1 8 , 0,09,15 0047 7,0 7 9 44 42 43 28 200 42,9 44,6 43,75 1 8 , 0,09,55 1719 6,8 7 7 44 42 43 28 210 43,3 44,9 44,1 19,9 8 , 0,03182 6,6 7 4 45 42 43,5 29 220 43,6 45,3 44,45 2 8 , 0,00,25 4645 6,4 7 2 45 42 43,5 29 230 43,9 45,5 4 2 8 , 0,04,7 0,5 5690 6,2 7 0 46 43 44,5 32 240 44,2 45,8 45 20,8 86944 6,0 6,8 46 43 44,5 0,032 260 44,7 46,3 45,5 21,3 89034 5,7 6,4 46 44 45 0,033 270 44,9 46,5 45,7 21,5 89870 5,5 6,2 47 44 45,5 0,034 280 45,1 46,7 45,9 21,7 90706 5,4 6,1 47 44 45,5 0,034
50
8. Zeichnungen
8.1 Der Absorber
Pos. Menge Bezeichnung Werkstoff
1 18 Fitting: T-Stück für 15mm Rohre Cu
Maßstab 1:6
2 2 Rohre 15mm x 100mm Cu 3 9 Rohre 15 mm x 520mm Cu
4 1 Absorberplatte 2 mm Cu
Absorber mit Rohrführung
5 2 Endstücke für 15 x Rohre Cu
6 18 Verbindungsrohre 15 x 10 mm Cu
Zeichnung 1
Blatt 1
1
2
3
4
5
6
450
550 520 500
45415
8.2. Das Kalorimeter
Pos. Menge Bezeichnung Werkstoff
1 1 Rohr 10mm Cu 2 1 Rohr 40mm Cu
Maßstab 1:2
3 1 Holzkasten 120 x 80 x 80mm Holz
4 1 Füllung Polyurethan-Schaum
5 2 Abdeckung Cu
Das Kalorimeter
Zeichnung 2 Blatt
2
80
120 100
50
40
1
23
4
5
52
9. Bilder
Abb. 25 Frontansicht einer Schwerkraftkollektoranlagen in Keramoti in Griechenland (Quelle: eigene Erhebung 2006)
Abb. 26 Rückansicht einer Schwerkraftkollektoranlagen in Keramoti in Griechenland (Quelle: eigene Erhebung 2006)
53
Abb. 27 Schwerkraftkollektoranlage auf der Insel Thassos in Griechenland (Quelle: eigene Erhebung 2006)
54
10. Abbildungsverzeichnis
Abb. 1 Flächenbedarf für eine solare Vollversorgung bei 10%
Wirkungsgrad (Quelle: WITZEL 1984) 5 Abb. 2 Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung (Quelle:
STRAHLER 1999) 8 Abb. 3 Der Solarkreislauf (Quelle: ALBERS 2001) 10 Abb. 4 Der Kollektor (Quelle: Themeßl 2004) 11 Abb. 5 Wärmeverluste in Abhängigkeit der Absorberbeschichtung
(Quelle: Albers 2001) 11 Abb. 6 Optische und thermische Verluste am Absorber (Quelle:
Themeßl 2004) 12 Abb. 7 Wirkungsgrad eines Kollektors in erster und zweiter Näherung 15 Abb. 8 Dimensionierung des Kollektors und der Strahler 17 Abb. 9 Das Kalorimeter Abb. 10 Aufgenommene Leistung pro Kollektorfläche in Abhängigkeit
18 etauscher für bis zu 4 Liter Wasser 20
bb. 12 Wärmetauscher für 1 Liter Wasser 20 Abb. 13 (rechts) Wärmespeicher für 1 Liter Wasser 20 Abb. 14 (links) einfache Ausrichtung des Einstrahlwinkels 21 Abb. 15 (rechts) Drossel, Pumpe und Fließgeschwindigkeitsanzeige 21 Abb. 16 Der Kollektor und seine Bestandteile 23 Abb. 17 Skizze des Versuchaufbaus 24 Abb. 18 Temperatursteigerung ∆T (t) des Kalorimeters bei
unterschiedlichen Abständen 25 Abb. 19 obere und untere Temperatur im 1-Liter-Wärmespeicher bei 1m
Strahler-Abstand. 26 Abb. 20 Vergleich beider Anschlussmöglichkeiten des Wärmetauschers 27 Abb. 21 Wirkungsgrade mit verspäteten Maxima 29 Abb. 22 Erste Näherung und Messwerte 30 Abb. 23 Zusammenhang von Temperatur und Leistung 32 Abb. 24 Theoretischer und gemessener Wirkungsgrad 33 Abb. 25 Frontansicht einer Schwerkraftkollektoranlagen in Keramoti in
Griechenland (Quelle: eigene Erhebung 2006) 53 Abb. 26 Rückansicht einer Schwerkraftkollektoranlagen in Keramoti in
Griechenland (Quelle: eigene Erhebung 2006) 53 Abb. 27 Schwerkraftkollektoranlage auf der Insel Thassos in
Griechenland (Quelle: eigene Erhebung 2006) 54
18
der Entfernung der Strahler Abb. 11 (links) WärmA
55
11. Literaturverzeichnis
ALBERS, J., DOMMEL, R. u. a. (2001): Der Zentralhei
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Freiburg.
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Solaranlagen – Ein Leitfaden. Ökobuch Verlag, St
WITZEL, W. u. SEIFRIED, D. (2004)2: Das Solarbuch. Fakten. Argume
tegien. Ökobuch Verlag, Staufen bei Freiburg.
56
57
Erklärung
58
Ich, Stephan Auroyer, versichere, dass ich die schriftliche Hausarbeit
selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und
Hilfsmittel benutzt habe. Alle Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem
Wortlaut oder Sinn nach entnommen wurden, habe ich in jedem Fall unter
Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht. Das gleiche gilt auch
für die beigegebenen Zeichnungen, Kartenskizzen und Darstellungen.
Münster, den
_______________
(Stephan Auroyer)
