Physikalische Grundlagen zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie

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Timo Dieter
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1 7 Physikalische Grundlagen zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie Umwandlung von Licht in Wärme Absorptions- und Emissionsvermögen 7.1 Umwandlung von Licht in Wärme Zur Umwandlung von Solarenergie in Wärme steht die Solarstrahlung im Wellenlängenbereich von 0,3 bis 2,5 mm im weiteren Globalstrahlung genannt zur Verfügung. Die Globalstrahlung stellt dabei ein Spektrum dar, das aus einzelnen Wellenlängen mit entsprechenden Strahlungsenergien besteht. Im Jahre 1900 stellte MAX PLANCK ein allgemein gültiges Strahlungsgesetz auf unter der Annahme, dass die Strahlungsenergie nicht kontinuierlich abgegeben wird, sondern in kleinen Portionen, den Strahlungsquanten. Strahlungsquanten werden auch Photonen (griech.: phos = Licht) genannt. Die Eigenschaften der Photonen sind charakterisiert: Sie treten nur in ganzzahligen Vielfachen auf und werden vollständig emittiert oder absorbiert, sie sind demzufolge unteilbar. Die Energie der Photonen ist proportional abhängig von der Frequenz der Strahlung W f. Der Proportionalitätsfaktor wurde von PLANCK als elementares Wirkungsquantum eingeführt und wird heute als Plancksche Konstante bezeichnet. n n = 6, Js (Gl. 7.1) Plancksche Konstante [Js] Aus W f folgt mit dem Proportionalitätsfaktor die Energie des Strahlungsquants. Die Bestrahlungsstärke wird bei Photonen gleicher Energie durch deren Anzahl bestimmt. Für die Frequenz gilt: c f = 3 [s 1 ; Hz] (Gl. 7.2) l Strahlungsquanten Eigenschaften der Photonen Das Produkt aus Energie und Zeit 109

2 c Lichtgeschwindigkeit 2, [m/s] l Wellenlänge des Photons in mm (üblich ist auch die Einheit Nanometer [nm]) Beispiel Beispiel Mit der von MAX PLANCK entwickelten Quantenhypothese W = h f soll nachgewiesen werden, dass die Energie eines Photons (Strahlungsquants) von dessen Wellenlänge bestimmt wird. Gewählt werden Wellenlängen von: 0,3 mm aus dem ultravioletten Bereich (UV), 0,5 mm aus dem sichtbaren Lichtbereich. Lösung Aus den Gleichungen 7.1 und 7.2 folgt: h c 6,626 Js 2, m/s 19,86 W = 9 = = 85 [J] l l l Mit l = 0,3 mm bzw. l = 0,5 mm folgt: 19,86 W = ,86 W = W = 6, J W = 3, J und der Umrechnung 1eV = 1, J W = 4,13 ev W = 2,48 ev Energie eines Photons Das Ergebnis zeigt, dass die Energie eines Photons ansteigt, je kürzer dessen Wellenlänge ist. Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge l, der Frequenz f und der Energie W eines Protons ist auf der Abszisse in Bild 7.1 dargestellt Elektromagnetische Wellen und deren Umwandlung in Wärme Das Spektrum elektromagnetischer Wellen reicht von langwelligen Radiowellen l = 10 4 bis 10 3 m bis zu kosmischen Strahlen l = bis m. Plancksches Strahlungsgesetz Das Spektrum im Wellenlängenbereich von l = bis 2, m kann von schwarzen Körpern emittiert und absorbiert werden. Dieses Wissen wird bei thermischen Solaranlagen zur Wassererwärmung durch Absorption elektromagnetischer Wellen genutzt. Die Intensität der sola- 110 Physikalische Grundlagen zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie

3 ren Strahlung ist von der Wellenlänge l abhängig. Sie besitzt ihr Maximum im grüngelben Bereich bei l max 0,55 mm (Bild 7.1). Die einzelnen Farbanteile des sichtbaren Lichtes, die durch das menschliche Auge wahrgenommen werden können, entstehen, wenn weißes Licht über ein Prisma gebrochen wird. Analog tritt dieser Effekt beim Regenbogen auf, wobei die Regentropfen die Funktion des Prismas übernehmen. Die Erfahrung lehrt, dass dunkle Oberflächen von Körpern bei Sonneneinstrahlung also unter Einwirkung elektromagnetischer Wellen wärmer werden als Körper mit hellen Oberflächen. Die auf einen Körper auftreffenden Photonen als Energieträger führen zu einer Schwingungsanregung der Atome bzw. deren elektrisch geladenen Bestandteile (Elektronen, Ionen), die eine Temperaturerhöhung des Körpers zur Folge hat. Je höher die Amplitude der Schwingung der Atome, um so höher ist deren thermische Energie, die als Wärme empfunden wird. Dieser Umwandlungsprozess von Licht in Wärme (thermische Energieform) beruht auf der Eigenschaft des schwarzen Farb- Umwandlungsprozess von Licht in Wärme 2,5 kwm 2 µm 1 2,0 spektrale Bestrahlungsstärke 1,0 0, ,124 0,38 0,55 0,78 1 1,24 µm 2 Wellenlänge l Frequenz f ultraviolett sichtbarer Bereich infrarot 2, , , , , Hz Energie W eines Photons 10 3,26 2,25 9 1,0 ev Bild 7.1 Spektrum und Intensität der Solarstrahlung Umwandlung von Licht in Wärme 111

4 11.5 Blitzschutz und Erdung Hauptpotentialausgleich Alle elektrisch leitenden Teile des Kollektorfeldes sowie das Rohrleitungssystem müssen einen Berührungsschutz aufweisen, d.h. mit dem Schutzleiter (PE) verbunden sein. Soll das Kollektorfeld in eine evtl. vorhandene Blitzschutzanlage einbezogen werden, so ist die Erdungsleitung ( 16 mm 2 ) zwischen dem Kollektorgehäuse, Rohrleitungssystem und dem Erder (z. B. Tiefenerder) zu verbinden. Des weiteren ist mit gleichem Leitungsquerschnitt eine Verbindung zum Hauptpotentialausgleich herzustellen. Bild zeigt mögliche Varianten der Erdung. Der Anschluss des Kollektorfeldes an eine vorhandene bzw. neu zu erstellende Blitzschutzanlage oder die Errichtung eines örtlichen Potentialausgleiches darf nur von autorisierten Fachkräften unter Berücksichtigung örtlicher Gegebenheiten und unter Einhaltung nachstehender technischer Regeln erfolgen: DIN VDE 0100 Teil 540 Errichtung elektrischer Betriebsmittel, Eichung, Schutzleiter, Potentialausgleichsleiter, HAK a) b) 0,5 3 m HAK PAS c) d) Bild Ausführungsvarianten zur Kollektorfeld-Erdung [11.6] a) Separate Erdungsleitung und Banderder als Dachgestellerder b) Ableitung von Blitzschutzanlage als Erdungsleiter und Blitzschutzerder als Dachgestellerder c) Separate Erdungsleitung und Staberder als Dachgestellerder d) Einbeziehung des separaten Dachgestellerders in den Potentialausgleich 202 Kollektorfeldmontage

5 DIN VDE 0185 Teil 1 Allgemeines für die Errichtung von Blitzschutzanlagen, DIN VDE 0190 Hauptpotentialausgleich von elektrischen Anlagen, DIN VDE 0855 Installation von Antennenanlagen (ist sinngemäß anzuwenden). In der Planungsphase ist die Tragfähigkeit und ggf. der baulicher Zustand der Dachkonstruktion zu prüfen. Zur Vermeidung von Unfällen bei Arbeiten auf dem Dach ist die Einhaltung der Empfehlungen und Vorschriften der Bau-Berufsgenossenschaft unbedingt abzusichern. Die Kollektorfeldanordnung kann in Indach-/Aufdach-Aufständerung sowie geständerter Wandmontage erfolgen. Ein möglichst effizienter Wirkungsgrad h der Solaranlage wird erreicht, wenn die Ausrichtung des Kollektorfeldes in Südrichtung erfolgt. Zur Sicherung eines Blitzschutzes müssen alle elektrisch leitenden Teile des Kollektorfeldes sowie das Rohrleitungssystem einen Berührungsschutz aufweisen, d. h. mit dem Schutzleiter (PE) verbunden sein. Blitzschutz und Erdung 203

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