Erwärmen von Wasser in einem Sonnenkollektor

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1 Erwärmen von Wasser in einem Sonnenkollektor ENT Schlüsselworte Strahlungsenergie der Sonne, Energieumwandlung, Sonnenkollektor, Solarthermie Prinzip Sonnenenergie lässt sich mit Hilfe des Sonnenkollektors in Wärmeenergie umwandeln. Ein zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Absorber, der die Strahlungsenergie der Sonne absorbiert und Wärme an einen ihn durchfließenden Wärmeträger abgibt. Mit Hilfe dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend direkt verwendet oder gespeichert. Die häufigste Anwendung bei der Sonnenenergie in Wärme umgewandelt wird, ist die Warmwasserbereitung in Haushalten. In diesem Versuch wird anschaulich demonstriert, wie sich durch einen Sonnenkollektor fließendes Wasser erwärmt. Material *1 Klemmhalter mit zwei Spannstellen *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel *1 Solarkollektor, magnethaftend *1 Trichter, 300ml, zylindrisch, *1 Geräteträger mit Haftmagneten *2 Becherglas, niedrige Form, 400 ml *1 Siliconschlauch, innen-d = 6 mm *1 Schlauchklemme, b = 15 mm Destilliertes Wasser 1 Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor Wasser destilliert 5 l **1 Cobra4 Wireless Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur **1 Halter für Handmessgeräte **2 Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl **1 Software measure für Cobra Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Stativstange PASS, l = 630 mm Lampenfassung E PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Erwärmen von Wasser in einem Sonnenkollektor Aufbau - Den Versuch nach Abb. 1 aufbauen. - Die weiße Metallplatte aus dem Sonnenkollektor entfernen. Die Schrauben nur leicht anziehen, um ein Verbiegen der Plexiglasplatte zu vermeiden. - Um ein Wackeln des Trichters zu verhindern, wird ein kleines Schlauchstück (ca. 3 cm) längs aufgeschnitten und unterhalb des Zylinders angebracht. An dieser Stelle wird der Trichter in dem Klemmhalter fixiert. - Über dem Sonnenkollektor an der oberen Kante der Demotafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange PASS befestigen (siehe Abb. 2). Abb. 2: Aufbau Lampe - Am Ende der Stativstange die Reflektorlampe befestigen und mittig auf den Sonnenkollektor richten (Abstand ca. 40 cm). - Den Trichter möglichst hoch auf der Tafel positionieren um eine gleichmäßige Durchflussgeschwindigkeit zu erreichen. - Das Becherglas auf dem Geräteträger mit dem Ausguss nah an die Wand stellen. - Die Schlauchklemme schließen und den Trichter mit destilliertem Wasser füllen. - Eventuell entstandene Luftblasen aus dem Schlauch heraus drücken. - Die Schlauchklemme öffnen, damit sich der Sonnenkollektor mit Wasser füllt. Klemme wieder schließen. - Den Trichter bis zur 300-ml-Marke auffüllen. Abb. 3: Messwerterfassung 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Erwärmen von Wasser in einem Sonnenkollektor ENT Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Die Sensor-Unit wird nun automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur einschalten. Die Sensor- Unit und die Messgröße T 1 und T 2 werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 3). 1. Messung mit schwarzer Absoberplatte - Die Lampe einschalten und den Sonnenkollektor 10 Minuten bestrahlen. - Messwertaufnahme in measure starten. - Die Schlauchklemme aufdrehen und Wasser aus dem Trichter fließen lassen. - Beim Wasserstand von 200 ml die Zeit notieren. - Wenn der Trichter leer ist, Messung beenden. - Schlauchklemme schließen und die Lampe ausschalten. - Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. 2. Messung ohne Absorberplatte - Die schwarze Platte aus dem abgekühlten Sonnenkollektor entfernen. - Zur Durchführung einer neuen Messung nach measure Cobra4 wechseln. - Den Versuch erneut durchführen. - Lampe ausschalten und Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Erwärmen von Wasser in einem Sonnenkollektor Beobachtungen und Ergebnisse Abb. 4: Messung mit Absorberplatte Abb. 5: Messung ohne Absorberplatte 1. Messung mit Absorberplatte - Wasserstand 200 ml bei t = 0,5 min Temperaturdifferenz T 2 - T 1 = 2.0 C 2. Messung ohne Absorberplatte - Wasserstand 200 ml bei t = 0,5 min Temperaturdifferenz T 2 - T 1 = 1,0 C T 2 : Ausgangstemperatur des Sonnenkollektors T 1 : Eingangstemperatur des Sonnenkollektors (Temperatur im Trichter) 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Erwärmen von Wasser in einem Sonnenkollektor ENT Auswertung Anhand der beiden Messungen ist gut zu erkennen, dass Unterschied zwischen Ausgangstemperatur T 2 und Eingangstemperatur T 1 beim Kollektor mit schwarzer Platte doppelt so groß ist wie beim Kollektor ohne schwarze Absorberplatte. Die schwarze Platte absorbiert also zusätzlich einen großen Teil der Strahlungsenergie, wandelt sie in Wärmeenergie um und gibt diese durch Berührung mit dem Wasserrohr an das Wasser ab. Der hohe Peak, der in beiden Kurven nach einer Zeit von ca. 0,1 min zu sehen ist, entsteht durch das Aufheizen des Kollektors mit stehendem Wassers zu Beginn des Versuches: Das Wasser wird dadurch in der Mitte am wärmsten und fließt dann kurz nach dem Öffnen der Klemme an der Messstelle vorbei. Die vom Kollektor aufgenommene Wärmeenergie Q lässt sich aus der Temperaturerhöhung T und der Menge des erwärmten Wassers m und der spezifischen Wärmekapazität c berechnen. Q = c m T Die erwärmte Wassermenge ergibt sich in diesem Fall aus der Wassermenge, die durch den Sonnenkollektor fließt. Nach Abb. 3 ist ab der Zeit von t = 0,50 min bis t = 1,52 min die Temperaturerhöhung konstant und während dieser Zeit sind 200 ml ausgeflossen und haben sich um 2 C erwärmt (Abb. 3). Damit ergibt sich: Q = 1,7 kj Diese Energiemenge wird vom Kollektor in folgendem Zeitintervall aufgenommen t = 1.02 min = 61 s Damit ergibt sich eine Wärmeleistung von P = 27 W Die auf die Fläche A K des Sonnenkollektors einfallende Strahlungsleistung der Lampe lässt sich ungefähr abschätzen, wenn der Durchmesser d der von der Lampe hell beleuchteten Fläche A L abgeschätzt wird. Außerdem müssen die Fläche des Sonnenkollektors und die Leistung der Lampe bekannt sein. Leistung der Lampe: P L = 120W Fläche auf der Tafel, die ausgeleuchtet wird: d = 30 cm, A L = π/4. d 2 = 0,0707 m 2 Fläche des Sonnenkollektors: A K = 0,015 m. 0,015 m = 0,0225 m 2 Daraus ergibt sich folgende auf den Sonnenkollektor einfallende Strahlungsleistung: P K = P L. A K /A L P K = 38 W Dieser Wert ist von der Größe der geschätzten beleuchteten Fläche abhängig. Die Rechnung soll das Prinzip verdeutlichen. Die erhaltene Wärmeleistung beträgt in diesem etwa 70% der Strahlungsleistung der Lampe. Anwendung In der Praxis erfolgt eine bessere Wärmeübertragung vom Absorber auf das Wasser, indem die Wasserrohre innerhalb der Absorberplatten liegen. Außerdem sind die Platten so beschaffen, dass sie das Sonnenlicht möglichst vollständig absorbieren. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Erwärmen von Wasser in einem Sonnenkollektor Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 3.5 Erwärmen von Wasser in einem Sonnenkollektor (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl Digitale Großanzeige PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P