Überlegungen zur Leistung und zum Wirkungsgrad von Solarkochern

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1 Überlegungen zur Leistung und zum Wirkungsgrad von Solarkochern (Dr. Hartmut Ehmler) Einführung Die folgenden Überlegungen gelten ganz allgemein für Solarkocher, unabhängig ob es sich um einen Parabolkocher, einen Boxkocher oder eine Mischform aus beiden handelt. Bei Solarkochern ist die Aufheizzeit bis zum Koch- oder Garvorgang oft länger als die eigentliche Garzeit. Sie wird einerseits durch die das Kochgut erreichende Leistung bestimmt, welche von vielen Faktoren abhängt z.b. von der Sonnenintensität, bestrahlter Fläche, Reflexionseigenschaften verwendeter Spiegel, Transmission verwendeter Glasscheiben, Absorptionskoeffizient der Topfoberfläche und so weiter. Nicht minder wichtig sind aber die thermischen Verluste beim Aufheizen des Kochgutes im Solarkocher, da hierdurch die Aufheizzeit verlängert wird. Experimentell lassen sich sowohl eingestrahlte Leistung als auch thermische Verluste aus der Aufheizkurve ermitteln. Der Zusammenhang von effektiver Leistung und thermischen Wirkungsgrad soll in diesem Beitrag dargestellt werden. Grundlagen Sei der Solarkocher mit einer Menge Wasser in einem idealen Kochgefäß (ohne Wärmekapazität und mit unendlich guter Wärmeleitung) gefüllt. Wenn sich diese Wassermenge der Masse m ausgehend von der Umgebungstemperatur T 0 um eine kleine Temperaturdifferenz dt in der Zeit dt erwärmt, so wird dafür die Leistung P benötigt: (1) Eine Aufheizkurve ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Man kann aus dem Kurvenverlauf die Leistung gemäß Gleichung (1) berechnen. Hierzu bildet man die Steigung der Tangenten im zu Beginn des Aufheizvorganges, also im Kurvenursprung (bei t=0 und T=T 0 ). Schreitet die Zeit fort, so flacht die Kurve T(t) ab, weil die Wärmeverluste an die Umgebung mit der Temperatur zunehmen und so die an das Kochgut effektiv übertragene Leistung vermindert wird 1. 1 Die thermischen Verluste eines Solarkochers lassen sich übrigens aus einer Abkühlkurve bestimmen. Man befüllt dazu den Kocher mit einer bekannten Wassermenge bei 100 C und misst den Temperaturverlauf ohne Sonneneinstrahlung. Aus der Steigung der Kurve und Gleichung (1) ergibt sich die abgegebene Verlustleistung. 12. Mai 2012 Seite 1

2 Die folgenden Überlegungen beziehen sich der Anschaulichkeit halber auf das Erreichen einer Kochtemperatur von 100 C. Sie sind aber im Prinzip aber auf jede erreichbare Temperatur im Solarkocher übertragbar (z.b. beim Niedertemperaturgaren oder Braten). Abbildung 1: Schematische Darstellung des Aufheizvorganges eines Solarkochers. Aus dem linearen Anstieg zu Beginn der Aufheizkurve ergibt sich die Minimalzeit t* 100. Diese Zeit würde der Kocher benötigen, um ohne Verluste 100 C zu erreichen. Die reale Zeit t 100 ist deutlich länger. Die Endtemperatur T e würde asymptotisch erreicht werden, wenn der Kocher im Leerlauf wäre also ohne Wasser oder Kochgut. Ohne Wärmeverluste würde die Zeit, die man braucht um eine Menge Wasser auf 100 C zu erhitzen, gegeben sein durch die Steigung zu Beginn des Aufheizens und das zu überbrückende Temperaturintervall: - (2) Die tatsächliche Zeit t 100 zum Erreichen von 100 C ist aber aufgrund der Wärmeverluste länger als die Minimalzeit. Es ist naheliegend, als thermischen Wirkungsgrad η therm das Verhältnis von Minimalzeit zu tatsächlicher Zeit ( ) zu definieren. Dies gibt an, wie viel Prozent der eingesetzten Energie beim gesamten Aufheizen beim Kochgut verbleibt und nicht als Wärme an die Umgebung abgeben wird. Beispielsweise würde für einen Wirkungsgrad η therm =50% das Kochgut doppelt so lange brauchen, um die 100 C zu erreichen, wie das ohne thermische Verluste der Fall wäre (bei einem idealen thermischen Wirkungsgrad von 100%). In diesem Beispiel wird also die Leistung effektiv halbiert. Mit dieser Definition des Wirkungsgrades ist also die effektive Leistung : (3) 12. Mai 2012 Seite 2

3 Mathematische Funktion der Aufheizkurve Welcher Zusammenhang besteht nun zwischen der Zeit und der Kochertemperatur ganz allgemein, oder anders gesagt: Kann man eine analytische Funktion T(t) dafür angeben? Eine exakte Lösung der entsprechenden Gleichungen ist leider nur numerisch möglich. Der Grund hierfür ist, dass die Wärmestrahlung eine Rolle spielt und diese mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur steigt. In der Praxis ist es allerdings so, dass die Wärmeverluste in einem relativ breiten Bereich näherungsweise proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Kochgut und der äußeren Umgebung sind. Ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit der Wärmeverluste ist in der Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: Numerisch berechnete Wärmeverluste an die Umgebung für den Solarkocher Lightoven bei einer Umgebungstemperatur von 20 C in Abhängigkeit von der Temperatur des Kochgutes. Für diesen Fall ist eine einfache analytische Beschreibung der Aufheizkurve möglich. Es ergibt sich eine Funktion mit asymptotischem Erreichen der Endtemperatur T e gemäß: Diese Funktion lässt aber den Kochpunkt des Wassers unberücksichtigt und folgt oberhalb von 100 C dem gestrichelten Verlauf in Abbildung 1 bis zum Erreichen der Endtemperatur (solch ein Verhalten wäre beispielsweise in einem Dampfkochtopf zu beobachten). Für die Zeit, nach der das Wasser 100 C erreicht hat gilt: (2) - (3) Die Minimalzeit t * 100 hingegen ergibt sich aufgrund der weiter oben stehenden Überlegungen aus dem anfänglichen Anstieg der Aufheizkurve: - (4) Bildet man die zeitliche Ableitung von Gl. (2) an der Stelle t=0 und setzt diese in die Gleichung (4) ein, so erhält man für die Zeitkonstante τ: 12. Mai 2012 Seite 3

4 (5) Und damit folgt aus (3): - (6) Der thermische Wirkungsgrad wird daher zu: - (7) Das Ergebnis aus Gleichung (7) ist in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3: Universale Beziehung zwischen thermischen Wirkungsgrad und erreichbarer Maximaltemperatur eines Solarkochers, wie sie sich aus einer Näherungslösung für die Aufheizkurve ergibt. Der Wirkungsgrad ist also umso besser, je höher die erreichbare Endtemperatur ist, da dann die thermischen Verluste gegenüber der angebotenen Leistung zunehmend unbedeutend werden. 12. Mai 2012 Seite 4

5 Schlussfolgerungen für einen Solarkochertest Es ist zu betonen, dass Gleichung (7) und die zugehörige Abbildung ganz allgemein für die unterschiedlichsten Solarkocher gilt jedenfalls solange die Näherung der mit der Temperaturdifferenz linear ansteigenden Wärmeverluste noch gut anwendbar ist. Die oben angegebene Näherungslösung (2) ließe sich an leeren Solarkochern überprüfen. Der Wirkungsgrad ist allerdings keine bauartbedingte Konstante des Solarkochers sondern hängt von der eingestrahlten Leistung ab. Da die thermischen Verluste nur von der Temperatur abhängen, wird der Wirkungsgrad umso größer, je höher die Leistung ist. Für die Charakterisierung eines Solarkochers ist daher die Angabe des thermischen Wirkungsgrades bei seiner Maximalleistung (unter optimalen Einstrahlungsbedingungen) eine sinnvolle Größe, anhand derer sich verschiedene Solarkocher vergleichen lassen. Jeder Solarkocher hätte so in dieser Grafik einen gewissen Arbeitspunkt, der sich auf der Kurve befindet. Experimentell kann man den thermischen Wirkungsgrad durch das Zeitverhältnis ( ) aus Messung der Aufheizkurve ermitteln. In einem Solarkochervergleich könnte man so die Leistung und den Wirkungsgrad verschiedener Solarkocher ermitteln und miteinander vergleichen. Maßgeblich für den Nutzer ist die effektive Leistung, die sich durch Multiplikation der beiden Größen ergibt. Äquivalent zur effektiven Leistung wäre die Zeit, die der Solarkocher benötigt, um einen Liter Wasser von 20 C auf 100 C zu erhitzen. Insbesondere für die Parabolkocher hängen Leistung und Wirkungsgrad außerdem vom verwendeten Topf ab. Im Solarkochertest ist daher ein geeigneter Standardtopf für den jeweiligen Solarkocher zu definieren. Es sollten aber wegen der Vergleichbarkeit nur einige wenige Standardtöpfe für die unterschiedlichen Kocher festgelegt werden. 12. Mai 2012 Seite 5