Demonstrationslabor Erneuerbare Energien
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- Gisela Meissner
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1 International Sakharov Environmental University Demonstrationslabor Erneuerbare Enerien Versuch Verantwortlich für den Inhalt: H. Rettich In Kooperation mit Fachhochschule Osnabrück Labor für Physik und Solartechnik Leitun: Prof. Dr. K. Kuhnke
2 Inhaltsverzeichnis 1. Solarthermie und Kollektorversuche 1.1 Solare Brauchwassererwärmun Kollektoren Speicherkollektor Flachkollektor Vakuumröhrenkollektor Kollektorleistun und Kollektorwirkunsrad Kollektornutzleistun Kollektorwirkunsrad Wirkunsrad-Messun Versuche mit dem Kollektor Komponenten und Geräte Aufbau der Versuche Messunen Auswertun Messfehler Mänel Literatur. 39 Seite 1
3 Abbildunsverzeichnis Abb.1.1: Standard-Solaranlae mit Heizkessel für die Nachheizun. 5 Abb. 1.2: Unverlaster Kollektor und Standartflachkollektor im Schnitt.. 6 Abb.1.3: Verschiedene Kollektor-Typen im Schnitt 6 Abb. 1.4: Querschnitt durch einen Speicherkollektor 7 Abb. 1.5: Schnitt durch einen Flachkollektor... 8 Abb. 1.6: Treibhauseffekt im Kollektor.. 9 Abb. 1.7: Verschiedene Absorberbauformen.. 10 Abb. 1.8: Absorptions- und Emissionsverhalten verschiedener Oberflächen 11 Abb. 1.9: Emissionsrad eines normal-schwarzen Absorbers. 12 Abb. 1.10: Emissionsrad eines Selektiv-Absorbers. 13 Abb. 1.11: Beispiel der Selektiv-Beschichtun eines Herstellers. 13 Abb.1.12: Schnittdarstellun eines Vakuumröhrenkollektors 14 Abb. 1.13: Voräne in einem Flachkollektor.. 15 Abb. 1.14: Bauteile und Enerieströme in Kollektor Abb. 1.15: Absorbierte Bestrahlunsstärke. 17 Abb. 1.16: Voräne im Kollektor mit Konvektion und Wärmeleitun. 18 Abb. 1.17: Kollektorwirkunsrade bei verschiedenen Bestrahlunsstärken und Temperaturdifferenzen.. 20 Abb. 1.18: Wirkunsradkurven zweier uter Kollektoren 21 Abb.1.19: Solarkollektor mit Zubehör 23 Abb. 1.20: STE Wasserpumpe 10 V. 23 Abb.1.21: Netzerät PPS Abb. 1.22: Strahlunsmesserät MacSolar SLM018c-3 25 Abb. 1.23: Schwebekörper-Durchflussmesser 25 Abb. 1.24: Datenerfassunssystem Cobra3-Basic-Unit 26 Abb. 1.25: Aufbau der Versuche mit dem Kollektor.. 27 Abb. 1.26: Aufbau des Kollektorsversuchs mit Zwansumlauf ohne Isolierun Abb. 1.27: Aufbau des Versuches mit Zwansumlauf und Isolation des Systems. 30 Abb. 1.28: Aufbau des Thermosiphonversuches 31 Abb. 1.29: Temperaturverlauf während des Thermosiphonversuche. 32 Seite 2
4 l Abb. 1.30: Temperaturverlauf bei einer Durchflussmene von 39 h m² und Isolation des Systems Seite 3
5 Abkürzunsverzeichnis Emissionsrad ε 1 Bestrahlunsstärke oder solare Strahlleistun E W/m² Absorbierte Bestrahlunsstärke oder Strahlleistun E abs W/m² Kollektorfläche A K m² Transmissionsrad τ 1 Absorptionskoeffizienten α 1 Reflexionsrad ρ 1 Eneriestrom Optische Verluste Thermische Verluste Nutz-Wärmestrom Effektiver U-Wert Q & Q & V opt Q & Vth Q & nutz J/s J/s J/s J/s U eff W/m²K Kollektortemperatur Umebunstemperatur T i T a K K Temperatur am Einan des Kollektors T ein K Temperatur am Ausan des Kollektors Temperaturdifferenz T aus K T K Wirkunsrad η 1 Optischer Wirkunsrad Spezifischer Wärmekapazität Dichte η o 1 c p kj/kk ρ medium k/m³ Volumenstrom V & m³/s Massenstrom m& k/s Seite 4
6 1. Solarthermie und Kollektorversuche 1.1 Solare Brauchwassererwärmun Für die Erwärmun von Brauchwasser werden Sonnenkollektoren auf dem Dach installiert und sind somit das Bindelied zwischen Sonne und Warmwassernutzer. Die Wärme entsteht aufrund von Absorption der Sonnenstrahlun durch einen Absorber. Das erwärmte Wärmeträermedium fließt durch isolierte Rohre zu einem Warmwasserspeicher, wo es in einem Wärmetauscher die Wärme an das Trinkwasser abibt und wieder in den Kollektor zurückeführt wird. In jünerer Zeit werden bei Häusern mit erinem Wärmebedarf Solarkollektoren nicht nur zur Warmwasserbereitun, sondern zunehmend auch zur Heizunsunterstützun einesetzt. Abb.1.1: Standard-Solaranlae mit Heizkessel für die Nachheizun (F = Temperaturfühler) [2] Seite 5
7 1.2 Kollektoren Es ibt unterschiedliche Arten und Bauformen von Kollektoren für verschiedene Einsatzebiete mit spezifischen Kosten und Leistunen. Abb. 1.2: Unverlaster Kollektor und Standardflachkollektor im Schnitt [2] Kollektor mit Konvektionsbremse Kollektor mit transparenter Wärmedämmun Vakuumflachkollektor (mit Abstandhaltern) Luftkollektor Verschiedene Vakuumröhrenkollektoren Abb.1.3: Verschiedene Kollektor-Typen im Schnitt [2] Seite 6
8 1.2.1 Speicherkollektor Der Speicherkollektor (interated collector storae, ICS), eine relativ neue Entwicklun, hat seinen Namen von dem Speicher, z.b. Edelstahltank, der im Kollektor interiert ist. Eine technisch ausereifte Lösun zu finden war nicht einfach, weil bei läneren Schlechtwetterperioden roße Wärmeverluste auftraten. Die Schwachstelle bei den Wärmeverlusten des Kollektors wurde letztendlich durch so enannte transparente Wärmedämmun, die unter der Glasabdeckun anebracht wurde, behoben. Auf der Rückseite ist der Speicherkollektor ebenfalls ut edämmt. Reflektoren lenken das einfallende Licht auf den Speicher. Abb. 1.4: Querschnitt durch einen Speicherkollektor [1] Durch die Einsparun des Wärmespeichers wird die esamte Anlae vom Aufbau her einfacher und billier. Bei einem Speichervolumen von ca. 160 Liter bei 2 m² Kollektorfläche verhindert das Gewicht manchmal den Aufbau auf dem Dach, und die Wärmeverluste bei läneren Schlechtwetterperioden sind höher als bei einem optimal edämmten Wärmespeicher im Keller. Seite 7
9 1.2.2 Flachkollektoren [1] Flachkollektoren sind die derzeit am meisten verbreiteten Kollektoren. Sie setzen sich im Wesentlichen aus transparenter Abdeckun, Kollektorehäuse und Absorber zusammen. Der Absorber im Inneren des Kollektors wandelt die Sonnenstrahlun in Wärme um und ibt diese an das Wärmeträermedium ab. Die Rückseite des Kollektors ist edämmt, in Richtun Sonne ist er durch eine Glasscheibe abedeckt. Die Scheibe minimiert die Konvektions- und Strahlunsverluste und verhindert die Abstrahlun der Wärme an die Umebun wie in einem Treibhaus. Abb. 1.5: Schnitt durch einen Flachkollektor [2] Das Kollektorehäuse kann aus Kunststoff, Blech oder Holz herestellt werden. Die rückseitie Wärmedämmun muss aus einem temperaturbeständien, ut i- solierenden Material sein. Weil im Kollektor Leerlauftemperaturen von etwa 200 C auftreten können, müssen alle Bauteile diesen Temperaturen standhalten können. Die Frontscheibe des Kollektors soll einerseits das Sonnenlicht mölichst ut hindurchlassen, andererseits die Wärme des Absorbers wie in einem Treibhaus zurückhalten. Die Abdeckun des Kollektors muss nach [2] folende Eienschaften besitzen: hohe Lichtdurchlässikeit während der esamten Lebensdauer des Kollektors erine Reflexion Seite 8
10 Schutz vor Auskühlun durch Wind und Konvektion Schutz vor Feuchtikeit Stabilität bei mechanischer Beanspruchun Als Frontscheibe wird meistens thermisch behandeltes, eisenarmes Solarsicherheitslas verwendet. Abb. 1.6: Treibhauseffekt im Kollektor [4] Wie in der Abbildun 1.6 darestellt, durchdrint sichtbare Strahlun (blaue Kurve) die Scheibe nahezu unehindert, da die Glasscheibe im sichtbaren Bereich einen hohen Transmissionsrad (rüne Kurve) aufweist. Der schwarze Absorber wandelt die sichtbare Strahlun in Wärme um, was zu einer starken Erwärmun des Absorbers führt. Die rote Kurve zeit die Wärmeverluste infole der Infrarot- Strahlun, die jeder erwärmte Körper entsprechend seiner Temperatur abstrahlt. Ween der erinen Durchlässikeit der Glasscheibe für die IR-Abstrahlun, kann die Infrarot-Strahlun den Kollektor nur sehr eschwächt verlassen. Seite 9
11 Für Absorber werden ausschließlich Kupfer, Stahl oder Aluminium verwendet, wobei verschiedene Bauformen zum Einsatz kommen. Abbildun 1.7 zeit einie Beispiele dafür: Aluminiumrollbondabsorber Absorberstreifen aus Aluminium mit einepressten Kupferrohr Absorber mit zwischen zwei Blechen einepresstem Rohsystem Absorber mit einem auf ein Blech aufelöteten Rohrsystem Vollflächi durchströmter Edelstahlabsorber Abb. 1.7: Verschiedene Absorberbauformen [2] Seite 10
12 Trifft die Solarstrahlun auf den Absorber, wird sie überwieend absorbiert und teilweise reflektiert. Durch die Absorption entsteht Wärme, die im Blech an die Wärmeträerrohre- und Kanäle eleitet wird. In Wärmeträerrohren und -Kanälen strömt das Wärmeträermedium, das die Wärme aufnimmt und zum Speicher transportiert. Es wird anestrebt, dem Absorber ein hohes Absorptionsvermöen für Licht und niedries Emissionsvermöen für Wärme zu eben. Dies wird durch eine Selektivbeschichtun erreicht, welche die Umwandlun von kurzwellier Solarstrahlun in Wärme optimiert und lanwellie Wärmeabstrahlun erin hält. Nach [2] bestand früher die Selektivbeschichtun aus Schwarzchrom oder aus Schwarznickel. Seit einien Jahren werden Selektivschichten aneboten, die im Vakuumverfahren aufebracht werden. Abb. 1.8: Absorptions- und Emissionsverhalten verschiedener Oberflächen [3] Auf den nachfolenden Abbildunen 1.9 und 1.10 kann man sehen, wie sich der Emissionsrad des Kollektors mit normal-schwarzem Absorber im Verleich zu einem Selektiv-Absorber verhält. Die aufenommene Sonnenstrahlun ist bei den beiden relativ leich, jedoch ist die abeebene Wärmestrahlun bei einem Selektiv-Absorber sehr erin. Seite 11
13 Abb. 1.9: Emissionsrad eines normal-schwarzen Absorbers [4] Der normal-schwarze Absorber weist bei allen Wellenlänen den leichen Emissionsrad ε 0, 95 auf (Abb. 1.9). Daher wird die IR-Strahlun unehindert abestrahlt und nur durch die Frontscheibe behindert (siehe oben Treibhauseffekt). Genau enommen, wird die IR-Strahlun durch die Scheibe absorbiert, was zu einer Erwärmun der Scheibe führt. Die Scheibe ihrerseits strahlt die Wärme ab, die dann den Wärmeverlust des Kollektors darstellt. Ein Selektiv-Absorber (Abb 1.10) weist demeenüber ein anz anderes Abstrahlverhalten auf. Die durchezoene rote Linie zeit die abestrahlte IR-Strahlun des Selektiv-Absorbers, was nach [4] etwa 10% der IR-Abstrahlun des normal-schwarzen Absorbers (punktierte rote Linie) darstellt. Diese Voräne bewirken, dass dem Absorber wenier Wärmestrahlun verloren eht und die Scheibe sich wenier erwärmt, so dass erheblich wenier Wärmeverluste auftreten. Seite 12
14 Abb. 1.10: Emissionsrad eines Selektiv-Absorbers [4] Abb. 1.11: Beispiel der Selektiv-Beschichtun eines Herstellers [3] Seite 13
15 1.2.3 Vakuumröhrenkollektoren Vakuumröhrenkollektoren basieren auf der Tatsache, dass die beste Mölichkeit thermische Verluste zu minimieren ist, den Luftraum zwischen Absorber und Glasabdeckun zu evakuieren. Ein Vakuumkollektor besteht aus einer Anzahl von miteinander verschalteten Röhren, die am Kopf durch einen Sammler bzw. Verteiler verbunden sind. Abb.1.12: Schnittdarstellun eines Vakuumröhrenkollektors mit Bezeichnun verschiedener Flächen. [2] Seite 14
16 Die durch den Unterdruck in der Röhre entstehenden Kräfte werden durch die hohe Druckfestikeit der Röhrenform aufenommen. Es ibt eine Vielzahl von Bauvarianten, auf die hier aber nicht weiter eineanen wird. 1.3 Kollektorleistun und Kollektorwirkunsrad Kollektornutzleistun Nachdem der Aufbau und Materialien kurz erläutert wurden, kommt nun die Berechnun der Kollektornutzleistun. Der Kollektor nutzt die Bestrahlunsstärke E, die auf die Kollektorfläche A K auftritt und mit dem Transmissionsrad τ der Abdeckun und dem Absorptionsrad α des Absorbers ewichtet wird und wandelt diese in Wärme um. Abb. 1.13: Voräne in einem Flachkollektor [1] Der esamte einestrahlte Eneriestrom Q & eribt sich aus der esamten lobalen Bestrahlunsstärke E multipliziert mit der Kollektorfläche A K : Q& = E A K Seite 15
17 Abb. 1.14: Bauteile und Enerieströme in Kollektor [4] An der Frontscheibe, wie den Abbildunen 1.13 und 1.14 zu entnehmen ist, wird ein Teil der eintreffenden lobalen solaren Strahlunsleistun Teil absorbiert und der rößte Teil hindurch elassen. E reflektiert, ein Die Voräne können durch den Reflexionsrad ρ, den Absorptionsrad α und den Transmissionsrad τ ausedrückt werden. Seite 16
18 Demnach eribt sich die absorbierte Bestrahlunsstärke eines Kollektors am Absorber aus der solaren Strahlunsleistun Absorptionskoeffizienten τ und α (Abb. 1.15). E multipliziert mit Transmissions- und E abs = E τ α Abb. 1.15: Absorbierte Bestrahlunsstärke [4] Nach [4] werden optische Verluste Q & V opt durch das effektives Transmissions- Absorptions-Produkt τ α beschrieben, das auch vom Einfallswinkel der Strahlun abhäni ist. & QV opt = E AK ( 1 τ α) Thermische Verluste Q & V th werden durch den effektiven U-Wert U eff beschrieben, der die Verluste durch Wärmeleitun, Konvektion und IR-Abstrahlun zusammenfasst, und hänen von der Kollektortemperatur T i und Umebunstemperatur T a ab. Der U-Wert ibt den Wärmeverluststrom pro Quadratmeter Kollektorfläche und Grad Celsius (bzw. Kelvin) Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Außenluft an. Typische U-Werte für Kollektoren lieen zwischen 2 und 5 W/ (m² K). Kollektoren mit kleinerem U-Wert erzielen in der kalten Jahreszeit rößere Gewinne. Der effektive U-Wert wird durch U eff = U + U ( T T 0 1 i a ) darestellt. Seite 17
19 Die Verlustfaktoren U0 und U1werden zumeist aus Messunen der Kollektorkennlinien bestimmt. Oftmals wird die Rechnun vereinfacht, in dem man mit dem einzelnen Verlustfaktor U oder U eff für Wärmedurchanskoeffizient, rechnet. & QV th = U A ( T T ) + U1 A ( T T )² A ( T T 0 K i a K i a eff K i a U ) Die Einheit von U eff ist: [ U eff ] = W m² K Somit eribt sich der Nutz-Wärmestrom Q & nutz aus der esamten einestrahlten Leistun Q &, subtrahiert optische und thermische Verluste Q & V opt und Q & V th. Q& nutz = Q& Q& Q& = E A E A ( 1 τ α) U Vopt Vth K K eff A K T i a Q& nutz = E A K τ α U eff A K T i a Die Verluste durch Reflexion lassen sich über den Reflexionsrad ρ des Absorbers aus dem durch die Frontscheibe durchelassenen Strahlunsanteil bestimmen. So folt aus 1 ρ = α = Absorptionsrad: Q & nutz = τ E A ( 1 ρ) Q& K V th Abb. 1.16: Voräne im Kollektor, einschließlich Konvektion und Wärmeleitun [4] Seite 18
20 1.3.2 Kollektorwirkunsrad Der Wirkunsrad eines Kollektors kann nun aus der erzielbaren Kollektornutzleistun Q & nutz, der Kollektorfläche A K sowie der auftreffenden Bestrahlunsstärke E bestimmt werden. Q& nutz Q& nutz Mit η = = für den Kollektorwirkunsrad folt: E AK Q& η = τ α U eff Ti T ( E a ) Die Funktion des Kollektorwirkunsrades ist von der Form y = a b x, dabei ist U eff die Steiun der Geraden. In Wirklichkeit verläuft die Funktion des Wirkunsrades nicht eradlini, sondern ist eine abfallende Kurve, entsprechend U eff = U + U ( T T ). 0 1 i a Demnach wird T T ² i a i a η = τ α U 0 U1, E E und der Koeffizient des quadratischen Terms, U 1, beschreibt, wie stark die Kurve durch ihre Krümmun von einer Geraden abweicht. Jedem Kollektor sind viele Wirkunsradkurven zuzuordnen, weil die thermischen Verluste mit zunehmender Temperaturdifferenz zunehmen und bei erinerer Bestrahlunsstärke der Wirkunsrad schneller sinkt, wie der Abbildun 1.17 zu entnehmen ist. Seite 19
21 Temperaturdifferenz ( T T ) i a / C Abb. 1.17: Kollektorwirkunsrade bei verschiedenen Bestrahlunsstärken und Temperaturdifferenzen [3] Die Wirkunsradkurve beinnt ween der optischen Verluste bei etwa 0,8. Dieser Punkt wird als Konversationsfaktor η o bezeichnet. Er spieelt den optischen Wirkunsrad, also den Wirkunsrad des Kollektors, wenn keine thermischen Verluste auftreten. η = τ α o Aus dem Diaramm lässt sich die Kollektorstillstand-Temperatur ermitteln, bei der dem Kollektor keine Nutzleistun entnommen werden kann, also η = 0. Um die Rechnun und Darstellun zu vereinfachen, bedient man sich einer einzelnen, o reduzierten Wirkunsradkurve, wobei auf der Abszisse Ti a E aufetraen wird. Dabei ist U eff die Steiun der reduzierten Wirkunsradkurve und charakterisiert damit den Kollektor. Seite 20
22 Vakuumröhrenkollektoren haben im Verleich zu Flachkollektoren deutlich erinere thermische Verluste, so dass der Wirkunsrad besonders bei niedrien Außentemperaturen deutlich höher ist. In der Abbildun 1.18 sind Wirkunsrade zweier uter Kollektoren darestellt. η ( T T ) i a / K Abb. 1.18: Wirkunsradkurven zweier uter Kollektoren bei der Bestrahlunsstärke W E = 800 [4] m ² Seite 21
23 1.3.3 Wirkunsrad-Messun Der Wirkunsrad eines Kollektors kann bestimmt werden, indem die Temperaturen am Ein- und Ausan des Kollektors zur Bestimmun emessen werden. Der Kollektornutzleistunsstrom eribt sich aus dem Massenstrom m& des Wärmeträermediums, das durch den Kollektor strömt, multipliziert mit der spezifischer Wärmekapazität c p des Wärmeträermediums und der Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und dem Ausan des Kollektors. [3] Q & = m& c ( ) p Taus T oder ein Q& = ρ medium V& c p Taus ein nutz nutz Damit eribt sich der Wirkunsrad η = ρ medium V& E c p A T K aus ein k kj l m² 1 k J m³ s K m² Einheiten: [ η ] = K = = 1 m³ k K h W m² m³ k K s J m² Seite 22
24 1.4 Versuche mit dem Kollektor Es können mehrere Versuche mit dem Kollektor durcheführt werden, um die Funktions- und Wirkunsweise einzelner Komponente und Geräte zu verdeutlichen und zu studieren. Anschließend kann der Wirkunsrad des für das Demonstrationslabor beschafften Kollektors rechnerisch bestimmt werden sowie die Abhänikeit des Wirkunsrades von der Durchflussmene und der Isolierun analysiert werden. Zum Lernumfan ehört auch rafische Ausabe der Messerebnisse mit Hilfe der mitelieferten Software oder Excel. Zum Schluss können Fehler und Messabweichunen abeschätzt und auserechnet werden und es kann auf möliche Verbesserun des Versuchsablaufes eineanen werden Komponenten und Geräte Für die Versuche wurde ein Demonstrations-Solarkollektor mit besonders eriner thermischer Träheit der Firma Leybold Didactic ausewählt. Alle Leitunen und Anschlüsse sowie der Warmwasserspeicher sind im Set vorhanden. Die Glasabdeckun des Kollektors kann entfernt werden. Die Absorberoberfläche des Kollektors ist aus Aluminium und hat die Maße 420 x 305 mm, entsprechend 0,1281 m². Kammerförmie Erweiterunen an Ein- und Ausflussstelle ermölichen das Einbrinen von Messfühlern zur Bestimmun der Wassertemperatur. Der Rahmen des Kollektors hat auf einer Seite 4-mm-Buchsen zur Befestiun und zum elektrischen Anschluss einer STE Miniaturpumpe für Kollektorbetrieb mit Zwansumlauf. Abb.1.19: Solarkollektor mit Zubehör [9] Abb. 1.20: STE Wasserpumpe 10 V [9] Seite 23
25 Die Leitunsanschlüsse sind zusätzlich zu besseren Dichtikeit mit Universal- Schraubklemmen versehen. Weil jeliche Isolierun der Leitunen fehlte, wurden bei Sanitär-Großhandel handelsübliche Rohrisolierunen beschafft, die in einien Versuchen zur Isolation der Leitunen benutzt werden können. Zur Isolation des Warmwasserspeichers wurde aus einem handelsüblichen Weichschaumstoff ein Isolations-Mantel anefertit und mit Hilfe eines Damenstrumpfes elastisch am Speicher befestit. Technische Daten der Wasserpumpe: Betriebsspannun : bis 10 V DC Stromaufnahme: max. 2,2 A Förderleistun: max ml / min Förderhöhe: > 2 m Zulässie Flüssikeitstemperatur: max. 60 C Schlauchanschlüsse: je 6 mm Ø Steckerabstand: 50 mm Abb.1.21: Netzerät PPS 3003 [11] Zur Versorun der Wasserpumpe mit Spannun wurde ein Netzerät PPS 3003 des Herstellers Voltkraft vom beschafft. Es liefert eine stufenlos einstellbare Ausansspannun von 0 30 V und einen Ausansstrom von 0-3 A. Der Anschluss der Wasserpumpe zum Netzerät erfolt mit handelsüblichen Messleitunen. Weil die Versuche hauptsächlich im Gebäude durcheführt werden sollen, wurden 4 Leuchtenkörper zur Aufnahme von 400 W Osram HQI-BT 400 D Metalldampflampen mit einem sonnenähnlichen Lichtspektrum zur Beleuchtun des Kollektors auf einem rollbahren Aluminiumstativ aufebaut. Seite 24
26 Zur Messun der Bestrahlunsstärke soll ein Globalstrahlunsmesserät MacSolar SLM018c-3 verwendet werden. Die Messun der Lichtintensität erfolt durch monokristalline Solarzellen, welche zusätzlich die Stromversorun des Gerätes übernehmen. Das Gerät besitzt nach einer Kalibrierun im Solarsimulator auf das Spektrum der Sonne eine hohe Grundenauikeit. Das Gerät kann nach [12] die Bestrahlunsstärke E pro m² und Abb. 1.22: Strahlunsmesserät MacSolar SLM018c-3 [12] die Umebunstemperatur T in C darstellen. Die Daten können abelesen werden als aktuelle Messwerte, ermittelt 2mal pro Sekunde, oder als Maximalwert nach Beinn der Messun. Das Gerät kann mittels einen Datenkabels und der dazuehörien Software die Daten auf einem PC darstellen. Zur Messun des Volumenstroms des Wärmeträermediums wird ein Schwebekörper-Durchflussmesser FD-1250 für erine Durchflussmenen verwendet. Das Gerät arbeitet nach dem bewährten Schwebekörperprinzip, wobei das strömende Medium den schwebenden Körper een die Schwerkraft in einem konischen Messrohr bewet. Die Höhe des Körpers ist ein Maß für den Durchfluss und kann an der auf dem Messlas anebrachten Skala abelesen werden. Das Gerät ist mit einem Nadelventil zur enauen Durchflussreelun auserüstet. Technische Daten des Gerätes: Messbereich: 2,5-25 l/h. Messenauikeit: ± 5 % Maximale Temperatur: 100 C Abb. 1.23: Schwebekörper-Durchflussmesser [13] Seite 25
27 Zum Messen der Temperatur und zur visuellen Darstellun sowie Speicherun der Daten wird eine Cobra3-Basic-Unit, ein Interface zum Messen, Steuern und Reeln, verwendet. Der Betrieb erfolt mit einem Computer über eine serielle Schnittstelle. Es können 2 Halbleiter-Temperatursensoren an die Sensorports S1 und S2 und ein weiterer an das Temperatur-Messmodul PT 100 des Datenerfassunssystems aneschlossen. Das PT 100 Temperatur-Messmodul hat eine Auflösun von 0,01 K. Die zwei anderen Abb. 1.24: Datenerfassunssystem Cobra3-Basic-Unit Sensoren haben eine Auflösun von 0,5 K und 0,2 K, jeweils an Sensorports S1 und S Aufbau der Versuche Der Demonstrations-Solarkollektor wird am besten auf einem Tisch aufestellt und die Pumpe in die im Rahmen dafür voresehene 4-mm-Buchsen einesteckt. Daneben wird ein Stativ mit Universalklemmen aufestellt, an dem der Warmwasserspeicher befestit wird. Der Schwebekörper-Durchflussmesser wird mit einer Kolbenhalter-Klemme ebenfalls am Stativ des Speichers befestit. Zwei Halbleiter-Temperatursensoren werden een eine Beeinflussun durch die Wärmestrahlun der Strahler mit den Rohrisolierunen abedeckt und mit Hilfe der dafür voresehenen Gummistopfen in die kammerförmien Erweiterunen am Ein- und Ausflussstellen des Kollektors einesteckt. Es sollten ein PT 100 und ein Halbleiter-Temperatursensor an Sensorport S2 mit kleinster Auflösun für die Messun der Temperatur am Ein- und Ausan des Kollektor verwendet werden. Es folt die Verbindun von Kollektor, Pumpe, Warmwasserspeicher und Durchflussmesser mit Schläuchen. Die Schläuche und der Warmwasserspeicher können wählweise isoliert werden oder nicht isoliert bleiben. Dies ist abhäni von dem zu untersuchenden Verhalten des Kollektors. Die Wasserpumpe wird an das Netzerät aneschlossen. Schließlich wird der Warmwasserspeicher mit Wasser efüllt, das bei allen Versuchen als Wärmeträermedium dient. Seite 26
28 Der Einsatz von üblichen Wärmeträermedien der Solarthermie ist bei den Versuchen mit dem Demonstrations-Solarkollektor nicht notwendi, weil der Kollektor in Labor nicht den Umwelteinflüssen und niedrien Temperaturen ausesetzt wird. Der Aufbau der Versuche ist in der Abb abebildet. Abb. 1.25: Aufbau der Versuche mit dem Kollektor Das aufebaute Solarkollektor-System sollte vollkommen mit Wasser efüllt sein, was jedoch ein Problem darstellen kann. Ween des Luftwiderstandes in der Pumpe und im Durchflussmesser ist es nicht einfach, das System luftfrei zu bekommen. An der Stelle ist die Kreativität und Behutsamkeit des Bedieners im Uman mit den einzelnen Komponenten des Solarkollektor-Systems efrat. Schließlich wird der dritte Temperatursensor in den Warmwasserspeicher einetaucht sowie die Cobra3-Basic-Unit aneschlossen. Die Leuchten werden eineschaltet. Diese brauchen ca. 10 Minuten Vorwärmzeit, um auf die Betriebsleistun zu kommen. Seite 27
29 Sobald eine konstante Strahlunsleistun, emessen mit dem Strahlunsmesserät, festestellt wird, kann mit den Versuchen beonnen werden Messunen Es können mehrere Messunen mit dem Demonstrations-Solarkollektor durcheführt werden: Messunen bei verschiedenen Durchflussmenen bei nicht isolierten Leitunen und Warmwasserspeicher. Zu analysieren ist dabei der Temperaturverlauf am Ein- und Ausan des Kollektors und der von der Durchflussmene abhänie Wirkunsrad. Die Durchflussmene wird mit der Spannunsversorun der Pumpe einestellt. Eine enauere Reelun kann mit dem Nadelventil des Schwebekörpers im Durchflussmesser erreicht werden. Die optimale Durchflussmene in der Solarthermie beträt 25 bis 60 l/h. m², so kann entsprechend die Durchflussmene für die vorhandene Kollektorfläche auserechnet und ein deutlich höherer oder niedrierer Wert einestellt werden. In der Abbildun 1.26 wird der esamte Aufbau ezeit. Seite 28
30 Abb. 1.26: Aufbau des Kollektorsversuchs mit Zwansumlauf ohne Isolierun Messunen bei verschiedenen Bestrahlunsstärken. Die Bestrahlunsstärke kann mit dem Zu- und Abschalten von 4 Leuchtenkörpern variiert werden. Die Strahlun kann mit dem Globalstrahlunsmesserät Mac- Solar SLM018c-3 emessen werden. Messunen bei isolierten Leitunen, Warmwasserspeicher und Kollektor-Rückseite. Die Abbildun 1.27 zeit den Aufbau. Die Isolierun minimiert die Wärmeverluste der Leitunen und Warmwasserspeicher und bewirkt somit eine schnellere Steierun der Temperatur im Warmwasserspeicher und am Anfan einen höheren Wirkunsrad. Mit zunehmender Temperaturdifferenz T zwischen der Absorber- und Umebunstemperatur nehmen die Verluste zu und der Wirkunsrad wird schlechter. Seite 29
31 Abb. 1.27: Aufbau des Versuches mit Zwansumlauf und Isolation des Systems Messun bei entfernter Glasabdeckun des Kollektors, die für den Treibhaus-Effekt bei einem warmen Kollektor sort. Schwerkraft- oder Thermosiphonversuch. Für diesen Versuch müssen die Pumpe, der Schwebekörper-Durchflussmesser und die Isolierun abeklemmt und entfernt werden. Ween der sehr lansamen und erinen Zirkulation des Wärmespeichermediums im System kann bei diesem Versuch kein Volumenstrom V & emessen werden. Das Wärmespeichermedium kann den Widerstand des Schwebekörpers nicht überwinden. Somit ist auch keine Bestimmun des Wirkunsrades mölich. Die Isolierun muss entfernt werden, um durchsichtie Schlauch-Leitunen zur Beobachtun der Zirkulation zu bekommen. Der Warmwasserspeicher muss höher positioniert werden als der Kollektor, damit die Zirkulation des Wärmeträermediums einsetzt. Die Abbildun 1.28 zeit den Aufbau des Thermosiphonversuches. Seite 30
32 Abb. 1.28: Aufbau des Thermosiphonversuches Während des Thermosiphon-Versuches muss in den Warmwasserspeicher unten mit einer medizinischen Spritze Tinte einespritzt werden, um das Wasser anzufärben und die Zirkulation sichtbar zu bekommen. Der Beispielmessun in der Abbildun 1.29 ist zu entnehmen, dass erst nach ca. 15 min eine immer stärker werdende Zirkulation des Wärmeträermediums im System sich einstellt. Dies kann auch mit Hilfe der Tinte beobachtet werden. Nach ca. 30 min wird die Zirkulation schwächer, setzt sich aber auch nach dem Ausschalten der Strahler nach ca. 47 min abklinend weiter fort. Seite 31
33 Abb. 1.29: Temperaturverlauf während des Thermosiphonversuchs Seite 32
34 1.4.4 Auswertun Nachdem der Temperaturverlauf über einen Zeitraum aufenommen worden ist, kann das von Cobra3 darestellte Diaramm direkt ausedruckt oder die Daten in eine Excel-Tabelle exportiert werden. Mit der Befehlsfole in der Software der Cobra3-Basic-Unit: Messun MesswerteExport in _ Datei _ speichern _ und _ als _ Zahlenwerte hat man die Messwerte, die anschließend mit Excel eöffnet werden können und mit denen ein enaueres Diaramm erstellt werden kann. Insesamt können folende Diaramme zur Analyse erstellt werden: Temperaturverlauf am Ein- und Ausan des Kollektors, im Warmwasserbehälter sowie mittlere Kollektortemperatur in Abhänikeit von der Messzeit Wirkunsradverlauf in Abhänikeit von der Messzeit Wirkunsradverlauf in Abhänikeit von der Temperaturdifferenz Ti a Wirkunsradverlauf in Abhänikeit von der Bestrahlunsstärke Der Messzeitraum bei allen Messunen kann frei ewählt werden, sollte aber einerseits mölichst roß sein, andererseits darf die Temperatur des Wärmeträermediums bei Zwansumlauf laut Hersteller des Kollektors 60 C nicht überschreiten. Ein Diaramm (Abb. 1.30) zeit ein Beispiel des Temperaturverlaufes während der Messun. Schwankunen der Temperaturkurven sind mit der Auflösun der Temperatursensoren verbunden. Seite 33
35 Abb. 1.30: Temperaturverlauf bei einer Durchflussmene von l 39 und Isolation des Systems h m² Seite 34
36 Nach der Messun können folende Daten abelesen und auserechnet werden: Zeit t/s Temperatur T Behälter (1) T/ C Temperatur T Einan (2) T/ C Temperatur T Ausan (3) T/ C Mittlere Kollektortemperatur (4) T/ C Temperaturdifferenz (T aus -T ein )/ K Umebunstemperatur T/ C Temperaturdifferenz (T i -T a )/ K Bestrahlunsstärke E / W/m² Reduzierte Temperaturdifferenz (T i -T a )/ E Dichte ρ / k/m³ Wärmekapazität c p / (kj/kk) Kollektorfläche A K / m² Spez. Durchflussmene V & /l/(h*m²) Gemessener Kollektorwirkunsrad η Der Wirkunsrad kann nach Abschnitt auserechnet werden. Die dazu notwendien spezifische Wärmekapazität sowie die Dichte des Wassers sind temperaturabhäni und können interpoliert werden Messfehler Bei der Durchführun und Auswertun der Messunen ist die Beachtun und Minimierun von Messfehlern und Messabweichunen drinend notwendi, weil diese eine beachtlichen Einfluss auf die Berechnun des Wirkunsrades nehmen. So muss die Bestrahlunsstärke kontinuierlich emessen werden. Dies wird durch den Anschluss des MacSolars SLM018c-3 an einen Rechner ermölicht. Das MacSolar SLM018c-3 sollte für die Messun der Bestrahlunsstärke am Kollektor fest anebracht werden. Die Bestrahlunsstärke E bleibt auf jedenfall fehlerbehaftet, weil das Globalstrahlunsmesserät MacSolar SLM018c-3 auf das Seite 35
37 Sonnenspektrum kalibriert ist und nicht zum Spektrum der vorhandenen Metalldampflampen passt. Fehler bei der Messun von Bestrahlunsstärken konnten jedoch mit vorhandenen Messeräten nicht emessen werden und müssen abeschätzt werden. Die Metalldampflampen strahlen viel Wärme ab, die jedoch mit MacSolar nicht emessen werden kann. Eine weitere Fehlerquelle ist, dass die Durchflussmene während der Messun nicht konstant bleibt ween der nicht konstanten Leistun der Pumpe und über die anze Messzeit auf den ewünschten Wert korriiert werden muss. Man sollte die Abweichunen im Aue behalten und in die Fehlerrechnun mit einbeziehen, in welcher der Ablesefehler sowie die vom Hersteller aneebenen Unsicherheit von ± 5% addiert werden. Damit die Fehler bei den Messunen der Temperatur klein ehalten werden können, sind Temperatur-Sensoren mit der rößten Genauikeit einzusetzen, am besten PT 100. Stufie Temperatur-Darstellun eht auf die Analo-Diital- Wandlun in Cobra 3 und die interne Zahlen-Darstellun im Gerät zurück. Der Abbildun 1.30 kann entnommen werden, dass die Schrittweite der Temperatur- Darstellun in Cobra 3 am Einan des Kollektors 0,5 K beträt. Dieser Temperatur-Sensor am S1 Port besitzt eine Auflösun von 0,5 K. Im Geensatz dazu ist die Schrittweite des Temperatur-Messmodul mit dem PT 100 Sensor im Warmwasserbehälter kaum mit dem Aue erkennbar, denn die Auflösun 0,01 K beträt [10]. So wären die Fehler bei der Messun roß, weil die unenau emessene Temperatur am Einan des Kollektors in die Berechnun des Wirkunsrades einbezoen wird, die enau emessene Temperatur im Behälter aber nicht. Die Gesamtunsicherheit setzt sich follich aus dem Diitalisierunsfehler (halbe Stufikeit), und der Sensorunsicherheit TSensor zusammen. TA D Die Unsicherheiten für den Wirkunsrad können aneeben werden, in dem man alle relativen Unsicherheiten addiert: η η = ( T T aus ein aus ein ) V& + V& E + E mit T ) = 2 ( T + T ) ( aus ein Sensor A D Seite 36
38 Eine roße relative Unsicherheit des Wirkunsrades kann durch die erine Temperaturdifferenz und roße absolute Unsicherheiten der Temperatur- Ti a Sensoren bedint werden. Absolute Unsicherheiten der Sensoren addieren sich bei einer Temperaturdifferenz. 2. Mänel Zusammenfassend bei der Mänelanalyse kann man feststellen, dass die Fehler bei der Messun des Durchflussvolumens die Enderebnisse sehr stark verfälschen und bei sehr kleinem Durchfluss diese soar fast unbrauchbar machen können. Um die Messerebnisse zu verbessern, bedarf es einer Pumpe mit konstanter Pumpleistun und ein enaueres Durchfluss-Messerät, am besten ein diitales, um Ablesefehler zu vermeiden. Des Weiteren sollten zur enaueren Temperaturmessun am Ein- und Ausan des Kollektors zwei PT100 Temperatur-Messsensoren verwendet werden. Dazu sind andere Gummistopfen am Ein- und Ausan des Kollektors erforderlich, denn die mit dem Kollektor mitelieferten Gummistopfen passen nicht zu dem Durchmesser des PT100. Man müsste andere Gummistopfen für die kammerförmien Ein- und Ausänen des Kollektors zur Befestiun der PT100-Mess- Sensoren beschaffen oder herstellen. Die Messun der Bestrahlunsstärke E ist ebenfalls fehlerbehaftet, weil das Globalstrahlunsmesserät MacSolar auf das Sonnenspektrum kalibriert ist und nicht zum Spektrum der vorhandenen Metalldampflampen passt. Die Metalldampflampen strahlen viel Wärme ab, die jedoch mit MacSolar nicht emessen werden kann. Somit konnten die Fehler bei der Messun von Bestrahlunsstärken nur schwer abeschätzt werden. Bei den Experimenten mit Hilfe von echtem Sonnenlicht fallen die Erebnisse besser aus. Bei einer Isolierun der Leitunen des Systems mit den mitelieferten Rohrisolierunen dieses luftfrei zu bekommen ist sehr schwieri, weil man die Leitunen und Luftblasen nicht sehen kann und deshalb sozusaen blind und nach Gehör arbeiten muss. Bei dem Anschluss der Stromversorun muss, wie auf dem Bild Seite 37
39 1.26 zu sehen ist, improvisiert werden, weil die Isolation der Schläuche die Nutzun von 4 mm-buchsen für den elektrischen Anschluss der Pumpe verhindert. Ebenfalls ist die Vorabe des Herstellers, eine Messun bei 60 C abzubrechen störend, denn erst bei höheren mittleren Temperaturen des Kollektors, somit rößerer Temperaturdifferenz Ti a, verrößern sich die Verluste schnell und der Wirkunsrad fällt stärker ab. Mann könnte dann den kompletten Verlauf des Wirkunsrades in Abhänikeit von der Temperaturdifferenz verfolen. Der Kollektor und die Anschlüsse sind nicht anz technisch durchdacht und ausereift. Dies wird bei dem Anschluss der Schlauch-Leitunen und der Netzversorun deutlich. Ohne zusätzliche Schlauch-Klemmen ist die Anlae nicht luftund leckfrei zu bekommen. Ein Verbesserunsvorschla an den Hersteller könnte die Anlae für andere Kunden attraktiver estalten. Ti a Seite 38
40 3. Literaturverzeichnis [1] Quaschnin, V: Reenerative Eneriesysteme. Technoloie-Berechnun- Simulation. 3. Auflae. München, Wien: Hanser, 2003, S [2] Antony, F.; Heidler, K.; Hindenbur, C.; Kasper, B.-R.; Quaschnin, V.; Spitzmüller, P.; Weyres-Borchert, B.: Solarthermische Anlaen. 7. Auflae. Frankfurt am Main: DGS, Landesverband Berlin Brandenbur e.v. und VWEW Enerieverla, S 4-29 [3] Kuhnke, K.: Solartechnik. Osnabrück: Fachhochschule Osnabrück, , Folie 07: Kollektoren. [4] Vanoli, K.: Handbuch Wärme von der Sonne. 2. Ausabe. Hameln/Emmerthal: Institut für Solarforschun GmbH, , Teil III und IV [5] Kuchlin, H.: Taschenbuch der Physik. 18. Auflae. Kösel, Kruzell: Fachbuchverla Leibzi im Carl Hanser Verla, 2004, S [6] Beitz, W.; Küttner, K.-H.: Dubbel. Taschenbuch für den Maschinenbau. 16. Auflae. Berlin: Spriner-Verla, 1987, S [7] Winzel, W.; Seifried, D.: Das Solarbuch. 2. Auflae, Freibur: Ökobuch, 2004 [8] Kaltschmitt, M.; Streicher, W.; Wiese, A.: Erneuerbare Enerien: Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 4. Auflae, Berlin: Spriner, 2005 [9] LD Didactic GmbH, Leyboldstraße 1, Hürth (Germany). Online-Katalo: [10] Phywe Systeme GmbH, Robert-Bosch-Breite 10, Göttinen. Online-Katalo: Seite 39
41 [11] Conrad Electronic GmbH, Klaus-Conrad-Str.1, Hirschau. Online-Katalo: [12] IKS Photovoltaik, An der Kurhessenhqalle 16B, Kassel. Online-Katalo: [13] Interin GmbH, Nordrin 24, Hofheim/Ts, Online-Katalo: Seite 40
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