Versuch sk : Sonnenkollektor

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1 UNIVERSITÄT REGENSBURG Naturwissenschaftliche Fakultät II - Physik Anleitung zum Anfängerpraktikum B Versuch sk : Sonnenkollektor 1. Auflage 2012 Dr. Stephan Giglberger

2 Inhaltsverzeichnis sk Sonnenkollektor 3 sk.1 Vorkenntnisse sk.2 Literatur... 4 sk.3 Theoretische Grundlagen sk.3.1 Konzentrierende Kollektoren sk.4 Fragen zur Vorbereitung sk.5 Durchführung des Experiments... 8 sk.5.1 Wirkung der Glasplatte und der Isolierung... 9 sk.5.2 Sonnenkollektor bei Raumtemperatur sk.5.3 Sonnenkollektor bei erhöhter Temperatur... 9 sk.5.4 Parabolrinne

3 sk Sonnenkollektor Ein Sonnenkollektor wird zum Heizen von Wasser aufgrund der Strahlungsenergie verwendet. Um Aussagen über die Effizienz eines solchen Sonnenkollektors machen zu können, müssen folgende Punkte Berücksichtigung finden: Wettersituation, Ausrichtung des Kollektors gegenüber der Sonne sowie weitere Arbeitsbedingungen, wie beispielsweise die Absorbertemperatur. In diesem Experiment werden mittels Halogenlampe und Kaltluftfön die Wetterbedingungen reproduzierbar simuliert. Der Kollektor muss dazu für jede Messung optimal zur Halogenlampe ausgerichtet sein. Die mittlere Absorbertemperatur kann näherungsweise durch die eingestellte Temperatur des Wasserreservoirs vorgegeben werden. sk.1 Vorkenntnisse Folgende Begrifflichkeiten sollten Ihnen bekannt sein. Informieren Sie sich anhand der vorgeschlagenen oder selbst gesuchten Literatur über folgende Begriffe: Wärmekapazität, spezifische Wärmekapazität -3-

4 Wärmemenge Wärmefluss Wärmeleitung, Wärmeleitfähigkeit Wärmestrahlung Wärmestrom sk.2 Literatur Kohlrausch, Praktische Physik 1, UC 100 K79 Demtröder, Experimentalphysik 1: Mechanik und Wärme, Kap. 10, UC 194 D389-1 Bergmann-Schäfer, Wärmelehre sk.3 Theoretische Grundlagen Das Glas, das den Kollektor schützt, absorbiert oder reflektiert die einfallende Strahlung in einem geringen Ausmaß. Der größte Teil der Strahlung geht durch das Glas hindurch, trifft auf den Absorber und wird dort aufgenommen: q a = α τ q i (sk.1) wobei q a = Strahlungsenergie, die im Absorber pro Zeit und Fläche in Wärme umgewandelt wird q i = Lichtintensität am Absorber α = Absorptionsfaktor des Absorbers τ = Transmissionsfaktor der Glasabdeckung Die Strahlungsenergie wird nicht vollständig in Wärme umgewandelt. Ein Teil geht verloren durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmefluss. Ein weiterer Teil wird zur Aufheizung des Absorbers führen, d.h. dieser Teil wird im Kollektor gespeichert. Die Energie q rmn, die pro Zeit und Fläche nutzbar gemacht wird, ist q N = q a q l q st (sk.2) mit q l = Energie verlust pro s und m 2 q st = gespeicherte Energie pro s und m 2 unter Experimentierbedingungen -4-

5 Unter Experimentierbedingungen gilt q st 0, (sk.3) da der Temperaturunterschied im stationären Zustand bei (nahezu) konstanter Zuflusstemperatur gemessen wird. Die Wärmeverluste des Absorbers sind umso größer, je höher seine Temperatur ist. Die rückwandige Isolierung verhindert Verluste durch Wärmefluss; Verluste treten daher nur auf der Vorderseite aufgrund von Strahlung und Konvektion auf: q l = k (ϑ Ab ϑ Am ) (sk.4) mit k = Wärmetransmissionskoeffizient ϑ Ab = Absorbertemperatur ϑ Um = Umgebungstemperatur Effizienz Die Effizienz eines Sonnenkollektors wird durch das Verhältnis von nutzbarer Energie zu eingestrahlter Energie bestimmt: η = q N = ατ k (ϑ Ab ϑ Um ). (sk.5) q i q i Die Absorbertemperatur ist unbekannt, die Ein- und Auslasstemperatur des Wassers ϑ in und ϑ out wird gemessen. Überdies berücksichtigt Gl. (sk.5) nicht den Wärmetransfer vom Absorber zum Wasser. Hierfür wird ein Absorbereffizienzfaktor f eingeführt: wobei ϑ w die mittlere Wassertemperatur ist: ( η = f ατ k (ϑ ) w ϑ Um ) q i (sk.6) ϑ w = ϑ in ϑ out 2 (sk.7) Die nutzbare Energie P rmnutz kann im stationären Zustand aus dem Wasserfluss ṁ = 100 g/min (sk.8) und dem Temperaturunterschied zwischen ein- und ausfließendem Wasser P Nutz = c ṁ(ϑ out ϑ in ) (sk.9) -5-

6 ermittelt werden. Hierbei ist c die spezifische Wärmekapazität des Wassers. Die Lichtintensität an der Position des Absorbers beträgt q i = 1kW/m 2, (sk.10) die Fläche des Absorbers beträgt A = 0,12 m 2, (sk.11) die Effizienz des Absorbers lässt sich ermitteln durch η = P U q i A. (sk.12) sk.3.1 Konzentrierende Kollektoren Konzentrierende Kollektoren sind charakterisiert durch eine Apertur, die größer ist, als die Absorberfläche, d.h. der Konzentrationsfaktor ist größer als Eins: c = A Apertur a Absorber (sk.13) Diese Konzentration erfolgt über optische Systeme (Spiegel, Linsen) und kompensiert so den signifikanten Nachteil der sich mit steigender Temperatur verringenden Effizienz. Für Absorbertemperaturen > 100 C sind konzentrierende Absorber im deutlichen Vorteil: Die theoretisch erreichbare Absorbertemperatur als Funktion des Konzentrationsfaktors c berechnet sich (unter der Annahme eines Schwarzkörper-Absorbers) und dem Plank schen Gesetz gemäß rsonne T Absorber = T Sonnenoberflche c 1 4 (sk.14) f -6-

7 wobei f die Entfernung zwischen Sonne und Erde ist. sk.4 Fragen zur Vorbereitung 1. Wie ist die Celsius- und die Fahrenheitskala definiert? 2. Was ist ein Schwarzer Körper? 3. Wie funktioniert eine Thermoskanne? Was ist ein Dewar? 4. Was ist der Unterschied zwischen Konduktion und Konvektion? 5. Die Solarkonstante beträgt - je nach geographischer Lage, Wetter etc. - zwischen 200 und 1500 W/m 2. Mit dem definierten Jahresmittelwert q s = 1.37 kw werde eine 50cm x 50cm große Platte eine Stunde unter dem Winkel (zur Normalen) von ϕ = 30 von der Sonne bestrahlt. Wie m 2 groß ist die Wärmeaufnahme bei einer angenommenen Absorptionsrate α von 35%? 6. Was versteht man unter airmass 0,5? Wo spielt das in der Solarthermie eine Rolle? 7. Absorber: nahezu der gesamte einfallende elektromagnetische Spektralbereich des Sonnenlichts wird vom Absorber aufgenommen. Die freiwerdende Wärme soll verständlicherweise nicht verloren gehen, darum muss das Solarmodul isoliert sein. Auf der der Sonne zugewandten Seite besteht die Isolierung aus einer Glasscheibe. Warum kann man auch hier von Isolierung sprechen? 8. Welche Typen der konzentrierenden Absorber gibt es? Welche Vor- und Nachteile haben Flachkollektroen gegenüber konzentrierenden Kollektoren? 9. Zeichnen Sie den Zusammenhang zwischen Absorbertemperatur und Konzentrationsfaktor gemäß Gl. (sk.14) und bestimmen Sie c für die theoretisch maximal mögliche Absorbertemperatur (α = 100%, keine Verluste) 10. Bestimmen Sie für die Parabolrinne den Konzentrationsfaktor, wenn die Fokuslänge f = 7cm und die Breite b = 30cm beträgt: f (x)= x2 4 f für 13 x +13 (sk.15) -7-

8 directrix y Parabola c Parabola axis b a b c Foc a l point a F foc a l le ngth f f f F x 0 x f p sk.5 Durchführung des Experiments Vorbereitung Der Sonnenkollektor wird über die Anschlüsse auf der Unterseite des Kollektors befüllt (Achten Sie daraus, dass die Thermometer in den Messfassungen stecken!). Der kurze Verbindungsschlauch zwischen Ein- und Auslass des Absorbers wird entfernt, stattdessen werden Pumpe und Wärmetauscher angeschlossen. Pumpe Die Pumpe wird mit einer Spannung von ca V versorgt. Die restliche Luft wird aus dem Kreislauf herausgepresst durch Druck auf den Gummischlauch und ggfs. Nachfüllen von Wasser. Beleuchtung Eine 1000 W Halogenlame sorgt für eine einheitliche und reproduzierbare Beleuchtung (der Zoomhebel muss dabei auf Parallelposition stehen). In einem Abstand von 70 cm vom Glühfaden entfernt beträgt die Lichtintensität etwa 1 kw/m 2. Wärmetauscher Der Wärmetauscher wird in ein Becherglas gestellt. Das Ventil des Durchflussreglers muss vor Beginn eines jeden Messvorgangs vollständig geöffnet sein, damit bei größtmöglichem Durchfluss die Temperatur an jeder Stelle des gesamten Kreislaufs die selbe Temperatur wie das Wasserreservoir -8-

9 hat. Für die Versuchsdurchführung wird mittels des Ventils der Durchfluss auf V = 100 cm 3 /min (sk.16) eingestellt. Die Temperaturen am Ein- und Auslass des Absorbers werden mindestens einmal pro Minute gemessen, nach ca. 10 min sollten sich die Werte auf einen konstanten Betrag einstellen. Im Folgenden sind die Wirkungsgrade des Sonnenkollektors unter verschiedenen äußeren Bedingungen zu untersuchen, dabei soll auch der Aufbau des Kollektors (Glasabdeckung, Isolation) berücksichtigt werden. sk.5.1 Wirkung der Glasplatte und der Isolierung Füllen Sie das 2l - Becherglas mit Eiswasser (ca. 5 C) und tauchen Sie den Wärmetauscher ein. Messen Sie die Temperaturen des Zu- und Ablaufs. Bestimmen Sie daraus die Temperaturdifferenz ϑ out ϑ rmin und den Wirkungsgrad. η. Entfernen Sie nun Glasplatte und rückwärtige Isolation und wiederholen Sie die Messung. Welche Beobachtung machen Sie? Welche Schlüsse können Sie daraus ziehen? sk.5.2 Sonnenkollektor bei Raumtemperatur Füllen Sie 4,5 l Wasser (Raumtemperatur) in das 5 l Glas, stellen Sie den Wärmetauscher in das Glas. Der Abstand zwischen Lampe und Sonnenkollektor soll nun 70 cm betragen. Messen Sie die Temperaturen, bestimmen Sie daraus die Temperaturdifferenz ϑ out ϑ rmin und den Wirkungsgrad η. Entfernen Sie nun Glasplatte, nicht aber die rückwärtige Isolation und wiederholen Sie die Messung. Achten Sie darauf, dass die Auslasstemperatur während des Messvorgangs konstant bleibt (± 2K). sk.5.3 Sonnenkollektor bei erhöhter Temperatur Füllen Sie 4,5 l Wasser (Raumtemperatur) in das 5 l Glas, erhitzen Sie das Wasser mit dem Tauchsieder auf 60 C auf. Die Temperatur des Wasserkreislaufs muss zu Beginn des Versuches mindestens 50 C haben. Der Abstand zwischen Lampe und Kollektor beträgt wiederum 70 cm. Der Föhn (auf Kaltluft gestellt!) soll seitlich neben dem Kollektor in einem Abstand von etwa 30 cm befestigt werden, so dass der Luftstrom unter einem Winkel von ca. 30 auftrifft. Folgende Messreihen sind durchzuführen: -9-

10 1. Kollektor komplett zusammengebaut, ohne Kaltluftzufuhr 2. Kollektor komplett zusammengebaut, mit Kaltluftzufuhr 3. Kollektor ohne Glasplatte, ohne Kaltluftzufuhr 4. Kollektor ohne Glasplatte, mit Kaltluftzufuhr Dabei ist darauf zu achten, dass die Auslasstemperatur so konstant als möglich gehalten wird (± 2K). Vergleichen Sie die Messungen miteinander und diskutieren Sie Ihre Beobachtungen. sk.5.4 Parabolrinne Decken Sie den Parabolspiegel ab und beleuchten Sie die Rinne 5 Minuten lang. Notieren Sie die Wassertemperatur. Entfernen Sie nun die Abdeckung und beleuchten Sie die Rinne 5 Minuten lang. Notieren Sie die Wassertemperatur. Vergleichen Sie die Werte mit Ihren Vermutungen gem. Aufgabe