UNIVERSITÄT REGENSBURG Versuch „sk“: Sonnenkollektor

UNIVERSITÄT
REGENSBURG
Naturwissenschaftliche Fakultät II - Physik
Anleitung zum Anfängerpraktikum B
Versuch „sk“: Sonnenkollektor
1. Auflage 2012
Dr. Stephan Giglberger
sk.1 Vorkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
sk.2 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
sk.3 Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
sk.3.1 Konzentrierende Kollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
sk.4 Fragen zur Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
sk.5 Durchführung des Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
sk.5.1 Wirkung der Glasplatte und der Isolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
sk.5.2 Sonnenkollektor bei Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
sk.5.3 Sonnenkollektor bei erhöhter Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
sk.5.4 Parabolrinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
-2-
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.
Folgende Begrifflichkeiten sollten Ihnen bekannt sein. Informieren Sie sich anhand der vorgeschlagenen oder selbst gesuchten Literatur über folgende Begriffe:
• Wärmekapazität, spezifische Wärmekapazität
-3-
Sonnenkollektor
• Wärmemenge
• Wärmefluss
• Wärmeleitung, Wärmeleitfähigkeit
• Wärmestrahlung
• Wärmestrom
• Kohlrausch, Praktische Physik 1, UC 100 K79
• Demtröder, Experimentalphysik 1: Mechanik und Wärme, Kap. 10, UC 194 D389-1
• Bergmann-Schäfer, Wärmelehre
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:
qa = α · τ · qi
(sk.1)
wobei
qa
=
Strahlungsenergie, die im Absorber pro Zeit und Fläche in Wärme umgewandelt wird
qi
=
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 qrmN , die pro Zeit und Fläche
nutzbar gemacht wird, ist
qN = qa − ql − qst
mit
ql
=
Energie“verlust“ pro s und m2
qst
=
gespeicherte Energie pro s und m2 unter Experimentierbedingungen
-4-
(sk.2)
Sonnenkollektor
Unter Experimentierbedingungen gilt
qst ≈ 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:
ql = k · (ϑAb − ϑAm )
(sk.4)
mit
k
=
Wärmetransmissionskoeffizient
ϑAb
=
Absorbertemperatur
ϑUm
=
Umgebungstemperatur
Die Effizienz eines Sonnenkollektors wird durch das Verhältnis von nutzbarer Energie zu eingestrahlter Energie bestimmt:
η=
qN
k · (ϑAb − ϑUm )
= ατ −
.
qi
qi
(sk.5)
Die Absorbertemperatur ist unbekannt, die Ein- und Auslasstemperatur des Wassers ϑin und ϑout wird
gemessen. Überdies berücksichtigt Gl. (sk.5) nicht den Wärmetransfer vom Absorber zum Wasser.
Hierfür wird ein Absorbereffizienzfaktor f eingeführt:
k · (ϑw − ϑUm )
η = f · ατ −
qi
(sk.6)
wobei ϑw die mittlere Wassertemperatur ist:
ϑw =
ϑin − ϑout
2
(sk.7)
Die nutzbare Energie PrmNutz kann im stationären Zustand aus dem Wasserfluss
ṁ = 100 g/min
(sk.8)
und dem Temperaturunterschied zwischen ein- und ausfließendem Wasser
PNutz = c · ṁ (ϑout − ϑin )
-5-
(sk.9)
Sonnenkollektor
ermittelt werden. Hierbei ist c die spezifische Wärmekapazität des Wassers.
Die Lichtintensität an der Position des Absorbers beträgt
qi = 1 kW/m2 ,
(sk.10)
A = 0, 12 m2 ,
(sk.11)
die Fläche des Absorbers beträgt
die Effizienz des Absorbers lässt sich ermitteln durch
η=
PU
.
qi · A
(sk.12)
Konzentrierende Kollektoren sind charakterisiert durch eine Apertur, die größer ist, als die Absorberfläche, d.h. der Konzentrationsfaktor ist größer als Eins:
c=
AApertur
aAbsorber
(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
TAbsorber = TSonnenoberflche ·
-6-
rSonne 1
· c4
f
(sk.14)
Sonnenkollektor
wobei f die Entfernung zwischen Sonne und Erde ist.
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
werde eine 50cm x 50cm große PlatW/m2 . Mit dem definierten Jahresmittelwert qs = 1.37 kW
m2
te eine Stunde unter dem Winkel (zur Normalen) von ϕ = 30◦ von der Sonne bestrahlt. Wie
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
für − 13 ≤ x ≤ +13
4· f
-7-
(sk.15)
Sonnenkollektor
d ire c tr ix
y
Pa ra b o la
Pa ra b o la a xis
c
b
c
Fo c a l p o in t
b
a
F
a
f
f
F
x
0
fo c a l le n g th f
x
f
p
!"
#
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.
Die Pumpe wird mit einer Spannung von ca. 3 . . . 6 V versorgt. Die restliche Luft wird aus dem
Kreislauf herausgepresst durch Druck auf den Gummischlauch und ggfs. Nachfüllen von Wasser.
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/m2 .
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
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Sonnenkollektor
hat. Für die Versuchsdurchführung wird mittels des Ventils der Durchfluss auf
V̇ = 100 cm3 /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.
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
ϑout − ϑrmin 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?
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 ϑout − ϑrmin 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).
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:
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Sonnenkollektor
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.
!
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 10
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