Labor für Technische Physik
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Versuch 12: Solarkollektor Hochschule Bremen City University of Applied Sciences Fakultät Elektrotechnik und Informatik 1. Versuchsziele Labor für Technische Physik Prof. Dr.-Ing. Dieter Kraus, Dipl.-Ing. W.Pieper Ein von Wasser durchströmter Solarkollektor wird mit einer Halogenleuchte bestrahlt. Die vom Wasser aufgenommene Wärmeenergie wird aus dem Volumenstrom und der Temperaturdifferenz am Ein- und Auslauf des Kollektors ermittelt. Bei Kenntnis der eingestrahlten Leistung soll der Wirkungsgrad des Kollektors bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen analysiert werden. Versuch 12: Solarkollektor 2. Grundlagen Ein Solarkollektor absorbiert Strahlungsenergie und erwärmt somit das durch den Absorber fließende Wasser. Wenn der Kollektor wärmer ist als die Umgebung, gibt er Energie durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung an die Umgebung ab. Durch diese Verluste sinkt sein Wirkungsgrad Q PN E PS (1) also das Verhältnis der an das Wasser abgegebenen Wärmemenge Q zur absorbierten Strahlungsenergie E oder das Verhältnis der Nutzleistung zur eingestrahlten Leistung. Die Umwandlung der Strahlung in thermische Energie vollzieht sich auf der geschwärzten Absorberoberfläche. Die Wärme wird mittels Wasser abgeführt. Zwischen dem Kunststoffbecher und dem Kollektor zirkuliert das Wasser mit Hilfe einer Wasserpumpe. Als Sonnenersatz wird hierzu die Fotoleuchte (1000 W) benutzt. Die Fotoleuchte soll eine gleichbleibende und reproduzierbare Beleuchtungsstärke gewährleisten. Der Lichteinfall auf den Absorber sollte senkrecht erfolgen und den Absorber gleichmäßig ausleuchten. Die Wärmeverluste in der Luft zwischen der Leuchte und der Absorberoberfläche sind sehr gering und können vernachlässigt werden. Aufbau und Funktion eines Flachkollektors: Der Flachkollektor ist eine weit verbreitete Bauform. Die Strahlung fällt auf die Acrylglasplatte des Kollektors, tritt zum größten Teil durch diese hindurch und trifft auf die 50 cm a: Solarkollektor c: Messbecher Absorberoberfläche. Um Reflexionen zu vermindern, ist die Absorberoberfläche schwarz beschichtet. In der Folge erhöht sich die Absorbertemperatur. Die Temperaturerhöhung b: Tauchpumpe d: Fotoleuchte wird begrenzt durch Wärmeabführung einerseits als Nutzwärme, anderseits als Verlustwärme. Der Absorber besteht aus Metall (Aluminium). Zur Abführung der Nutzwärme sind Rohre im Absorber angeordnet, durch die ein Transportmedium (Wasser) strömt. 2 Versuch 12: Solarkollektor Labor für Technische Physik (ELPH) Treibhauseffekt: Nutzungsgrad des Kollektors: Die Glasabdeckung absorbiert einen Teil der Strahlung, ein weiterer Teil wird reflektiert. Diese Strahlungsenergie kann nicht genutzt werden. Anderseits werden diese Verluste vom Treibhauseffekt kompensiert. Der Flachkollektor wird daher auch Strahlenfalle genannt. Der Treibhauseffekt funktioniert folgendermaßen: Fensterglas ist für das sichtbare Licht und den nahen Infrarotbereich nahezu transparent. Im fernen Infrarotbereich (ab ca. 3 µm) ist es undurchsichtig, es lässt also langwellige Wärmestrahlung nicht durch. Wird der Absorber durch die Sonnenstrahlung warm, so beginnt er selbst Wärme abzustrahlen. Diese Strahlung liegt jedoch im langwelligen Bereich und wird von der Glasscheibe nicht mehr durchgelassen. Die Strahlungsabwärme des Absorbers bleibt so erhalten und hilft, das Kollektorsystem weiter zu erwärmen. Die Strahlungsenergie bleibt gefangen wie in einem Treibhaus. Um Aussagen über den Wirkungsgrad eines Kollektors oder einer Solaranlage machen zu können, müssen sein Aufbau und die Betriebsbedingungen, wie z.B. die Temperatur des Absorbers bekannt sein. Die Abbildung zeigt den Strahlungsfluss an einem Flachkollektor bei einer Sonnenstrahlung 1000 W/m² Absorbertemperatur 50°C Umgebungstemperatur 20°C Ein Teil der auftreffenden Strahlungsenergie wird durch die Glasabdeckung des Kollektors absorbiert oder reflektiert. Der durchgehende Anteil wird vom Absorber absorbiert und in Wärme umgewandelt: qa qi (2) qa absorbierte Strahlungsenergie qi Strahlungsintensität in der Kollektorebene Absorptionsvermögen des Absorbers Transmissionsgrad der Glasdecke Die eingestrahlte Leistung Ps berechnet sich aus dem Produkt der Bestrahlungsstärke E in der Kollektorebene und der Absorberfläche A . Ps E A (3) Die in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie steht nicht vollständig als Nutzenergie zur Verfügung. Ein Teil geht durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmeströmung für die Nutzung verloren. Ein weiterer Teil führt zur Erhöhung der Absorbertemperatur, d.h. dieser Anteil wird im Kollektor gespeichert. Pro Zeit - und Flächeneinheit ergibt sich somit eine Nutzenergie q n von: q n q a q v q sp (4) qn qa qv Nutzenergie q sp im Absorber gespeicherte Energie Strahlungsenergie, die im Absorber in Wärme umwandelt wird Verlustenergie Die Verluste treten als Wärmeleitungsverluste durch die rückseitige Isolierung und auf der Vorderseite durch Strahlung und Konvektion auf. Mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung steigt die Verlustenergie qv gemäß: qv k (TAbs TUmg ) (5) Wärmedurchgangskoeffizient des Kollektors k TAbs Temperatur des Absorbers TUmg Temperatur der Umgebung 3 4 Versuch 12: Solarkollektor Labor für Technische Physik (ELPH) Im stationären Zustand, d.h. bei einer zeitlich gleichbleibenden Absorbertemperatur, 3. Versuchsaufbau dq sp 0. dt Wenn die Messungen im nichtstationären Zustand, d.h. bei nicht konstanter Einlauftemperatur erfolgen, sind in den berechneten Werten für die Nutzenergie und den Wirkungsgrad auch die gespeicherte Energie des Absorbers enthalten. Der Wirkungsgrad eines Solarkollektors gibt das Verhältnis von Nutzleistung zu eingestrahlter Leistung an. ist q sp konstant und Pn q n qi k (T Abs TUmg ) Ps qi qi Pn Ps (6) k (TAbs TUmg ) (7) qi Wirkungsgrad Nutzleistung eingestrahlte Leistung Der Wärmeübergang zwischen Absorber und Wasser wird hierbei vernachlässigt. Im stationären Zustand errechnet die nutzbare Leistung Pn sich aus dem Massenstrom m und der Temperaturdifferenz von zu- und ablaufendendem Wasser: c (8) spezifische Wärmekapazität des Wassers( c 4182 J ) kg K TEin , TAus Temperatur am Kollektoreingang bzw. Kollektorausgang als Produkt aus Dichte mal Volumenstrom V Mit dem Massenstrom m m V V (9) (10) 5 389 50 388 181 521 35 450 70 524 010 666 193 524 0673 311 77 313 17 300 02 590 06 501 46 Den Solarkollektor mit Hilfe zweier Stativfüße, Stangen und Muffen stabil aufstellen. Die Fotoleuchte in einem Abstand von 50 cm vom Kollektor so aufstellen, dass der Lichtstrahl senkrecht einfällt und den Absorber gleichmäßig ausleuchtet. Die Tauchpumpe, den Kollektor und den Messbecher 2000 ml mit Hilfe von Schläuchen und Adapter entsprechend der Skizze auf der Titelseite verbinden. Hierbei den Abfluss der Tauchpumpe an den unteren Kollektoranschluss anschließen und einen Schlauch vom oberen Kollektoranschluss zurück in den Messbecher führen. Die Tauchpumpe wird elektrisch mit einem Labornetzgerät betrieben. Die Temperaturfühler mit Hilfe der Gummistopfen in den Öffnungen kammerförmigen Erweiterungen an Kollektoranschlüssen befestigen. der Das Sensor-CASSY über 9 V Netzteil mit Spannung versorgen und über ein USBKabel mit dem Computer verbinden. folgt für den Wirkungsgrad: c V (TAus TEin ) EA Solarkollektor Tauchpumpe Kleinspannungs-Netzgerät Fotoleuchte, 1000 W Sensor-CASSY Temperaturfühler NiCr-Ni NiCr-Ni-Adapter S, Typ K Rollbandmass, 2 m Handstoppuhr II, 60 s/ 30 min Kleiner Stativfuß, V-förmig Kunststoff-Messbecher, 2000 ml Kunststoff-Messbecher, 1000 ml Paar Kabel, 100 cm, rot und blau Schläuche, Adapter Beide Temperaturfühler an die Temperatur-Box (NiCr-Ni-Adapter) des Sensor-CASSY anschließen. g Dichte von Wasser ( 0,9982 3 bei 20°C) cm Volumenstrom 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 Aufbau des Kollektorsystems Die abgeführte Wärmemenge, die pro Zeiteinheit aus dem Kollektor abgeführt wird, lässt sich aus dem Volumendurchsatz des Wassers durch den Kollektor ermitteln. Pn c m (T Aus TEin ) Geräteliste Den Messbecher mit 2000 ml Wasser befüllen, und die Tauchpumpe hineinstellen. 6 Versuch 12: Solarkollektor Labor für Technische Physik (ELPH) Einstellungen in CASSY Lab: Versuchsparameter: Die Voreinstellungen aus der Versuchsparameterdatei „V12 - Solarkollektor - Einstellungen für CASSY-Lab.lab“ laden oder manuell folgende Einstellungen vornehmen: - Baumstruktur öffnen Einstellungen aufrufen: F5 oder Button CASSYs - Sensor-CASSY – Eingang A1 (NiCr-Ni-Adapter S) A12 und TA1 Messgröße: Temperatur A11 , Bereich für A11 , Messwerterfassung: gemittelte Werte (100 ms) Nullpunkt: links A12 : 0 °C … 120 °C ; TA1 : -20 K … 20 K Technische Daten des Kollektors: Absorberfläche: A = cm x cm Wasserinhalt: ca. cm³ Bestrahlungsstärke der Leuchte: E = 2000 W/m2 (im Abstand von 50 cm) Bitte beachten: Damit die Versuchsergebnisse verglichen werden können, müssen für alle Messungen Rechner - Formel Name: Temperaturdifferenz, Symbol: dT , Einheit: K , von -10 K bis 10 K ein konstanter Abstand Leuchte - Kollektor eingehalten werden, Formel &JA12-&JA11 eingetragen die Wassermenge im Kollektorsystem möglichst gleich sein, bei vergleichbaren Anfangstemperaturen begonnen und der Volumenstrom bestimmt werden. Darstellungen - Standard x-Achse: t y-Achsen: A11 , A12 , dTA1 x-Achse für alle Kurven dieser Darstellung Stil (z.B. Farbe) wählen Messparameter (Menu ‚Fenster‘ - Messparameter anzeigen) Aufnahme: automatisch Messzeit: 8 min Intervall: 1 s A12 A12 klicken oder rechte Den eventuell vorhandenen Offset zwischen Temperatur A11 und Temperatur bei A12 korrigieren (in der Baumstruktur auf Temperatur Maustaste auf Fenster „Temperatur A12 “ – Button ‚Korrigieren‘ ). Bedienungshinweise zu CASSY Lab 2: oder Taste F9. o Messung starten oder stoppen: Button o Letzte Messung löschen: Button oder Taste F4 o Einstellungen aufrufen: Button , rechte Maustaste über Kanal-Button (rechts oben) oder Anzeigeinstrument, oder über Menü Fenster o Im Kontextmenü (rechte Maustaste auf Tabelle oder Diagramm) gibt es weitere Einträge z.B. ‚Letzte Tabellenzeile löschen‘ oder ‚Markierung setzen‘. 7 8 Versuch 12: Solarkollektor Labor für Technische Physik (ELPH) 4. Versuchsdurchführung 5. Auswertung Befüllen des Kollektorsystems mit Wasser Stellen Sie die Messergebnisse grafisch in Form von Diagrammen dar. Die im Wasser befindliche Tauchpumpe mit einer Gleichspannung von U = 4 V in Betrieb nehmen und abwarten bis sich ein homogener Wasserfluss eingestellt hat. Falls erforderlich, die Spannung auf 5 V erhöhen und eventuell noch vorhandene Luft aus dem System entfernen. Beschreiben und analysieren Sie die Kurvenverläufe. Bestimmen Sie die Temperaturänderung der Auslauftemperatur pro Zeiteinheit während der Bestrahlung (Steigung der Auslauftemperatur). Bestimmen Sie die Nutzleistung und den Wirkungsgrad des Solarkollektors für die Messen Sie mit Hilfe von CASSY Lab die Wassertemperaturen am Ein- und Auslauf des Kollektors entsprechend der nachfolgenden Messanweisung und bestimmen anschließend den Volumenstrom unter folgenden Betriebsbedingungen: unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Fassen Sie die Ergebnisse in einer tabellarischen Aufstellung zusammen, die folgende Parameter enthält: 1) Kollektor mit Acrylglasplatte, Betriebsspannung der Pumpe: U1 Nummer der Messung, 2) Kollektor mit Acrylglasplatte, Betriebsspannung der Pumpe: U2 Acrylglasplatte vorhanden / nicht vorhanden, 3) Kollektor ohne Acrylglasplatte, Betriebsspannung der Pumpe: U1 Pumpenspannung 4) Kollektor ohne Acrylglasplatte, Betriebsspannung der Pumpe: U2 Massenstrom Auslauftemperatur zu Anfang einer Messung Messanweisung: Starten der Messung bei ausgeschalteter Leuchte Auslauftemperatur nach der maximalen Bestrahlungszeit Nach 30 s die Leuchte einschalten Temperaturänderung pro Zeiteinheit während der Bestrahlung Den Kollektor 5 min bestrahlen, dann Leuchte ausschalten mittlere Temperaturdifferenz ∆T zwischen TEin und TAus , Die Messung nach 8 min stoppen. Nutzleistung Pn Ermittlung des Volumenstromes Wirkungsgrad . Bestimmen Sie direkt im Anschluss an die Messung den Volumenstrom durch den Kollektor bei der eingestellten Betriebsspannung indem Sie 1 Liter zurückströmendes Wasser in einen zweiten Messbecher fließen lassen und die Zeitdauer bestimmen, in der sich der Messbecher mit 1 Liter Wasser gefüllt hat. Füllen Sie anschließend die Wassermenge im Kollektorsystem mit 1 Liter gekühltem Wasser (aus dem Kühlschrank) wieder auf. Warten Sie, bis ein Temperaturausgleich stattgefunden hat, sodass jeder Messdurchlauf mit Wasser in Zimmertemperatur beginnen kann. Betriebsspannung U1 3 V DC U2 4 V DC Literatur [1] Hering, Martin, Stohrer: Physik für Ingenieure, Springer-Lehrbuch [2] Kuchling: Taschenbuch der Physik, Fachbuchverlag Leipzig [3] Eichler, Kronfeld, Sahm: Das Neue Physikalische Grundpraktikum, Springer-Lehrbuch Volumenstrom 9 10
