Labor für Technische Physik

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 )
EA
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.
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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‘.
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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