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Sonnenkollektor
Vorbereitungen:
Aufbau eines Sonnenkollektors, Absorbtion, Wärmestrahlung, Konvektion, Wärmeleitung, Wirkungsgrad, Treibhauseffekt.
Versuch:
1. Grundlagen:
Ein Sonnenkollektor dient zur Erwärmung von Wasser mit Hilfe von Strahlungsenergie. Um Aussagen über den Wirkungsgrad eines Kollektors oder einer Solaranlage machen zu können, müssen nicht nur sein Aufbau, sondern auch Wetterlage, Aufstellwinkel zur Sonne und andere Betriebsbedingungen, wie z.B. die Temperatur des Absorbers bekannt sein.
Im Experiment simulieren Halogenleuchte und Kaltluftstrom das Wetter reproduzierbar. Der Kollektor ist in jeder Meßreihe optimal auf die Halogenleuchte ausgerichtet. Die mittlere Absorbertemperatur läßt sich näherungsweise durch die Temperatur des Wärmetauschers vorgeben.
Die Glasabdeckung des Kollektors absorbiert oder reflektiert die auftreffende Strahlungsenergie zu einem geringen Teil. Der durchgehende Anteil trifft auf den Absorber und wird hier größtenteils absorbiert:
70°
. 50°
qa = α · τ · qi (1) qa : pro Zeit- und Flächeneinheit im Absorber in Wärme
umgewandelte Strahlungsenergie.
qi : Lichtintensität am Ort des Kollektors α : Absorptionsvermögen des Absorber τ : Transmissionsgrad der Glasabdeckung
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Die in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie steht nicht vollständig als Nutzenergie zur Verfügung. Ein Teil geht durch Wärmestrahlung, - leitung oder -strömung verloren. Ein weiterer Anteil führt zur Erhöhung der Temperatur des Absorbers, d.h. dieser Anteil wird im Kollektor gespeichert.
Pro Zeit – und Flächeneinheit ergibt sich somit eine Nutzenergie qn von qn = qa – qv – qsp (2)
qv : Verlustenergie, qsp : gespeicherte Energie
Im Experiment ist qsp ungefähr Null, da die Messung der Temperaturdifferenz bei nahezu konstanter Einlauftemperatur erfolgt.
Die Verluste des Absorbers sind umso größer, je höher seine Temperatur ist.
Die rückseitige Isolierung bestimmt die Wärmeleitungsverluste; auf der Vorderseite treten Verluste durch Strahlung und Konvektion auf. Alle Verluste können durch folgende Formel beschreiben werden:
qv : = k ( Ta – Tu) (3) k : Wärmedurchgangskoeffizient
Ta : Absorbertemperatur Tu : Umgebungstemperatur
Der Wirkungsgrad eines Sonnenkollektors gibt das Verhältnis von Nutzenergie zu eingestrahlter Energie an:
qn k · ( Ta – Tu )
η = ——— = ατ - ——————— (4) qi qi
Die Absorbertemperatur ist nicht bekannt, gemessen werden die Ein- und Rücklauftemperatur Te und Tr des Wassers. Gleichung (4) berücksichtigt außerdem den Wärmeübergang von Absorber an das Wasser nicht. Dazu wird ein Absorberwirkungsgradfaktor f eingeführt.
k · ( Tw – Tu )
α = f · ( ατ ———————— ) (5) qi
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wobei Tw die mittlere Wassertemperatur ist Te – Tr
Tw = ————— (6) 2
Die Nutzleistung Pn läßt sich im stationären Zustand aus der Volumenstromstärke des Wassers
m = 100 cm3 / min
und der Differenz von Aus – und Einlauftemperatur bestimmen.
Pn = c · m ( Tr – Te ) (7) Mit c : spez. Wärmekapazität von Wasser.
Die Lichtintensität am Ort des Kollektors beträgt qi = 1 kW / m2 und die Fläche des Absorbers A = 0,12 m2. Der Wirkungsgrad lautet nun:
Pn
η = ————— (8) qi · A
2. Versuchsaufbau und Durchführung
Die Wassertemperatur im Becherglas wird mit dem Thermometer mit Tauchschaft gemessen, die Temperaturen im Kollektorkreislauf mit den beiden anderen Thermometern. Eine 1000-W-Halogenleuchte gewährleistet eine gleichbleibende und reproduzierbare Beleuchtung (Zoom-Hebel der Leuchte in Stellung „parallel“). In einem Abstand von 70 cm von der Lampenwendel beträgt die Lichtintensität 1 kW/m2, die Kollektorfläche beträgt 0,12 m2.
Der Wärmetauscher wird in einen Wasserspeicher (Becherglas) gestellt. Vor jeder einzelnen Meßreihe ist das Durchflußmesser ganz zu öffnen, bis an allen Stellen des Kreislaufs die gleiche Temperatur herrscht. Zur Aufnahme der Meßreihen wird die Volumenstromstärke mit dem Ventil jeweils auf V = 100 cm3/min eingestellt.
Die Temperatur am Ein- und Rücklauf wird jede Minute gemessen, nach ca.
10 min bleiben die Temperaturwerte konstant. Die Meßwertaufnahme erfolgt jeweils für 15 min.
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1.1. Der Wärmetauscher wird in das 2-l-Becherglas gestellt, das mit Eiswasser gefüllt wird. Es sind zwei Meßreihen ohne Beleuchtung des Kollektors aufzunehmen, zunächst mit vollständig bestücktem Kollektor, für die zweite Meßreihe werden Glasplatte und Isolierung entfernt.
Während der Messung muß gegebenenfalls Eis nachgegeben werden, damit die Temperatur am Einlauf 5°C nicht wesentlich übersteigt.
2.2 In das 5-l-Becherglas werden 4,5 l Wasser mit Zimmertemperatur gefüllt, der Wärmetauscher hineingestellt. Abstand Kollektor-Leuchte:
70 cm. Zwei Meßreihen mit Beleuchtung sind aufzunehmen, die erste mit vollständig bestücktem Kollektor. Für die zweite Meßreihe wird nur die Glasplatte entfernt, die Isolierung auf der Rückseite verbleibt. Die Ausgangstemperaturen sollten sich bei beiden Messungen möglichst nicht unterscheiden.
2.3 Das Wasser im 5-l-Becherglas wird mit dem Tauchsieder auf ca. 60°C erwärmt, so daß die Temperatur im Kollektorkreislauf vor Meßbeginn mindestens 50°C erreicht. Kollektor-Leuchte wie gehabt.
Der Kaltluftentwickler ist seitlich in einer Entfernung von ca. 30 cm aufzustellen, so daß der Luftstrom in einem Winkel von etwa 30° auf den Kollektor trifft.
Die beiden ersten Teilaufgaben sind mit vollständig bestücktem Kollektor aufzunehmen, einmal mit und einmal ohne Kaltluftstrom. Zwei weitere Meßreihen werden ohne Glasplatte aufgenommen mit und ohne kaltem Luftstrom. Auf möglichst gleiche Ausgangstemperaturen ist zu achten.
3.Auswertung
Für jede Meßreihe ist der Wirkungsgrad des Sonnenkollektors zu bestimmen. Tragen Sie die Ergebnisse in eine Tabelle ein, die folgende Information für alle Meßreihen enthält: Glasplatte vorhanden/nicht vorhanden, Licht ein/aus, Kaltluft ein/aus, Te‘ Ta- Te‘ Wirkungsgrad.
Die beobachteten Abhängigkeiten sind zu diskutieren.
00.Word 97
