B Wirkungsgrad von Sonnenkollektoren

Das Solarmeter leistet auch bei der Beurteilung von Sonnenkollektoren gute Dienste. Sonnenkollektoren sind Systeme, die in der Regel Wasser durch Einstrahlung von Sonnenlicht erwärmen. Dabei ist die energetische Effizienz sehr stark von der Bauweise des Kollektors abhängig. In Physik-Projekten oder im Technikunterricht werden meist einfache Sonnenkollektoren gebaut. Dabei unterscheidet man zwischen Schwerkraftanlagen, deren Strömung durch die unterschiedliche Dichte warmen und kälteren Wassers entsteht und Anlagen, deren Strömung durch Umwälzpumpen erzeugt werden (siehe Abbildung). Außerdem gibt es noch die Unterscheidung in offene (Wasser durchläuft den Kollektor einmalig) und geschlossene Systeme (Wasser im Kreislauf).

Anlagenschema eines geschlossenen Systems:

Aufgrund der notwendigen Vorbereitungen und der Meßdauer ist der folgende Versuch nicht für eine einzelne Unterrichtsstunde geeignet. Im Rahmen einer Doppelstunde oder eines Projekts bietet er jedoch die Möglichkeit, den Wirkungsgrad experimentell zu ermitteln. Dies ist deshalb empfehlenswert, weil in der Literatur genaue Wirkungsgradangaben kaum zu finden sind.

Durchführung:

Der unbestrahlte Sonnenkollektor wird einige Stunden vor der Messung mit Wasser aufgefüllt, damit das System eine relativ konstante Temperatur (Umgebungstemperatur) annimmt. Diese Temperatur wird mit einem herkömmlichen oder elektronischen Thermometer bestimmt. Dann wird der Kollektor der Sonnenbestrahlung ausgesetzt. Zu berücksichtigen ist dabei:

• Um große Konvektionsverluste zu vermeiden, sollte möglichst kein Wind herrschen.
• Der Kollektor sollte während der Exposition lotrecht zur Einstrahlung ausgerichtet sein. Geringe Abweichungen sind allerdings unerheblich.
• Die Bestrahlung mit Sonnenlicht sollte möglichst konstant sein. Mit dem Solarmeter wird die durchschnittliche Bestrahlungsstärke gemessen.

Von Beginn der Bestrahlung an wird eine Zeitmessung vorgenommen. Nach einer bestimmten Zeit (z.B. 30 min) wird der Kollektor abgedeckt, so daß keine weitere Erwärmung erfolgen kann. Ist eine Umwälzpumpe angeschlossen, sollte diese noch einige Minuten in Betrieb bleiben bis der Maximalwert der Temperatur erreicht ist. Dieser Wert wird notiert.

Bei Schwerkraftanlagen entstehen Meßfehler, weil es im Kollektor ein Temperaturgefälle gibt und die Wärmeenergie daher ungleich verteilt ist.

Auswertung an einem Beispiel:

Eingestrahlte Energie:

E=78 mW/cm²
E=780 000 mW/m²
P=780 W für die Kollektorfläche von 1 m²

t=30 min=1800 s

Win=P * t=780 W * 1800 s

[1] Win=1 404 000 Ws

Nutzbare Leistung:

Wärmemenge Q=m * c * t (t=Temperaturdifferenz)
Q=Wout =10 kg * 4190 Ws/(kg*K) * 18 K

[2] Wout =754 200 Ws

[1] und [2] zur Wirkungsgradberechnung:

n=Wout /Win =754 200/1 404 000=0,54

n=54 %

Dies ist nur ein Rechenbeispiel. Im Unterricht hergestellte Kollektoren haben meist einen wesentlichen geringeren Wirkungsgrad.

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