Niklas Heuser - GFS Regenerative Energieversorgung am Beispiel Sonnenkollektoren/Solarthermie lyrics

Regenerative Energieversorgung am Beispiel Sonnenkollektoren/Solarthermie I Sonnenkollektoren I.1 Was sind Sonnenkollektoren? I.2 Wie funktionieren sie? I.3 Technische Probleme I.4 Umweltaspekte II Mein Experiment II.1 Versuchsaufbau II.2 Durchführung II.3 Auswertung III Anwendungen im Alltag III.1 Sonnenkollektor am Wiesensee III.2 Warmwa**erversorgung im Privathaushalt IV Andere Beispiele für solarthermische Anwendungen IV.1 Solarkocher IV.2 Parabolrinnenkraftwerk V Quellenverzeichnis I Sonnenkollektoren I.1: Was sind Sonnenkollektoren? Sonnenkollektoren sind Apparate, die Wa**er mit Hilfe von Sonnenenergie erwärmen. Sie sind die wichtigsten Bestandteile von thermischen Solaranlagen. Es gibt zwei Arten von Sonnenkollektoren: Flachkollektoren und Vakuum­röhren­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­kollektoren. I.1.1: Flachkollektoren Flachkollektoren haben ein verglastes, gut gedämmtes Gehäuse. Dieses enthält schwarze Absorber, die die Strahlen der Sonne in Hitze umwandeln und Wa**er erwärmen. Sie haben bei Temperaturen bis 50 C° einen Wirkungsgrad von ca. 60%. Man verwendet sie häufig auf großen Flächen. I.1.2: Vakuumkollektoren Vakuumröhrenkollektoren sind Röhren in denen ein Vakuum herrscht. In der Mitte Befindet sich der Absorber, einem mit einer schwarzen Platte verschweißten Metallrohr. Der Absorber wandelt die Strahlung der Sonne in Wärme um und erhitzt das Wa**er-Glykol-Gemisch im Metallrohr. Vakuumröhrenkollektoren haben bei Temperaturen bis 50 C° einen Wirkungsgrad von ca. 75%, Kosten aber auch etwa 30% mehr. Sie werden meist auf kleinen Flächen oder zur Heizungsunterstützung angewendet. I.2: Wie funktionieren sie? Sonnenkollektoren haben ein einfaches Grundprinzip: Sie absorbieren Sonnenlicht und wandeln es in Wärme um. Zuerst erhitzt sich das Metall des Absorbers. Dieses erwärmt dann ein Wa**er-Glykol-Gemisch, welches dorthin gepumpt wird, wo die Wärme verbraucht wird (z.B. Brauchwa**erbehälter, Heizung). Beim Bau von Sonnenkollektoren müssen einige physikalische Gesetze beachtet werden: I.2.1: Die Sonneneinstrahlung Alle Wärmestrahlen haben eine von der Temperatur des strahlenden Körpers abhängige Wellenlänge. Da die Sonne ca. 6000 C° heiß ist, hat sie kurzwellige Strahlung (Wellenlänge <2,5 µm). Diese kann Glas durchdringen und so in den Kollektor gelangen. Die Absorber werden erhitzt und strahlen ebenfalls Wärme ab. Da der Absorber aber eine geringere Temperatur hat und deshalb langwellige Strahlen aussendet (Wellenlänge >2,5µm), können diese Wärmestrahlen das Glas nicht durchdringen und werden reflektiert. Für die Kollektoren wird darum Glas entwickelt, welches wenig reflektiert und gut dämmt. I.2.2 Absorption von Wärmestrahlen Jeder Stoff kann Wärme absorbieren. Gute Absorber haben eine dunkle Oberfläche. Damit viel Sonnenlicht aufgefangen wird, sollte die Oberfläche möglichst groß sein. Die Absorber von Sonnenkollektoren sind deshalb auf Messing- oder Aluminumröhren geschweißte, schwarze Platten. Sie sind spezialbeschichtet, so da** sie viele kurzwellige Strahlen absorbieren können und selbst wenige langwellige Strahlen aussenden. I.2.3 Wärmedämmung Wärme kann auf drei verschiedene Arten übertragen werden: - Wärmestrahlung: Der warme Körper strahlt Wärme in einer periodischen Wärmewelle ab. Die Wellenlänge hängt von der Temperatur des strahlenden Körpers ab. Wärmestrahlen bewegen sich auch durch Vakuum, gelangen also von der Sonne durch den Weltraum zur Erde. Ob sie durchsichtige Materie (z.B. Glas) durchdringen können, hängt von der Wellenlänge ab: kurzwellige Strahlen kommen hindurch, langwellige Strahlen werden reflektiert. - Wärmeleitung: Ein warmer Körper kommt in Berührung mit einem kalten Körper. Dieser erwärmt sich, und die Temperatur des anderen Körpers sinkt, bis sie gleich warm sind. Damit die Wärme auf diese Art übertragen werden kann, muss ein direkter Kontakt der Atome vorhanden sein. Deshalb kann sich Wärme auf diese Weise nicht in Vakuum bewegen. - Wärmetransport (Konvektion): Von Konvektion spricht man, wenn Materie durch Wärmeleitung erwärmt und anschließend vom Ort der Erwärmung wegtransportiert wird. Im Warmwa**erspeicher einer Solaranlage beobachtet man z.B. natürliche Konvektion: das erwärmte Wa**er ist leichter als das kalte. Deshalb steigt es nach oben und nimmt die Wärme mit. Dies führt zur Wärmeschichtung. Weil im Vakuum keine Materie, die sich erwärmen und aufsteigen könnte, vorhanden ist, kann z.B. im Vakuumröhrenkollektor keine Konvektion stattfinden. Auch deshalb wirkt das Vakuum als guter Isolator. Flachkollektoren ohne Vakuum brauchen eine dicke Wärmedämmung. I.3 Technische Probleme Es gibt aber auch einige technische Probleme: Im Winter und bei bedecktem Himmel produzieren die Kollektoren nicht genug Wärme, um den gesamten Warmwa**erbedarf zu decken. Deshalb kann man nicht komplett auf Sonnenkollektoren umstellen, sondern muss immer einen Verbrennungsofen einsatzbereit halten, um notfalls nachzuheizen. Wenn die Kollektorfläche zu groß ist und im Wa**erspeicher die Maximaltemperatur zu schnell erreicht ist, wird das Wa**er-Glykol-Gemisch im Kollektor nicht mehr weitergepumpt und erhitzt sich stark. Dies kann zu Rissen an den Schweißnähten und zu großem Druck in den Kollektoren führen, was die Lebenszeit der Anlage stark verkürzt. Bei zu kleinen Kollektoren wird die gewünschte Wirkung, da** der Heizkessel nicht einschalten muss, nicht erreicht. Ein anderes Problem sind Hagelschäden: da die Kollektoren auf der Außenseite der Dächer installiert werden, sind sie Wind, Schnee, Regen, Kälte und Hagel ausgeliefert. Darum werden bei Sonnenkollektoren 4mm dicke Gla**cheiben verwendet, die die Kollektoren vor Unwetter schützen sollen. Bei beiden Kollektorentypen lässt die Dämmung nach einiger Zeit nach. Bei Vakuumröhrekollektoren dringt Luft ein, die Dämmung geht verloren. Bei Flachkollektoren bilden sich Wärmebrücken, die Wärme entweichen la**en. In beiden Fällen sinkt die Leistung. I.4 Umweltaspekte Bei der Installation eines Sonnenkollektors spart man nicht nur Geld. Man senkt auch den persönlichen CO2-Ausstoß um bis zu 60 %, was das Klima langfristig schont. Die CO2-Einsparung kann noch höher ausfallen, wenn gleichzeitig die Heizung erneuert wird. II. Mein Experiment II.1 Versuchsaufbau Für den Versuch habe ich zwei Kollektoren gebaut. Beide sind gedämmt und haben eine Gla**cheibenabdeckung. Innen sind Schläuche ausgelegt. Der vermutlich bessere Kollektor ist innen schwarz, der schlechtere weiß. Der Versuch soll veranschaulichen, wie die Färbung des Kollektors die Absorptionsfähigkeit beeinflusst. II.2 Durchführung Ich fülle Wa**er in den Schlauch im Kollektor und stelle ihn auf. Dann richte ich eine Lampe aus 10 und 50cm Entfernung auf den Kollektor. Ich messe die Temperatur nach 1, 2, 5 und 15 Minuten und trage die Werte in eine Tabelle ein. Da**elbe mache ich mit dem anderen Kollektor. Danach vergleiche ich die Ergebnisse. Man würde erwarten, da** sich der schwarze Kollektor schneller erwärmt als der weiße. Außerdem sollten sich beide Kollektoren langsamer erwärmen, wenn die Lampe weiter entfernt ist. III. Anwendungen im Alltag III.1 Sonnenkollektor am Wiesensee Sonnenkollektoren wie der Schlauchkollektor am Wiesensee sind kostengünstig und ohne großen Aufwand zu installieren, aber nicht sehr effektiv. Sie sind leicht zu bauen: Man legt eine große, schwarze Folie auf den Boden und darauf in Schlangenlinien einen Schlauch. Mit einer Pumpe pumpt man das Becken­wa**er hindurch. Da im Becken nur 25-29 °C Wa**ertemperatur benötigt werden, ist auch eine Dämmung nicht notwendig: Ab 30 °C Außentemperatur gibt der Schlauch keine Wärme mehr ab, sondern nimmt Wärme auf, weil das Schlauchwa**er etwas kälter ist. III.2 Warmwa**erversorgung im Privathaushalt Sonnenkollektoren werden genutzt, um Brauchwa**er zu erwärmen. Dazu wird das warme Wa**er-Glykol-Gemisch aus dem Kollektor in eine Heizspirale im Brauchwa**erspeicher gepumpt. Das Brauchwa**er wird erwärmt, das Wa**er-Glykol-Gemisch abgekühlt. Während das warme Wa**er in den oberen Bereich des Speichers steigt, fließt kaltes Wa**er nach und das Wa**er-Glykol-Gemisch wird wieder in den Sonnenkollektor gepumpt. IV Andere Beispiele für solarthermische Anwendungen IV.1 Solarkocher Solarkocher sind Geräte, die den Brennstoffverbrauch beim Kochen auf ca. ein Sechstel senken. In einem großen Hohlspiegel, der aus dünnen Metallblechen hergestellt wird, werden die Sonnenstrahlen gebündelt und der Brennpunkt auf einen schwarzen Kochtopf gerichtet. Das Wa**er erhitzt sich und wird mit ein wenig Brennmaterial zum Kochen gebracht. Solarkocher werden meistens in Afrika, Südamerika und Australien eingesetzt, wo es viel direkte Sonneneinstrahlung und wenig Brennholz gibt. Solarkocher tragen dazu bei, da** nicht so viele Bäume abgeholzt werden, was gut für das Klima ist. Außerdem müssen die Menschen nicht stundenlang nach Holz suchen. IV.2 Parabolrinnenkraftwerke Parabolrinnenkraftwerke sind thermische Kraftwerke, in denen mit Sonnen­energie Strom hergestellt wird. Lange Parabolspiegel richten die direkten Sonnenstrahlen auf einen langen Vakuumröhrenkollektor. Das Thermoöl im Inneren der Röhre erreicht Temperaturen bis 400 °C. In einem Wärmetauscher wird Wa**er verdampft. Dieser Wa**erdampf treibt eine mit einem Generator verbundene Turbine an; der Generator erzeugt Strom. Der Kraftwerksteil mit Turbine, Generator usw. unterscheidet sich dabei nicht wesentlich von einem herkömmlichen Kraftwerk. Parabolrinnenkraftwerke haben oft einen Wärmespeicher, in dem tagsüber Wärme gespeichert wird. Mit Hilfe der gespeicherten Wärme kann das Kraftwerk auch nachts betrieben werden, wenn die Sonne nicht scheint. Es gibt bereits zwei Parabolrinnenkraftwerke: ein Kraftwerk in den USA, welches in den 80er Jahren gebaut wurde und bis 2009 mehr Strom produziert hat als alle Solarzellen der Welt zusammen. Eine neuere Doppelanlage steht in Spanien, Andasol 1 und 2. Es sind weitere Anlagen in Nordafrika („Desertec“) und Spanien geplant. So soll zu Andasol 1 und 2 noch Andasol 3 hinzukommen. Zusammen werden sie Strom für 500.000 Menschen herstellen. V Quellenverzeichnis Buchquellen: GEO Themenlexikon (2007), Band 6-8: Naturwissenschaften und Technik, Mannheim, Bibliographisches Institut. Birgit Schneider, BINE Informationsdienst (2008), Basis Energie 4: „Thermische Solaranlagen“, Bonn, FIZ Karlsruhe GmbH Internetquellen: Firmenpräsentation Almeco-TiNOX GmbH (2010) http://www.tinox.de/de/Produkte/Absorber/Beschichtung