Das Energiepotential der Sonne - Experimente und Auswertung an einem Eigenbaukollektor

Inhaltsverzeichnis
Einführung in die Sonnenenergienutzung
1 Generelles über solarthermische Anlagen..................................................S.3
1.1 Vorbemerkungen..................................................................................S.4
1.2 Probleme..............................................................................................S.4
1.3 Grundschema.......................................................................................S.5
1.4 Bestandteile..........................................................................................S.6
1.4.1 Verschiedene Kollektor-Typen......................................................S.6
1.4.1.1 Vakuum-Röhrenkollektoren....................................................S.6
1.4.1.2 Flächenkollektoren.................................................................S.7
1.4.1.3 Vakuum-Flächenkollektoren..................................................S.8
1.4.1.4 Vergleich der verschiedenen Typen......................................S.8
1.4.2 Wärmetauscher.............................................................................S.8
1.4.3 Wärmespeicher.............................................................................S.9
1.4.4 Wärmeträgermittel.......................................................................S.10
1.4.5 Sonstiges....................................................................................S.10
2 Bau eines Flachkollektors.........................................................................S.11
2.1 Bauplan und -anleitung......................................................................S.11
2.2 Hinweise zu Bau und Betrieb.............................................................S.13
3 Messreihen................................................................................................S.14
3.1 Messmethoden...................................................................................S.14
3.2 Messbedingungen..............................................................................S.15
3.3 Messungen:........................................................................................S.15
3.3.1 Erste Testmessung.....................................................................S.15
3.3.2 Maximaltemperaturen..................................................................S.17
3.3.2.1 Maximal mögliche Temperaturen.........................................S.17
3.3.2.2 Wirkungsgrad.......................................................................S.17
3.3.3 10 l im Austauschverfahren........................................................S.18
3.3.4 50 l - Praxis - Test.....................................................................S.20
3.3.5 Simulation von Diffusstrahlung....................................................S.21
3.3.5.1 Messung mit Papierabdeckung............................................S.21
3.3.5.2 Absorption der Diffusstrahlung.............................................S.22
3.3.6 Messung mit Frostschutzmittel....................................................S.22
3.3.7 Wintermessung...........................................................................S.24
Sonnenenergie der Energielieferant der Zukunft?!...................................S.25
Literaturverzeichnis...................................................................................S.27

Einführung in die Sonnenenergienutzung

„Die Sonne schickt uns keine Rechnung“¹ - das sollte man sich in Zeiten von immer knapper werdenden fossilen Brennstoffen wie Erdöl, Erdgas und Kohle und der zunehmenden globalen Erderwärmung durch erhöhten CO₂-Ausstoß zu Herzen nehmen und über regenerative Energien nachdenken.

In vielen Bereichen lässt sich auf einfache und vor allem bequeme Weise Energie durch Verwendung regenerativer Energiequellen sparen. So kann die Stereoanlage und der Fernseher im Schrebergarten nicht nur von einer am Stromnetz aufgeladenen 12V- Autobatterie betrieben werden, sondern genauso gut an eine kleine Fotovoltaikanlage angeschlossen werden. Auch das Warmwasser fürs Abspülen und Duschen muss nicht zwingend von einem Gasbrenner erhitzt werden, sondern kann durch die Sonne erwärmt werden. Hier reicht oft schon ein langer, schwarzer Gartenschlauch, der einfach in der Sonne liegt. Die genannten Anwendungen sind naheliegend, da man sich im Garten oder im Campingurlaub meist nur bei schönem, sonnigem Wetter aufhält. Man bemerkt schnell, dass in der Sonne sehr viel mehr Potential steckt, das man sich in anderen Gebieten zunutze machen kann. Daher empfiehlt es sich, gerade bei Neubauten, eine alternative Energiequelle zur Warmwassergewinnung zu haben, zumal die Erdölvorräte wahrscheinlich nur noch 40-60 Jahre reichen. Warmwasser kann man durch Wärmepumpen gewinnen, diese entziehen dem Boden Wärme, aber auch durch Kollektoranlagen, die die Sonneneinstrahlung absorbieren und nutzbar machen.
Im ersten Teil der Facharbeit wird der Aufbau solcher Anlagen beschrieben, im zweiten Teil ein kurze Bauanleitung eines Kollektors, der relativ einfach herzustellen ist. Der letzte Teil der Facharbeit beschäftigt sich mit Messungen und Experimenten, die mit diesem, von mir gebauten Kollektor durchgeführt wurden. Es wird gezeigt, dass die Sonne ausreichend Energie liefert, die auch mit relativ wenig Aufwand (auch in finanzieller Hinsicht) genutzt werden kann.

1. Generelles über solarthermische Anlagen

1.1 Vorbemerkungen

Solarthermische Anlagen funktionieren prinzipiell so wie ein in der Sonne liegende Gartenschlauch. Eine Flüssigkeit wird durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Die Wärmeenergie wird über Wärmetauscher an das Brauchwasser weitergegeben, wo sie dann zur Nutzung verfügbar ist. Falls die Sonneneinstrahlung zu gering ist oder der Warmwasserbedarf zu hoch ist, hilft eine Zusatzheizung nach und bringt das Brauchwasser auf die gewünschte Temperatur.

1.2 Probleme:

Eines der größten Probleme bei solarthermischen Anlagen ist aber die Sonne selbst.

So scheint sie im Sommer mehr, es könnte also mehr Energie genutzt werden, der Wärmeenergiebedarf jedoch ist aber zu dieser Zeit geringer. In der kühlen Zeit des Jahres wird zusätzlich Energie für Heizung benötigt, da die Sonne kürzer scheint (siehe nachfolgende Grafik). Angebot und Nachfrage liegen maximal auseinander.

Jahresverlauf von Warmwasserbedarf Q und Sonneneinstrahlung E.2	Tagesverlauf von Warmwasserbedarf Q und Sonneneinstrahlung E3.

Dieses Problem kann nur schwer gelöst werden, da die Kollektorfläche, die einen Langzeitspeicher erhitzen kann sehr groß sein muss. Mittlererweile gibt es auch in Deutschland solche Projekte (z.B. Neckarsulm), in denen ganze Neubaugebiete mit mehren tausend Quadratmetern Kollektorfläche ausgerüstet, riesige Erdspeicher erwärmen, um dann die Energie auch im Winter zur Verfügung zu haben.

Ein ähnliches Problem ergibt sich auch im Tagesverlauf, da in den Morgen- und Vormittagsstunden vermehrt Warmwasser gebraucht wird, die Sonne aber durch den tiefen Stand und die kurze Nutzzeit zu wenig Energie liefert. Dieses Problem hingegen kann relativ einfach gelöst werden, in dem man einen Wärmespeicher einsetzt, der im Laufe des Tages mehrere 100 Liter Wasser (Einfamilienhausanlage) erwärmt, die dann zu den „Stoßzeiten“ morgens bzw. vormittags und abends zur Verfügung stehen.

Besonderes in unseren Breiten tritt noch ein weiteres Problem auf, da in der Winterzeit mit anhaltenden Frösten zu rechnen ist und daher die Anlage mit einem Frostschutzmittel geschützt werden muss. Daraus ergeben sich gewisse Leistungseinbußen.

1.3 Grundschema

Eine solarthermische Anlage zur Warmwasserbereitung besteht aus einem oder mehreren Absorbern (Kollektoren), einem Brauchwasserspeicher, einer Nachheizung und einer Regel- und Steuereinheit. Man bezeichnet eine solche Anlage auch als Zweikreissystem, da sowohl der Solarkreis, als auch der Heizungskreis Warmwasser erzeugen können. Die Brauchwasserspeicher sind so dimensioniert, dass im Sommer möglichst der gesamte Warmwasserbedarf des Gebäudes gedeckt werden kann und im Winter, bzw. der Übergangszeit, die Solarenergie zur Vorheizung des Wasser genutzt werden kann. Scheint einmal über mehrere Tage hinweg keine Sonne, so braucht man auch im Sommer die Zusatzheizung zur Warmwassererzeugung.

Im nachfolgenden Teil werden die einzelnen Bestandteile und deren Funktion genauer erläutert.

1.4 Bestandteile

1.4.1 Verschiedene Kollektor-Typen / Absorber

1.4.1.1 Vakuum-Röhrenkollektoren

Vakuum-Röhrenkollektoren bestehen aus mehreren evakuierten Glaskolben, in denen ein Kupferblech mit aufgeschweißtem Rohr verläuft. In diesem Rohr befindet sich eine leicht verdampfende Flüssigkeit, die in einem Verdampfungs- und Kondensationskreislauf die Wärme an das Wasser abgibt.⁴ Ein Vorteil dieser Konstruktion ist die sehr gute Isolation des Vakuums gegenüber der Luft, ähnlich einer Thermoskanne. Es wird kaum Wärme abgestrahlt. Hinzu kommt noch, dass die Röhren gedreht werden können um somit ungünstige Dachlagen auszugleichen. Ein großer Nachteil dieser Konstruktion ist aber, dass das Vakuum über viele Jahre hinweg bestehen muss, um für einen hohen Wirkungsgrad garantieren zu können. Außerdem sind die Produktionskosten für diesen Kollektor höher.

1.4.1.2 Flächenkollektoren

Ein Flächenkollektor ist meist ein in einem Kasten montiertes Kupferblech mit aufgeschweißter Kupferschlange. Das Kupferblech ist mit einer Spezialfarbe schwarz gestrichen, die fast keine Wärme abstrahlt, sondern alles absorbiert.

Eine Platte aus Spezialglas mit besonders geringem Eisenanteil und nur wenigen Millimeter großen Prismen sorgt dafür, dass möglichst viel Sonnenlicht in den Kollektor kommt. Die Prismen lenken seitlich einfallendes Licht so ab, dass der Absorber auch in den Morgen- und Abendstunden gute Werte erbringen kann. Das Solarglas hat meist eine Dicke von 4-6 mm. Die solare Transmission von 91% ist im Gegensatz zu normalem Glas mit 84% höher und ist somit noch effizienter.⁵

Die Rückseite und Seitenwände sind mit Glaswolle isoliert um möglichst wenig Wärme abzustrahlen. Es gibt auch Kollektortypen, die direkt ins Hausdach integriert sind. Dadurch wird keine Rückwand benötigt und die Rückisolierung ist gleichzeitig Dachisolierung. Ferner entfallen ebenfalls die Kosten für Dachziegel, was besonders für Neubauten attraktiv ist.

Als Wärmeträgermittel dient stets Wasser, dem ein Frostschutzmittel zugesetzt wurde. Die Wärmeenergie wird in einem Wärmetauscher an das Brauchwasser weitergeben.

Diese Kollektoren sind am weitesten verbreitet, da sie relativ preisgünstig und leicht herzustellen sind. Der geringere Wirkungsgrad gegenüber den anderen Typen wird durch größere Flächen, die ja meist ohnehin vorhanden sind und geringeren Preis wett gemacht.

1.4.1.3 Vakuum-Flächenkollektoren

Vakuum-Flächenkollektoren ähneln den Flächenkollektoren. Hier ist aber das Innere evakuiert um eine bessere Isolation gewährleisten zu können. Der Nachteil ist aber, dass durch das Vakuum eine enorme Zugkraft auf das Glas wirkt, die durch dickere Glasplatten und Stützstabe kompensiert werden muss. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad wieder, so dass sie bei einem höherem Preis und größer Empfindlichkeit nur unwesentlich effektiver arbeiten.

1.4.1.4 Vergleich der verschiedenen Typen

Im Vergleich der drei Typen lässt sich sagen, dass nur der Vakuum-Röhrenkollektor und der Flächenkollektor gut geeignet sind. Bei Vakuum-Röhrenkollektoren treten aber öfters Probleme auf. Daher sollte man diesen Typ nur dort einsetzten, wo nicht genügend Platz vorhanden ist.

Der Flächenkollektor hingegen überzeugt mit seiner Robustheit und dem im Vergleich günstigen Anschaffungskosten. Dachfläche ist meist genügend vorhanden, so dass sie nicht wirklich ein Problem darstellt.

1.4.2 Wärmetauscher

Solarkollektoren sollen auch im Winter zumindest einen kleinen Beitrag zur Warmwassergewinnung leisten. Deshalb sind sie Betriebstemperaturen unter 0°C ausgesetzt. Da gefrierendes Wasser die Rohrleitungen sprengen würde, muss dem Wasser ein Frostschutzmittel zugesetzt werden. Da dies das Trinkwasser ungenießbar macht, muss die Energie von diesem Wärmeträgermittel über einen Wärmetauscher an das eigentliche Trinkwasser abgegeben werden. Dies erfolgt im Wärmespeicher. Das Wärmeträgermittel durchströmt meist eine Kupferrohrspirale, deren Oberfläche durch eingefräste Rillen auf ein Vielfaches vergrößert wurde.

1.4.3 Wärmespeicher

Im Wärmespeicher werden mehrere 100 Liter (Warm-)Wasser für den Tagesbedarf bereitgehalten. Das Speichervolumen beträgt ungefähr das 1,5- 2-fache des Tagesbedarfs. Das isolierte Gefäß ist meist ein schlanker Zylinder (Breite : Höhe – 1 : 2,5)⁶, damit sich eine gute Temperatur-Schichtung ergibt. Wenn der Speicher zu breit wäre, würde sich das Wasser durch das nachfließende Kaltwasser bei Warmwasserentnahme durchmischen und man hätte nur lauwarmes Wasser. Eine Schutzanode verringert die Verkalkung und garantiert über längere Zeit einen hohen Wirkungsgrad. Trotzdem sollten zu hohe Wassertemperaturen (> 60°C) vermieden werden, da dann vermehrt Kalk ausfällt. Die Isolierung des Speichergefäßes ist 10 bis 15 cm dick. Der Wärmeverlustwert beträgt ca. 2 W/K⁷.

Bei Zweikreisanlagen befinden sich zwei Wärmetauscher in einem Speichergefäß. Man spricht auch von bivalenten Wärmespeichern, da zwei Wärmequellen vorhanden sind. Der Kaltwassereinfluss erfolgt im Boden des Speichers. Ein Wärmetauscher im unteren Bereich überträgt die Solarwärme auf das Trinkwasser. Ein zweiter Tauscher im oberen Teil überträgt die Wärme der Zusatzheizung. Am oberen Ende befindet sich der Warmwasserabfluss, da warmes Wasser wegen der geringeren Dichte nach oben steigt und sich somit das wärmste Wasser immer oben befindet. Deshalb liegt auch der Wärmetauscher der Zusatzheizung oberhalb des Solartauschers, da dann die Heizung nur noch den Differenzbetrag zwischen der Temperatur des solar erwärmten Wasser und der gewünschten Warmwassertemperatur erzeugt werden muss.

Ein Problem stellen die so genannten Legionellen dar, die sich im Wasser bei Temperaturen von 25-55°C besonders gut vermehren. Besonders nach längerer Standzeit des Wassers (z.B. während des Urlaubs) besteht eine gewisse Gefahr einer Infektion durch Legionellen die über Wasserdampf eingeatmet werden. Eine Erhitzung des Wasser auf 60°C genügt um die Legionellen abzutöten. Dies wird besonders für Großanlagen empfohlen⁸.

1.4.4 Wärmeträgermittel

Um möglichst viel Wärme transportieren zu können, benötigt man eine Wärmeträgerflüssigkeit mit hoher spezifischer Wärmekapazität c. Die Wärmekapazität von Wasser ist mit 4,19 kJ kg^-1K^-1 recht hoch (Alkohol: 2,4 kJ kg^-1K^-1 ; Öl: ca. 2,0 kJ kg^-1K^-1)⁹. Weitere Vorteile sind außerdem der niedrige Preis und die Ungefährlichkeit. Da, wie oben schon erwähnt, die Flüssigkeit auch Temperaturen unter 0°C ausgesetzt sein kann, muss man ein Frostschutzmittel zusetzen.

1.4.5 Sonstiges

Da die Kollektoren sich meist auf nach Süden orientierten Hausdächer befinden, die Heizung und Wärmespeicher aber im Keller, muss eine Pumpe das Gefälle ausgleichen. In Neubauten dagegen werden die Wärmespeicher und Heizkessel auch immer öfter in den Dachboden gebaut, da dann eine solche Pumpe kleiner dimensioniert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die Einsparung des langen Schornsteins. Ferner gehört zur Pumpe eine Regeleinheit, die den Fluss kontrolliert. Dies ist zwingend notwendig, da der Kollektor bei Sonnenschein zwar sehr gut Energie durch die metallische Leitfähigkeit aufnimmt, diese aber, sobald die Kollektortemperatur niedriger als die Flüssigkeitstemperatur ist, genauso gut wieder abgibt. Daher muss die Regeleinheit mit verschiedenen Sensoren die Temperaturen messen und sobald ein Energieverlust eintreten würde, also z.B. nachts oder im Winter, bzw. bei starker Bewölkung, die Pumpe abschalten. Es ist natürlich zu beachten, dass das Kollektorfeld möglichst nicht durch Bäume oder benachbarte Häuser beschattet wird.

2. Bau eine Flachkollektors

2.1 Bauplan und -anleitung

Beim Besuch der Firma Gemeinhardt in Oberkotzau konnte ich den Aufbau eines Flächenkollektors sehen und meine bereits gewonnenen Erkenntnisse vertiefen. Ein Großteil der verwendeten Materialien zum Bau wurden mir freundlicherweise von der Firma Gemeinhardt überlassen.

Der gebaute Solarkollektor besteht aus einer 0,8 m mal 1,0 m großen 1mm dicken Kuperfblechplatte, auf die eine ca. 6,8 m lange und 1,0 cm durchmessende Kupferschlange aufgelötet wurde. Das Wärmeträgervolumen des Kollektors samt der Zu- und Ableitungen beträgt 0,7l.

Kupfer wurde wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von 399 W K^-1m^-1 gewählt. Im Vergleich dazu ist die von Eisen mit 81 W K^.1m^-1 um ein vielfaches geringer. Somit ist Kupfer als relativ günstiger und robuster Rohstoff sehr gut geeignet. Ein Abstand der einzelnen Kupferohre auf Kupferblech von 10 cm erweist sich als besonders günstig, da eine hohe Energieausbeute auch bei geringerer oder wechselnder Sonneneinstrahlung gewährleistet werden kann.

Auf die Rückseite des Blechs kam eine 2 cm starke Styrodurisolierung, um Verluste durch Abstrahlung nach hinten zu minimieren. An den Seiten ragt eine ca. 5 cm hohe Styrodurschicht über das Blech empor um darüber später eine Folie spannen zu können. Anschließend wurde das Absorberblech mit Voll- und Abtönfarbe geschwärzt. Schließlich wurde noch eine dünne, klare Plastikfolie über den Kasten gespannt um einen Treibhauseffekt zur erzielen und die Wärmeverluste durch den darüberstreichenden Wind zu verringern. An den Kupferrohrenden wurden je ein Stück Gartenschlauch mit einem Schlauchbinder befestigt und mit Klebeband abgedichtet.

Rohform der Kupferschlange 6,8m lang x 0,01m Durchmesser	Teilweise aufgelötete Kupferschlange auf 0,8m x 1,0 m x 0,001m Kupferblech
Geschwärzter Absorber auf Holzrahmen geschraubt	Von hinten gesehen.
Teil der Styrodurisolation, mit Alufolie.	Von hinten in den Holzrahmen eingesetzte Styrodurisolation mit Alufolie

2.2 Hinweise zu Bau und Betrieb

Das Auflöten der Kupferschlange erwies sich schwieriger als gedacht, da sich das Kupferblech beim Erhitzen merklich ausdehnt und sich somit „Täler und Berge“ bilden, die beim Löten beachtet und ausgeglichen werden müssen.

Die Rückseitenisolierung mit Styrodur musste mit Alufolie vor direkter Wärmestrahlung geschützt werden, da sich im Leerlaufbetrieb, d.h. ohne Wasser, das Kupferblech auf weit über 100°C erwärmen kann. Die Verwendung von Glaswolle, wie sie in käuflichen Kollektoren verwendet wird, ist auch bei hohen Temperaturen hitzeresistent, aber weitaus teuerer, da Glaswolle nur in größeren Mengen abgegeben wird. Für den Experimentalkollektor reicht aber diese Lösung aus, da er nicht ständig für längere Zeit der Hitze ausgesetzt ist. Daher darf der Kollektor auch nie längere Zeit in der Sonne stehen, ohne dass Wasser durchgepumpt wird. Als „Wärmespeicher“ dient ein normaler, 10 Liter fassender Plastikeimer.

 

Schritt für Schritt Bedienungsanleitung:

1. Schlauchverbindungen auf Dichtigkeit überprüfen

2. Pumpe mit Schlauchbinder an den gelben Schlauch anflanschen (Schlauch vorher durch den Eimerdeckel stecken); Pumpleistung auf maximal einstellen!

3. Pumpe in den Eimer stellen, Deckel schließen

4. Kollektor ausrichten

• gelber Schlauch ist oben, Kupferschlange verläuft horizontal

• Südrichtung einhalten

• 45° Neigungswinkel durch anlehnen an Hauswand oder Baum herstellen

5. Eimer mit Wasser füllen

6. Pumpe einschalten und Wasserbehälter ca. 50cm anheben

7. Sobald das Wasser gleichmäßig aus dem blauen Schlauch fließt, Wasserbehälter auf den Boden vor dem Kollektor stellen

8. blauen Schlauch durch die zweite Öffnung im Deckel stecken

3. Messreihen

3.1 Messmethoden

Die Messdauer der verschiedenen Temperaturwerte erstreckte sich bei manchen Messreihen über einen ganzen Tag. Daher lag es nahe, die Temperaturverläufe durch einen Computer protokollieren zu lassen.

Die ersten Messungen wurden mit einem Flüssigkeitsthermometer durchgeführt. Der Nachteil hierbei war, dass die Messwerte in bestimmten Zeitintervallen per Hand aufgeschrieben werden mussten. Deshalb kam später ein ausgebauter Temperatursensor einer PC-Wetterstation zum Einsatz. Als drittes Messgerät wurde ein Digitalmessgerät mit Temperaturfühler und Anschluss zum PC verwendet.

Da nicht auszuschließen war, dass die Thermometer ungenau arbeiten, bzw. in manchen Temperaturbereichen größere, nicht lineare Abweichungen entstehen, wurde eine Vergleichsmessung der drei Thermometer durchgeführt.

In einem Gefäß mit Eiswasser (ungefähr 0°C) startete die Messung. Nach und nach wurde immer etwas wärmeres, später kochendes Wasser hinzugegeben, umgerührt und mit allen drei Thermometer gemessen.

Aus den Graphen ist zu erkennen, dass die digitalen Thermometer nahezu identische Messwerte in allen Temperaturbereichen erzeugen. Im Temperaturbereich bis ca. 50°C ergeben sich Messwerte mit einer maximalen Abweichung zueinander von 1K. Ab dem Bereich von ca. 50°C zeigt sich die erste größere Abweichung des Flüssigkeitsthermometer. In kochendem Wasser beträgt die Abweichung ca. 9K. Daher ist die erste Messung, die ohnehin nur zu Testzwecken dient, mit den anderen nicht direkt vergleichbar.

3.2 Messbedingungen:

• Die Messwerte wurde im Abstand von 5-20 Minuten ermittelt.

• Die Messkurve Wassertemperatur wurde im 10l-Behälter ermittelt, der den Brauchwasserspeicher darstellt.

• Die Messkurve Kollektortemperatur wurde mit dem Außensensor eines Digitalthermometers gemessen, das in die Mitte des Absorbers geklebt wurde. Der Sensor wurde mit etwas Aluklebeband gegen zu starke direkte Hitze durch die Sonneneinstrahlung isoliert.

• Im Kollektorkreislauf sowie im Behälter befanden sich immer insgesamt 10l Wasser.

• Der Kollektorneigungswinkel betrug stets 45° gegenüber der Horizontalen

3.3 Messungen:

3.3.1 Erste Testmessung

Die erste Messung fand am 29. Mai 2002 statt. Es war ein sonniger und sehr windiger Tag. Gegen 11:45 Uhr nahm die Quellbewölkung zu.
Bei der ersten Messung galt es Erfahrungen zu sammeln, welche Einflüsse den Kollektorertrag entscheidend beeinflussen.

Die Trendlinien der beiden Kurven verlaufen nahezu parallel. Daran lässt sich sehr schön erkennen, dass die Kollektortemperatur immer etwas höher ist, als die Wassertemperatur, da das Kupfer des Kollektors die Wärme sofort absorbiert, es aber ca. 10 Minuten dauert, bis das gesamte Wasservolumen einmal durchgeflossen ist.

Weiter lässt sich ab ca. 11:45 erkennen, dass eine zeitweilige Abschattung des Kollektors durch Quellbewölkung eintrat. Während der Bedeckungszeit wird der Absorber nicht weiter erwärmt, es fließt aber nach wie vor das etwas kühlere Wasser durch so dass ein umgekehrter Prozess stattfindet. Der Kollektor wirkt wie ein Heizkörper und gibt die Wärme des Wasser an den Kollektor und somit auch an die Umwelt wieder ab. Gegen 13:20 Uhr wurde der Himmel total bedeckt, sodass diese Messreihe beendet wurde.

Testweise wurde der Kollektor zwischen 11:00 Uhr und 11:30 Uhr flach auf den Boden gelegt. Dies entspricht etwa der Montage eines Kollektors als Schwimmbadabsorber oder auf einem Flachdach. Dabei wurde kein merklicher Unterschied zur Aufstellung im 45°-Winkel festgestellt.

Aus unten stehender Grafik lässt sich dies ebenfalls erkennen. Man sieht auch, dass eine jeweilige Anpassung des Kollektors an den Sonnenstand lediglich eine Abweichung von ca. 5% in der Einstrahlung ausmacht. Im Winter ist ein flach montierter Absorber, durch den tiefen Stand der Sonne stark benachteiligt. Die Absorptionsrate sinkt beträchtlich. Kollektoren werden daher immer im 45° Winkel montiert, da dies quasi der Kompromiss für Sommer und Winter ist. Lediglich Schwimmbadabsorber werden einfach auf Flachdächer gelegt, da diese nur im Sommer, bei hohem Sonnenstand arbeiten.

 

Der Kollektor müsste im Sommer etwas flacher gegenüber der Horizontalen stehen (ca. 30°) und im Winter etwas steiler (ca. 60°). Daher wurde bei allen Messungen der Kollektorneigungswinkel konstant bei 45° belassen¹⁰.

3.3.2 Maximaltemperaturen

3.3.2.1 Maximal mögliche Temperatur

Bei der 2. Messung am 22. Juni 2002 sollte die maximal erreichbare Temperatur gemessen werden, da am 21. Juni die Sonne auf der nördlichen Erdhalbkugel ihren Höchststand hat und somit die eingestrahlte Energie am höchsten ist. Der Kollektor wurde mit Wasser um 11:30 Uhr gefüllt und dann bis 13:30 Uhr ohne Pumpenumwälzung der Sonne ausgesetzt. Die dann gemessene Temperatur ergab einen Wert von 87°C! Der Kollektor hat dem Wasser Wärmeenergie in Höhe von

zugeführt. Bei einer weiteren Messung, mit den gleichen Bedingungen, allerdings am 8.10.2002 wurde in der gleichen Zeit ein ΔT von immerhin 72 K erzielt. Daraus ergibt sich eine Wärmeenergie Q von 3016,8 kJ.

3.3.2.2 Wirkungsgrad

Alle Messkurven nähern sich asymptotisch an die 87°C Maximaltemperaturgrenze an, da dies die höchste mit diesem Kollektor erreichbare Temperatur ist. Um eine höhere Temperatur zu erzielen, müsste man die optischen Verluste von ca. 80%¹¹(Emissionsgrad des Absorbers) sowie die thermischen Verluste, die mit der Temperatur steigen, verringern¹². Bei meinem Kollektor sind die optischen Verluste wahrscheinlich noch höher, da hier nur eine Plastikfolie und kein eisenarmes Solarglas eingesetzt wurde. Wärmeverluste ergeben sich besonders bei kühlen Außentemperaturen durch die dünne Folie und die langen, nicht isolierten Zu- und Abflussleitungen.

Die zweite Grafik¹³ zeigt schematisch die Energieflüsse im Kollektor. Dabei sieht man, dass neben der Glasabdeckung (E₁) und der Gehäuseisolation (E₃), die Verluste durch Reflexion (E₂) beträchtlich sind. Die Absorptionsrate von mit Schwarzchrom beschichteten Kollektoren gegenüber normalen Farbe ist ca. 6 mal höher¹⁴.

3.3.3 10 l im Austauschverfahren

Die 3. Messung fand am 23. Juni 2002 bei windigem Wetter mit leichter und später stärkerer Bewölkung statt.

Bei dieser Messung wurde zusätzlich der Verlauf der Außentemperatur protokolliert.

Das Besondere an dieser Messung ist, dass nachdem die 10 l Wasser von 20°C auf 60°C erhitzt wurden, Wasser mit 20°C wieder bis auf 60°C erhitzt wurde. Da in solarthermischen Anlagen die Wassertemperatur im Brauchwasserspeicher immer um 60°C liegt, wurde das Wasser immer bei 60°C ausgetauscht. Dadurch sollte der maximale mögliche Ertrag des Kollektors bestimmt werden, da die Sonne ihren Jahreshöchststand erreicht hatte und somit die größtmögliche Sonneneinstrahlung herrschte.

Ein Pumpenausfall gleich am Anfang der Messreihe lässt die Kollektortemperatur ansteigen, ohne dass das Wasser erwärmt wird. Danach nähert sich die Wassertemperaturkurve asymptotisch der Maximaltemperatur (87 °C) an, wobei bei 60°C ein erster Abbruch nach 2h20min erfolgte. Nach 1h50min war schon wieder eine Temperatur von 60°C erreicht. Die um 30min verkürzte Zeit ist damit zu erklären, dass die Sonne um 13:00 Uhr MESZ ihren Höchststand erreicht hat. Durch die gegen 14:10 Uhr eintretende starke Bewölkung konnte die Temperatur von 60°C nicht noch einmal erreicht werden. Deshalb wurde das Wasser auch nicht mehr ausgetauscht. Im Laufe der nächsten Stunden kühlte sich das doch bis auf gut 50°C erhitzte Wasser durch den kontinuierlichen Umlauf wieder ab.

Bestimmung des Energieertrages:

1.Abschnitt:
2. Abschnitt:
3. Abschnitt
Summe:	717,2 W

In der Zeit von 340 Minuten wurde das Wasser mit einer Leistung von über 700 Watt erwärmt. Bei einer Fläche von 0,8 m² entspricht das einer Flächenleistung von 896 W/m², bei einer Dauer von 5 h 40 min rund 158 W h^-1m^-2.
Messungen haben ergeben dass in unseren Breiten im Sommer ca. 0,8 kW h^-1 m^{-2 15} Energie auf den Erdboden eingestrahlt wird. Das ergibt für meinen Kollektor einen Wirkungsgrad η von etwa 20%. Wie in 3.3.2.2 schon erwähnt kommen die hohen Verluste im Vergleich zu einem käuflichen Kollektor ( η ≈ 80%¹⁶) durch die einfache Absorberbeschichtung, Reflexionsverluste an der Folie und Abstrahlung in den Zu- und Ableitungen bzw. dem Speichergefäß. Eine hochwertigere Beschichtung würde den Wirkungsgrad allein um etwa 50% erhöhen.

3.3.4 50 l Praxistest

Am 7. Juli 2002 wurde bei anfangs sonnigem, dann aber recht wolkigem und windigem Wetter eine weitere Experimentalmessung durchgeführt. Um nicht wie in der vorhergehenden Messung die Wassermenge ersetzen zu müssen, wurde ein größerer Behälter verwendet. Für gute Kollektoren rechnet man mit 60 bis 80 l Wasser pro m² Kollektorfläche¹⁷. Dies entspricht bei einer Kollektorfläche von 0,8 m² einem ca. 50 l großem Wasserreservoir.

Die Leistung die diese Messung erzeugte, ist vergleichbar mit der 3. Messung, wobei zu beachten ist, dass diese Messung bei schlechterem Wetter statt fand.

Diese Messung zeigt, dass nicht nur strahlender Sonnenschein Energie liefert, sondern auch dazu Diffus- und Infrarotstrahlung (mehr dazu bei der 5. Messung). An den Peaks der blauen Kollektortemperaturkurve sieht man deutlich die Zeiten, während denen die Sonne länger schien. Danach fällt die Kurve wieder ab, da die Wassertemperatur den Kollektor kühlt. Bei professionellen Kollektoren ist die Absorptionsrate unter solchen Bedingungen noch viel höher, da durch das Spezialglas und die Beschichtung des Kollektors mehr Infrarotstrahlung durchgelassen und absorbiert werden kann. Ferner entstehen durch die Abschaltung der Pumpe weniger Rückstrahleffekte.

3.3.5 Simulation von Diffusstrahlung

3.3.5.1 Messung mit Papierabdeckung
_

Um besser zeigen zu können, dass der Kollektor auch relativ gut Infrarotstrahlung absorbiert, wurden Messungen am 30. und 31. Juli durchgeführt. Der erste Messtag diente als Referenzmessung. Hierbei wurden ohne Abdeckung 10l Wasser erwärmt. Am zweiten Tag, bei gleichen Wetterbedingungen (warm, leicht windig, wenige Quellwolken) wurde der Kollektor mit einer Schicht aus Papier bedeckt. Das Papier bestand aus aneinandergeklebten dünnen Seiten (Dichte ca. 60 g/m²) DIN A4 Papier und soll eine gleichmäßige, leichte Bewölkung simulieren. Gegen 13:15 Uhr kam stärkere Bewölkung auf, um 14 Uhr begann es dann zu regnen, so dass die Messung abgebrochen werden musste.

Die Trendlinien der beiden Kurven verlaufen anfangs relativ deckungsgleich. Um 11:45 Uhr beträgt der Temperaturunterschied lediglich 6 K. Nach etwa einer Stunde lässt sich aber klar erkennen, dass die Steigung der Kurve mit Papierabdeckung geringer ist. Um 12:20 Uhr beträgt der Temperaturunterschied bereits 18 K. An beiden Messtagen wurden folgende Leistungen absorbiert:

(ohne Abdeckung)

 

(mit Abdeckung)

 

3.3.5.2 Absorption von Diffusstrahlung:

Die Globalstrahlung auf der Erde teilt sich wie folgt auf¹⁸:

Ultraviolettstrahlung:	3%
sichtbares Licht:	44%
Infrarotstrahlung:	53%

Die Einstrahlung ist an einem bewölkten Tag (~475 W m^-2) ungefähr um die Hälfte geringer als an einem klaren Tag (800-1000 W m^-2)¹⁹.

Der Unterschied der beiden Messungen beträgt 95,7 W, also genau die Hälfte. Daraus ergibt sich, dass der Kollektor bei Diffusstrahlung 50% der Energie bei direkter Sonneneinstrahlung absorbieren kann, was den theoretischen Werten sehr nahe kommt. Umgerechnet ergibt sich eine durchschnittliche Leistung von 53 W h^-1m^-2(mit Abdeckung). Der Wirkungsgrad in diesem Fall ist dann 11%. Der nur etwa halb so große Wirkungsgrad wie in 3.3.3 spiegelt die um etwa 50% verminderte Sonneneinstrahlung wieder.

3.3.6 Messung mit Frostschutzmittel

Da in unseren Breiten die Frostgefahr relativ hoch ist, wurde die Wärmeträgerflüssigkeit mit einem Frostschutzmittel versehen, um ein Einfrieren der Leitungen zu verhindern. Am 30.9.2002 erfolgte daher wieder eine Referenzmessung mit 10l Wasser. Das Wetter war an beiden Tagen annähernd gleich. Die maximale Tagestemperatur betrug 15°C, der Himmel war durchwegs sehr klar, nur am 1.10.2002 zogen zwei kleinere Wolkenfelder durch, die man in der blauen Kurve als Knicke um 13 bzw. um 15:30 Uhr erkennen kann. Die Wärmeträgerflüssigkeit bei der Messung am 1.10.2002 wurde mit Frostschutzmittel versetzt. Als Frostschutzmittel kam „Frostschutzmittel Scheibenklar“ zum Einsatz, das normalerweise in der Scheibenwischwaschanlage von Autos verwendet wird. Die Inhaltsstoffe waren: Alkohole (Ethandiol, Ethylenglykol, Diethylenglykol, Glyzerin), Tenside (senken die Oberflächenspannung von Wasser) sowie Farb- und Duftstoffe. In Frostschutzmitteln für Solaranlagen sind neben Ethylenglykol auch Korrosionsschutzmittel enthalten. Im Kreislauf befanden sich dann 5l Wasser und 5l Frostschutzmittel. Das Gemisch ist laut Herstellerangabe bis -15°C frostsicher. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,19 kJ kg^-1K^-1, von Alkohol 2,4 kJ kg^-1K^-1. Durch die Mischung der beiden Flüssigkeiten ergibt sich eine gesamte spezifische Wärmekapazität von ca. 3,6 kJ kg^-1K^{-1 20}. Diese Wärmekapazität ist um etwa 15% geringer als die von Wasser.

Im Intervall von 10:50 Uhr bis um 15:30 Uhr haben die Kurven einen durchschnittlichen Temperaturunterschied von 7 K. Daraus ergibt sich eine um etwa 12% niedrigere Temperatur. Man sieht deutlich, dass weniger Wärme transportiert wird und es sich eine kleine Abweichung vom theoretischen Wert ergibt. Gründe dafür können sein, dass das verwendete Frostschutzmittel-Wasser-Gemisch eine andere Wärmekapazität besitzt, als angenommen. Gründe hierfür sind z.B. Verdampfen des Glykols, oder die enthaltenen Tenside und Duftstoffe.

3.3.7 Wintermessung

Am Sonntag, den 8.12.2002 wurde der Kollektor noch einmal einer besonderen Probe unterzogen.

Der Messaufbau für die Wintermessung. Da die Sonne sehr tief stand musste der Kollektor vom Balkonboden hochgestellt werden. Im Vordergrund sieht man den gut isolierten Eimer.	Der Wasserbehälter geöffnet, mit dem Digitalmessgerät, Zu- und Abflussleitung.
Dass das Wetter wirklich sehr eisig, aber auch sehr sonnig war, zeigt dieses Bild.	Sonnentiefstand (knapp oberhalb des oberen Bildrands)

Bei sehr klarem Wetter, aber einer Außentemperatur von -5°C und kälter wurde eine Messreihe durchgeführt. Die Messung ist allerdings nur ansatzweise mit den anderen zu vergleichen, da zum einen Wasser mit Frostschutzmittel verwendet wurde und zum anderen der Eimer mit mehreren Schichten Rettungsfolie isoliert wurde, um eine zu starke Abkühlung zu verhindern. Die Verluste durch Wärmeabstrahlung in die sehr kalte Umgebung wären sonst zu hoch gewesen.

Hier die Messkurve, die für mich ein erstaunliches Ergebnis lieferte, denn es wurde auch bei äußerst kalten äußeren Bedingungen immerhin 54°C im Speichergefäß erreicht.

Dies zeigt, dass bei guten äußeren Wetterbedingungen auch im Winter eine Solaranlage effektiv arbeiten kann.

Das entspricht einer Leistung von 80 W h^-1m^-2, also im Vergleich zur Sommermessung (3. Messung; 3.3.3) immer noch rund die Hälfte.

Das Problem im Winter ist aber das Wetter. So schien im Dezember 2002 die Sonne nur ca. 38 Stunden (Flughafen Hof/Pirk)²¹, im Vergleich dazu im Juli 2002 ca. 178 h²². Daher kann man sich im Winter bei uns nicht wirklich auf die solare Zusatzheizung verlassen.

Sonnenenergie der Energielieferant der Zukunft?!

Aus den verschiedenen Messergebnissen kann man, sehr gut sehen, dass auch mit recht einfachen Mitteln Sonnenenergie genutzt werden kann. Bei einem Vortrag von Herrn Stollwerck (Solaranlagen auf Piuskiche, Dreieinigkeitskirche und Privathäusern) in der Hofer Sternwarte zu diesem Thema habe ich den Kollektor aufgebaut. Die Besucher waren zum Teil sehr überrascht, dass diese sehr kleine Anlage, auch in kurzer Zeit am Abend noch Wasser so weit erwärmen kann, dass es fast zu warm war um die Hand in den Behälter zu stecken. Daran sieht man, dass viele Menschen sich nicht vorstellen können, dass Solaranlagen zumindest einen Teil der Warmwassergewinnung übernehmen können. Das Argument vieler Leute gegen den Einsatz von solarthermischen Anlagen, dass diese in der Herstellung mehr Energie verbrauchen, als durch die Absorption gewonnen wird, ist schlichtweg falsch. In 20 Jahren Laufzeit erbringt ein Kollektor ca. 10 mal mehr Energie als zur seiner Herstellung nötig war.

Durch attraktive Fördermodelle, insbesondere für Neubauten wird in den nächsten Jahrzehnten wohl in fast jedem neuen Haus eine Solaranlage installiert sein. Die Amortisationszeit der Kosten kann zwar nicht pauschal angegeben werden, denn diese hängt stark von der Dimensionierung, Art und der Lage ab, sie beträgt aber in etwa nur 3 – 7 Jahre²³. Daraus folgt, bei einer Garantiezeit von 20 Jahren, dass man mindestens 10 Jahre lang Geld spart und dies für andere Dinge ausgeben kann.

Die Sonne schickt uns also keine Rechnung – sondern eine Menge Energie und auch Geld!

Diese Energie muss in Zukunft vermehrt genutzt werden. Schon heute kann bis zu 60% des Warmwasserbedarfs solar gedeckt werden.²⁴ Durch Forschung und Entwicklung im Bereich von Großkraftwerken und Langzeitspeichern wird sich der Anteil wahrscheinlich bis nahe 100% steigern lassen. Dies soll uns aber nicht zum Energieverschwenden verleiten, sondern vielmehr dazu anhalten, nachzudenken, woher die Energie kommt. Die Devise heißt: Energiesparen. Denn dann muss die Energie erst gar nicht mühsam und aufwendig erzeugt werden.

 

Literaturverzeichnis

Bücher:

• Alt, Franz, Die Sonne schickt uns keine Rechnung, München, Piper Verlag,1994

• Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie Landesverband Berlin Brandenburg e.V. (Herausgeber), Kasper, Bernd-Rainer und Weyres-Borchert, Bernd (Verantwortliche), Solarthermische Anlagen – Leitfaden für Heizungsbauer, Gas-/Wasserinstallateure, Elektriker, Dachdecker, Architekten und Bauherren, Berlin, 1999

• Hammer/Hammer, Physikalische Formeln und Tabellen, J. Lindauer Verlag (Schaefer), München, 2000⁶

• Khartchenko, Nikolai V., Thermische Solaranlagen, Berlin, Springer-Verlag, 1995

• Ladener, Heinz, Solaranlagen, Staufen bei Freiburg, Ökobuch Verlag, 1999

• Lohmeyer, Gottfried C. O., Praktische Bauphysik, Stuttgart, Teubner Verlag, 1995

• Naumann, Christian, Schüle, Rainer, Ufheil, Martin, Thermische Solaranlagen, Staufen bei Freiburg, Ökobuch Verlag, 1997

Internetseiten:

http://home.wtal.de/schultes/index.htm (3.9.2002)

http://www.wetteronline.de/wb/ebaysky_han.htm (2.1.2003)

http://www.sun-consult.de/TheorieSolarthermie.html (22.1.2003)

 

Anlagen:

• 1 Eigenbau-Solar-Kollektor mit Zu- und Abflussleitung

• 1 Wasserpumpe (0,45m Förderhöhe) mit Schlauchbinder zur Befestigung

• 1 Wasserbehälter mit Abdeckung