Anna Seidel

Die thermische Solaranlage

 

 

 

 

Inhaltsverzeichnis

 

1. Einführung

2. Arten der Nutzung

3. Physikalische Grundlagen

4. Gesetze und Entdeckung

5. Was war in dieser Zeit noch auf der Welt los?

6. Funktionsweise und Aufbau

7. Einschätzung und Auswertung

8. Quellen

 

 

 

 

 

 

Einführung

 

Alle zwanzig Minuten liefert die Sonne soviel Energie auf die Erde, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht.

Sogar auf der Fläche Deutschlands kommt jährlich 135 mal mehr Sonnenenergie an, als wir insgesamt Energie verbrauchen.

 

Auf jeden Quadratmeter Deutschlands bringt die Sonne im Jahr etwa tausend Kilowattstunden Energie.

Zum Vergleich: Ein Haushalt verbraucht im Durchschnitt jährlich

3.500 Kilowattstunden Strom. Das ist die Sonnenenergie, die jedes Jahr auf 3,5 Quadratmeter Fläche Deutschlands ankommt.

 

Die Erde nimmt über zwei Drittel der eingestrahlten Sonnenenergie auf.

Im Vergleich zur auf der Erde ankommenden Sonnenstrahlung wirken

die Kohle-, Öl- und Gasvorräte der Erde verschwindend klein.

Bald werden diese Vorräte an fossilen Brennstoffen weltweit zu Ende gehen.

 

Eine verstärkte Nutzung der Solarenergie wird in Zukunft dringend notwendig sein.

 

Arten der Nutzung

 

Es gibt zwei verschiedene Arten zur Nutzung von Sonnenenergie.

 

 

Fotovoltaik: - wandelt Sonnenenergie in Strom

 

Solarthermie: - wandelt Sonnenenergie in Wärme, z.B.

~ solare Schwimmbaderwärmung

~ solare Brauchwassererwärmung

~ Niedertemperaturwärme für Raumheizung

~ Prozesswärme

 

Auf den folgenden Seiten wird die thermische Nutzung der Sonnenenergie beschrieben.

 

 

Die Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme mittels Absorption wird als „Solarthermie“bezeichnet.

 

 

 

 

 

 

Physikalische Grundlagen

 

 

Physikalisch gesehen besteht Sonnenlicht aus elektromagnetischen Wellen,

deren Länge zwischen 0,3 und 2,5 millionstel Metern liegt.

Trifft diese Strahlung auf Materie, wird sie mehr oder weniger „absorbiert“

und in Wärme umgesetzt.

 

Die Lichtenergie der Sonne (Sonnenstrahlung) ist eine elektromagnetische Strahlung mit einer Energie von 8 J/(cm² x min) bzw. 1,35 kW/m² (Solarkonstante).

 

 

Treffen Sonnenstrahlen auf den Kollektor, geben sie fast 80% ihrer Energie ab. Nur ein kleiner Teil entweicht wieder durch die Glasscheibe.

 

Dieses wird als TREIBHAUSEFFEKT bezeichnet.

 

Dieser Effekt entsteht dadurch, dass Glas für kurzwellige Strahlung (eingestrahltes Licht) durchlässig ist, jedoch nur gering für die langwellige Strahlung (reflektiertes Licht, Wärmestahlung).

 

 

Gesetze und Entdeckung

 

Das Prinzip der Solarthermie gab es schon in der Antike (Hohlspiegel des Achimedes 214 v.Chr.).

Im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure die Vorläufer der heutigen Solarkollektoren.

 

Solarkollektor:

 

Grundgleichung der Wärmelehre:

 

entdeckt: 1842 Robert Mayer

1847 James Prescott Joule

 

 

Wärmestrom (kW) = Massenstrom (kg/s) x spezifische Wärmekapazität (kJ/kg K) x Temperaturdifferenz (K)

Fourier'sches Gesetz der Wärmeleitung:

 

 

Wärmestromdichte (W/m²) = Wärmeleitfähigkeit (W/mK) x Temperaturdifferenz (K) / Schichtdicke(K)

 

 

 

 

 

Die physikalischen Größen, die bei der Wärmestrahlung wichtig sind,

werden durch die Gesetze von

Planck (1858-1847)

Stefan-Boltzman (1835-1893)

Wien (1864-1928) und

Kirchhoff (1824-1887)

beschrieben.

 

 

 

Vor allem das Plancksche Strahlungsgesetz (entdeckt 1900 von Max Planck)

beschreibt die Grundlagen der thermischen Solaranlagen.

Max Planck

 

 

Umwälzpumpe:

 

Der erste technisch brauchbare Elektromotor wurde von dem Ingenieur

Hermann Jacobi (1801-1874) im Jahre 1834 entworfen.

Hermann Jacobi

 

 

 

Was war zu dieser Zeit (19.Jh.) noch auf der Welt los?

 

1834: Die Eisenbahn wurde erfunden

1886: Erfindung des Automobils

1891: Die katholische Soziallehre wurde verbindlich niedergelegt.

 

Funktion und Aufbau

 

Beschrieben an einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung.

 

 

Das Herzstück einer Solaranlage ist der Kollektor.

Die Sonne erwärmt das Wasser im Kollektor. Dieses fließt in den Speicher und erwärmt dort in Heizschlangen das Trinkwasser. Das Kollektorwasser überträgt die Wärme und kühlt sich dabei selbst ab. Danach wird es von einer Umwälzpumpe wieder in den Kollektor gepumpt.

 

Temperaturfühler messen, vergleichen und regeln ständig die Temperatur.

 

T1 = Kollektortemperatur

T2 = Speichertemperatur

 

Wenn T1>(T2+ca.8K) - Pumpe an

Wenn T1<(T2+ca.8K) - Pumpe aus

 

Scheint die Sonne weniger, z.B. im Winter, wird das Trinkwasser von einem

Heizkessel erwärmt.

Auswertung

 

Während die Preise für fossile Brennstoffe ständig steigen und die Vorräte weltweit zu Ende gehen, steht uns die Sonne als unerschöpfliche und kostenlose Energiequelle zur Verfügung.

 

Da im Gegensatz zur Verbrennung kein Kohlendioxid freigesetzt wird, leistet die Nutzung der solaren Wärme einen wichtigen Beitrag zur Entlastung unserer Umwelt.

 

Der Einsatz von Solaranlagen wird in der Zukunft sowohl bei Großanlagen als auch im privaten Bereich stark zunehmen.

 

 

 

 

Quellen

 

 

 

Bild Solaranlage:

www.pilsak.de/Architektur%20II_img/tn_2-6-Solaranlage-2.jpg

 

Bild Max Planck:

www.ieap.uni-kiel.de/plasma/ag-stroth/lehre/physik/HTML/fotos/planck.jpg

 

Bild Jacobi +Motor:

www.physik.uni-

muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/geschichte/09emotor/emotor.htm

 

Bild Solaranlage Aufbau:

www.schimke.de/solar_t1.htm

 

Treibhauseffekt:

www.energieinfo.de/eglossar/node179.html

 

www.cupdate.de/forschung.htm

 

www.rapsbiodiesel.de/solarthermie.htm

Von Anna Seidel