* Varmvatten från solen Kort version Hur varmt blir vattnet Hur lång tid tar det Kan du förbättra solfångaren 1
* Varmvatten från solen Utförlig version Solfångaren är en svart plåt med ett rör igenom. Röret mynnar i en vattentank. När solen värmer den svarta plåten blir vattnet varmt. Det varma vattnet stiger upp i tanken och kallare vatten rinner till i solfångaren underifrån. Fyll tanken med kallt vatten (fyll på vid en av de stora korkarna) Sätt in solfångaren i lådan och sätt på glaset Sätt en termometer i öppningen på solfångaren Rikta solfångaren mot solen Kolla vattentemperaturen och gör en tabell med tid och temperatur Hur lång tid tar det att nå lagom duschtemperatur? Stiger temperaturen lika snabbt hela tiden? Hur kan du förbättra solfångaren? 2
Tävla om vem som värmer vattnet snabbast. Ni kan prova Olika riktning på solfångaren Olika värmeisolering bakom plåten Olika sidor av plåten fram: matt svart eller "selektiv" (lite blankare, rödaktigt svart) Reflektorer (speglar) för att öka solstrålningen på solfångaren 3
*** Varmvatten från solen Utförlig version Bakgrund En solfångare är i princip bara en svart plåt. Genom ett rör i kontakt med plåten låter man vatten rinna. Strålningsenergin från solen absorberas av den svarta plåten och omvandlas till termisk energi. Plåtens och vattnets temperatur ökar. I denna solfångare utnyttjar vi självcirkulation: Det varma vattnet stiger upp till tanken ovanför plåten och kallare vatten rinner till i solfångaren underifrån. 4
Experiment Fyll tanken med kallt vatten (fyll på vid en av de stora korkarna). Sätt in solfångaren i lådan och sätt på glaset. Sätt en termometer i öppningen på solfångaren. Rikta solfångaren mot solen Mät vattentemperaturen och gör en graf med temperatur mot tid. Använd gärna grafritande räknare eller dator för mätning. Med denna enkla solfångare kan du undersöka t.ex. Hur snabbt ökar temperaturen på vattnet? Gör en mätserie och redovisa i diagram. Stiger temperaturen lika snabbt hela tiden? Förklara. Hur effektiv är solfångaren? Verkningsgraden brukar definieras som nyttig energi dividerat med tillförd energi. Vad är "nyttig energi" från solfångaren? Går den att mäta och beräkna? Vad är tillförd energi? Med en solarimeter kan du mäta instrålade intensiteten i W/m 2. Om du inte har solarimeter: vid klar sol är instrålningen (vinkelrätt mot solriktningen) c:a 1000 W/m 2. Beräkna verkningsgraden. Är verkningsgraden lika stor hela tiden? Förklara. Du kan upprepa mätserien med olika utförande på solfångaren. Du kan t.ex. variera Värmeisolering bakom solfångarplåten Enkel- eller dubbelglas framför plåten Solfångarens riktning Absorbatorplåtens yta: matt svart eller "selektiv" (blankare svart med rödaktig ton) Reflektorer på solfångaren 5
****** Mera om Varmvatten från solen Syfte Eleven undersöker en solfångare för vattenvärmning - hur den är uppbyggd, hur snabbt den värmer vatten, hur hög temperatur den kan ge, och hur dess egenskaper beror av konstruktionen. T. ex. kan värmeisolering, glastäckning, absorbatoryta och eventuella reflektorer varieras. Experimentet är tänkt att visa på möjligheterna med solenergi för uppvärmning av hushållsvatten för dusch och disk etc. och för rumsuppvärmning. För naturvetarelever på gymnasium och högskola finns goda möjligheter att beräkna verkningsgrad och diskutera verkningsgradens beroende av temperaturen. Förkunskaper Inga förkunskaper behövs för att uppleva funktionen hos solfångaren eller för att mäta temperaturen på vattnet. För äldre barn kan experimentet utvidgas till jämförelser mellan olika solfångarkonstruktioner. För naturvetarelever som skall beräkna verkningsgrad krävs kunskap om enkla termiska energiberäkningar (specifik värmekapacitet). För mera avancerad analys av verkningsgraden som funktion av temperaturen kan det vara lämpligt att studera solfångarteori (t. ex. Areskoug, 1999) efter eller före experimentet. Kommentarer till experimenten Vatten fylls enklast på från tankens sida (tag ur korken). Solfångaren bör placeras lutande, riktad så att solstrålningen träffar vinkelrät mot solfångarytan. Temperaturen kan avläsas t. ex varannan eller var 5:e minut under 30 minuter eller längre. För naturvetareelever är det lämpligt att mäta med datalogger, t.ex. CBL eller LabPro. Experimentet kan också göras inomhus, med en 500 W byggstrålkastare på en halv meters avstånd som belysning. Detta motsvarar ungefär full solinstrålning. Glaset kan gärna tejpas runt kanten, så att man förhindrar luftcirkulation. Låt gärna eleverna prova att bygga solfångaren av enkla material - en papplåda i A4 format, hopskrynklat tidningspapper som isolering och hushållsplast som täckskikt. 6
Exempel på resultat Här visas temperatur och beräknad verkningsgrad från ett experiment där solfångaren belystes med en 500 W bygglampa på 0,5 m avstånd. Instrålningen var c:a 630 W/m 2. Solfångare med 500 W lampa på 0,5 m avstånd 80 70 Vattentemperatur / oc 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Tid / min Solfångare med 500 W lampa på 0,5 m avstånd Verkningsgrad / % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 Temperaturdifferens mot omgivningen / o C 7
Slutsatser Vid full solstrålning och med solfångaren lutad så att solstrålningen träffar vinkelrät mot solfångarytan stiger temperaturen till c:a 60 o på en halvtimma, se figuren ovan. Temperaturen stiger snabbt i början, sedan allt långsammare. Detta beror på att värmeförlusterna till omgivningen blir större ju högre temperaturen är. Till slut nås en jämviktstemperatur (stagnationstemperatur), då värmeförlusterna till omgivningen är lika stora som instrålad effekt. Solfångaren blir effektivare (temperaturen stiger snabbare, sluttemperaturen blir högre, verkningsgraden ökar) med bättre värmeisolering bakom plåten och med tättslutande glas eller plast framför. Dubbelglas minskar värmeförlusterna, men minskar också instrålningen (vanligt glas släpper igenom mindre än 85% av ljuset). Selektiv yta är bättre än svartmålad. Den selektiva strålar ut mindre värme än den svarta. Detta märks framför allt vid höga temperaturer. *** Verkningsgraden Verkningsgraden under en 5-minutersperiod kan beräknas på följande sätt: W n = nyttig energi = uppsamlad termisk energi i vattnet under tiden t W n = m c T där m = vattnets massa c = specifika värmekapaciteten för vatten = 4190 J/(kg. K) T = temperaturökning under tiden t W i = tillförd energi = från solen instrålad energi under tiden t W i = I A t där I = instrålning i W/m 2 (mäts med instrålningsmätare eller antas vara 1000 W/m 2 vid klar sol vinkelrätt mot solriktningen) A = solfångarplåtens area t = tid i s e = verkningsgrad Wn e = W i Verkningsgraden kan vara 0,7-0,8 (70-80 %) i början av experimentet, men sjunker när solfångaren blir varmare, p.g.a. värmeförluster till omgivningen, se figuren ovan. Det kan verka paradoxalt, men en solfångare är alltså bättre ju kallare den är. Den bör därför konstrueras så att den inte drivs till högre temperatur än nödvändigt (c:a 70 o C). Detta kan göras genom lämpligt dimensionerad vattentank, där det varma vattnet får flyta överst och kallt vatten från botten tas in i solfångaren. En utförligare analys av verkningsgraden görs i Areskoug: Miljöfysik (1999) 8
De experimentella värdena på verkningsgraden blir oftast lite lägre än de ovan nämnda. Detta beror på att uppvärmningen av plåt i solfångare och behållare ej tas med i beräkningen. Tillämpningar Även om experimentet sker i liten skala kan man lätt räkna upp resultaten till större area på solfångaren och större volym på vattentanken. Hur stor solfångare och tank skulle behövas för en familjs varmvattenbehov under sommarhalvåret? Man måste då ha i minnet att vattnet inte behöver öka i temperatur så snabbt som i experimentsolfångaren - alla dagens i genomsnitt 3-5 soltimmar kan utnyttjas. Man brukar räkna med att en person använder c:a 70 l varmvatten per dag. En solfångare på 10 m 2 med några hundra liters vattentank är tillräcklig för att försörja en familj med värme och varmvatten under april-september. Vattentanken bör vara så välisolerad att den kan lagra varmvatten för några dagars behov under mulna perioder. Verkningsgraden är i genomsnitt 40-50 %. Denna utrustning behöver du Solfångare "Skolfångaren" (Orsa sol och energitjänst) Låda till solfångaren (kan vara enkel papplåda, t. ex. till A4-papper) Värmeisolering (prova gärna med enkla materiel som hopskrynklat tidningspapper) Glas eller plast (att täcka lådan med), tejp. Termometer Eventuellt instrålningsmätare och mätglas för vattenmängden (om verkningsgrad skall beräknas). Litteratur Andrén, Lars: Solenergi, praktiska tillämpningar i bebyggelse. Svensk Byggtjänst 1999. ISBN 91-7332-872-3. Solvärmeteknik i större och mindre skala. Areskoug, Mats, Miljöfysik. Energi och klimat. 1999. ISBN 91-44-01114-8. Bl.a. solenergiutnyttjande, solfångare, solceller behandlas. Många experiment på skolnivå beskrivs. Grundläggande högskolenivå (eller fördjupning på gymnasiet).. Bason Frank: Solstrålning, solceller, solenergi. SolData Publishing 2002. Teori, experiment och tillämpningar kring solceller. Gymnasienivå. På danska. Boysen, A. (red) Solsverige 1991, 92, 93, 94, 95, del 6. Larsons förlag, Box 3063, 18303 Täby. Informativa artiklar om solenergins möjligheter och aktuella läge. Gymnasienivå. Eckerman Pelle, Grähs Gunna. Solkatt, vindstrut och vattenhjul. Bonnier, Carlsen 1997. Idérik experimentbok för barn. Weblänkar http://www.radron.net/ Råd och rön. Testresultat för solfångare för villavärme. Från 14 år. http://www.sp.se/energy/certprod/p_solfangare.htm 9
Sveriges provnings- och forskningsinstitut. Test av solfångare. Gymnasie högskolenivå. http://main.hvac.chalmers.se/seas/ Svenska solenergiföreningen. Diverse information, bl. a. OH-presentation av solvärme, samt läs- och länktips. Gymnasienivå. http://www.solarcooking.org/ The solar cooking archive. Om att laga mat med solens hjälp, olika ugnar, ritningar, bilder, recept mm. Från 10 år. På engelska. http://www.nrel.gov/docs/gen/fy01/30928.pdf National renewable energy laboratory. Fun in the Sun. Lärar- och elevmaterial om energi för bl.a. yngre barn. Omfattande material, ganska styrt. På engelska. http://fsec.ucf.edu/ed/teachers/ Florida solar energy center. Energi-relaterade resurser för skolor, som inkluderar powerpoint presentationer om solenergi, lärarsidor, elevuppgifter av olika slag för elever från 10 år. Ganska styrda uppgifter, men en del bra idéer. På engelska. 10