exp.wiki NEU
WICHTIG: Das exp.wiki wurde aktualisiert und ist ab sofort unter einer neuen Adresse zu erreichen: https://exparch-www.uibk.ac.at/testwiki
Bitte das Anlegen neuer Seiten oder die Änderungen bestehender ab sofort ausschließlich dort durchführen.
Bestehende Projektseiten wurden/werden migriert und sind auch auf der neuen Plattform vorhanden.

Cavagy 3000

Aus exp.wiki

Wechseln zu: Navigation, Suche

von Carole Walentiny, Eva Lenz-Jeschko

betreuer: Josef Glas


Die Idee unseres Projektes beläuft sich darauf, die Sonnenenergie zur Wärmegewinnung, Kälteerzeugung aber vor allem auch zur natürlichen Belichtung z.B. fensterloser Räume zu nutzen bzw. zu transportieren. Deshalb haben wir uns mit der Entwicklung eines neuen Sonnen- sowie Lichtkollektors beschäftigt, dem Cavagy_3000.


Inhaltsverzeichnis

Licht

Um eine bestmögliche Ausbeute des Lichtes zu erzielen konzentrieren wir uns diesbezüglich zunächst auf eine Licht- und Wärmebündelung mittels Sammellinsen, welche entscheidende Bauteile unseres Kollektors darstellen.

Bei der verwendeten Linsenform handelt es sich in unserem Projekt zunächst um eine bikonvexe Sammellinse aus Borosilikatglas. Diese Glasart findet in dem von uns entwickelten Kollektor mehrmalige Anwendung (für Sammellinsen und Vakuumröhren)

Neben der Wahl des geeigneten Materials war, wie bereits erwähnt, vor allem die Wahl der Linsenform zur Bündelung der Lichtstrahlen von entscheidender Bedeutung. Diesbezüglich sollte, die bereits erwähnte bikonvexe Sammellinse ihre Anwendung finden:

Trifft Licht auf diese Linse wird es gebrochen und verändert somit seine Ausbreitungsrichtung.

Die Sammellinse besitzt die Fähigkeit, parallel einfallende Strahlen in einem Punkt dem so genannten Brennpunkt zu konzentrieren.

Das Licht von Parallelbündeln, welche nicht parallel zur optischen Achse verlaufen, wird in einer Ebene hinter der Linse gesammelt. Diese Ebene ist genauso weit von der Linse entfernt, wie der Brennpunkt und heißt Brennebene. Die Entfernung zwischen Linse und Brennebene wird mit „f“ bezeichnet und Brennweite genannt.

In unserem Kollektor kommen 12 Stück Glaslinsen mit einer Höhe von 12,5 cm und einer Länge von ca. 150 cm zur Anwendung. Aufgrund der enormen Abmessungen der einzelnen Linsen und des daraus resultierenden Gewichtes gingen wir dabei jedoch von den bikonvexen Sammellinsen auf Fresnellinsen über. Diese verfügen über die gleichen Eigenschaften und bündeln somit ebenfalls die parallel einfallenden Lichtstrahlen in einer Linie. Aufgrund der von uns gewählten Brennweite von 10 cm befindet sich diese Lichtlinie 10 cm hinter unserer Sammellinse. Je nach gewählter Anordnung der Linse wird somit das Licht linienförmig auf das dahinter liegende Rohr gebündelt und dient der Wärmeerzeugung oder trifft auf eine weitere Sammellinse (in diesem Fall keine Fresnellinse) auf, um erneut Parallelstrahlung zu erzeugen und das Licht in ein weiteres Medium - die Glasfaser - zu überführen. Die hierfür erforderliche zweite Glaslinse macht sich folgende Eigenschaften der Sammellinse zu Nutze:

Divergente Lichtbündel werden in konvergente umgewandelt

Lichtbündel, die parallel zur optischen Achse auf eine Sammellinse treffen, werden in einem Punkt - dem Brennpunkt F - vereinigt.

Die Umwandlung von Brennpunktstrahlen in Parallelstrahlen findet in unserem Strahlenverlauf bei der Einleitung des Lichtes in den Lichtleiter (Glasfaser) Anwendung, da zur weiteren Lichtleitung parallele Strahlungsrichtung die Voraussetzung für gezielte Strahlenleitung und somit den bestmöglichen Lichttransport in der Faser darstellt.

Als Lichtleitermedium hat sich die Glasfaser aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften in folgenden Bereichen bewährt:

• Langzeitbeständigkeit • keine Beeinträchtigung durch Temperatur- und Feuchtigkeitsbelastung • Erfüllung europäischer Brandschutznormen


In unserem Projekt spielt vor allem der Übergang des Lichts aus dem Medium Luft in das Medium Glas (Glasfaser) eine bedeutende Rolle. Es gilt nämlich, dass mittels einer Sammellinse gebündelte Licht bestmöglich und unter geringstem Strahlenverlust in die Glasfaser zu leiten und an den gewünschten Zielort weiter zu transportieren. Bei der weiteren Lichtleitung ist der Einfallswinkel von entscheidender Bedeutung. Diesbezüglich galt es also eine geeignete Geometrie und Anordnung der Glasfasern sowie der umliegenden Konstruktion zu finden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Da, wie oben bereits erwähnt, zur Lichteinleitung in die Glasfaser eine Sammellinse für Parallelstrahlen sorgt und in Lotrichtung einfallende Strahlen keine Brechung erfahren, ist das Brechungsgesetz vor allem für die innere Geometrie der Glasfaser von Bedeutung. In einem weiteren Schritt, war vor allem die Dichte der beiden Medien von Bedeutung.

In unserem Fall, stellt Glas (Lichtgeschwindigkeit: ~ 200.000km/s) das optisch dichtere Medium und Luft (Lichtgeschwindigkeit: ~300.000km/s) das optisch dünnere Medium dar. Ist der Lichtstrahl also erst einmal aus der Luft in die Glasfaser eingeleitet, so ist ein erneuter Austritt des Lichtes aus der Glasfaser zurück in die Luft zu verhindern, um einen verlustfreien Transport des Lichtes an seinen Zielort zu gewährleisten. Hierzu bedienten wir uns der Gesetze der Totalreflexion.


Totalreflexion

Die Totalreflexion beruht auf der Tatsache, dass Licht beim Übergang von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium (nahezu) vollständig reflektiert wird, sobald der Einfallswinkel den Grenzwinkel der Brechung erreicht hat.

Der Wert dieses Grenzwinkels liegt beim Übergang von Glas zu Luft bei 42°. Dieser Grenzwinkel lässt sich mittel folgender Gleichung errechnen:

Ausgehend von der Tatsache, dass im Grenzfall der Winkel β sich auf 90° beläuft, ergibt sich für den zugehörigen Sinuswert der Betrag 1. Da für das Austrittsmedium Luft n2=1 gilt, ist der Sinus des Grenzwinkels gleich dem Kehrwert des Brechungsindexes. Aus bereits angeführter Tabelle ist zu entnehmen, dass die Brechzahl für Glas 1,5 beträgt, wodurch die Berechnung einen Grenzwinkel von αG=42° ergibt. Trifft also ein Lichtstrahl im Medium Glas auf die Grenzfläche zum Medium Luft unter einem Einfallswinkel von 42° oder mehr, so tritt Totalreflexion auf und der Lichtstrahl verbleibt im Glas.

Aus dieser Berechnung entwickelten wir die optimale Geometrie der Glasfaser

Das Licht trifft folglich nach der Umwandlung in Parallelstrahlung durch die Sammellinse mit Hilfe von einer Art „Lichtlenknasen“ in der Glasfaser im 60°-Winkel auf die Innenseite der Glasfaser und wird an dieser Stelle reflektiert. Hierbei gilt „Einfallswinkel gleich Austrittswinkel“. Somit wird der Lichtstrahl um 120° umgelenkt und trifft in weiterer Folge wieder unter einem Einfallswinkel von 60° auf die Grenzfläche Glasfaser zu Luft. Durch eine weitere Totalreflexion an dieser Stelle wird er in regelmäßigen Abständen zwischen der Ober- und Unterseite der Glasfaser hin- und herreflektiert und somit im Glas transportiert.

Durch regelmäßige Wiederholung dieser inneren Geometrie (allerdings seitlich versetzt) ist über die gesamte Länge der Glasfaser die mehrmalige Einleitung von Lichtstrahlen möglich. Durch diese Transportweise erfährt das Licht in etwa eine mengenmäßige Reduktion um 30% jedoch können die verbleibenden 70% auf einer Länge von bis zu 20m problemlos geleitet werden. Die eben genannten Fakten sollen belegen, dass die durch unser System erzielte Tageslichtausbeute immer wieder variiert und somit dem jeweiligen Einsatzort und Bedürfnis des Nutzers entsprechend angepasst werden muss. Dies ist wiederum durch die entsprechend von uns entwickelten Funktionen des Systems gewährleistet. So kann zum Beispiel durch die Änderung der Anordnung (in Bezug auf die Höhe) der am Kollektor befindlichen Fresnellinsen Kollektorweise zwischen einer Heiz-/ Kühlfunktion und der Belichtungsfunktion gewählt werden bzw. die Lichtintensität gesteuert werden.

Die in diesem Kapitel beschriebene innere Geometrie der Glasfasern zur Einleitung und zum Transport des Tageslichtes findet in ähnlicher Weise weitere Anwendung beim Austritt der Lichtstrahlen aus den Glasfasern in den Raum. Hierbei werden die Strahlen wiederum durch Auftreffen auf die bereits erwähnten „Lichtlenknasen“ gezielt aus dem Glas gelenkt. Somit ist lediglich mit Hilfe einer einfachen Glasscheibe von 4mm Stärke und den daraus ausgesparten „Lichtlenknasen“ eine punktuelle Lichtausleitung in den Raum möglich. Durch Aufrauen der Glasunterseite, kann mittels selbiger Technik diffuse Lichtstrahlung erzielt werden.

Erfolgt die Ausleitung des Lichtes nicht über eine weitere Glasplatte, so können die im Glasfaserkabel geleiteten Lichtstrahlen durch Kappen des Glasfaserkabels (am Ende des Glases) unter einem Winkel von 60° gezielt ausgeleitet und z.B. in eine Silikonfuge eingeleitet werden. Sodass in Zukunft Fugen zwischen Fliesen, Holzdielen oder ähnlichem in Tageslicht erstrahlen.


Wärme

Damit wir Wärme mit unserem Kollektor erzeugen bedienen wir uns der Fresnellinse zur Bündelung der parallel einfallenden Sonnenstrahlen. Da diese zur Lichtbündelung ohnehin bereits in unseren Kollektor integriert wurde, erfüllt sie hiermit zwei Funktionen, wodurch ihre Rentabilität erhöht wird.

Wie bereits erwähnt, entscheidet lediglich die Position der Glaslinse darüber, ob diese einer möglichst hohen Wärme- oder Lichtausbeute innerhalb unseres Systems zu Gute kommt. Diese Entscheidung kann wiederum individuell vom Benutzer getroffen werden und findet in ihrer technischen Umsetzung in ähnlicher Art und Weise ihre Anwendung wie bei einem elektrisch gesteuerten Rollladen. Die Fresnellinsen können Kollektorweise in ihrer höhenmäßigen Anordnung auf der Kollektorfläche verändert werden. Somit kann die Brennlinie auf der Oberfläche der Vakuumröhren positioniert werden und hier für einen bestmöglichen Wärmeeintrag sorgen.

In der hinter jeder Fresnellinse in einem Abstand von 10cm befindlichen Vakuumröhre wird das darin befindliche Kaltwasser durch die Sonnenenergie erwärmt, an einen Pufferspeicher weitergeleitet und in der Folge zur Klimatisierung des Gebäudes als Wand- und/oder Fußbodenheizung verwendet werden.

Der Technologie von Vakuumröhren bedienten wir uns, um nicht nur bei direkter Sonneneinstrahlung eine optimale Ausbeute der vorhandenen Energiemenge zu gewährleisten sondern ebenso den großen Anteil der jährlich vorhanden diffusen Strahlung zu nutzen.


Die selektive Beschichtung der Kollektorfläche sorgt dabei in Kombination mit der runden Röhrenform für einen hohen Absorptionsgrad. So kann auch die in Mitteleuropa häufig anzutreffende diffuse Sonnenstrahlung gut genutzt werden. Das Vakuum im Glasrohr vermindert zudem die Abstrahlverluste. Laut Anbietern beläuft sich der Energieertrag für derartige Vakuumröhren auf rund 770kWh/m2.

Da sich unser Kollektor über eine Fläche von 3m2 derartiger Röhren bedient, kann man hierbei von einem Energiegewinn von 2310kWh ausgehen.


Kühlung

Um das System und dessen Dimensionierung auch in den Sommermonaten entsprechend nutzen zu können, endete die Entwicklung unseres Kollektors nicht mit dem Erlangen des bestmöglichen Wärme- und Lichtertrages, sondern wurde unsererseits ebenso nach einer Lösung zur geeigneten Nutzung des Systems als „Kühlgerät“ geforscht.

Zu diesem Zweck, mussten Wege und Mittel gefunden werden, um bei Bedarf den Vorgang der Warmwassererzeugung in einen Vorgang zur Kaltwassererzeugung umzukehren. Hierzu bedienten wir uns wiederum physikalischer Gesetzmäßigkeiten. Mithilfe der Verdunstungskühle sollte nun das Wasser in den Vakuumröhren gekühlt werden.

Die Wirkungsweise der Verdunstungskühle lässt sich am Besten anhand des menschlichen Körpers erklären, da der Verdunstungseffekt der Grund dafür ist, warum wir schwitzen. Steigt z.B. an einem heißen Sommertag unsere Körpertemperatur, so produziert der Körper Schweiß. In der Folge setzen sich Schweißperlen auf unserer Haut ab, welche meist bereits nach kurzer Zeit verdunsten und somit einen Teil der überschüssigen Temperatur dem Körper entziehen und über die Umgebungsluft abtransportieren.

Ziel war es also nun, den an heißen Tagen zur starken Erhitzung neigenden Vakuumröhren bzw. dem darin befindlichen Wasser mittels eines Schwitzvorganges Wärme zu entziehen. Hierzu musste zuerst eine geeignete „Haut“ für unsere Körper (die Vakuumröhren) gefunden werden, welche sich mit möglichster großer Oberfläche hohen Temperaturen aussetzen lässt. Diesbezüglich entschieden wir uns für die Verwendung von KERAMIKVLIES, welches wir bei Bedarf wellenförmig (u.a. zwecks Flächengewinn) im Kollektor über die Vakuumröhren verlaufen lassen. Keramikvlies weist eine hervorragende Temperaturbeständigkeit (bis zu ~ 1500∞C) bei geringer Schrumpfung und gleichzeitig hoher Flexibilität auf. Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit kommt dieses Gewebe jedoch in unserem System nicht in seiner herkömmlichen Form zur Anwendung sondern wird von Kupferdrähten durchzogen. In Kombination mit den Kupferdrähten verfügt das Vlies nun über folgende Eigenschaften:

• Feuerbeständigkeit • sehr gute Wärmeleitfähigkeit λ= 401W/(mK) • gute Verarbeitbarkeit • hohe Flexibilität • geringe Schrumpfung • Korrosionsbeständigkeit

Zur Aktivierung der Kühlfunktion des Kollektors wird in einem ersten Schritt mittels der am Rahmen des Kollektors angeordneten Photovoltaikzellen der Motor für den Vliesrollladen in Betrieb genommen und das Vlies beidseitig in einer wellenförmigen Schiene nach unten geführt. Es verläuft damit hinter den Glasfasern und schmiegt sich gleichzeitig in größtmöglichem Ausmaß um die Vakuumröhren.

In einem zweiten Schritt muss die „Haut“ (das Vlies) zum Schwitzen gebracht werden. Hierfür kommt ein ebenfalls im Kollektorrahmen integriertes Bewässerungssystem (ähnlich einer Sprinkleranlage) zur Anwendung.

Wird das Vlies nun bewässert, so entspricht dies annähernd dem Schwitzen des menschlichen Körper. Der Schweiß (das Wasser) kann jedoch nur solange verdunsten, bis die Umgebungsluft den Sättigungspunkt erreicht hat. Um den Verdunstungsvorgang zu unterstützen, muss nun der Dampf möglichst schnell aus der Umgebung der Vliesoberfläche entfernt werden. Dies geschieht unter Zuhilfenahme eines Ventilators.

Um auch hier die bestmögliche Wirkung zu erzielen, wurde die Kollektoroberfläche mittels transparenten EPDM-Gummis luftdicht verschlossen, wodurch sich ein natürlicher Kamineffekt einstellt. Die Qualifikation von EPDM-Gummi zur Abdichtung der Kollektoroberfläche ergibt sich aus folgenden seiner Eigenschaften:

• langzeitbewährt • dauerelastisch bei Frost und Hitze (zwischen -40 und +110°C) • Streckungskoeffizient 300% (für Dichtungsbahnen 480%) • widerstandfähig gegen mechanische und chemische Einflüsse • wasserdampfdicht • witterungsbeständig, ozonbeständig, UV-beständig • umweltverträglich • rationell zu verarbeiten

Des Weiteren wurde an der Unterseite des Kollektors ein Ventilator vorgesehen. Hierbei handelt es sich um einen Solarventilator mit einer Nennleistung von 1 Watt und einem Volumenstrom von 32m2/h, welcher mit nur einer amorphen Solarzelle (Abmessungen: 12.5x12.5cm) betrieben werden kann. Diese wurde ebenso wie die Solarzellen zur Rollladensteuerung für Linsen und Vlies am Rahmen des Kollektors befestigt. Ergänzt werden diese durch eine Solarbatterie mit integriertem Laderegler sowie einem Wechselrichter, welcher den durch die PV-Module erhaltenen Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umwandelt.

„Schwitzt“ also nun das Vlies in unserem Kollektor und wird im Kollektor für den entsprechenden Luftzug gesorgt, so verdunstet das Wasser im/am Vlies und entzieht dabei den Vakuumröhren und damit auch dem darin befindlichen Wasser Temperatur. Somit wird das Wasser nicht erhitzt sondern gekühlt.

Eine Berechnung der Verdunstungskühle gestaltet sich als sehr aufwendig, generell kann man jedoch davon ausgehen, dass die Verdunstung umso stärker ist, je größer die Oberfläche des Vlies, je höher die Temperatur im Kollektor und je schneller die verdunsteten Anteile abgeführt werden, also je stärker der Ventilator ist.

Die durch die Verdunstung erzeugte Kühle variiert demnach mit den veränderlichen örtlichen Gegebenheiten, kann jedoch erforderlichenfalls durch eine Vergrößerung der Vliesoberfläche und den Einsatz eines leistungsfähigeren Ventilators erhöht werden.

Somit könnte theoretisch zur heißen Jahreszeit durch dieses System bei einem Mangel an Kaltwasser durch die Sonne die bereits vorhandene Warmwassermenge entsprechend abgekühlt werden und auch im Sommer für eine angenehme Temperierung von Gebäuden sorgen.

Abgabepalakt

Links

BEWÄSSERUNGSANLAGE
http://www2.westfalia.de/shops/werkzeug/neuheiten_und_innovationen/garten/neuheiten/200040-bew_sserungskit.htm
http://www.ando-technik.de/bewaesserungstechnik/beispiele_bewaesserung.html
http://www.esska.de/cgi-bin/esska_de/iboshop.cgi?show830,752347384121080

BOROSILIKATGLAS
http://de.wikipedia.org/wiki/Borosilikatglas

ENERGIEBEDARF
http://w4.siemens.de/FuI/de/archiv/zeitschrift/heft2_99/artikel12/index.html
http://home.arcor.de/gosol/grundl.htm
http://www.erneuerbareenergie.at/teil4/teil4.htm

EPDM-GUMMI
http://de.wikipedia.org/wiki/EPDM
http://www.boa.ch/Kunststoff_Schl.html&lan=1&c=2
http://www.internorm.de/sites/Gummiwalzen.html
http://www.cobaeurope.de/rubber-sheeting.html

FRESNELLINSE
http://de.wikipedia.org/wiki/Fresnellinse

KERAMIKVLIES
http://66.102.9.104/search?q=cache:rxHuOKYKg2UJ:www.kager.de/pdfs/KAGER-Keramikfaser%2520Katalog%25202007.pdf+Feuerbest%C3%A4ndiges+Vlies&hl=de&ct=clnk&cd=1&gl=de&lr=lang_de
http://www.polytec-pt.com/ger/default_4544.asp

KOLLEKTOREN
http://www.aee.at/themen/solarthermie/komponenten.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor

VAKUUMRÖHREN
http://www.greenonetec.com/cms/front_content.php?idart=60&lang=1
http://www.viessmann.de/de/products/Solar-Systeme/Vitosol_300.html


zurück zur Liste der Studentenprojekte

Attribute

Walentiny Carole, Eva Lenz-Jeschko | Glas Josef | HB2 | MoveLAM | 07WS

Fakten zu Cavagy 3000RDF-Feed
BetreuerGlas Josef  +
LVHB2  +
Semester07WS  +
TitelMoveLAM  +
VerfasserWalentiny Carole  + und Eva Lenz-Jeschko  +
Persönliche Werkzeuge