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Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors
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06.01.2018 19:27
Leyonardo 
Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Soory,

hatte einen merkwürdigen Computerfehler, deswegen ist der obige Beitrag nochmal erschienen.

Herbert

06.01.2018 20:59
Leyonardo 
Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Hej Kap Horn,

schön, dass die Leitungen nach Schweden wieder aufgetaut sind.

Ich hab einige Deiner Threads gelesen und finde das prima, was Du schon alles geschaffen hast.

Da stimme ich Dir zu, je einfacher eine Lösung ist, desto besser und auch preiswerter wird sie. Allerdings darf sie auch nicht zu einfach werden, wenn dadurch wieder Nachteile entstehen.

Der vorgeschaltete Kollektor, von dem hier die Rede war, soll durch Aufteilung der Leistungsfähigkeit nur Kosten sparen. Wie weit das sinnvoll oder machbar ist will ich auch mit einem meiner Versuchskollektoren testen.

Ich gehe mal davon aus, dass Deine Lüfter mit höherer Einstrahlung schneller laufen. Das wären auch in etwa meine Vorstellungen. Wie Du sicher gelesen hast, will ich versuchen so eine Art MPP für den Luftransport zu ermitteln und den Lüfter dementsprechend zu steuern. Du hast ja schon mehrfach erwähnt, dass man nicht so sehr nach den hohen Lufttemperaturen schielen sollte, sondern eher eine größere Luftmenge anstreben sollte. Nach meinen Überlegungen gibt es einen optimalen Punkt für Temperatur und Luftmenge. Das will ich dann auch austesten.

Beim Röhrenkollektor komm ich auch schwer ins Grübeln. Früher hab ich die Dinger ja mal abgelehnt, weil sie so hochtechnisiert und teuer sind. Aber inzwischen kann man ja mal neue Ideen dazu entwickeln, die wesentlich einfacher mit Luft zu realisieren sind. Aber da bin ich inzwischen auch dran:

Na, dann wünsch ich Dir mal wieder tollen Sonnenschein dort oben und verfolge demnächst Deinen Slogan!

Bis dann
Herbert

06.01.2018 22:04
Leyonardo 
Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Hallo an Alle,

wie ich weiter oben schon angekündigt habe, will ich hier einmal einige Dinge zur Lufterwärmung und zum Luftransport ansprechen (soweit mir die Zusammenhänge bekannt sind) und eventuell den einen oder anderen Mythos aufdecken. Ich bin kein Heizungs- und Lüftungsaureperte, weiß also nicht alles darüber und bitte mich zu korrigieren, wenn ich wo falsch liege.
Einige der erfahrenen Kollektorbauer wissen das alles schon, aber vielleicht kann ich dem einen oder anderen weiterhelfen.

Die effiziente Abführung der Wärmeenergie hängt im Kollektor stark vom Aufbau, vom Querschnitt und der Luftgeschwindigkeit ab und davon ob der Absorber durchströmt bzw. unter- oder überströmt wird oder ob die Luftströmung laminar oder turbulent ist. Da ich mir in dieser Beziehung eher noch Erfahrungen von gestandenen Kollektorbauern erhoffe, will ich darauf nicht weiter eingehen. Mir ist z. B. noch ein Bericht (ich glaube von AlphaRay) im Kopf, der besagt, dass kleine Wellen oder Dellen auf der Kollektoroberfläche den Wärmeübergang erheblich verbessern können.

Genauso will ich mir kein Urteil darüber erlauben, ob ein Lüfter der bläst effizienter arbeitet, als einer, der saugt. Dazu will ich eventuell auch einen Vergleichsversuch machen.

Auf jeden Fall kann ein Absorber nur Wärme abgeben, wenn zwischen Luft und Absorber eine Temperaturdifferenz herrscht. Je größer die Temperaturdifferenz, desto größer der Wärmeübergang. Die Höhe der Differenz hängt natürlich mit der prinzipiell nicht so guten Wärmeübertragungsfähigkeit von Luft zusammen. Es entsteht hier schon ein Temperaturverlust, der systembedingt nicht zu vermeiden ist. Man sollte auf jeden Fall versuchen den Wärmeübergang so gut wie möglich zu machen (einfacher gesagt als getan).
Zusätzlich wird der Kollektor, bei gleicher Einstrahlung, immer mehr abgekühlt, weil ihm Energie durch den Luftstrom entzogen wird. Wenn der Luftstrom zu groß wird, kann die Lufttemperatur so weit absinken, dass sie unter der Temperatur des Raumes liegt, der beheizt werden soll. Je kleiner also die Differenz zur Raumtemperatur wird, desto weniger Energie wird in den Raum geliefert.

Also kann man sagen, die ideale Strömungsgeschwindigkeit liegt irgendwo in der Mitte.
Meine Schlussfolgerung daraus ist, dass der Luftstrom auf diesen Punkt eingeregelt werden sollte, zumindest bis die gewünschte Temperatur im Zielraum erreicht ist. Dazu kann entweder ein regelbarer Lüfter oder ein Gleichstromlüfter verwendet werden. Als Elektroniker kann ich nicht empfehlen, einen Wechselstromlüfter zu verwenden (es sei denn er hat einen EC-Motor). Billige Wechselstromlüfter haben einen viel zu schlechten Wirkungsgrad, das ist für unsere Anwendung Gift.

Ich werde für meine Versuche (und auch später für die Anlage) regelbare EC-Lüfter verwenden, weil ich einen größeren Posten sehr günstig einkaufen konnte. Die sind natürlich für den Selbstbau nicht so gut geeignet, weil sie i. d. R. zu teuer sind.
Vielfach werden hier PC-Lüfter bzw. Gleichstromlüfter verwendet. Die haben den Vorteil, dass sie sehr preisgünstig sind und für viele Fälle absolut ausreichend. Diese Gleichstrommotoren können auch sehr einfach mit mehr oder weniger einfachen Steuerschaltungen linear in der Drehzahl geregelt werden. Wenn Interesse besteht, veröffentliche ich hier entsprechende Schaltungen, die sehr einfach nachgebaut werden können oder ich schau mal, was mal an preiswerten Steuerungen bekommt.

Niemand muss einen geregelten Lüfter verwenden. Mit guter Grundeinstellung kann man sicher eine Menge Energie sammeln, aber nicht die optimale Menge. Ich kann also nur empfehlen, die Drehzahl zu regeln (oder die Regelung wenigstens vorsehen). Nach welchen Parametern man das am besten macht, muss ich auch erst noch genauer ermitteln. Sicher ist, man muss die Raumtemperatur messen und irgendwie die Höhe der Solarstrahlung erfassen (z. B. über eine Solarzelle). Daraus könnte die Lüftergeschwindigkeit so eingestllt werden, dass die Temperatur der in den Raum einströmenden Luft geregelt wird. Nach meiner Meinung könnte dadurch der Energieeintrag gegenüber der ungeregelten Lösung stark erhöht werden.

Ich habe kein Interesse daran, an irgendwelchen Lösungen zu verdienen. Mir liegt nur daran, meine Anlage so gut und so preiswert wie möglich zu machen. Wenn Lösungen vorliegen, werde ich die hier auf jeden Fall zur Verfügung stellen.

Wer mag, bitte gerne Fragen stellen oder Kritik üben!

Bis dann
Herbert

06.01.2018 22:14
Leyonardo 
Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Nachtrag zum letzeten Beitrag (hatte ich vergessen):

Wenn der Lüfter ab einer bestimmten Temperaturschwelle eingeschaltet wird und dann mit voller Drehzahl läuft, kühlt er natürlich auch den Kollektor allmählich ab. Dann kann es also sein, dass er wieder abschaltet, bis die Temperatur wieder erreicht ist. Dieses Pulsen kann durch eine sanfte Regelung auch vermieden werden.

Bis dann
Herbert

07.01.2018 14:50
High5 

Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Leyonardo:
Hallo High5,

Lebt die Folie eigentlich noch?

Ich würde kein neues Haus bauen :-). Aus der großen Fläche, die Du schon verkollektort hast, kannst Du sicher wesentlich mehr herausholen. Das wichtigste ist meiner Meinung nach die transparente Abdeckung.

Bis dann
Herbert

Überraschenderweise ist die Folie noch intakt.
Ansonsten will ich dir widersprechen. Aus Nichts kommt nichts! Hier schien die Sonne eigentlich NIE. (und wenn sie geschienen hätte, wäre mein Dach vom Vorderhaus über die Hälfte verschattet gewesen) Es liegt also nicht am Kollektor, dass Nov, Dez, Jan, Febr eigentlich nichts zu erwarten ist. Ab März sieht es wieder anders aus und im Sommer wäre ich sogar glücklicher, die Folie wäre weg. Im First staut sich 85 Grad heisse Luft, wenn der Venti nicht läuft. So schraubte ich letzten Sommer einen Firstdeckel ab und hatte immer noch 65 Grad Einblastemperatur.
(da fehlt mir ein grosser Langzeitspeicher/ Schotterspeicher unter dem Haus.......)
Thomas

08.01.2018 08:35
Sandy 

Administrator

Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

@Leyonardo/Herbert
Du hattest neulich folgende Fragen gestellt, die ich vergaß zu beantworten:

Wie entsteht das Vakuum im Kollektor? Sitzt der Lüfter am Ausgang des Kollektors?

Nach meinen Beobachtungen entsteht das Vakuum hauptsächlich durch den Temperaturunterschied Außen/Innen und bei starkem Wind. Aus diesem Grund baute ich 2012 bei beiden Kollektoren Rückschlagklappen ein.
Und ja, der Lüfter sitzt am Ausgang des Kollektors.

Zitat:
Wenn der Lüfter ab einer bestimmten Temperaturschwelle eingeschaltet wird und dann mit voller Drehzahl läuft, kühlt er natürlich auch den Kollektor allmählich ab. Dann kann es also sein, dass er wieder abschaltet, bis die Temperatur wieder erreicht ist. Dieses Pulsen kann durch eine sanfte Regelung auch vermieden werden.
Zitat Ende

Genau in diesem Punkt gibt es ein Problem. Bei Wind entsteht der Druckunterschied schnell und zyklisch. So schnell kannst du den Lüfter nicht regeln. Ok, für den Allgemeinbetrieb läuft es sicher, dies haben KapHorn und andere User bereits gezeigt. Als der Lüfter des gekauften Kollektors noch PV-gesteuert war konnte ich jedenfalls beobachten, dass die Rückstauklappe auch bei schnellem Wechsel zwischen Sonne/Wolken häufig zuschlug, weil der Lüfter einfach zu wenig Leistung brachte.

_______________

Grüße von
Rainer
(Sandy)
_______________

08.01.2018 11:02
Leyonardo 
Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Hallo Thomas und Rainer!

@Thomas:
Das ist dann scheinbar schon ne dickere Folie, wenn die noch lebt.
Ja klar, wenn keine Sonne ankommt kann man nix nutzen. Das ist schade.
Also, wenn Du einen Firstdeckel abschraubst, entsteht dann nur ein geringer Sogeffekt durch die Erwärmung? Was ist, wenn Du gleichzeitig unten noch dafür sorgst, dass genug Luft unter dem Blech nachströmen kann, reicht das nicht für geringere Stillstandstemperaturen? Ich glaube, ohne die Folie kriegst Du sonst halt weniger Leistung rein.
Auf jeden Fall wäre ein großer Langzeitspeicher die beste Lösung. Dann musst Du die überschüssige Energie nicht wegschmeißen. Da drüber hab ich mir auch schon lange den Kopf zerbrochen.

@Rainer:
Das sind natürlich die praktischen Erfahrungen, die mir hierzu noch fehlen. Als Entwickler kannst du dir noch so schöne Lösungen ausdenken um festzustellen, dass die Realität das aber anders sieht :-). Man kann solche Dinge natürlich am besten in den Griff kriegen, wenn man sie messen oder beobachten kann. Es könnte auch mit der Einbausituation zu tun haben, aber ich weiß es nicht. Da muss ich mir mal Gedanken dazu machen.
War das Problem mit den Rückschlagklappen beseitigt? Aber dafür muss der Lüfter eine Mindestfördermenge haben?
Schnelle Windböen sind regelungstechnisch mit dem Lüfter nicht auszuregeln. Da hast Dur recht. Durch eine aktive Klappe könnte man das sicher besser in den Griff kriegen, allerdings mit etwas mehr technischem Aufwand. Ich glaub, da sollte ich mich erst wieder dazu äussern, wenn ich selbst Erfahrungen gemacht habe, sonst ist das reine Theorie.

Apropos PV-gesteuert: wenn ich hier im Forum darüber lese, bedeutet das doch i. d. R., ein PV-Modul liegt in der gleichen Ebene wie der Luftkollektor und versorgt den Lüfter direkt mit Spannung. Sehe ich das richtig?
Diese Spannung ist dann allerdings nicht proportional zur eingestrahlten Leistung. Somit wird der Lüfter nur bei sehr kleiner Strahlungsleistung langsamer, im oberen Bereich ändert sich die Drehzahl aber nicht so sehr.
Ich will bei meinen Testkollektoren versuchen den Lüfter optimaler anzusteuern. Dazu werde ich mir Gedanken machen und versuchen eine einfache Steuerung zu entwickeln, die nur aus wenigen Bauteilen besteht und somit leicht nachgebaut werden kann.

Bis dann
Herbert

08.01.2018 18:25
Leyonardo 
Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Hallo Sandy,

Sandy:
Frage: Mit welchem Absorber bekomme ich welche Wellenlänge in Wärmestrahlung umgewandelt? Seid ihr der Meinung, der Röhrenkollektor deckt den breitesten Bereich ab und ist so allen anderen Konstruktionen überlegen?

Zur Infrarotstrahlung wollte ich nochmal was sagen. Ich wusse früher schon, dass z. B Glas Wärme nicht durchlässt. Das hab ich sehr gut gesehen als ich mal mein Haus mit einer Infrarotkamera habe vermessen lassen. Überall wo Scheiben sind, sieht man nur dunkle (also strahlungsarme) Flächen. Klar war mir noch nicht, warum dann das Sonnenlicht (also auch der Infrarotanteil) umgedreht aber doch durchgehen soll.
Nachdem ich jetzt einen guten Bericht über Glas gelesen habe, in dem auch ein wesentlich größeres Transmissionsspektrum für Glas abgebildet war, weiß ich, dass die Wärme (Infrarotstrahlung) der Sonne durch Glas, Borosilikatglas und auch die meisten Kunststoffe im Bereich des Sonnenspektrums (bis etwa 3µm) durchgelassen wird. Dann wird allerdings in der Absorberschicht langwellige Infrarotstrahlung daraus (angeblich ab ca. 20µm) und die kann dann nicht durch die Scheibe. Das nennt man auch das Treibhausprinzip. Ganz klar ist mir allerdings noch nicht wovon die Umwandlung in langwellige Strahlung abhängt.

Also, wenn Du einen sehr guten schwarzen oder selektiven Absorber hast, fängst Du damit schon mal mit beiden Absorbern fast alle Sonnenenergie ein (UV, sichtbares Licht und Infrarot, siehe Bild 1). Der selektive Absorber strahlt die Wärme aber nur im langwelligen Bereich ab (ab 20µm, kann damit nicht durch das Glas) wogegen der schwarze Absorber eben auch die kürzerwellige Infrarotstrahlung emittiert, die uns wieder zum Teil durch die Scheibe abhaut. Beim selektiven Absorber sind die thermischen Verluste (Bild 3) also wesentlich geringer, die optischen aber etwas größer

Ich hoffe, dass es damit etwas klarer ist, worauf es beim Absorber ankommt.

Bis dann
Herbert

08.01.2018 19:01
Sandy 

Administrator

Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Damit bei meinem Eigenbau - Kollektor möglichst wenig wieder zurückgestrahlt wird, habe ich Doppelstegplatte für Treibhäuser genommen. Diese Platte soll so aufgebaut sein, dass die Sonnenstrahlung sehr gut durchgelassen wird, aber wenig Strahlung wieder nach außen geht. Somit hat die Platte eine Innen- und eine Außenseite.

In den vergangenen Tagen habe ich meinen Lüfter auf weniger Leistung gestellt, d.h. ich habe die Versorgungsspannung von 21 V auf 18 V verringert und damit den Luft-Durchsatz auf ca. 160 m³/h gesenkt. Dadurch ist die Temperatur von 30°C (Außen ca. 5°C) auf 37,5 °C (Außen 1°C) gestiegen. Letzterer Wert wurde gestern ermittelt, heute bei deutlich mehr Wind sank die max. Temperatur auf 35,5 °C bei gleicher Außentemperatur.
_______________

Grüße von
Rainer
(Sandy)
_______________

08.01.2018 20:32
Leyonardo 
Re: Prinzipielle Betrachtungen zum Bau eines Versuchs-Luftkollektors

Hallo Rainer,

wie im letzten Beitrag beschrieben, ist für die Rückstrahlung eher entscheidend, welchen Absorber Du hast (selektiv oder nicht). Auch kommt es darauf an, ob die Stegplatte aus PMMA (also Plexiglas) oder Polycarbonat ist.
Das Problem ist immer, auf die Schnelle aussagekräftige Datenblätter zu finden. Die Platten sind meist für den Endkunden gedacht und da gibt es selten Daten zu spektralen Strahlungswerten. Soweit ich das allerdings weiß, sind Doppelstegplatten normalerweise nicht beschichtet. Dann sind sie eigentlich in gleicher Weise von jeder Richtung durchlässig, auch für die Infrarotstrahlung. Normalerweise müsste der Transmissionsgrad von Doppelstegplatten aber auch schlechter sein, weil Du da 2 Oberflächen hast, an denen Reflektion auftreten kann. PMMA hat soweit ich weiß eine Transmission von 92% oder mehr (für eine glatte Scheibe, damit ganz gut), aber zwei Schichten hintereinander müssten das ja dann wieder verschlechtern.

Ich bin auch immer etwas skeptisch, wenn von Gebrauchstempaturen von 90°C oder 100°C gesprochen wird. Kunststoffe altern generell erheblich schneller unter erhöhter Temperatur, bemerkbar macht sich das halt erst nach einigen Jahren. PMMA soll ja wenigstens ziemlich UV-beständig sein. Wenn Du den Wirkungsgrad hochtreiben willst, ist Glas, denke ich, immer noch die beste (und gar nicht so teuere) Lösung.

Die Temperaturen, die Du jetzt gemessen hast, scheinen doch recht gut zu sein!? Das Absinken der Temperatur bei Wind wird durch die Abkühlung des Kollektors passieren.

Die Frage ist: hast Du den Eindruck mit der geringeren Lüfterleistung wird es im Raum schneller oder langsamer warm? Nach meinen Betrachtungen liegt ja der optimale Temperaturpunkt grob in der Mitte zwischen der Raumtemperatur und der Stillstandstemperatur des Kollektors bei der momentanen Strahlungsleistung. Es ist jetzt allerdings ganz schlecht zu beurteilen ob die Einstellung des Lüfters optimal war, weil ich erstens dazu keine Formel habe und mir die Daten fehlen bzw. zu unterschiedlich sind.
Betrachte es so wie bei der Photovoltaik: dort pegelt man den Strom aus der PV so ein, das das Produkt aus Spannung und Strom (also die Leistung) immer den höchstmöglichen Wert ergibt. Ich denke beim Luftkollektor müsste man das prinzipiell ähnlich machen.

Wie ich weiter oben geschrieben habe, werde ich mal versuchen eine einfache Schaltung aufzubauen, die so eine Regelung hinkriegt. Mal sehen, vieleicht in einem der nächsten Beiträge.

Bis dann
Herbert

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