Kort version
*
Varmvatten från solen
• Hur varmt blir vattnet
• Hur lång tid tar det
• Kan du förbättra solfångaren
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
1
030918
Utförlig version
*
Varmvatten från solen
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?
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
2
030918
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
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
3
030918
Utförlig version
***
Varmvatten från solen
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.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
4
030918
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/m2.
Om du inte har solarimeter: vid klar sol är instrålningen (vinkelrätt mot solriktningen) c:a
1000 W/m2.
• 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
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
5
030918
******
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.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
6
030918
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/m2.
Solfångare med 500 W lampa på 0,5 m avstånd
80
Vattentemperatur / oC
70
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
100
90
Verkningsgrad / %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
o
Temperaturdifferens mot omgivningen / C
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
7
030918
Slutsatser
Vid full solstrålning och med solfångaren lutad så att solstrålningen träffar vinkelrät mot
solfångarytan stiger temperaturen till c:a 60o 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:
Wn = nyttig energi = uppsamlad termisk energi i vattnet under tiden ∆t
Wn = m ⋅ c ⋅ ∆T
där
m = vattnets massa
c = specifika värmekapaciteten för vatten = 4190 J/(kg . K)
∆T = temperaturökning under tiden ∆t
Wi = tillförd energi = från solen instrålad energi under tiden ∆t
Wi = I ⋅ A ⋅ ∆t
där
I = instrålning i W/m2 (mäts med instrålningsmätare eller antas vara 1000 W/m2
vid klar sol vinkelrätt mot solriktningen)
A = solfångarplåtens area
∆t = tid i s
e = verkningsgrad
W
e= n
Wi
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 oC). 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)
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
8
030918
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 35 soltimmar kan utnyttjas.
Man brukar räkna med att en person använder c:a 70 l varmvatten per dag. En solfångare på
10 m2 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
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
9
030918
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.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
10
030918
