Solarthermie – Wärme von der Sonne

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 9-10, G-Niveau

Solarthermie – Wärme von der Sonne

Einleitung

Solarthermie nutzt die Sonnenenergie, um Wärme zu gewinnen. Ein Sonnenkollektor nimmt Sonnenstrahlung auf. Dadurch wird eine Flüssigkeit warm. Sie bringt die Wärme zu einem Speicher. Dort kann sie später für warmes Wasser oder zum Heizen genutzt werden.

Merke: Solarthermie erzeugt vor allem Wärme. Photovoltaik erzeugt elektrischen Strom.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du die wichtigsten Teile einer Solarthermieanlage benennen, ihren Energiefluss erklären, Solarthermie und Photovoltaik unterscheiden und einfache Rechnungen zur Wärmeenergie durchführen.

Lernbereiche

1. Physik: Wärme, Energie und Energieumwandlung
2. Wärmelehre: Erwärmung von Wasser und Wärmeverluste
3. Erneuerbare Energie: Nutzung der Sonnenenergie
4. Technik: Aufbau und Funktion einer Solarthermieanlage
5. Umweltbildung: Möglichkeiten und Grenzen klimafreundlicher Wärmeversorgung

So funktioniert Solarthermie

1. Absorber: Eine dunkle Fläche nimmt Sonnenstrahlung gut auf und wird warm.
2. Wärmeträger: Eine Flüssigkeit nimmt die Wärme auf.
3. Umwälzpumpe: Sie bewegt die Flüssigkeit durch Rohre.
4. Wärmetauscher: Er überträgt die Wärme auf das Wasser im Speicher.
5. Wärmespeicher: Er hält warmes Wasser für später bereit.

Die abgekühlte Flüssigkeit fließt zurück zum Kollektor. So entsteht ein Kreislauf.

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Energieumwandlung

Die Energie wird nicht erzeugt, sondern umgewandelt:

Strahlungsenergie der Sonne → innere Energie des Absorbers → Wärmeenergie der Flüssigkeit → Wärmeenergie im Speicher

Das ist ein Beispiel für Energieumwandlung und Energieübertragung.

Warum ist der Absorber dunkel?

Dunkle Oberflächen absorbieren viel Strahlung. Helle oder glänzende Flächen reflektieren mehr Licht. Eine Abdeckung aus Glas lässt Licht hinein und bremst den Wärmeverlust.

Bauarten von Kollektoren

Ein Flachkollektor besitzt einen flachen Absorber unter einer Glasscheibe. Ein Vakuumröhrenkollektor besteht aus Glasröhren. Das Vakuum verringert den Wärmeverlust.

Wärme berechnen

Für das Erwärmen von Wasser gilt näherungsweise:

$Q=m\cdot c\cdot \Delta T$

Dabei ist $Q$ die Wärmeenergie, $m$ die Masse des Wassers, $c$ die spezifische Wärmekapazität und $\Delta T$ die Temperaturänderung.

Für Wasser kannst Du mit $c\approx \mathrm{4,2}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{(}\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{\cdot }\mathrm{K}\mathrm{)}$ rechnen.

Beispiel: Ein Kilogramm Wasser wird um 10 Kelvin erwärmt. Dann gilt: $Q=1\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \mathrm{4,2}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{(}\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{\cdot }\mathrm{K}\mathrm{)}\cdot 10\mathrm{K}=42\mathrm{k}\mathrm{J}$.

Wärmeverluste und Wirkungsgrad

Nicht die ganze Sonnenenergie gelangt in den Speicher. Ein Teil wird reflektiert. Ein weiterer Teil geht durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung an die Umgebung verloren. Gute Dämmung verringert diese Verluste.

Der Wirkungsgrad beschreibt den Anteil der eingestrahlten Energie, der als nutzbare Wärme ankommt.

Solarthermie und Photovoltaik

Technik	Ergebnis	Typische Nutzung
Solarthermie	Wärme	Warmwasser und Heizungsunterstützung
Photovoltaik	elektrischer Strom	Lampen, Geräte und Stromnetz

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Solarthermie im Alltag

Solarthermieanlagen stehen oft auf Hausdächern. Sie können Wasser für Dusche, Küche oder Heizung erwärmen. Bei wenig Sonne hilft meist ein zweites Heizsystem.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was erzeugt eine Solarthermieanlage hauptsächlich? (Wärme) (!Elektrischen Strom) (!Wind) (!Kernenergie)

Welches Bauteil nimmt die Sonnenstrahlung auf? (Absorber) (!Steckdose) (!Generator) (!Turbine)

Was transportiert die Wärme im Solarkreislauf? (Wärmeträgerflüssigkeit) (!Luftstrom im Zimmer) (!Elektrische Ladung) (!Kohlenstoffdioxid)

Welche Aufgabe hat der Wärmespeicher? (Er hält Wärme für später bereit) (!Er erzeugt Sonnenlicht) (!Er misst die Windgeschwindigkeit) (!Er wandelt Wärme direkt in Schall um)

Warum ist der Absorber meist dunkel? (Er nimmt viel Strahlung auf) (!Er erzeugt dadurch Strom) (!Er wird dadurch leichter) (!Er verhindert jede Reflexion)

Welche Energie steht am Anfang der Energieumwandlung? (Strahlungsenergie) (!Lageenergie) (!Kernenergie) (!Schallenergie)

Was ist das Ergebnis der Photovoltaik? (Elektrischer Strom) (!Warmwasser) (!Heizöl) (!Dampf aus einem Kessel)

Welche Bauart nutzt ein Vakuum zur Wärmedämmung? (Vakuumröhrenkollektor) (!Flachbildschirm) (!Windrad) (!Solarzelle)

Welche Größe beschreibt den nutzbaren Anteil der eingestrahlten Energie? (Wirkungsgrad) (!Lautstärke) (!Dichte) (!Geschwindigkeit)

Wie viel Wärmeenergie braucht ein Kilogramm Wasser für eine Erwärmung um zehn Kelvin ungefähr? (42 Kilojoule) (!4,2 Joule) (!4200 Kilojoule) (!0,42 Kilojoule)

Memory

Absorber	nimmt Sonnenstrahlung auf
Pumpe	bewegt die Solarflüssigkeit
Wärmetauscher	überträgt Wärme auf Speicherwasser
Speicher	hält Wärme für später bereit
Solarthermie	liefert nutzbare Wärme
Photovoltaik	liefert elektrischen Strom

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Aufgabe
Kollektor	Sonnenstrahlung aufnehmen
Solarflüssigkeit	Wärme transportieren
Pumpe	Kreislauf antreiben
Wärmetauscher	Wärme übertragen
Speicher	Wärme aufbewahren

Kreuzworträtsel

Absorber	Welche dunkle Fläche nimmt Sonnenstrahlung auf?
Kollektor	Welches Bauteil sammelt die Sonnenwärme auf dem Dach?
Speicher	Welches Bauteil hält warmes Wasser für später bereit?
Pumpe	Welches Bauteil bewegt die Solarflüssigkeit?
Reflexion	Wie heißt das Zurückwerfen von Licht?
Wirkungsgrad	Welche Größe beschreibt den nutzbaren Energieanteil?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Bei der Solarthermie wird in Wärme umgewandelt. Der dunkle nimmt die Strahlung auf. Eine transportiert die Wärme durch Rohre. Die hält den Kreislauf in Bewegung. Ein gibt die Wärme an das Wasser ab. Der hält die Wärme für später bereit. Gute verringert Wärmeverluste. Photovoltaik erzeugt im Unterschied zur Solarthermie .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Energiekette: Zeichne den Weg der Energie von der Sonne bis zum warmen Wasser.
2. Bauteile: Beschrifte eine Skizze mit Kollektor, Pumpe, Wärmetauscher und Speicher.
3. Medienanalyse: Wähle ein Bild oder Video aus dem Kurs und erkläre in drei Sätzen, was darauf geschieht.
4. Erklärtext: Erkläre einer jüngeren Person in höchstens 80 Wörtern den Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik.

Standard

1. Absorptionsexperiment: Stelle ein schwarzes und ein weißes Gefäß mit gleich viel Wasser in die Sonne. Miss die Temperaturen in gleichen Zeitabständen. Arbeite sicher und unter Aufsicht.
2. Messwertdiagramm: Zeichne aus Deinen Temperaturwerten ein Zeit-Temperatur-Diagramm und deute den Verlauf.
3. Funktionsmodell: Baue aus Schläuchen, Gefäßen und einer ungefährlichen Handpumpe ein Modell des Solarkreislaufs. Verwende kein heißes Wasser.
4. Fotorecherche: Suche in Deiner Umgebung nach Solarkollektoren. Dokumentiere Standort, Ausrichtung und mögliche Verschattung, ohne Privatgrundstücke zu betreten.

Schwer

1. Wärmeberechnung: Berechne die Energie, die nötig ist, um fünf Kilogramm Wasser um 25 Kelvin zu erwärmen.
2. Versuchsplanung: Plane einen fairen Versuch zur Frage, wie eine transparente Abdeckung die Erwärmung eines schwarzen Gefäßes verändert.
3. Schulgebäude: Beurteile, ob ein Teil des Schuldachs für Solarthermie geeignet sein könnte. Nutze die Kriterien Ausrichtung, Neigung, Verschattung und Wärmebedarf.
4. Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video mit Modell oder Animation. Zeige Energieumwandlung, Wärmetransport, Speicher und Wärmeverluste.

Lernkontrolle

1. Bewölkter Tag: Erkläre, was in der Anlage bei wenig Sonne geschieht und warum ein Speicher allein nicht immer ausreicht.
2. Defekte Pumpe: Beschreibe die Folgen, wenn der Kollektor warm ist, die Pumpe aber stillsteht.
3. Dämmung: Begründe mit den Arten des Wärmetransports, warum Rohre und Speicher gedämmt werden.
4. Technikwahl: Eine Schule möchte entweder Wärme für Duschen oder Strom für Computer gewinnen. Ordne jeweils eine passende Solartechnik zu und begründe.
5. Sommer und Winter: Erkläre das Problem, dass im Sommer oft viel Sonnenwärme vorhanden ist, der Heizbedarf aber im Winter höher ist.
6. Modellkritik: Ein Modell zeigt nur Kollektor und Wasserhahn. Nenne fehlende Bauteile und erkläre ihre Funktionen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. den Aufbau einer Solarthermieanlage richtig beschriften kannst,
2. den Energiefluss in eigenen Worten erklären kannst,
3. Solarthermie und Photovoltaik sicher unterscheidest,
4. eine einfache Rechnung mit $Q=m\cdot c\cdot \Delta T$ durchführen kannst,
5. Messwerte in einem Diagramm darstellen und deuten kannst,
6. Wärmeverluste erklären und Verbesserungen begründen kannst.

Links

Solarthermie – Wärme von der Sonne Solarthermie Thermischer Solarkollektor Absorber Wärmespeicher Wärmetauscher Wärmetransport Energieumwandlung Wirkungsgrad Photovoltaik