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Sonnenkollektor

Sonnenkollektor

Ein Sonnenkollektor ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus der Sonnenstrahlung. Ein Sonnenkollektor "sammelt" und absorbiert die im Sonnenlicht enthaltene Energie, wobei im Gegensatz zu photovoltaischen Anlagen auch der infrarote Strahlungsanteil (Wärmestrahlung) bei diffusem Licht genutzt wird.

Prinzip des Sonnenkollektors

Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 Prozent. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante). Wichtigster Bestandteil des Kollektors ist der Absorber, der die Wärme aufnimmt und sie einem ihn durchfließenden Wärmeträger weitergibt. Mit Hilfe der Flüssigkeit dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend gespeichert (z.B. über Wärmetauscher) oder direkt als Prozesswärme verwendet. Um Wärmeverluste zu vermeiden, ist eine gute Isolierung des Absorbers gegenüber der Umgebung und auch eine Abschirmung der warmen Leitungen notwendig. Nach der Isolierungstechnik unterscheidet man
- Flachkollektoren, die herkömmliche Isolationsstoffe verwenden;
- Vakuumröhrenkollektoren, die die thermische Isolierung durch ein Vakuums erreichen, aber mehr als doppelt so teuer sind;
- Schwimmbadabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich isoliert.
- Die einfachste Bauart (freilich kein Kollektor im strengen Sinn) ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter mit großer Oberfläche. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genützt wird. Sogar im Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch Wassertemperaturen von über 60° erreichen. Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage, die in der Regel zur Warmwassergewinnung genutzt wird, seltener auch zur Raumheizungsunterstützung. Eine Besonderheit ist der Thermosiphonkollektor, der für Solaranlagen konzipiert ist, die ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip arbeiten. Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar, wie sie vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel) auf vielen Dächern zu finden ist.

Aufbauschema

Israel Nebenstehendes Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Absorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird kurzwellige, energiereiche Strahlung in langwellige Strahlung (Wärmestrahlung) umgewandelt. Die dabei freiwerdende Wärme darf nicht verlorengehen, weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Wärme, die nicht direkt vom Absorber aufgenommen oder von diesem als Emission wieder abgestrahlt wird, wird durch die Glasscheibe zurück reflektiert. Sie ist somit im Kollektor gefangen. Dies ist der Effekt, der oft mit Wärmefalle oder Treibhauseffekt beschrieben wird. Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren fließende Wärmeträgerflüssigkeit. Diese transportiert die gesammelte Wärmeenergie zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher. Es gibt Solaranlagen mit offenem Flüssigkeitskreislauf, bei denen der Absorber direkt vom Brauchwasser durchströmt wird (vor allem bei Thermosiphonanlagen). In Regionen mit größerer Frostgefahr werden jedoch in der Regel getrennte Flüssigkeitskreisläufe verwendet, bei denen die Wärme aus dem in sich geschlossenen Solarkreislauf per Wärmetauscher auf das Brauchwasser übertragen wird. Gute Flachkollektoren erzeugen ca. 450kWh Wärmeenergie je m2 und Jahr, gute Vakuumkollektoren bis 600kWh/m2a und mehr.

Absorbertechnik

Der Absorber soll direkte und diffuse Sonnenstrahlung möglichst gut auffangen und in Wärme umwandeln (Absorption). Zugleich soll er möglichst wenig Wärme wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission). Technisch ausgedrückt: Er soll sich selektiv verhalten. In heißen Ländern werden häufig Absorber eingesetzt, die lediglich mit so genanntem Solarlack "beschichtet" sind. Dieser Solarlack ist sehr hitzebeständig und in der Regel schwarz, um so bestmögliche Absorptionswerte zu erreichen. Zugleich sind aber auch die Emissionswerte sehr hoch und damit schlecht; ein großer Teil der eingefangenen Wärme wird direkt wieder abgestrahlt. Um die Energieverluste zu minimieren, wird daher in weniger sonnenverwöhnten Ländern auf hoch-selektive Beschichtung gesetzt, die Absorptionswerte über 90 % und Emissionswerte unter 10 % aufweisen. Eine der ersten Beschichtungen, die diesem Anspruch entsprach und serienmäßig hergestellt werden konnte, war die so genannte Schwarzchrom-Beschichtung. Sie wurde in einem galvanischen Verfahren auf das aus Kupfer oder Aluminium bestehende Absorberblech aufgebracht. Sehr vereinfacht gesagt bestand sie aus mikroskopischen Chromhärchen, die das Sonnenlicht zwischen sich einfingen. Bis etwa 1997 war die Schwarzchrom-Beschichtung marktbeherrschend. Mittlerweile erlauben aber neuere Beschichtungen nicht nur höhere Wirkungsgrade, sondern gelten - vor allem wegen des Verzichts auf galvanische Prozesse - auch unter Produktions- und Recycling-Aspekten als umweltfreundlicher. Eine immer weniger verbreitete Alternative zu Schwarzchrom war eine ebenso galvanisch aufgebrachte Nickelbeschichtung ("Schwarznickel"). Am verbreitetsten ist heute eine aufgesputterte Schicht auf Titanbasis mit blauer Farbe, die gegenüber Schwarzchrom zwar leicht schlechtere Absorptionswerte aufweist, aber dafür deutlich niedrigere Emissionswerte und damit insgesamt einen besseren Wirkungsgrad erreicht. Die ersten serienreifen Beschichtungen dieser Art wurden in Form von Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen in Deutschland entwickelt und von der Fa. TiNox [http://www.tinox.de] auf den Markt gebracht. Theoretisch sind bei dieser Beschichtung je nach Schichtaufbau auch andere Farben möglich; diese erreichen aber bisher keine vergleichbaren Leistungswerte. Eine weitere Neuentwicklung ist die sunselect-Beschichtung des Glas- und Beschichtungsherstellers Interpane [http://www.sunselect.de], eine Ceramic-Metall-Struktur (vermutlich ebenfalls auf Titan-Basis), die wie die Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen im Vakuum-Sputter-Verfahren aufgebracht wird und ebenfalls schwarzbläulich schimmert. Beide Beschichtungen lassen sich bisher nur auf Absorberblechen aus Kupfer aufbringen; entsprechende Techniken für Aluminiumabsorber sind erst seit kurzem auf dem Markt. Auch diese Aluminiumabsorber verwenden jedoch zur Wärmeabführung mittels der "Solarflüssigkeit" (siehe dazu Thermische Solaranlage) eine Verrohrung aus Kupfer, die per Laser-Schweißverfahren mit dem Absorber verbunden wird. Neben der Beschichtung unterscheiden sich Absorber verschiedener Hersteller auch in ihrem prinzipiellen Aufbau. Häufig sind Absorber, die aus einzelnen Finnen bestehen, etwa 10-15 cm schmalen Streifen, auf deren Rückseite jeweils ein dünnes Rohr aufgeschweißt ist, die dann an beiden Enden in ein Sammelrohr eingelötet werden, so dass eine Art "Harfe" entsteht. Daneben gibt es Flächenabsorber, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen; die Verrohrung ist bei diesen meist serpentinenartig auf der Rückseite aufgelötet oder -geschweißt. Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Flächenabsorber bestehen sie aus einem einzigen durchgehenden Absorberblech, auf die aber rückseitig statt einer Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht ist; die Wärmeträgerflüssigkeit strömt zwischen diesen beiden Blechen. Grundsätzlich weisen Flächenabsorber die besten Leistungswerte auf. Da anfangs die Hersteller der neuen hochselektiven Beschichtung nur Kupferbleche verarbeiten konnten, die eine bestimmte Breite nicht überschritten, werden vor allem in älteren Kollektormodellen noch überwiegend Absorberfinnen eingesetzt. Zudem erlauben Absorberfinnen mehr unterschiedliche Kollektor-Bauformen.

Solarglas

Das für den Kollektor verwendete Glas soll möglichst viel energiereiche Strahlung in den Kollektor einfallen lassen und nur die vom Absorber emittierte oder reflektierte Wärmestrahlung wieder zurück ins Kollektorinnere reflektieren. Für Hochleistungskollektoren wird daher heute meist ein spezielles Solarglas verwendet, das diese Anforderungen besser erfüllt als normales Fensterglas. Chemisch unterscheidet es sich von diesem hauptsächlich durch den geringeren Eisengehalt. Optisch sichtbar wird dieser Unterschied beim Blick auf die Kante einer Solarglas-Scheibe: Während Fensterglas beim Blick auf die Kante grünlich wirkt, ist Solarglas auch aus dieser Blickrichtung klar. Eine weitere Anforderung ist die Bruchfestigkeit gegenüber Hagel und Schneelast (ähnlich wie bei Dachfenstern), die bei möglichst geringer Scheibendicke erreicht werden soll.

Erfinder

Das Prinzip der Solarthermie wird seit langem angewandt: Brenn- und Hohlspiegel gab es schon in der Antike. Die Verwendung von Sonnenenergie geht auf den griechischen Mathematiker und Erfinder Archimedes von Syrakus (285-212 v. Chr) zurück, der angeblich mit Hilfe von Brennspiegeln die römische Flotte in Brand setzte. Im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure die Vorläufer der heutigen Solar-Kollektoren. Er baute im 18. Jhd. einen einfachen Holzkasten mit schwarzem Boden und Glasabdeckung. Mit diesem ersten Sonnenkollektor erreichte er eine Temperatur von 87°C.

Geschichtliches zur Nutzung der Photovoltaik

Mitte des 19. Jahrhunderts gelang es erstmals dem Franzosen Mouchot, die Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln. Das Prinzip der Photovoltaik wurde bereits 1839 vom Franzosen Becquerel entwickelt und durch den Einsatz von Silizium als Halbleitermaterial ca. 80 Jahre später in eine effiziente Form überführt. Die Photovoltaik wurde zu einem festen Bestandteil der Raumfahrt und sichert vielfach die Stromversorgung von Raumsonden.

Einsatzbereiche: Haushalt bis Industrie

Die bekannteste Anwendung der aus Sonnenenergie gewonnenen Hitze ist die Warmwassererzeugung im Haushalt. Bei geeigneter Auslegung von Kollektorfläche und Speichervolumen reicht sie bei uns während des gesamten Sommerhalbjahres zum Waschen und Baden.
Die ersten großflächigen Anwendungen waren seit der Energiekrise der 1970er-Jahre die Beheizung von öffentlichen und zunehmend auch privaten Schwimmbädern. Auch Industriebetriebe nutzen die Sonnenenergie seit langem als Beitrag zur Prozessenergie, wobei zumindest eine Vorwärmung der Wärmeträger möglich ist. Auch das Anwärmen von Biomassekulturen - etwa zur Erzeugung von Biogas ist längst zur Marktreife gediehen. Etwas anspruchsvoller ist in der Haustechnik die solare Beheizung oder die Kühlung. Beim sog. Energiehaus ist eine fast vollständige Übernahme der Heizung durch die Sonnenstrahlung möglich. Bei Standardheizungen kann sie im Jahresschnitt bis zu einigen Zehnerprozenten zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Eine Amortisation der relativ teuren großflächigen Kollektoren und der Armaturen ist laut Firmenangaben in cca. 20 Jahren zu erwarten. Um auch an bewölkten und regnerischen Tagen genügend Heißwasser sicherzustellen, ist in der Thermischen Solaranlage meist ein Wärmespeicher eingebaut, der für Haushalte - je nach Familiengröße - von etwa 300 bis 1000 Liter Wasserfüllung reicht. Übliche Marktgeräte heizen die untere Hälfte, deren Konvektion bei ausreichendem Sonnenschein dann den ganzen Boiler erwärmt. Bei bedecktem Wetter ist eine Zusatzheizung mit Strom oder dem Heizkessel üblich. Von den thermischen Sonnenkollektoren zu unterscheiden sind die Solarzellen bzw. Solarmodule, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln (Photovoltaik). Siehe auch: Thermische Solaranlage, Thermochemischer Wärmespeicher, Sonnenofen, Aufwindkraftwerk

Weblinks


- [http://www.thema-energie.de www.thema-energie.de] - Deutsche Energie-Agentur (dena): Portal für Energiesparen und Erneuerbare Energien: :[http://www.thema-energie.de/category/show_category.cfm?cid=18 - Wissenskatalog Energie: Solarwärme] :[http://www.thema-energie.de/article/show_article.cfm?id=2352 - Interaktiver Solarförderberater] Kategorie:Wärmeerzeuger Kategorie:Solarenergie Kategorie:Umwelttechnik

Sonnenenergie

, USA, der von Solarenergie betrieben wird]] Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die von der Sonne durch Kernfusion erzeugte Energie, die in Teilen als elektromagnetische Strahlung (Strahlungsenergie) zur Erde gelangt. Die Sonnenenergie ist über Hunderte von Jahren annähernd konstant. Die Intensität der Sonneneinstrahlung beträgt an der Grenze der Atmosphäre etwa 1,367 kW/m²; dieser Wert wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Ein Teil der eingestrahlten Energie wird von den Bestandteilen der Atmosphäre absorbiert und in Wärme (Bewegungsenergie) umgewandelt. Ein weiterer Teil entkommt durch die Emission eines Teils der absorbierten Energie in Richtung Weltall der Erde und zuletzt führt die Reflexion an Schwebeteilchen wie Eiskristallen und Staub in der Luft zu einer weiteren Verringerung der aufgenommenen Energie. Die Größe dieser Verluste hängt vom Zustand der Atmosphäre ab. Dabei spielen die Luftfeuchtigkeit, die Bewölkung und die Länge des Weges, den die Strahlen durch die Atmosphäre nehmen müssen, eine Rolle. Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlung beträgt auf eine senkrecht dazu stehende Fläche noch ungefähr 1 kW/m². Auf schräg zur einfallenden Strahlung aufgestellte Flächen trifft weniger Energie auf. Im 19. Jahrhundert nahm man an, die Sonne bestünde aus Kohle und würde diese verbrennen; allerdings könnte die Sonne unter dieser Annahme nur für etwa 6.000 Jahre leuchten.

Nutzung der Sonnenenergie

Die auf der Erde am weitesten verbreitete Nutzung der Sonnenenergie ist die Photosynthese bei den Pflanzen. Alle Tiere leben direkt (Pflanzenfresser) oder indirekt (Fleischfresser) von der Sonnenenergie. Pflanzen]] Die Solartechnik beschäftigt sich mit der Nutzung der Sonnenenergie. Sie wird mit Hilfe der Fotovoltaik in elektrische Energie (Solarstrom) umgewandelt oder die Infrarot-Strahlung wird als Wärme in Solarthermie-Anlagen eingefangen und genutzt. Die Wandlung in Wärme durch so genannte Sonnenkollektoren ist die weltweit meistverbreitete Nutzung der Sonnenenergie. Der direkten Wandlung der Strahlung in Wärme bedienen sich auch Solaröfen und Solarkocher. Großtechnisch kann die so gewonnene Wärme in Sonnenwärmekraftwerken zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Die Sonnenenergie zählt zu den regenerativen Energien, ihre Nutzung wird in vielen Ländern gefördert, in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Faktisch lassen sich auch die Windenergie sowie die Energieträger Biomasse und Biogas als Formen der Solarenergie bezeichnen, da sie durch natürliche physikalische oder biologische Prozesse umgewandelte Sonnenenergie nutzen.

Speicherung der Sonnenenergie

Die solare Einstrahlung ist eine unstete Größe. Tag und Nacht, natürliche Bewölkung sowie Kondensstreifen, Abdämpfe und auch Schwebeteilchen in der Luft beeinflussen die lokale Bestrahlungsstärke. Um die notwendige Energieversorgungssicherheit zu gewährleisten, sind deshalb beim Betrieb solarer Elektrizitätswerke immer Zusatzmaßnahmen notwendig. Das vorhandene Stromnetz kann zum Ausgleich lokaler Schwankungen dienen. Elektrizitätswerke aus anderen Bereichen der Regenerativen Energien, beispielsweise Wasserkraftwerke, Windenergieanlagen oder Geothermiekraftwerke können solare Elektrizitätswerke ergänzen. Außerdem ist auch auf längere Sicht der parallele Betrieb konventioneller Elektrizitätswerke notwendig, um kurzfristige Schwankungen auszugleichen. Eine weitere Möglichkeit ist die Energiespeicherung, so dass Schwankungen aus diesen Speichern ausgeglichen werden können. Verschiedene Ansätze dazu sind möglich, bei kleinen Anlagen sowie Inselanlagen werden häufig Solarbatterien eingesetzt. Hierbei handelt es sich um einen chemischen Energiespeicher. Auch Speicherung in großtechnischen chemischen Speichern ist möglich, zur Zeit erzielte Wirkungsgrade für die daraus wieder verwendbare Energie liegen bei etwa 50 Prozent. Solarthermisch erzeugte Wärme kann bevorzugt im Sommer in geothermische saisonale Speicher eingebracht und im Winter genutzt werden. Ein anderes Verfahren ist die Umwandlung metallischer Stoffe, beispielsweise das Solzinc-Verfahren. Ein weiteres mögliches Verfahren ist die Wandlung der elektrischen Energie in Rotationsenergie (Schwungrad), wie sie beispielsweise im Straßenbahndepot der Intalliance AG in Hannover-Leinhausen realisiert wurde.

Potenzial der Sonnenenergie

Als die größte Energiequelle liefert die Sonne pro Jahr eine Energiemenge von etwa 3,9 · 1024 J, das entspricht 1,08 · 1018 kWh, auf die Erdoberfläche. Diese Energiemenge entspricht etwa dem 10.000fachen des Weltprimärenergiebedarfs. Die Zusammensetzung des Sonnenspektrums, die Sonnenscheindauer und der Winkel, unter dem die Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche fallen sind abhängig von Uhrzeit, Jahreszeit und Breitengrad. Damit unterscheidet sich auch die eingestrahlte Energie. Diese beträgt beispielsweise etwa 1.000 kWh pro Quadratmeter und Jahr in Mitteleuropa und etwa 2.350 kWh pro Quadratmeter und Jahr in der Sahara. Es gibt verschiedene Szenarien, wie eine regenerative Energieversorgung der EU realisiert werden kann, unter anderem auch mittels Energiewandlung in Nordafrika und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.

Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel

Die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche ist die Haupteinflussgröße des Wettergeschehens und des regionalen wie globalen Klimas. Die Strahlungsstromdichte (engl. heat flux density, irradiation), also die Strahlungsenergie pro Flächen- und Zeiteinheit, hängt vom Winkel der Sonneneinstrahlung ab. Bei flachem Winkel treffen weniger Photonen pro Flächeneinheit auf dem Boden auf und erwärmen ihn weniger stark als bei senkrechtem Einfall. Dies kommt durch folgende Formel zum Ausdruck: :J = J_0 \cdot \sin (\beta) Hierbei bezeichnet J die Strahlungsleistung, J_0 die Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel und \beta den Einfallswinkel gegenüber dem Horizont. Verstärkt wird der Effekt durch den verlängerten Weg, den das Licht bei flachen Winkeln durch die Atmosphäre zurücklegen muss.

Vor- und Nachteile der Sonnenenergienutzung

Die direkte Nutzung von Sonnenenergie als Energiequelle bietet gegenüber klassischen Energiequellen einige Vorteile. So ist sie unabhängig von fossilen und atomaren Energieträgern und im Gegensatz zu diesen praktisch unbegrenzt verfügbar. Auch werden bei der Strom- und Wärmeerzeugung keine klimaschädlichen Treibhausgase wie CO2 freigesetzt. Bei dezentraler Auslegung fallen zudem keine Energieverluste durch den Transport an und die Abhängigkeit von einzelnen großen Energieversorgungsunternehmen nimmt ab. Nachteilhaft ist allerdings, dass wegen der Abhängigkeit von der wetter-, tages- und jahreszeitabhängigen Sonneneinstrahlung keine konstante Versorgung mit Energie möglich ist. Auch wird Energie eher in kalten Gebieten beziehungsweise Jahreszeiten benötigt, während die Energiegewinnung mit Solartechnik in heißen Gegenden mit hoher Sonneneinstrahlung und im Sommer deutlich effektiver ist. Daher hofft man, bald die Sonnenenergie effektiv speichern zu können, beispielsweise durch die Gewinnung von Wasserstoff, um sie dann später beziehungsweise an einem anderen Ort einsetzen zu können. Eine Alternative ist der parallele Einsatz von Techniken zur direkten Sonnennutzung (Solarthermie, Photovoltaik) und zur Energiegewinnung aus Biomasse, die ja auch gespeicherte Sonnenenergie darstellt. Ausserdem ist in einer kompletten ökologischen Bilanz die Herstellung der Solarzellen zu berücksichtigen. Für den Herstellungsprozess werden erhebliche Mengen an Energie, Frischwasser und Chemikalien benötigt.

Siehe auch

Klimaschutz, Solararchitektur

Literatur


- Christian Kuhtz, Georg Böhmeke: Aus der Reihe: Einfälle statt Abfälle, Einfache Nutzung der Sonnenwärme. 12 Bauanleitungen für viele Zwecke. Ausführliche Anleitung für gute, billige Warmwasser-Anlagen. Mit grossem Basteltrick-Verzeichnis, Selbstverlag "Einfälle statt Abfälle", Erweiterte Neuauflage 2003, ISBN 3-924038-57-0

Weblinks


- [http://www.thema-energie.de www.thema-energie.de] - dena-Portal für Energiesparen und Erneuerbare Energien: Informationen zu Solarwärme, Solarstrom und eine Solarförderberatung
- [http://www.sfv.de www.sfv.de] - Informationen zur Energiewende, Argumente für eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien.
- [http://volker-quaschning.de/artikel/thinkbig/index.html volker-quaschning.de] - "Think Big!": Szenario Energieerzeugung in Afrika und HGÜ
- [http://www.zeit.de/2004/25/E-Anti_Solar www.zeit.de] - "Grüne Wiese, rotes Tuch - Die Solarbranche fürchtet Widerstände gegen Freilandanlagen und müht sich um öffentliche Zustimmung" (aus Die Zeit 25/04)
- [http://www.solarserver.de www.solarserver.de] - Das Internetportal zur Sonnenenergie. Fach- und Publikumsmedium für Solarstrom, Solarwärme und Solares Bauen. Nachrichten und Berichte aus Wirtschaft, Politik und Umwelt. Fachartikel zum Thema erneuerbare Energien mit Schwerpunkt Solarthermie und Photovoltaik. Kategorie:Solarenergie Kategorie:Umweltschutz ja:太陽光発電

Infrarot

Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der langwelligeren Mikrowellenstrahlung. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm. Bei kurzwelliger IR-Strahlung spricht man oft von "Nahinfrarot" (NIR), bei Wellenlängen von ca. 5...20 Mikrometer von "mittlerem Infrarot" (MIR). Extrem langwellige IR-Strahlung bezeichnet man als "Ferninfrarot" (FIR). Sie grenzt an den Bereich der Terahertzstrahlung. Technisch wird unterschieden in:
- nahes Infrarot: near infrared NIR, IR-A DIN, 0,7 – 1,4 µm – beschränkt durch die Wasserabsorption und in der Telekommunikation verwendet, aufgrund der geringen Absorption und Dispersion von Glasfasern
- kurzwelliges IR: short wavelength IR SWIR, IR-B DIN, 1,4 – 3 µm Die Wasserabsorption steigt bei 1450 nm stark an
- mittelwelliges Infrarot: mid wavelength IR MWIR, IR-C DIN, auch Zwischen-IR: intermediate-IR (IIR), 3 – 8 µm
- langwelliges IR: long wavelength IR LWIR, IR-C DIN, 8 – 15 µm)
- fernes Infrarot: far infrared FIR, 15 – 1000 µm Die Begriffe sind nicht immer so eindeutig wie für den sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch die Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Bezeichnungen gibt.

Geschichte

Die IR-Strahlung wurde im Jahre 1800 von Wilhelm Herschel entdeckt, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma lenkte und hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums ein Thermometer legte. Aus dem beobachteten Temperaturanstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Roten fortsetzt. Umgangssprachlich wird IR-Licht oft mit Wärmestrahlung gleichgesetzt. Breitbandige IR-Quellen sind thermische Strahler wie beispielsweise Glühlampen und Heizstrahler. Selektivstrahler sind der Nernst-Stift, der Auer-Strumpf oder auch Hochdruck-Gasentladungslampen und auch Infrarot-LEDS. Als monochromatische, kohärente Quellen dienen Infrarotlaser (Halbleiterlaser, Nd:YAG-Laser, CO2-Laser). Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eigenen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden Halbleiterdetektoren verwendet - auch Digitalkameras eignen sich dafür, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich auch spezielle fotografische Filme. Bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterempfänger oder pyroelektrische Sensoren (Anwendung z. B. im PIR-Bewegungsmelder) verwendet. Bildgebende Sensoren haben für die Thermografie, die Infrarot-Astronomie (Blick durch interstellare Staubwolken möglich) und Nachtsichtgeräte Bedeutung.

Anwendungen

Anwendung in der Astronomie

In der Infrarotastronomie beobachtet man "kühle" Objekte (kälter als 1000 K), die in anderen Spektralbereichen kaum zu sehen sind, oder Objekte, die in oder hinter einer interstellaren Wolke liegen. Zusätzlich hilft die IR-Spektroskopie bei der Analyse der betrachteten Objekte.

Anwendung in der Computertechnik

Infrarotschnittstellen von PCs ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten. Dabei war die Firma Hewlett Packard eines der ersten Unternehmen, das die Infrarot-Technik mit der EDV verbunden hat. Im Jahre 1979 integrierte man dort erstmals eine IR-Schnittstelle in einen Taschenrechner, um so eine Verbindung zu einem Drucker herzustellen. Im Jahre 1990 wurde dann erstmals eine IR-Schnittstelle in einen Desktop-PC integriert. Diese Schnittstelle wurde zu ihrem ersten Standard. Man nannte ihn somit Serial Infrared (Serielles Infrarot), abgekürzt SIR. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard heutzutage durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst, welches jedes Desktop-Mainboard ab ungefähr Baujahr 2002 unterstützt (bzw. für den Anschluss eines solchen Senders/Empfängers vorbereitet ist). PDA's und Notebooks (ausser den meisten ganz neuen) haben ein solches Infrarotgerät eingebaut, ebenso wie einige Mobiltelefone (hier gilt für die neueren dasselbe wie für Notebooks). Des Weiteren liegt die Standardwellenlänge in der optischen Datenübertragung mittels Glasfasern mit 1550 nm im Infraroten.

Anwendung in der Chemie

IR-Strahlung regt Moleküle zu Schwingungen und Rotationen an. Die Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) ist ein physikalisches Analyseverfahren, das infrarotes Licht zur quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen oder Strukturaufklärung unbekannter Substanzen benutzt.

Anwendung in der Vermessung von Vegetation

Im nahen Infrarot besitzt Chlorophyll eine deutlich (ungefähr 6x) höherere Reflektivität als im sichtbaren (insbesondere grünen) Spektrum. Dieser Effekt wird zur Erkennung von Vegetation ausgenutzt. Hat man auf diese Weise Vegetation erkannt, kann sie (und nur sie) vermessen werden. Die Vermessung von Vegetation ist insbesondere für Autobahn- oder Straßenmeistereien, Gleisinfrastrukturbetreiber (z.B. DB Netz AG) oder Forstbetriebe von Bedeutung. Ragt Vegetation zu weit in das Lichtraumprofil von Fahrzeugen wird dies vom Vermessungssystem automatisch registriert.

Anwendung in der Medizin

Infrarotlicht wird in der Medizin häufig in Verbindung mit Lasertechnik genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die Haut-, Augen- und Zahnheilkunde (Messen, Veröden, Schneiden, Koagulieren, Lichttherapie).

Anwendung in der Automobiltechnik

Im Auto kann eine Infrarotkamera genutzt werden, um als Nachtsichtsystem die Sicherheit bei Nachtfahrten zu erhöhen. Hierbei wird das von einer Infrarotkamera aufgenommene Bild auf einem Display im Fahrzeuginneren dem Fahrer zur Verfügung gestellt. Entsprechende Systeme werden meist als "Night Vision" bezeichnet.

Anwendung in der Instandhaltung

In der modernen Instandhaltung von elektrischen und mechanischen Anlagen/Maschinen wird die Thermografie als ergänzende Messmethode zur präventiven Mängel- und Schadenserkennung eingesetzt. Berührungslos werden damit zuverlässig kritische Zustände ("Hot-Spots") von Maschinen, Anlagen und Installationen während deren Normalbetrieb ermittelt. Dadurch können bereits frühzeitig Maßnahmen zur Eingrenzung der Auswirkungen eingeleitet und somit ggf. Ausfälle und Schäden vermieden werden. Man kann sie auch prima mit der Schwingunsgmesstechnik kombinieren. Wie die IRIS des Auge eine Krankheit anzeigt, zeigt auch die Temperaturerhöhung bzw. die Schwingung mögliche Ausfälle an.

Anwendung in der Materialbearbeitung

Bohren, Schneiden, Schweißen, Gravieren mit Infrarot-Laser (z.B. CO2-Laser).

Sonstige Anwendungen


- Mit Hilfe der Thermographie lassen sich Bilder der durch die Eigenwärme von Gegenständen entstehenden Infrarotstrahlung erzeugen, sogenannte "Wärmebilder".
- Die IR-Spektroskopie ist ein wichtiges chemisches Analyseverfahren.
- Fernbedienungen von Fernsehern und Stereoanlagen nutzen Infrarotlicht zur Kommunikation.
- Nachtsichtgeräte liefern Bilder der Umgebung im infraroten Spektralbereich.
- Zielsuchende Waffen, die ihr Ziel über die von diesem ausgesandte Wärme (z.B. Triebwerkswärme bei Flugzeugen) mit einer Infrarotkamera finden.
- Heizlampen strahlen hauptsächlich im Infraroten.
- Sicherheitsmerkmal bei Geldscheinen, z. B. dem Euro.
- Infrarote Leuchtdioden in optischen Brandmeldern und Lichtschranken zur Raucherkennung. Kategorie:Elektromagnetisches Spektrum Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Optik ja:赤外線

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand, bei einer Maschine beispielsweise das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung. Bei Wärmeerzeugern ist stets zwischen Wirkungsgrad und Nutzungsgrad zu unterscheiden. Der Nutzungsgrad ist kein Verhältnis von Leistungen, sondern das Verhältnis von Wärmemengen (Wärmemenge bzw. Arbeit = Leistung x Zeit). Der Wirkungsgrad wird mit η (Eta) bezeichnet und hat einen Wert zwischen 0 und < 1 oder, in Prozenten ausgedrückt, zwischen 0 und < 100%. Die ungenutzte Energie wird umgangssprachlich auch als Energieverlust bezeichnet.

Wirkungsgrad, Wertebereich

Der theoretisch mögliche Wert von 1 bzw. 100 % kann in der Praxis nicht erreicht werden, weil bei allen Vorgängen Energie durch Wärme oder Reibung in thermische Energie umgewandelt wird. Ein Wirkungsgrad größer als 1 entspräche einem Perpetuum Mobile erster Art, was gegen den Energieerhaltungssatz verstoßen würde. Bei Wärmekraftmaschinen ist als Carnot-Prozess der ideale Wirkungsgrad der Quotient aus der Differenz zwischen höchster Temperatur und niedrigster Temperatur und der höchsten Temperatur im gesamten Prozess. Die Temperaturangaben sind dabei in Kelvin zu machen.

Gesamtwirkungsgrad

Arbeiten mehrere Maschinen hintereinander, so werden deren einzelne Wirkungsgrade zum Gesamtwirkungsgrad der Anlage multipliziert. Beispiel:
- Kraftwerk 40 % (0,4),
- Transformator am Kraftwerk 95 % (0,95)
- Transformator in der Nähe des Verbrauchers 95 % (0,95)
- Elektromotor im Haushalt 80 % (0,8) Gesamtwirkungsgrad: 0,4 x 0,95 x 0,95 x 0,8 = 0,2888 oder 28,88%

Wärme-Wirkungsgrade

Thermischer Wirkungsgrad/Prozesswirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von der gewonnen technischen Leistung zum zugeführten Wärmestrom in einer Wärmekraftmaschine, z. B. einer Wärmepumpe an: : \eta_ = \frac mit \eta_ als dem thermischen Wirkungsgrad, P_ der gewonnen technischen Leistung und \dot dem zugeführten Wärmestrom. Der thermische Wirkungsgrad wird als Bewertungsmaß für die Effektivität des Prozesses benutzt, daher wird er auch Prozesswirkungsgrad genannt.

Anlagenwirkungsgrad

Wird die bei einem thermischen Umwandlungsprozess frei werdende Abwärme weiter genutzt, zum Beispiel zur Luftvorwärmung, Ölvorwärmung oder Fernheizung, wie es bei Blockheizkraftwerken der Fall ist (siehe Tab. unten), so vergrößert sich der Wirkungsgrad der Anlage, da ein Teil der eigentlich für den Prozess verlorengegangen Wärme trotzdem genutzt werden kann. Den sich daraus ergebenen Wirkungsgrad nennt man Anlagenwirkungsgrad um ihn von dem eigentlichen, niedrigeren thermischen Wirkungsgrad (Prozesswirkungsgrad) zu unterscheiden. Anlagenwirkungsgrade sind mit Wärmetauschern relativ einfach zu verbessern, während die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades häufig nur mit erheblichen Mühen und Forschungsaufwand verbunden ist.

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad

Der feuerungstechnische Wirkungsgrad gibt die Nutzung der aus der Verbrennung eines Brennstoffes entstehenden Wärme an. Er berücksichtigt lediglich den Wärmeverlust durch Aufheizen der Abgase und Umgebungsluft des Feuers. Eine Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmeerzeugers allein mit Hilfe des gemessenen Abgasverlustes ist möglich, wenn außer dem Abgasverlust nur marginale weitere Verluste vorhanden sind, was in der Hausheizung der Fall ist. Er bestimmt sich aus der Differenz von 100 % und dem Abgasverlust, der die in dem Abgas verbleibende Wärmemenge bezogen auf die Temperatur der die Feuerstelle umgebenden Luft angibt. Eine Abkühlung unter die Temperatur der Umgebungsluft wird dabei als nicht möglich angesetzt. Der Abgasverlust ist von der Zusammensetzung des Abgases abhängig, vor allem dem Luftanteil, da in der Verbrennungswärme die Erwärmung der Verbrennungsluft auf die Flammtemperatur enthalten ist. Als 100%-Wert wird traditionell der Heizwert (auch "unterer Heizwert" genannt) angesetzt, der definitionsgemäß die evtl. anfallende Kondensationswärme des Abgases nicht berücksichtigt. Aufgrund der in den letzten Jahre zunehmenden Verbreitung der Brennwerttechnik ist diese Betrachtungsweise jedoch nicht mehr zeitgemäß. Moderne Anlagen steigern den Wirkungsgrad durch Absenken der Abgas-Temperaturen und durch Rückgewinnung der Kondensationswärme von Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen. Sie nutzen den Brennwert eines Brennstoffes, während in alten Anlagen nur der Heizwert genutzt werden konnte. Es werden hohe Anforderungen an die Kamin-Anlage gestellt. Die Abgase müssen teilweise aktiv (z. B. Ventilator) abtransportiert werden, da sie nicht mehr warm genug sind, um selbst aufzusteigen. Der Schornstein ist korrosiven Angriffen durch Wasser ausgesetzt. Es bildet sich Teer, der aufgefangen und in die Verbrennung zurück geführt werden muß.

Wirkungsgrade größer 100 %

Wirkungrade von über 100 % können sich aus Berechnungen ergeben, die nicht alle Energieanteile berücksichtigen. Ein Beispiel sind Brennwertkessel, bei denen teilweise heizwertbezogene Wirkungsgrade von über 100 % angegeben werden. Dabei wird unter "aufgewendete Energie" der Heizwert des Brennstoffes angesetzt. Der Heizwert berechnet sich jedoch aus der insgesamt frei werdenden Wärme abzüglich der Verdampfungswärme für das bei der Verbrennung entstehende Wasser. Der Heizwert beinhaltet also nur einen Teil der gesamten Brennstoffenergie. Im Unterschied zum "konventionellen" Heizkessel wird beim Brennwertkessel das Abgas soweit abgekühlt, dass das bei der Verbrennung verdampfte Wasser kondensiert. Die dabei frei werdende Kondensationswärme kommt der Nutzenergie zugute. Wird der Wirkungsgrad nicht auf Basis des Heizwertes sondern auf Basis des Brennwertes des Brennstoffes berechnet, wird im Idealfall ein Wirkungsgrad von maximal 100 % erreicht. Ähnliches gilt für Wärmepumpen. Auch bei ihnen können Wirkungsgrade von über 100 % angegeben werden (handelsübliche Systeme liegen bei 200 bis 600%). Um diese irreführende Angabe zu vermeiden wird jedoch statt des Wirkungsgrades die Leistungszahl (ε) als Maß für die Effizienz verwendet. Ursache für die eigentlich unmöglich hohen Wirkungsgrade ist auch hier die Vorgehensweise bei der Berechnung. Die Wärmepumpe fördert die Wärmeenergie aus der Umwelt und bringt sie auf das gewünschte Temperaturniveau. Dieser Teil der Energie wird jedoch in der Berechnung nicht unter Aufwand einbezogen. Die insgesamt bereitgestellte Wärmeleistung ist daher größer als die elektrisch aufgenommene Leistung.

Beispiele

Bemerkungen: : (a) bei Volllast bis zu 30%, bei Teillast, (Auto, bei ca. 100 km/h) unter 10%. : (b) Teillastwerte bitte einfügen. : (1) Gesamtwirkungsgrad, d. h. auch einschließlich Energie, die zur Bereitstellung der Reaktionsmoleküle erforderlich ist. : (2) Energie der geförderten Kohle, die zur Verbrennung zur Verfügung steht. : (3) Ein Lagerfeuer setzt den Heizwert des Brennstoffs mit hohem Wirkungsgrad in Wärme um (Unterscheidung zwischen Brenn- und Heizwert beachten). Aber nur ein geringer Teil der Wärme erhitzt einen Topf, der über dem Feuer hängt. Der größte Teil erwärmt die umgebende Luft. : (4) Dies gilt für alle Wärmekraftwerke, also für Kohle, Erdgas, Erdöl und Kernenergie (siehe Carnot-Wärmekraftmaschine). : (5) Der hohe Wert gilt nur dann, wenn die Wärme z. B. für Fernheizung auch genutzt wird. : (6) Gas- Dampf- bzw. Wasserturbinen besitzen einen Wirkungsgrad über 95%. Es ist die Bereitstellung der Prozessmittel (strömendes Gas, Wasser) aus (4), und die Umform- und Leitungsverluste, die den Wirkungsgrad bis zur Steckdose auf unter 30 % begrenzen. : (7) Bei fast allen Fahrraddynamos ist der Wirkungsgrad bei ca 20 % anzutreffen, besonders effektive Dynamos mit Reiberädchen erreichen 25-30%. 60 % lassen sich nur durch alternative Bauarten im optimalen Geschwindigkeitsbereich erreichen. : (8) Anders als bei Bühnenlautsprechern ist bei Heim-Lautsprechern und Studio-Monitoren die klangneutrale Wiedergabe wichtiger als "lauter" Wirkungsgrad. : (9) ohne Leitungsverluste Beispiele für den Wirkungsgrad von Lichtquellen siehe: Lichtausbeute.

Siehe auch


- Energieeinsparung
- Erntefaktor von Kraftwerken

Weblinks


- [http://www.energie-fakten.de/html/wirkungsgrad-kohle-kkw.html Warum ist der elektrische Wirkungsgrad von Kernkraftwerken in der Regel niedriger als der von Kohlekraftwerken?] Kategorie:Ingenieurwissenschaft Kategorie:Thermodynamik

Jahreszeit

Als Jahreszeiten bezeichnet man die klimatische beziehungsweise astronomische Unterteilung des Jahres nach der scheinbaren Bahn der Sonne am Himmel. Der Anfang der Jahreszeiten wird
- einerseits durch die Tagundnachtgleichen (Äquinoktien) um den 20. März und am 22. beziehungsweise 23. September (Frühlings-, Herbstbeginn) definiert,
- andererseits durch die Sonnenwenden am 21. Juni und 21. oder 22. Dezember (Sommer-, Winterbeginn).
- Im Sommerhalbjahr (März bis September) fallen die Sonnenstrahlen merklich steiler ein als im Winter, und die Tage sind länger als die Nächte. Beides verstärkt die Erwärmung der Erdoberfläche, was sich allerdings etwas verzögert auswirkt. Zum Äquator hin verschwinden diese Unterschiede. Die meteorologischen Jahreszeiten sind nach der Witterung unterteilt: Frühling (März-Mai), Sommer (Juni-August), Herbst (September-November) und Winter (Dezember-Februar). Durch die leicht elliptische Erdbahn (Abweichung von einer Kreisbahn +/- 1,7 Prozent) unterscheiden sich die Längen der Jahreszeiten um einige Tage. Ferner sind sie auf der Süd- und Nordhalbkugel umgekehrt: Ist im Süden Sommer, so herrscht auf der Nordhalbkugel Winter, und umgekehrt. In tropischen und subtropischen Gebieten hingegen unterscheidet man stattdessen zwischen Regen- und Trockenzeit. In den Tropen gibt es zwei Regenzeiten pro Jahr, welche sich jedoch mit zunehmender geografischer Breite zu einer einzelnen, zweigipfeligen und schließlich in den Subtropen zu einer eingipfeligen Regenzeit wandeln. Um Naturbeobachtungen mit Jahreszeiten zu beschreiben, ist die Unterteilung in vier Jahreszeiten im Allgemeinen zu grob. In der Phänologie kennt man daher bis zu zehn Jahreszeiten, deren Dauer lokal verschieden durch das Eintreten verschiedener Naturereignisse (zum Beispiel Apfelblüte) gegeben ist. Der einschneidende Einfluss, den der Ablauf der Jahreszeiten auf den Lebensrhythmus der Menschen hat, schlägt sich auch sprachlich nieder. Im Deutschen nennt man einen Zeitraum, in dem der Lebensrhythmus in einer Gegend erheblich vom Normalen abweicht, eine fünfte Jahreszeit.

Ursachen und Wandel

Die Temperaturunterschiede der Jahreszeiten entstehen durch die zum Erdäquator schräge Umlaufbahn der Erde um die Sonne (Winkel zur Ekliptik 23,44°). Ihre wechselnde Sonnendistanz spielt nur eine geringere Rolle, macht aber die Südwinter etwas strenger als die Nordwinter. Die Erde ist nämlich im Nordwinter an ihrem sonnennächsten Punkt (Perihel, 3. Januar), während sie in unserem Sommer (dem Südwinter) etwas weiter von der Sonne entfernt ist (Aphel, 3. Juli). Die Position der Erde auf ihrer Umlaufbahn im Verlauf der Jahreszeiten zeigt folgende Grafik: center Da die Erdachse, von geringen langfristigen Schwankungen abgesehen, raumfest ist, ändert sich im Laufe eines Jahres die Zuwendung der Erdhalbkugeln zur Sonne. Auf der Nordhalbkugel sind deshalb im Sommer die Tage länger und die Erde erhält mehr Sonneneinstrahlung als im Winter. Auf der Südhalbkugel ist es umgekehrt. Während an den geografischen Polen je ein halbes Jahr Tag und Nacht herrscht, sind am Äquator die Tage und Nächte mit 12 Stunden immer gleich lang. Auch wenn die Entfernung zur Sonne nicht für die Jahreszeiten verantwortlich ist, so beeinflusst sie deren Verlauf und Stärke. Die Sonnennähe im Nordwinter verhindert ein allzustarkes Auskühlen der Nordhalbkugel, die Winter fallen deshalb recht gemäßigt aus. Gleichzeitig führt dies auf der Südhalbkugel zu heißen Sommern. Auf Grund kleiner Bahnstörungen durch kosmische Einflüsse wandert die Apsislinie (die Linie zwischen Aphel und Perihel) in etwa 21.000 Jahren einmal durch alle Jahreszeiten. Im 13. Jahrtausend wird das Perihel mit dem Sommeranfang zusammenfallen. Die Jahreszeiten der Nordhalbkugel werden dann um einiges extremer ausfallen, als das heute der Fall ist. Im Gegenzug wird die Südhalbkugel - relativ gesehen - mildere Winter und kühlere Sommer bekommen.

Weblinks

Kategorie:Astronomische Größe der Zeit Kategorie:Jahreszeit ja:季節 ko:계절 simple:Season

Sonnenstand

Als Sonnenstand werden der örtliche Höhenwinkel und die Himmelsrichtung bezeichnet, unter denen das Sonnenlicht zu verschiedenen Zeiten einfällt. Sonne Insbesondere spricht man von hohem oder von niedrigem Sonnenstand und von seiner Veränderung im Laufe der Jahreszeiten. Ihren höchsten Stand erreicht die Sonne jeweils zu Mittag (genauer: um 12 Uhr wahre Ortszeit) im Süden (nördlich des nördlichen Wendekreises) bzw. im Norden (südlich des südlichen Wendekreises). Diese sog „Mittagshöhe“ hängt von der geografischen Breite und dem Datum ab; in 50° Breite variiert sie zwischen 17° im Dezember und 63° im Juni (siehe Schiefe der Ekliptik). Vom Sonnenstand und seiner Veränderlichkeit hängen eine Reihe wichtiger Größen ab, vor allem
- die Intensität der Sonnenstrahlung. Aus ihr ergeben sich weiters
- die Klimazone (zusammen mit den Feuchtigkeits- und Bewölkungsverhältnissen) und die Arten der Vegetation
- der Bedarf an Heizung bzw. an Kühlung
- die Entstehung lokaler Winde (siehe z. B. Aufwind) und die Wolkenbildung, aber auch
- regionale Winde (z. B. Monsun) und viele Meeresströmungen
- die Entstehung von Siedlungsstrukturen, insbesondere im Gebirge. Die Messung des Sonnenstandes durch Sonnenuhren ermöglicht den Menschen seit Jahrtausenden die Bestimmung der Tageszeit und die Einteilung des Jahres durch Kalenderrechnung. In der frühen Antike war sie die erste Methode der Erdmessung und wurde mit dem Aufkommen spezieller Messinstrumente zu einer wichtigen Methode der Navigation. Der tägliche „Weg der Sonne über den Himmel“ spielt bei verschiedenen Mythologien eine große Rolle, etwa bei Helios' „Sonnenwagen“ der griechischen Antike und in der Deutung von Sonnenauf- und Untergang. Wir sind diese Zeitabläufe so sehr gewöhnt, dass die Veränderung des Sonnenstandes zu den einschneidendsten Reiseerlebnissen zählen kann. Jeder, der erstmals die Südhemisphäre bereist, ist erstaunt über die „Umkehrung“ der täglichen scheinbaren Sonnenbewegung „nach links“. Australier erkennen die Europäer unter anderem daran, wie schwer sie auf Parkbänken das Wandern des Schattens voraussehen. Zur Berechnung des Sonnenstandes – die nach Formeln im Kugeldreieck erfolgt – bieten mehrere Webseiten programmierte Hilfe an. Siehe auch:
- Breitengrad, Längengrad, Astrogeodäsie, Deklination, Ekliptik, Sonnenjahr, Sonnentafeln, Zeitgleichung,
- Belichtung, Helligkeit, Schattenlänge, Sonnenaufgang, Dämmerung
- Sonnenenergie, Sonnenblume, Sonnenbrand, Sonnenschirm, Sonnenscheindauer

Weblinks


- http://cgi.stadtklima-stuttgart.de/mirror/sonne.exe aktueller Sonnenstand für beliebige Standorte
- http://www.wetter-herrenberg.de/interaktives/Strahlung/sonnenstand.htm#elev instruktive Grafik zum Tagesgang der Sonne am 21. Juni und 21. Dezember.
- http://sonnenstand.stephan-brumme.com weltweiter Sonnenstand Kategorie:Astronomie

Absorber (Solartechnik)

Ein Absorber als Bestandteil eines thermischen Sonnenkollektors dient zur Aufnahme (Absorption) der Energie verschiedener Strahlung der Sonne (siehe auch: elektromagnetische Welle). Der Absorber hat in der Regel die Form einer Platte, um bei möglichst kleinem Volumen der Sonne eine möglichst große Oberfläche zuwenden zu können. Sehr schmale und lange Absorberplatten werden auch als Absorberfinnen bezeichnet; sie werden meist innerhalb eines Flachkollektors zu größeren Flächen verbunden. Bei Vakuumröhrenkollektoren enthalten die einzelnen Röhren dagegen meist nur eine einzelne Finne als Absorber. Um eine möglichst hohe Absorption der Sonnenenergie zu erreichen, ist die der Sonne zugewandte Oberfläche des Absorbers entweder schwarz eingefärbt oder mit einer speziellen Beschichtung versehen, die selektiv wirkt, das heißt die von außen kommende kürzerwellige Sonnenenergie möglichst gut aufnimmt (Absorption) und die längerwellige Wärmeenergie des Absorbers nur schlecht abgibt (Emission). Moderne Beschichtungen (z.B. Tinox, sunselect und andere) haben meist eine bläulich-schimmernde Farbe. Sie erreichen mit 91 bis 96 Prozent Absorption ähnlich hohe Werte wie die früher überwiegend verwendete (schwarz schimmernde) Schwarzchrom-Beschichtung, jedoch zugleich deutlich niedrigere Emissionswerte, verlieren also weniger Wärme durch Abstrahlung. Dadurch erreichen sie insgesamt deutlich höhere Leistungswerte als nur schwarz lackierte Absorber, aber auch mess- und spürbar höhere Werte als schwarzchrom-beschichtete Absorber.

Weblinks


- [http://www.dbu.de/pro/projekt39.html www.dbu.de] - DBU-Projekt Selektive Absorberbeschichtung für thermische Solarkollektoren Kategorie:Solarenergie

Flüssigkeit

Unter einer Flüssigkeit versteht man einen Stoff, welcher einer Formänderung so gut wie keinen, einer Volumenänderung hingegen einen recht großen Widerstand entgegensetzt. Flüssigkeiten sind also volumenbeständig und formunbeständig. Dieser Zustand wird flüssiger Aggregatzustand genannt. Der flüssige Zustand ist nicht allein stoffspezifisch, sondern hängt auch von äußeren Faktoren wie der Temperatur und dem Druck ab. Wechselt eine solche Flüssigkeit ihren Aggregatzustand, so spricht man von einer Phasenumwandlung, wobei der Begriff der Phase selbst einen Überbegriff zum Aggregatzustand darstellt. Mit den Gasen werden die Flüssigkeiten zu den Fluiden zusammengefasst.

Eigenschaften

Die temperaturabhängige Volumenausdehnung einer Flüssigkeit wird durch deren Volumenausdehnungskoeffizienten quantifiziert. Das Kompressionsmodul ist ein Maß für die adiabatische Volumenelastizität, das heißt für die „Zusammendrückbarkeit“ einer Flüssigkeit. Viele Eigenschaften von Flüssigkeiten lassen sich durch Molekulardynamik simulieren. In der Schwerelosigkeit beziehungsweise bei einer Abwesenheit äußerer Kräfte nehmen Flüssigkeiten aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine kugelförmige Gestalt an. Flüssigkeiten üben auf die Wand des Gefäßes in dem sie sich befinden einen hydrostatischen Druck aus, zum Beispiel den Wasserdruck. Ruhende Flüssigkeiten sind physikalisch hauptsächlich durch diesen Druck gekennzeichnet. Übt man von außen Druck auf Flüssigkeiten aus, so verteilt sich der Druck gleichmäßig in der ganzen Flüssigkeit. Je tiefer man einen Körper in eine Flüssigkeit taucht, desto größer wird der hydrostatische Druck auf den Körper. Dieser hängt allerdings nicht nur von der Tauchtiefe, sondern auch von der Dichte der Flüssigkeit ab. In strömenden Flüssigkeiten treten zusätzliche Größen auf, welche durch die Fluiddynamik beschrieben werden. Kategorie:Strömungslehre Kategorie:Thermodynamik Kategorie: Eigenschaft ja:液体 ko:액체 ms:Cecair simple:Liquid

Wärmetauscher

Durch einen Wärmeübertrager - umgangssprachlich auch Wärmetauscher - kann ein Medium Wärme an ein anderes Medium übertragen.

Temperaturgefälle

Wärme Wärme Die umgangssprachliche Bezeichnung Wärmetauscher ist irreführend, weil zwei Körper nicht Wärme austauschen, sondern Energie von dem einen auf den anderen übertragen wird. Ein Temperaturgefälle ist dazu immer notwendig; je grösser das Temperaturgefälle, desto grösser die Wärmemenge, die je Zeiteinheit und Fläche übertragen werden kann.
- für geschlossene Systeme und das offene System Gleichstromprinzip gilt: Es ist nicht möglich, dass z.B. eine heiße Herdplatte von 120 °C, auf die ein Topf von 20 °C gestellt wird, nach dem Wärmeaustausch 20 °C aufweist und der Topf 120 °C. Der Wärmefluss erfolgt nur so lange, bis beide Körper die gleiche Temperatur haben. Diese Temperatur ist allerdings i.d.R. nicht das mathematische Mittel (im Beispiel 70 °C) der beiden Ausgangstemperaturen, da zum einen Energie an die Umgebung verloren geht und zum anderen auch die Masse der beiden Körper eine Rolle spielt: So führt der legendäre Tropfen auf den heißen Stein kaum zu einer Abkühlung des letzteren.
- für offene Systeme gilt: Durch das Gegenstromprinzip (das kalte Medium fließt entgegen dem warmen Medium), läßt sich auch ein Aufheizen über das mathematische Mittel erreichen, da hier das zu Anfang sehr kalte, zu erhitzende Medium durch das schon abgekühlte erwärmende Medium vorgewärmt wird.

Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers

Die Angabe eines Wirkungsgrades im Sinne des ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist für einen Wärmeübertrager nicht sinnvoll. Die vom einen Stoffstrom abgegebene thermische Leistung wird im stationären Betrieb vom anderen Stoffstrom vollständig aufgenommen (wenn man von Verlusten an die Umgebung durch unvollständige Wärmedämmung absieht). Dies folgt aus dem Energieerhaltungssatz, damit wäre der Wirkungsgrad 100%. In der Automobil-Industrie hat sich der Begriff des Q100 geprägt, um die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers zu charakterisieren. Die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers ist offensichtlich dann groß, wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst stark aufzuwärmen und den anderen Stoffstrom möglichst stark abzukühlen. Eine natürliche Grenze hierfür wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Wärme immer vom warmen zum kalten Stoffstrom fließt. Hierzu ein Beispiel: Man stelle sich zwei Wasserströme vor, von denen der eine eine Temperatur von 50°C (Warmwasser) und der andere eine von 10 °C (kaltes Leitungswasser) habe. Weiterhin seien beide Wasserströme gleich groß, beispielsweise 1 kg/s. Mische ich nun beide Wasserströme, so bekomme ich 2 kg/s Wasser von 30°C. Dies stellt gleichzeitig die theoretische Obergrenze für den Gleichstromwärmeübertrager dar. Anders sind die Verhältnisse beim Gegenstrom-WÜ: Es ist offensichtlich nicht möglich, den kalten Wasserstrom auf eine höhere Temperatur zu bringen als den warmen, also 50°C (weil sonst eben Wärme von der kalten zur warmen Seite fließen müsste). Die maximal mögliche Temperaturerhöhung beträgt dann also 40°C. Der Temperaturwirkungsgrad (in der Raumlufttechnik auch Rückwärmzahl genannt)ist nun so definiert, dass er die mit dem realen Apparat erreichte Temperaturänderung zu der theoretisch möglichen in Beziehung setzt. Für das Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwärmende Wasser (Eintritt: 10°C) am Austritt aus dem WÜ bis auf 48°C erwärmt ist, also um 38°C wärmer geworden ist. Dann beträgt der Temperaturwirkungsgrad 38/40 = 0,95 = 95%. Erhöht man nun die die Wassermenge, die sekündlich durch den WÜ fließt, so ändert sich auch die erreichbare Temperaturänderung. Das bedeutet: Der Temperaturwirkungsgrad ist von den Einsatzbedingungen abhängig. Damit ist eine Angabe wie "Der Wärmeübertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsgrad von 85%" unsinnig.

Ausführung

Wärmeübertrager sind grossflächig gestaltete Körper, in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch Kunststoff oder Glas. In der Ausführung als so genannte Kühlkörper bestehen diese aus einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer, Aluminium oder auch Silber. Anwendung finden diese Elemente vorrangig in der Leistungselektronik oder auch auf Prozessoren handelsüblicher Computer. Neuerdings werden dort auch Heatpipes eingesetzt. In der Industrie werden vor allem Stahl und hier besonders Edelstahl eingesetzt, da die Beständigkeit der Materialien benötigt wird. Heizkörper hingegen werden heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss hergestellt. Bei der Konstruktion von Wärmetauschern wird gundsätzlich versucht, bei geringem Bauraum eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen. Anschauliche Beispiele finden sich an den Rippen des Heizkörpers, den Kühlschlangen an der Rückseite eines Kühlschrankes oder einer Klimaanlage, dem Kühler des Autos. Der "Gegenspieler" der großen Oberfläche ist die Notwendigkeit einen möglichst guten (also widerstandsarmen) Durchfluss der Medien (Flüssigkeit oder Gas) zu gewährleisten. Wird z.B. das Rohr einer Kühlschlange mit zu geringem Durchmesser ausgeführt, kann man zwar sehr viele Meter in den Wärmetauscher packen, der Durchmesser wirkt sich jedoch in der vierten Potenz auf den Durchflusswiderstand aus. Man erhält einen hervorragend Wärme tauschenden Apparat, für den man jedoch einen (temperaturerhöhenden) Kompressor braucht, um den Durchfluss zu ermöglichen.

Beispiele von Wärmeüberträgern

Es gibt unterschiedliche Bauweisen von Wärmeüberträgern, z.B.
- Heizkörper (in der Schweiz Radiator): Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, dadurch werden grosse Oberflächen erzielt.
- Kühlschlange im und an der Rückwand von Kühlschränken.
- der Wärmeübertrager in einem Wäschetrockner ohne Abluftanschluss.
- Kühlkörper aus Aluminiumblech als aufsteckbare Kühlsterne oder durch Aluminium-Druckguss hergestellten Profile sind zur Kühlung von Leistungshalbleitern weit verbreitet. Beispiel: Endstufen von HiFi-Verstärkern
- Kondensatoren in Klimaanlagen
- Abgaswärmetauscher in industriellen Anlagen Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Wärmeenergietechnik
- Rohrbündelwärmeüberträger
- Plattenwärmeüberträger
- Rotationswärmeüberträger
- Spiralwärmeüberträger
- Erdwärmeüberträger

Prozesswärme

Prozesswärme ist Wärme, die für zahlreiche technische Prozesse und Verfahren (Trocknen, Garen, Schmelzen, Schmieden usw.) benötigt wird. Die Prozesswärme muss in der Regel durch Verbrennungsprozesse oder elektrischen Strom erzeugt werden, kann aber günstigenfalls zum Teil als Abwärme zurückgewonnen werden.

Isolierung

Eine Isolierung oder Isolation bedeutet den Vorgang des getrennt haltens von Dingen oder Individuen, oder eine Einrichtung zu diesem Zweck. Das Verb isolieren wurde aus dem französischen isoler entlehnt, und dieses wiederum aus dem italienischen isolare, das von isola (Insel) kommt. Unter Isolation versteht man
- in der Technik eine Einrichtung zur Verhinderung des Durchgangs von Stoff oder Energie
  - Eine Bauwerksisolierung sind Maßnahmen, wie Anstriche, die das Eindringen von Nässe verhindern.
  - Eine Wärmeisolierung von Gebäuden oder Bauteilen bezeichnet man korrekt als Wärmedämmung.
  - In der Elektrotechnik ist eine Isolierung der Schutz der stromführenden Teile gegen Berührung. Siehe: Isolator, Isolierband, Optische Isolation.
  - Als isoliert bezeichnet man Behälter, in deren Wandung sich ein Vakuum oder ein Wärmedämmstoff (Schaumstoff, Vlies o.ä.) befindet, das den Inhalt möglichst vollständig umgibt und warmhält (z.B. Thermosflasche, Thermoskanne) oder kalt hält (z.B. Kühltasche, Kannen für flüssigen Stickstoff).
  - In der Hochenergiephysik gibt es verschiedene Verfahren zur Isolation durch Kraftfelder, z.B. die magnetische Flasche.
  - Sollen Bewegungen (speziell Schwingungen) eines Körpers nicht auf einen anderen übertragen werden, so müssen diese voneinander Isoliert werden. Es existiert dabei passive und aktive Schwingungsisolation.
- in der Biologie eine der Ursachen für Evolution, siehe Isolation (Biologie);
- in der Infektiologie eine Maßnahme zur Verhütung von Infektionen, siehe Isolierung (Medizin) sowie Quarantäne;
- eine Eigenschaft von Datenbanken, siehe en.: Isolation (computer science).
- In der Topologie sind Punkte einer Menge isoliert, wenn sie keine Häufungspunkte dieser Menge sind, siehe Isolierter Punkt.
- In der Sozialpsychologie ist soziale Isolation einen schwerer Mangel an Sozialkontakten.
- Politisch versteht man unter Isolationismus Bestrebung einer Nation, sich vom Ausland abzusondern.
- die Isolationshaft ist eine umstrittene Methode des Strafvollzugs.
- In der Psychoanalyse wird mit Isolierung eine bestimmte Form der Abwehr (Abwehrmechanismus) bezeichnet.

Vakuumröhrenkollektor

Der Vakuumröhrenkollektor ist ein Bautyp von Sonnenkollektoren. Vakuumröhrenkollektoren werden meist zur Erwärmung von Wasser eingesetzt. Vakuumröhrenkollektoren besitzen ebenso wie Flachkollektoren einen beschichteten Kupferabsorber, der zumeist mittig in die innere von zwei Glasröhren eingebettet ist. Zwischen der inneren und äußeren Glasröhre herrscht ein Vakuum, das der thermischen Isolation dient. Dadurch können die Wärmeverluste durch Konvektion bei Vakuumröhrenkollektoren gegenüber Flachkollektoren wesentlich vermindert werden, was jedoch auch Nachteile mit sich bringt: Vor allem im Winter bleiben Vakuumkollektoren auf Grund ihrer sehr guten Isolation oft längere Zeit schneebedeckt und können so trotz Sonneneinstrahlung kaum Wärmeenergie aufnehmen, da sich das Glas der äußeren Röhre nicht genügend erwärmt, um den Schnee abschmelzen zu lassen. Vakuumröhrenkollektoren erreichen gegenüber Flachkollektoren gleicher Größe allerdings wesentlich höhere Betriebstemperaturen und eignen sich dadurch auch zur Erzeugung industrieller Prozesswärme. Außerdem bieten sie sich zur Nutzung beengter Dachflächen an, die nicht genügend Raum für eine bedarfsgerechte Flachkollektoren-Anlage bieten würden. ---- Siehe auch: Thermische Solaranlage, Heat Pipe (Wärmerohr) Kategorie:Haustechnik Kategorie:Umwelttechnik Kategorie:Wärmeerzeuger Kategorie:Solarenergie

Thermisch

Thermisch werden Vorgänge, Materialien, Verfahren, Theorien usw. genannt, die
- mit merklichem Austausch von Wärme oder deren Einwirkung zusammenhängen,
- bzw. entscheidend mit Temperaturunterschieden, Isolation, heißen Gasen
- und zugehörigen Berechnungen oder Modellierungen zusammenhängen. Siehe z.B.:
- thermisches Ausgasen, thermische Anregung und Dissoziation, therm. Belastung oder Passivität, therm. Gleichgewicht, therm. Eigenschaften, thermionisch, Sonne, Sonnenstrahlung, Therme, Wärmestrahlung, ..
- thermischer Äquator, Meteorologie, Klimamodelle, Geothermik, Thermik, ..
- Thermoelement, Thermistor, Thermionen, therm. Induktion, Kompensation, Pendel, thermische Resistenz oder Reaktion, thermisches Rauschen, Transistoren, Turbulenz, ..
- Diffusionstheorie, Thermodynamik, therm. Verfahrenstechnik und Verbrennung usw. Kategorie:Thermodynamik

Kunststoff

Als Kunststoffe bezeichnet man Stoffe, deren Grundbestandteil synthetisch oder halbsynthetisch erzeugte Polymere sind. Durch die Auswahl des Ausgangsmaterials, das Herstellungsverfahren und die Beimischung von Additiven lassen sich technische Eigenschaften von Kunststoffen wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur- und chemische Beständigkeit in weiten Grenzen variieren. Solche mit Zuschlagsstoffen versehene Formmassen werden dann nach DIN EN ISO 1043 (Thermoplaste) und nach DIN 7708 (Duroplaste) gekennzeichnet. Kunststoffe werden zu Formteilen, Halbzeugen, Fasern oder Folien weiterverarbeitet. Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch die Verarbeitung natürlicher Polymere (zum Beispiel Zellulose zu Zelluloid). Synthetische Kunststoffe werden durch Polymerisation (Polyaddition, Polykondensation usw.) aus einem Monomer erzeugt. Rohstoff ist meist gecracktes Naphta. Umgangssprachlich und abwertend wird Kunststoff oft als Plastik oder Plaste bezeichnet, selbst wenn das Material eigentlich elastisch ist. Daher wird in der Wissenschaft der Begriff Kunststoffe bevorzugt.

Charakterisierung nach Eigenschaften


- Thermoplaste :Kunststoffe, die aus langen, linearen Molekülen bestehen. Durch Energiezufuhr werden diese Materialien formbar bis plastisch und können mit verschiedenen Verfahren verarbeitet werden. Nachdem das jeweilige Werkstück wieder abgekühlt ist, behält es seine Form. Dieser Prozess ist reversibel (wiederholbar). :Die meisten der heute verwendeten Kunststoffe fallen unter diese Gruppe. Für einfache Konsumwaren, Verpackungen etc. werden häufig Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET) und Polystyrol (PS) eingesetzt. Technische Teile werden meist aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polyacetal (POM), Polyamid (PA), Polybutylentherephthalat (PBT), Polyethersulfon (PES), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyimid (PI) gefertigt. In der Bauindustrie, insbesondere für Dachbahnen, Fensterprofile und Rohre wird vielfach der Werkstoff Polyvinylchlorid (PVC) verwendet, der aber in der Regel mit Zusatzstoffen in den Eigenschaften (hart oder weich) modifiziert wird. :Um neue bisher noch nicht vorhandene Eigenschaften zu erzeugen, können auch zwei oder mehrere Thermoplaste vermischt werden. Dieser neue Kunststoff ist dann ein Polyblend.
- Duroplaste :Kunststoffe, die bei der Verarbeitung räumlich eng vernetzen. Diese Vernetzung erfolgt chemisch zwischen den Molekülen der Ausgangsmaterialien. Dieser Vorgang ist nicht umkehrbar. Sobald ein derartiges Material vernetzt ist, kann es nur noch mechanisch bearbeitet werden. Duroplaste sind meistens hart und spröde. :Bei Hitzeeinwirkung werden Duroplaste nicht weich. Deshalb werden sie häufig für Elektroinstallationen verwendet. Einer der verbreitetsten und ältesten Kunststoffe dieser Klasse ist Bakelit. In diese Gruppe fallen auch praktisch alle Kunstharze wie beispielsweise Epoxide.
- Elastomere :Zu den Elastomeren gehören alle Arten von vernetztem Kautschuk. Die Vernetzung erfolgt beispielsweise durch Vulkanisation mit Schwefel, mittels Peroxiden, Metalloxiden oder Bestrahlung. :Die Elastomere sind weitmaschig vernetzt und daher flexibel. Elastomere werden beim Erwärmen nicht weich und sind in den meisten Lösemitteln nicht löslich. Daher werden sie für Hygieneartikel oder Chemikalienhandschuhe verwendet. Die Gummimischung von Autoreifen ist ebenfalls ein Elastomer, diese erhält ihre Eigenschaften durch Vulkanisation. :Beispiele für Elastomere sind Naturkautschuk (NR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Chloropren-Kautschuk (CR), Butadien-Kautschuk (BR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).

Verarbeitung


- Extrudieren
- Spritzgießen
- Kalandrieren
- Schäumen

Wichtige Massenkunststoffe

Etwa 90% der weltweiten Produktion entfallen in der Reihenfolge ihres Anteils auf die folgenden sechs Kunststoffe:

Sonstige Kunststoffe

Entwicklungsgeschichte der Kunststoffe

Vorläufer von Kunststoffen gab es in allen Kulturen. In Arabien wurden Wasserbecken und Kanäle mit natürlichem Asphalt abgedichtet. Ebenso wurden dort bestimmte Baumharze als Gummi Arabicum eingesetzt und nach Europa exportiert. Aus Osteuropa ist Bernstein als fossiles Harz für die Verwendung bei Pfeilspitzen und Schmuckgegenständen bekannt. Im Mittelalter wurde Tierhorn durch bestimmte Verfahrensschritte in einen plastisch verformbaren Stoff verwandelt. Naturforscher brachten aus Malaysia und Brasilien im 17. und 18. Jahrhundert elastische Massen, gewonnen aus milchigen Baumsäften, mit. Hierfür wurde der Begriff Gummi in Deutschland eingeführt. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte sich eine rasch wachsende Gummi-Industrie. Der Erfinder Charles Goodyear stellte fest, dass sich Gummi durch Zusatz von Schwefel und durch Vulkanisation in einen guten Reifenwerkstoff verwandeln lässt. Ebenso entdeckte er Hartgummi, eine bei Wärme verformbare aber bei Raumtemperatur harte Masse, welche anfangs Ebonit genannt wurde. Daraus wurden zum Beispiel Schmuckstücke, Füllfederhalter, Teile von Musikinstrumenten und Telefonen gemacht. Dieser erste Duroplast startete die Entwicklung der Kunststoffe als Werkstoff im Umfeld des Menschen. Später wurde in England Cellulosenitrat zur Imprägnierung von Textilien und in den USA Schellack entwickelt. Im Jahre 1869 erfand John Wesley Hyatt das Celluloid und 3 Jahre später die erste Spritzgußmaschine. Der Werkstoff Casein (Galalith) wurde 1897 erfunden, und ähnelt stark Horn oder Elfenbein. Hierraus wurden in verschiedenen Farben zum Beispiel Knöpfe, Anstecknadeln, Gehäuse für Radios, Zigarettendosen, Spielzeug, Griffe für Regenschirme u. ä. hergestellt. Der Kunststoffverbrauch lag im Jahre 1930 schon bei ca. 10.000 t. Das von Otto Röhm 1928 angemeldetete Patent zu Polymethylmetacrylat (PMMA) startete eine Ära, die bis heute anhält. Weiterhin kommen in dieser Zeit die Phenolharze zur Geltung, wobei der Erfinder Leo Hendrik Baekeland mit dem Werkstoff Bakelite sehr erfolgreich ist. Durch die guten elektrischen Eigenschaften wird er u. a. rasch in der aufstrebenden Elektroindustrie eingesetzt. Der Münchner Chemiker Dr. Ernst Richard Escales gibt 1910 der Werkstoffgruppe den Namen „Kunststoffe“. Die von ihm gegründete gleichnamige Zeitschrift erscheint erstmals 1911. Fritz Klatte entdeckt 1912 die Hintergründe des Polymerisationsvorganges von PVC welches bereits 1838 erstmals erzeugt wurde. 1926 veröffentlichte Hermann Staudinger wichtige Theorien über den Aufbau von Kunststoff. Hierfür erhielt er 1952 den Nobelpreis. 1930 wird in Ludwigshafen die „PS“-Produktion begonnen. 1931 wird bei ICI in Großbritannien erstmals Polyethylen hergestellt. In Ludwigshafen wird 1934 die Herstellung von Epoxidharzen von Paul Schlack begonnen. In Jahre 1935 wird gleichzeitig von Henkel (Mainkur) und Ciba (Schweiz) die Entwicklung von Melamin-Formaldehydharz und von DuPont die Entwicklung von Polyamid 6 (Nylon) beschrieben. Das von Paul Schlack 1937 hergestellte Polyamid 6 auf Basis von Caprolactam wird dann Perlon getauft. Etwa zeitgleich wird in den Buna-Werken der IG Farben die Fertigung von Buna S und Buna N als synthetischer Gummi-Ersatz begonnen. Otto Bayer entwickelte in diesem Jahr Polyurethan in Ludwigshafen. Bei DuPont wird 1938 der Kunststoff Polytetrafluorethylen (Teflon) entwickelt. 1939 folgen bei ICI Low-Density Polyethylen (PE-LD). Der Werkstoff Polyethylenterephthalat (PET) wurde von J. R. Whinfielt und J. T. Dickson bei Calico Printers im Jahre 1941 erfunden. 1942 entdeckte Harry Coover (USA) bei Eastman Kodak den „Sekundenkleber“ Methylcyanoacrylat. Methylcyanoacrylat Im Zeitraum von 1910 bis 1950 wurde Kunststoff von einem Ersatzstoff mit besonderer Bedeutung zu einem Werkstoff für die industrielle Massenfertigung. Die Weltproduktion überschritt 1949 die Grenze von 1 Mio. t. Die Thermoplaste setzten sich von 1950 bis 1980 durch. In diesen Jahren wurden Werkstoffe wie PS, PE-HD, PP, PC, FEP, PVF, PES, PSU, PPE, PPO und einige andere entwickelt. Im Jahre 1976 lag die Weltproduktion bereits bei 50 Mio. t. Im Jahre 1971 folgten LCP und PPS sowie im Jahre 1972 PBT. Im Jahre 2003 erreichte die Weltproduktion ca. 200 Mio. t. Hierbei ging der Anteil der Duroplaste stetig zurück, und lag im Jahre 2000 nur noch bei ca. 15 %. Der Pro Kopf-Verbrauch an Kunststoffen im Jahr 2000 bei 92 kg in West-Europa, 13 kg in Ost-Europa, 130 kg in NAFTA, 19 kg in Lateinamerika, 86 kg in Japan, 13 kg in Südost-Asien und im mittleren Osten/Afrika bei 8 kg. Die Kunststoffindustrie ist bis heute weiterhin eine Wachstumsbranche, wobei die Herstellkapazitäten in Asien etwa im Jahre 2006-2008 die führenden und etwa gleichstarken Regionen Europa und Nord-/Südamerika überholen werden.

Literatur


- Oberbach et al. (Hrsg.): Saechtling Kunststoff-Taschenbuch. 29. Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2004, ISBN 3-446-22670-2
- Otto Schwarz:Kunststoffkunde ISBN 3802319176
- Gottfried W. Ehrenstein: Polymer-Werkstoffe. 2. Auflage. Carl Hanser Verlag, München 1999, ISBN 3-446-21161-6
- Brigitta Huckestein, Thomas Plesnivy: Möglichkeiten und Grenzen des Kunststoffrecyclings. Chemie in unserer Zeit 34(5), S. 276 - 286 (2000), ISSN 0009-2851

Weblinks


- [http://www.peterlutz.ch/lernen/werkstoff/kunststoffe/mkun1a.html Geschichte der Kunststoffe] (von Peter Lutz)
- [http://www.kunoscoolekunststoffkiste.de Experimentierkoffer: Kunststoffe spielerisch kennenlernen]
- [http://www.greenplastics.com/ Green Plastics: Biopolymere] (engl.)
- [http://www.deutsches-kunststoff-museum.de Deutsches Kunststoff Museum, Kunststoff-Museums-Verein e. V. Düsseldorf] Kunststoffdatenbanken:

- [http://www.campusplastics.com/ CAMPUS Werkstoffdaten]
- [http://www.format.mwn.de/ FORMAT Werkstoffdatenbanken und Werkstoff-Informationsvermittlung] Institute und Verbände:

- [http://dki-online.de/ Deutsches Kunststoff-Institut]
- [http://www.gkv.de/ Gesamtverband Kunststoffverarbeitende Industrie e.V. (GKV)]
- [http://www.plasticseurope.org PlasticsEurope - Der Verband der Kunststofferzeuger in Europa (eng.)]
- [http://www.skz.de/ Süddeutsches Kunststoff Zentrum (SKZ)]
- [http://www.ikv-aachen.de Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV)] Fachinformationen und Branchenmedien für die Kunststoffindustrie:

- [http://www.kiweb.de/ Kunststoff Information, Branchendienst mit Marktinformationen (Rohstoffpreisen) und Unternehmensnachrichten]
- [http://www.kunststoff-magazin.de/ Kunststoff Magazin, Fachmagazin für die Kunststoff-Industrie (Kennziffern-Zeitschrift)]
- [http://www.k-zeitung.de/ Kunststoff-Zeitung, Fachzeitung der Kunststoff- und Kautschukbranche]
- [http://www.kunststoffe.de/ Kunststoffe, Ältestes Fachmagazin für die Kunststoff-Industrie und Organ mehrerer Verbände]
- [http://www.KunststoffWeb.de/ KunststoffWeb, Portal mit Fachinformationen für die Kunststoffbranche]

Siehe auch


- Polymerisation
- Polykondensation
- Polyaddition ! ja:???? simple:Plastic

Sonnenschein

Als Sonnenschein wird zweierlei bezeichnet: der Lichtschein der Sonne (also die Wirkung der Sonnenstrahlen auf die Erde), und eine Wetterlage mit geringer Bewölkung. Sonnenschein herrscht, wenn die zwischen Sonnenauf- und Untergang – also bei Tag – von der Sonne kommenden Lichtstrahlen die Erdoberfläche erreichen.

Physikalisch-biologische Aspekte

Wird die Sonne während des Tages durch Wolken oder andere Objekte verdeckt, so werfen diese einen Schatten auf die Erdoberfläche. In den beschatteten Gebieten herrscht aber keineswegs Dunkelheit, weil es auch dort zu diffuser Reflexion in der Atmosphäre kommt. Je höher und klarer die Luft ist, desto mehr unterscheidet sich aber die Himmelshelligkeit bei sonnigem und bei bedecktem Wetter. Auch deshalb wirken nahende Gewitterwolken im Gebirge bedrohlicher als anderswo. Auch in der Nacht herrscht keine völlige Dunkelheit, so bildet das Licht des Mondes den Mondschein. Unser Auge passt sich der Helligkeit der Umgebung so gut an, dass es uns nur selten bewusst wird. Physikalisch bemerkbar ist dies aber an der Iris, die bei Sonnenschein eine viel geringere Öffnung zeigt, als bei Bewölkung. Dieses in der Natur vielfach zu beobachtende Prinzip (sogar an Blattöffnungen der Pflanzen) ist auch bei der Belichtungs-Automatik von Fotoapparaten realisiert, welche die bei Sonnenschein große Lichtmenge entweder durch eine kleinere Blende oder eine kürzere Verschluss- bzw. Belichtungszeit verringern.

Sonnenschein und Sonnenenergie

Unter Globalstrahlung versteht man die auf einen waagrecht gelegenen Quadratmeter der Erdoberfläche auftreffende Sonnenenergie. Für Deutschland ergibt sich ein für Tag/Nacht, geographischer Breite, Sonnenschein/Bewölkung gemittelter Wert von 110 W/m². Bei Sonnenschein ist dieser Wert am höchsten.
- Sonnenschein, klarer bis leicht diffuser Himmel
  - Sommer: 600–1000 W/m²
  - Winter: 300–500 W/m²
- Sonnenschein bei leichter bis mittlerer Bewölkung
  - Sommer: 300–600 W/m²
  - Winter: 150–300 W/m²
- stark bewölkt bis nebelig-trüb
  - Sommer: 100–300 W/m²
  - Winter: 50–150 W/m² Die meisten Pflanzen benutzen die Energie der Sonnenstrahlung zur Photosynthese, indem sie den Energiebedarf chemischer Synthesen durch Absorption von Licht decken. Seit jeher nützt auch der Mensch die Sonnenenergie, etwa in der vom Klima geprägten Bauart seiner Gebäude, bei der Bereitung von Warmwasser (dunkle Gefäße) oder der Kühlung durch Verdunstung. In den letzten Jahrzehnten hat sich eine spezielle Solartechnik etabliert ? die Wandlung der Sonnenenergie in Wärme durch sogenannte Sonnenkollektoren (siehe Solarthermie). Demgegenüber arbeitet die Photovoltaik durch ihre direkte Umwandlung in elektrische Energie (siehe Solarstrom).

Sonnenscheindauer

In der Geografie wird oft mit einer theoretischen Zeitdauer gerechnet, in der eine wolkenlose und ungetrübt klare Atmosphäre, ungehindert von Bergen am Horizont, an einem bestimmten Ort Sonnenschein ermöglicht. Sie wird von den Geowissenschaftern als theoretische oder Astronomische Sonnenscheindauer bezeichnet. Sie hängt in erster Linie vom Breitengrad und der Jahreszeit ab, sowie im Gebirge oder Hügelland auch vom Landschaftshorizont des betreffenden Standorts. Die allfällige Abschattung durch Gebäude wird hingegen nicht in den Wert eingerechnet. Die tatsächliche Sonnenscheindauer ist jedoch wesentlich kürzer und hängt entscheidend von der Klimazone ab. Großteils sind es Wolken, die den Sonnenschein verkürzen, doch auch andere Ursache wie Smog können dazu beitragen, dass das Sonnenlicht die Erdoberfläche nur gefiltert erreicht. Des Weiteren können Sandstürme oder die bei Vulkanausbrüchen in die Atmosphäre geschleuderten Vulkanische Aschen die Sonnenstrahlung dämpfen (siehe auch . Die Sonnenscheindauer dient der näherungsweisen Abschätzung der Einstrahlung an einem bestimmten Ort und gibt gleichzeitig Hinweise auf die Stärke der Bewölkung.

Sonnenscheindauer in Deutschland und südlicher

Die durchschnittliche jährliche Sonnenscheindauer liegt in Deutschland je nach Ort zwischen 1300 und 1900 Stunden pro Jahr. Der Mittelwert sind 1550 Stunden Sonnenschein pro Jahr.
- Höchste jährliche Sonnenscheindauer: 2329 Stunden im Jahr 1959 auf dem Klippeneck am südlichen Rand der Schwäbischen Alb (973 m)
- Geringste jährliche Sonnenscheindauer: 929,1 Stunden im Jahr 1995 in Ruhpolding/Chiemgau (700 m)
- Höchste monatliche Sonnenscheindauer: 403 Stunden im Juli 1994, Kap Arkona/Rügen
- Geringste monatliche Sonnenscheindauer: 0 Stunden im Dezember 1965 Großer Inselsberg (914 m, Thüringer Wald). Statistisch nimmt auf den meisten Kontinenten die Sonnenscheindauer mit abnehmender geografischer Breite zu. Ausnahmen sind die Tropen und teilweise die Polargebiete. Bereits in Österreich liegt die Sonnenscheindauer im Schnitt um etwa 10% höher als in Deutschland.

Spitzenwerte der Sonnenscheindauer weltweit

An einigen besonderen Orten scheint die Sonne an fast jedem Tag des Jahres. Lediglich in der Sprache der australischen Ureinwohner (Aborigine) existiert mit der Bezeichn