5,1. Profielwerkstuk door een scholier 2600 woorden 13 juli keer beoordeeld. Natuurkunde. Inhoudsopgave

Transcriptie

1 Profielwerkstuk door een scholier 2600 woorden 13 juli ,1 100 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Inhoudsopgave A.1.Inleiding A.2.Onderzoeksvraag A.3.Theoretische gedeelte -Hoeveel energie is er beschikbaar? -Welke prijs betaal je voor de geleverde energie? A.4.Technische gedeelte B.1.Bouwen en meten -Onder welke omstandigheden bevindt de collector zich? -Wat kost de energie op reguliere wijze? C.1.Rekenen en beantwoorden van de onderzoeksvraag C.2.Nauwkeurigheid C.3.Voorstel voor vervolgonderzoek Toelichting over de bijlagen Bijlage 1 Wat is Novem? Bijlage 2 Zoninval zoals deze in werkelijkheid is Bijlage 3 Aangeschreven bedrijven Bijlage 4 Energietarieven van Essent Bijlage 5 Experiment + berekening van Inducon A.1.Inleiding Zonne-energie is gratis. Het kost echter wel geld om de energie om te kunnen zetten in bruikbare energie. De aanschaf en installatie van zonnecollectoren is erg duur. Om een efficiënte investering te kunnen doen is het belangrijk eerst te weten wat de investering je aan bruikbare energie op zal leveren. Daarom onderzoek ik hoeveel een bepaalde hoeveelheid energie van een Solcon zonnecollector van Inducon kost als je deze in Nederland zou installeren. A.2.Onderzoeksvraag Hoeveel kost 1 Joule bruikbare energie geleverd door een Solcon zonnecollector van Inducon bij een gebruik van de collector voor één jaar, op onze breedtegraad, onder ideale omstandigheden? Verantwoording: Als men de prijs van 1 Joule energie van meerdere collectoren weet kan men verschillende collectoren met elkaar vergelijken en bekijken welke collector het voordeligst is. Ook kan men de prijs van de energie vergelijken met de prijs van de energie die door andere bronnen Pagina 1 van 10

2 wordt geleverd. A.3.Theoretisch gedeelte. Benodigde theorie Hoeveel energie is er beschikbaar? Het op aarde ontvangen vermogen zonne-energie Afbeelding van de aarde en de zon met de zonnestraling: r = 149,6 E9 m Pbron = 0,39 E27 Wm-2 Pbron Pzon = 4pr2 Met: -Pbron = het totale vermogen dat de hele zon in alle richtingen uitzendt -r = de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon -Pzon = Het op aarde per m2 ontvangen vermogen zonne-energie Van de zonne-energie die de zon uitstraalt, bereikt dus een vermogen van 1,36 kwm-2 de aarde. Pzon = 1,36 kwm-2 Het verliezen van energie De zonne-energie die op aarde komt bestaat uit straling. Deze stralingsenergie moet omgezet worden in warmte: Estraling Q Met: - Estraling = het op aarde per m2 ontvangen zonne-energie - Q = de door de collector opgenomen warmte Omdat alle zonne-energie die op de aarde komt bestaat uit stralingsenergie geldt: Estraling = Pzon Bij het opnemen van het ontvangen vermogen door de collector gaat een deel van de energie verloren. Hierdoor zal het door de collector geleverde vermogen kleiner zijn dan het ontvangen vermogen. Het verlies bestaat uit: -verlies door convectie -geleidingsverliezen -warmte-uitstraling van de absorber -weerkaatsing van de straling. Dit verlies vinden plaats aan de voorzijde, de achterzijde en de randen. Afbeelding collector met verschillende soorten verliezen aangegeven: Pagina 2 van 10

3 Verantwoording afbeelding: A+B = Estraling D+E+F+G+K+L = Pverlies H = Q Afbeelding collector met afmetingen en verliezen per aangegeven oppervlak: Pverlies = Pverlies,voorzijde + Pverlies,achterzijde + Pverlies,randen met: Pverlies = het totale vermogen dat men verliest bij het opnemen van het door de collector ontvangen vermogen per m2 P = Pzon - Pverlies met: P = De door de collector opgenomen vermogen. P. h= Pzon * 100% met: h= het rendement van de collector. Het aantal uren zonneschijn Als de zon niet schijnt zal de collector vrijwel geen straling op kunnen nemen. Daarom is het belangrijk het aantal uren zonneschijn te weten. In De Bilt geldt: t = 1477 h Deze waarde heb ik genomen omdat in De Bilt de meeste weermetingen worden gedaan. Deze waarde is in Nederland overal ongeveer gelijk. Qtot = P * t met: -Qtot = de door de collector opgenomen warmte in één jaar bij constante ideale omstandigheden. -t = het aantal uren zonneschijn per jaar Welke prijs betaal je voor de geleverde energie? Uit welke onderdelen bestaat de installatie? Afbeelding installatie voor privé-zwembaden 1.) Solcon zonne-collectoren 2.) 3-weg PVC kogelafsluiter (dit is de pomp) 3.) aanvoerleiding 4.) afvoerleiding 5.) temperatuurregelaar 6.) temperatuurvoelers Pagina 3 van 10

4 Per collector heeft men meestal 2 temperatuurvoelers nodig. Wat is de prijs van deze onderdelen? Prijs collector = 71,00 per m2 (ongemonteerd) Bij de collector wordt ook geleverd: -aan- en afvoerleiding -montagenippel -siliconenvloeistof -montage lijm Prijs temperatuurregelaar = 333,00 Prijs temperatuurvoeler = 45,00 Prijs kogelafsluiter = 475,00 Aanschafprijs = de totale prijs van de collector (1m2) met de benodigde onderdelen per installatie: Collector = 71,00 Temperatuurregelaar = 333,00 Temperatuurvoeler = 45,00 (X2) Kogelafsluiter = 475, ,00 A.4.Technisch gedeelte. Gegevens over de collector De collector bestaat uit een plaat van zwarte kunststof pijpjes Soort collector: vlakkeplaatcollector Materiaal Absorber: EPDM (dit is een zwarte kunststof zonder coating) Netto absorberoppervlak: 1,00 m2 Collectormedium: water Isolatie achterzijde: geen Werkwijze Eerst heb ik het vermogen van de invallende zonnestraling op aarde berekend. Hiervan worden de verliezen afgetrokken. Dan weet ik wat het opgenomen vermogen is van de collector. De verliezen zijn niet te berekenen met een formule, daarom heb ik de waarden genomen die bij een experiment met de betreffende zonnecel zijn verkregen. De uitkomsten van dit experiment dat mij door Inducon.bv is opgestuurd heb ik toegevoegd in de bijlage. Om te weten hoeveel warmte de collector in één jaar opneemt, vermenigvuldig ik dit vermogen met het aantal uren zonneschijn per jaar in Nederland. Ik neem hiervoor de waarden die in De Bilt gemeten zijn. Vervolgens bereken ik de totale prijs van de benodigde onderdelen voor een volledige installatie. Ik neem aan dat ik deze investering doe om er één jaar gebruik van te maken. Nu deel ik de totale prijs van de onderedelen door de in één jaar opgenomen hoeveelheid warmte. De Pagina 4 van 10

5 uitkomst is de prijs van 1 joule bruikbare energie geleverd door een Solcon zonnecollector van Inducon bij een gebruik van de collector voor één jaar. De uitvoering bestaat uit: B.1.Bouwen en meten Onder welke omstandigheden bevindt de collector zich? Afbeeldingen met uitleg over Hellingshoek en Amizuthoek Omdat ik uitga van ideale omstandigheden, neem ik aan dat: -hellingshoek ligt tussen 30 en 45º -amizuthoek = 0º Ik moet deze ideale omstandigheden aanhouden omdat anders de waarde Pzon = 1,36 kwm-2 kleiner zal zijn. Bij een ideale hellingshoek zal de zon voornamelijk loodrecht op het collectoroppervlak vallen en kan ik deze waarde handhaven. Wat kost de energie op reguliere wijze? Ik heb 2 maal de prijs van één joule energie op reguliere wijze berekend. De eerste berekening is van het bedrijf NRE, waarvoor ik het gebruik bij mij thuis genomen heb. Ik heb deze waarde genomen omdat ik geen waarde heb kunnen vinden van een gemiddeld huishouden in Nederland. De tweede berekening is van het bedrijf Essent. Ik heb hiervoor de nieuwe prijzen voor 2003 genomen die laatst in de krant vermeld stonden. Ik heb ook weer het gebruik bij mij thuis genomen. 1e berekening Bedrijf: NRE Energie Gemiddeld gebruik per jaar: 2050 m3 gas (verantwoording: gebruik bij mij thuis) Prijs (van januari 2002) Eenheidsprijs per m3 : 0,2167 euro Vastrechtbedrag per jaar = 41,88 euro + (Gemiddeld gebruik per jaar * 0,116 euro) BTW = 18,91% Prijs per jaar(exclusief BTW) = (Eenheidsprijs * Gemiddeld gebruik per jaar) + Vastrechtbedrag per jaar Totale prijs per jaar = Prijs per jaar(exclusief BTW) + (Prijs per jaar(exclusief BTW) * BTW) Verbrandingswarmte: 32 * 106 J m-3 Qtot = Verbrandingswarmte * Gemiddeld gebruik per jaar Pagina 5 van 10

6 Totale prijs per jaar Prijs van 1 joule energie = Qtot 2e berekening Bedrijf: Essent Qtot = dezelfde waarde als bij berekening 1 Vast tarief per jaar (zonder gasaansluiting) = 309,60 euro Prijs voor 109 Joule = 20,33 euro Totale prijs per jaar = vast tarief per jaar + (Prijs voor 109 Joule * Qtot * 10-9) Totale prijs per jaar Prijs van 1 joule energie = Qtot C.1. Rekenen en het beantwoorden van de onderzoeksvraag aanschafprijs. Prijs van 1 joule energie bij gebruik van collector = Qtot aanschafprijs. Prijs van 1 joule energie bij NRE = Qtot aanschafprijs. Prijs van 1 joule energie bij Essent = Qtot De evaluatie bestaat uit: C.1. Conclusie: C.2.Nauwkeurigheid Pzon Ik heb berekend dat van de zonne-energie die de zon uitstraalt, een vermogen van 1,36 kwm-2 de aarde bereikt. Dit klopt niet helemaal, want de aardatmosfeer bestaat uit allerlei gassen en stofdeeltjes die het zonlicht weerkaatsen, verstrooien en absorberen. Hierdoor komt maar een gedeelte van de straling direct op het aardoppervlak. Er komt ook nog een gedeelte van de straling indirect op het aardoppervlak, dus via reflectie en uitstraling. Volgens de folder van zonnecollectoren van Viessmann is de straling die op onze breedtegraad invalt, bij Pagina 6 van 10

7 ideale omstandigheden maximaal 1000 Wm-2 Verliezen Ik heb bij het berekenen van de verliezen geen rekening gehouden met eventuele verliezen tijdens het vervoeren van het opgewarmde water. Ik denk wel dat deze verliezen vrij klein zullen zijn. Omstandigheden Ik heb overal ideale omstandigheden genomen. Zou ik dit niet gedaan hebben, dan zouden de uitkomsten waarschijnlijk erg anders zijn. Zo heb ik aangenomen dat elk uur van zonneschijn bij wolkenloze hemel is en dat de zon elk uur van zonneschijn loodrecht op de collector staat. Aantal uren zonneschijn Ik heb het aantal uren zonneschijn in De Bilt genomen. Het aantal uren zonneschijn verschilt echter een beetje met andere plaatsen in Nederland. Ik weet niet wat de gemiddelde waarde is. Prijs collector Bij het berekenen van de totaalprijs van de collector met onderdelen heb ik de prijs van de montage niet meegerekend. Ook heb ik geen rekening gehouden met eventuele subsidie die gegeven kan worden als je een installatie aanschaft die duurzame energie gebruikt. Novem is een organisatie van de Nederlandse overheid die zulke subsidie kan geven. In de bijlage bevindt zich meer informatie over Novem. Ik heb bij het berekening van de prijs aangenomen dat de investering voor één jaar geldt. Waarschijnlijk gaat het systeem echter langer mee en kan het bedrag verdeeld worden over meerdere jaren, waardoor de prijs per jaar minder zal worden. Je moet dan echter wel rekening houden met eventuele onderhoudskosten. Een andere manier om de prijs te reduceren is het gebruik van zwembadafdekking. Hierdoor zal er minder energie verloren gaan. Prijs van energie op reguliere wijze Bij het berekenen van de energieprijs op reguliere wijze heb ik het gebruik per jaar bij mij thuis genomen omdat ik geen gemiddelde waarde van het gasverbruik heb kunnen vinden. Bij een ander verbruik aan energie zou de prijs anders zijn want de hoeveelheid energie die je betaalt heeft invloed op de prijs van 1 joule energie. C.3.Voorstel voor vervolgonderzoek Dit onderzoek Om de onnauwkeurigheid van dit onderzoek te verkleinen zou men kunnen onderzoeken wat de gemiddelde waarden zijn voor de waarden waarvan ik de ideale waarden heb genomen. Hiermee bedoel ik het nemen van gemiddelde waarden voor de zonsinval, de omstandigheden en het energie verbruik. Verder zou men van de prijs van de collector de gegeven subsidie af kunnen trekken. Pagina 7 van 10

8 Vervolgonderzoek Als vervolgonderzoek zou men de prijs/geleverde energie- verhouding van andere collectoren kunnen onderzoeken. Zo kan men meerdere collectoren met elkaar vergelijken en de meest rendabele kiezen. Verder zou men kunnen onderzoeken wat er aan de prijs verandert als de collectoren op grotere schaal gebruikt gaan worden. De bijlagen Ik heb 5 bijlagen toegevoegd. Hieronder zal ik elk van deze bijlagen kort toelichten: Bijlage 1 Deze bijlage legt uit wat de Novem is en wat deze organisatie doet. Ik heb deze bijlage toegevoegd omdat met bij een eventuele keuze voor een collector in aanmerking moet nemen dat zonne-energie duurzame energie is, dus beter voor het milieu. Maar ik heb het vooral toegevoegd omdat men bij aanschaf van een collector met installatie in aanmerking kan komen voor een eventuele Subsidie. Hierdoor is het voor mensen gemakkelijker te bekostigen. Ook geeft de Novem advies aan de mensen en helpt ze met de projecten. Bijlage 2 Ik heb bij C.2. Nauwkeurigheid al aangegeven dat de straling die het aardoppervlak bereikt een kleiner vermogen heeft dan 1,36 kwm-2. Ook gelden er niet altijd ideale omstandigheden, dus zal de straling niet altijd 1000 Wm-2 zijn. Om aan te geven hoe de hoeveelheid straling dan wel verdeeld is heb ik deze bijlage toegevoegd. Bijlage 3 Ik heb om aan de nodige informatie te komen verschillende bedrijven aangeschreven en offertes en informatie aangevraagd. In deze bijlage geef ik aan van welke bedrijven ik offertes en informatie heb gekregen (veel bedrijven hebben niet gereageerd) en wat voor bedrijven het zijn. Bijlage 4 Bij A.3.Theoretische gedeelte onder het kopje het verliezen van energie heb ik de verliezen van de collector berekend. Omdat ik de waarden die ik nam voor de verliezen aan de voorzijde, de achterzijde en de randen niet kon uitrekenen, heb ik de waarden uit een verslag van een experiment van Inducon genomen. Dit verslag heb ik in deze bijlage toegevoegd. Over dit experiment moet ik wel opmerken dat de genomen waarden (zoals zonsinval, de opstelling, omstandigheden etc.) vrij veel van de waarden bij mijn berekening zullen verschillen Bijlage 1 Wat is Novem? Novem is een Nederlandse organisatie in dienst van de overheid. Het is een agentschap van het Ministerie Pagina 8 van 10

9 van Economische zaken. Wat is het doel van Novem? Het doel van Novem is het stimuleren van een duurzame levenswijze. Ze stimuleert onder andere duurzame energie. Dit doet de organisatie voor zowel Nederland als daarbuiten. De organisatie probeert de markt en de overheid samen te brengen. Als er door de overheid maatregelen moeten worden genomen om zorgvuldig met het milieu om te gaan, heeft de Novem meestal een inbreng in het beleid. De Novem probeert het beleid van de overheid om te zetten in zinvolle initiatieven en resultaten. Daarvoor heeft ze contacten met het bedrijfsleven en de onderzoeksinstellingen. Ze maakt de kennis over duurzame energie voor iedereen toegankelijk. Wat doet Novem om deze doelen te bereiken? Advies geven Novem heeft adviseurs in dienst die advies geven over het gebruik van duurzame energie, duurzaam bouwen, mobiliteit, energiebesparing of het ontwikkelen van duurzame producten. Novem kan je helpen de goede keus te maken als je bijvoorbeeld een energievoorziening aan wilt schaffen, maar je weet niet welke het meest efficiënt is. De Novem bekijkt wat de wet zegt en wat er op de markt beschikbaar is. Ze rekent uit wat het meest efficiënt is om geld in te investeren. Zo vormt ze een advies dat bedrijven en de overheid kan helpen bij het maken van hun keuzes. Informatie geven De Novem geeft informatie voor degenen die hier belang bij hebben. Zo heeft ze een internetsite met informatie ( worden er folders verspreid en kun je boekjes met informatie aanvragen over de onderwerpen waar Novem zich mee bezig houdt. Op de internetsite kan men vragen stellen d.m.v. e- mail. Subsidiëren Novem kan u financiële steun geven als u een project wilt financieren dat bijdraagt aan een duurzame levenswijze. Samen met de overheid bepaalt Novem aan welke voorwaarden het project moet voldoen om hier subsidie voor te kunnen krijgen. De subsidie wordt gegeven in opdracht van de overheid. Als een bedrijf subsidie aanvraagt voor een project, dan Volgt Novem de ontwikkelingen tijdens de uitvoering en de afronding van het project. Realiseren van projecten Novem probeert mensen te helpen met het realiseren van hun projecten. Zo bekijkt ze hoe u uw project zo duurzaam mogelijk kunt maken en stelt ze een eenvoudig stappenplan ter beschikking waarmee men het proces eenvoudig kan managen. Contacten leggen Novem probeert mensen in contact te laten komen met duurzame energie. Ook probeert ze contacten tussen mensen die met duurzame energie omgaan, te bevorderen. Daarvoor organiseert de Novem o.a. praktijkdagen over duurzame energie, congressen over productontwikkeling en workshops over biomassa. Het doel hiervan is dat mensen ideeën uitwisselen en contacten leggen. Begeleiden van afspraken Via de Novem maakt men afspraken met de overheid over minder uitstoot, meer duurzame energie, minder afval etc. Novem begeleidt deze afspraken vanaf het overleg tot aan de overeenstemming. Ze maakt Pagina 9 van 10

10 hiervoor plannen en controleren of alle partijen doen wat ze beloofd hebben. Meten De Novem meet wat de gevolgen zijn van de aanpassingen die een bedrijf maakt ten behoeve van het milieu. Zo bekijkt ze of er werkelijk energie wordt bespaard en hoeveel dit dan is, ze bekijkt of de uitstoot van schadelijke gassen wordt beperkt etc. Met de verzamelde gegevens kan Novem adviezen geven over de beste bedrijfsstrategie. Hoe zit Novem in elkaar? De Novem werkt in een groot aantal programma s die verdeeld zijn in 4 thema s: Duurzaam Bouwen, Wonen en Werken Duurzame Energievoorziening Duurzaam Produceren en Duurzame Mobiliteit. Novem biedt specifieke instrumenten en subsidieregelingenvoor de volgende sectoren: Agrarische sector Bouwsector Consumenten Detailhandel Dienstensector Energiesector Gemeenten en provincies Industrie Onderwijs en zorg Transportsector Wat doet de Novem met betrekking tot zonne-energie? De Novem heeft een programma Thermische zonne-energie dat deel uitmaakt van het thema Duurzame energievoorziening. Dit is een overheidsprogramma waarvan de Novem het management voert. Voor dit programma heeft de Novem een adviestraad R&D thermische zonne-energie opgericht. Deze adviesraad coördineert het onderzoek naar thermische energie. Door het advies dat de adviesraad geeft, weet men op welke gebieden het belangrijk is om onderzoek uit te voeren. Ook hoopt men door het advies gemakkelijker financiers te vinden om het onderzoek naar zonnecollectoren te bekostigen. Pagina 10 van 10