Project Energie uit onverwachte hoek Versie 23 aug 2011 Theo van Lieshout Augustus 2011 Energie uit onverwachte hoek Page 1
1. Inleiding 2. Het idee 3. Energie winning 3.1. Straling 3.1.1. Straling vanaf een plat oppervlak naar de atmosfeer. 3.1.2. Straling naar een plat oppervlak vanuit de atmosfeer. 3.1.3. Verbeteren van de verhouding uitstraling/instraling. 3.1.4. Vergroting van de energie door oppervlaktevergroting. 4. Energie transport 5. Energie conversie 6. Spin-off 7. Octrooieerbaarheid 8. Sensors 8.1. Het Peltier element als stralingsmeter 8.2. De richtingsgevoelige stralingsmeter 9. Tests 9.1. De vaas 9.2. Bepaling gevoeligheid sensor in beker 9.3. Het hoedje 9.4. De reflector 10. De interpretatie 11. Voorlopige conclusies 12. Achtergrondinformatie 12.1. Stralingsbalans van de aarde 12.2. Tabel straling versus temperatuur 13. Nawoord Energie uit onverwachte hoek Page 2
1. Inleiding Om studenten kennis te laten maken met technologie werd er gezocht naar een studieproject dat in teamverband gedaan kan worden. Bij voorkeur een project dat veel raaklijnen heeft met de combinatie van techniek en bètawetenschappen. Eerdere individuele projecten (b.v. de intelligente tuinlamp) zijn uiteindelijk gestrand omdat de begeleidingskosten te hoog werden. Het idee zoals in de volgende paragraaf wordt beschreven, leent zich goed als studieproject. Er zitten een groot aantal aspecten aan die studenten lang kunnen bezig houden. Eerst op fysisch theoretisch gebied maar zeker ook op technisch gebied. Om te voorkomen dat bij de eerste de beste test het project blijkt te mislukken, worden er een aantal eenvoudige proefjes gedaan om aan te tonen dat het project een slagingskans heeft. De proefjes worden in dit verslag beschreven. Bij de presentatie op E-DEE ( evenement i.v.m. duurzaamheid) bleek een grote belangstelling te bestaan voor het idee zoals verderop beschreven. Bij het zoeken naar sponsorkanalen kwamen we via Bureau Kennis Transfer in contact met de Hogeschool van Amsterdam. De reactie was onverwacht positief en uitte zich in het willen samenwerken aan het project. Dit document evenals de beschreven proefjes en tests zijn gemaakt en gedaan in de vrije tijd. Niet omdat het moet maar omdat het leuk en voor mij zeer leerzaam is. De materialen zijn geleverd door de faculteit. Vanwege de beperkte tijd is er niet al te veel aandacht gegeven aan de lay-out van dit document. Sorry daarvoor. Ik hoop dat het desalniettemin toch goed leesbaar is. Energie uit onverwachte hoek Page 3
2. Het idee Iedereen is bekend met de wedstrijden op het gebied van solarpower: de solarauto en de Frisian Solar Chalenge. Waarom niet eens op een totaal andere manier er tegenaan kijken? Als er per dag ca 3000 J/cm 2 aan zonlicht naar beneden komt, dan moet de energie op enig moment ook weer verdwijnen, in het bijzonder uitstralen. Ongeveer 1/3 wordt weer uitgestraald, de rest verdwijnt in de vorm van convectie en verdamping. s Nachts, maar ook overdag, bij een heldere hemel is het mogelijk om temperatuurverschillen te bereiken van 20 graden bij vermogens tot enkele honderden W/m 2 (denk maar aan de ijsvorming op sloten als gevolg van uitstraling 1cm ijsgroei ~ 1 kwh/m 2 ). Net zo goed als energie vrijkomt door warmte te maken en te benutten door deze naar een kouder punt te laten stromen, kan men hetzelfde bereiken door ergens een koudebron aan te brengen. Het benutten van deze energie is een uitdaging. Hiervoor is een totaal andere, tegengestelde mindsetting nodig. Simpel gezegd is het idee in drie delen op te splitsen: a. het genereren van koude b. het transport van de thermische energie c. het omzetten van thermische energie in beweging en/of elektriciteit Voor het project hebben we te maken met het product van bovenstaande delen. Hoeveel koude kan er gemaakt worden, hoe zuinig kan het getransporteerd worden en met welk rendement kan het omgezet worden. Om het project een handvat te geven is er voor gekozen om een bootje te laten varen midden in de nacht op de grachten van Amsterdam. Dit werkt zeer motiverend, leent zich goed voor PR en dus ook geschikt voor sponsoring. Maar let op, zelfs al zou het project als bootje mislukken, dan nog kan het maken van koude toch zeer interessant zijn. Een van de grote problemen in de industrie (gebouwen) is het afvoeren van overvloedige warmte, de restwarmte. Het grootste probleem is de omzetting van de laagwaardige thermische energie in beweging en/of elektriciteit. De voor de hand liggende methode is het gebruik van een Stirling motor. Het rendement is evenredig met het temperatuur verschil (Carnot cyclus). Aangezien het rendement bij een gegeven temperatuurverschil van omzetting vast ligt, moet het verbeteren gevonden worden in andere mogelijkheden, bijvoorbeeld door het temperatuurverschil te vergroten. Daartoe zijn een aantal ideeën in dit document beschreven en gedeeltelijk, waar mogelijk, getoetst. Energie uit onverwachte hoek Page 4
3. Energie winning, het genereren van koude. Energie winning is eigenlijk een beetje vreemd is deze context. We hebben veel restwarmte en dat willen we laten weglopen naar een koudere omgeving. We willen dus koude maken. Er zijn daarvoor enkele mogelijkheden zoals straling, verdamping, geleiding en convectie. Straling en verdamping maken de temperatuur lager dan die van de omgeving. Van straling is het grootste effect te verwachten bij helder weer. 3.1. Straling De hoeveelheid energie die netto wordt uitgestraald, wordt slechts op weinig plekken in Nederland gemeten. De enige die na veel moeite gevonden is, is bij de Universiteit van Wageningen http://www.met.wau.nl/haarwegdata/graphs.htm. Deze meting maakt echter geen onderscheid in richting, maar is de integraal van het totale oppervlak, uit alle richtingen. De metingen in het platte vlak geven aan, bij helder weer, een netto uitstraling oplopend tot maximaal 60 W/m 2. Het doel is om een object een zo laag mogelijke temperatuur te geven. De temperatuur wordt bepaald door de balans van uitstraling en instraling. Als het een of het ander verandert, zal er een nieuw evenwicht ontstaan. Minder instraling betekent dus een kouder object. De vraag is dan of het mogelijk is de temperatuursverlaging te vergroten. Vier aspecten zijn van belang voor de koeling: Straling vanaf een plat oppervlak naar de atmosfeer. Straling naar een plat oppervlak vanuit de atmosfeer. Verbeteren van de verhouding uitstraling/instraling Vergroting van de energie door oppervlaktevergroting. 3.1.1. Straling vanaf een plat oppervlak naar de atmosfeer. Dit is eenvoudig, 5,67e-8. T 4. A ( bij emissiviteit = 1 ). Niets meer, niets minder. 3.1.2. Straling naar een plat oppervlak vanuit de atmosfeer. Dit is erg complex, in principe 5,67e-8. T 4. A ( bij emissiviteit = 1 ). De sterkte van de totale instraling is evenredig met het volume. Beter gezegd, evenredig aan de afstand door de atmosfeer, wolken en broeikasgassen. Het totaal is dan de integraal van alle hoeken. Als de straling dus schuin binnen komt is de afstand groter en de straling meer. (Het zal nooit meer zijn dan de straling van de schijnbare temperatuur van die bewolking). Echter, het schijnbare Energie uit onverwachte hoek Page 5
oppervlak is evenredig minder. Per saldo heft de winst van het een, het verlies van de ander op. Het komt er op neer dat de instraling van elk segment dezelfde invloed heeft. Hoe kleiner het segment, hoe minder instraling. Dit segment wordt venster genoemd. 3.1.3. Verbeteren van de verhouding uitstraling/instraling. Het vermogen van het uitstralen is een gegeven, daar valt niets aan te doen. Als de verhouding uitstralen/instralen verbeterd moet worden, zal het instralen verminderd moeten worden. Aangezien het vermogen dus evenredig is aan het venster waar door wordt gekeken, is het de kunst om dit venster zo klein mogelijk te maken. Het ligt dan voor de hand om het object in een parabolische reflector te plaatsen. Als het venster 20% van het totaal is, dan is de instraling ook 20%. In theorie zou er een balans ontstaan van uitstraling - instraling 400 W/m 2-80 W/m 2 (= 20%) = 320W/m 2 bij een temperatuur van -79 C. (n.b. 20% komt overeen met een openingshoek van 36 graden). Deze evenwichtstemperatuur is eenvoudig uit te rekenen of op te zoeken in de tabel aan het einde van dit document. Bij de grafieken wordt gebruik gemaakt van een standaard oppervlak van 1m 2 Door het toevoegen van vermogen wordt de koude minder. Er ontstaat een ander evenwicht. Graag vestig ik de aandacht op het vermogen dat gedissipieerd kan worden. Bijna 300W/m 2 kan men door straling verliezen bijvoorbeeld voor het afvoeren van restwarmte. Dit is zelfs onevenredig veel meer als de temperatuur van de restwarmte meer is dan 16 C (500W/m 2 bij 35 C) Energie uit onverwachte hoek Page 6
De conclusie is dan dat er gebruik gemaakt moet worden van parabolische reflectors in het platte vlak, eventueel in het 3 dimensionale vlak. 3.1.4. Vergroting van de energie door oppervlaktevergroting. In de reflector kan gespeeld worden met de vorm en omvang van het medium. Hoe groter het oppervlak van het object in de reflector, hoe meer koude energie er beschikbaar zal komen. Toch is het maximale oppervlak beperkt. Duidelijk is inmiddels dat er een optimum is of moet zijn. Dit is ongetwijfeld theoretisch te bewijzen: gevoelsmatig ligt het optimum bij de situatie dat het oppervlak van het object in de reflector gelijk is aan het oppervlak van de reflectoropening. In de beperkte tijd tot nog toe is daar geen of weinig tijd aan besteed. Energie uit onverwachte hoek Page 7
4. Energie transport Voor het transport van de koude, respectievelijk de warmte wordt gebruik gemaakt van heatpipes. Dit is een bekende techniek en heeft nauwelijks een risico m.b.t. dat het minder goed bruikbaar is. Technisch is het geen probleem en kan goed theoretisch gemodelleerd worden (bruikbare gassen/vloeistoffen). Wel kunnen er optimalisaties bedacht worden in de vorm van diameter van de heatpipes, het medium dat gebruikt wordt vanwege het temperatuurgebied en de mogelijkheid of het flexibel uitgevoerd kan worden. Meestal zijn heatpipes star uitgevoerd. De toepasbaarheid wordt aanmerkelijk groter als dit flexibel kan. In de onderhavige toepassing zijn alleen lage temperaturen(<40 C) in gebruik dat de constructie eenvoudiger maakt. Het voordeel van heatpipes is dat het warmtetransport passief gebeurt en nagenoeg zonder verlies. Bij dit project moeten we zuinig zijn op de beschikbare energie. Energie uit onverwachte hoek Page 8
5. Energie conversie Met de aanwezige energie in de vorm van temperatuurverschillen is het uiteindelijk de kunst om dit om te zetten in beweging of elektriciteit. Met het uitstralen wordt koude gegenereerd. Deze koude wordt in combinatie met (rest) warmte gebruikt om bijvoorbeeld een Stirlingmotor te voeden. Het rendement van de motor is evenredig met het temperatuurverschil (Carnot cyclus). Gegeven is dat er een fors vermogen beschikbaar is. De kunst is om een optimum te vinden. Hoe lager het toegevoerde vermogen aan de straler, hoe lager de temperatuur van de straler, hoe hoger het rendement van de Stirlingmotor. Maar door de belasting van de motor zal de temperatuur weer stijgen en het rendement dalen. Steeds is er een optimum in het uitgangsvermogen bij een gegeven temperatuur en belasting. Het optimum is redelijk eenvoudig uit te rekenen. Door slimme technieken (model vorming) kan het uitgangsvermogen geoptimaliseerd worden. Energie uit onverwachte hoek Page 9
Te zien is dat hoe kleiner de openingshoek van de parabolische reflector (blauw, 10%) hoe hoger uiteindelijk het mogelijke uitgangsvermogen van de Stirlingmotor. Energie uit onverwachte hoek Page 10
6. Spin-off. Op het moment van schrijven is de situatie zo dat op basis van de resultaten het mogelijk is een flink vermogen uit te stralen. Het eerste doel, als aandachttrekker, is natuurlijk een bootje te laten varen. Dit is om een handvat te hebben voor een studentenproject. Mijn inschatting is dat het bootje zal kunnen varen. Veel belangrijker is de mogelijkheid om restwarmte af te voeren. Zoals eerder gezegd, een groot probleem in de industrie is het afvoeren van laagwaardige restwarmte. Bijvoorbeeld voor de koeling van gebouwen. Het is wellicht wat voorbarig om allerlei toepassingen te beschrijven. Dat ze er zijn is heel duidelijk. Nog mooier zou het zijn om een deel van bovenstaande restwarmte ook nog eens om te zetten in hoogwaardige energie zoals elektriciteit. Het bootje kan daarbij helpen d.w.z. de optimalisaties die daar gevonden worden kunnen ook hier helpen. Als het inderdaad mogelijk is om tot lage temperaturen af te koelen, en daar lijkt het op, dan is het ook mogelijk om water uit lucht te halen. Dit zou interessant kunnen zijn in de woestijn om drinkwater te genereren. Vanwege het relatief grote koelvermogen, zeker als er geen groot temperatuurverschil hoeft te zijn, is het ook mogelijk om ijs te maken en dit als accu te laten werken. De energie opslag (warmtecapaciteit/smeltwarmte) van ijs is hoog 150 kwh/m 3 en vergelijkbaar met een veel duurdere lithium polymeer accu 6 kg/kwh. Ook dit is een andere manier van kijken dan men gewend is. Energie uit onverwachte hoek Page 11
7. Octrooieerbaarheid. Voorlopig staat deze actie op een laag pitje. Bureau Kennis Transfer houdt dit in de gaten. Na enige research is er één octrooi gevonden dat lijkt op het idee van de reflector. De toepassing is echter anders en ook de constructie. Energie uit onverwachte hoek Page 12
8. Sensors 8.1. Een Peltier element als stralingsmeter De thermische straling gedraagt zich analoog aan een stroombron. Er is een warmtetransport totdat er een evenwicht ontstaat met de omgeving. Gegeven is een warmtetransport dat bepaald wordt door het verschil tussen instraling en uitstraling. Bij een bekende thermische weerstand levert dit een temperatuursverschil op. Het temperatuursverschil kan gemeten worden met thermokoppels. Het toeval wil dat een Peltier Element (PE) bestaat uit een groot aantal halfgeleider thermokoppels met redelijk gespecificeerde eigenschappen. Deze staan elektrisch in serie en thermisch parallel. Dit noemt met een thermopile. Beschikbaar was een PE met 127 elementen en bedoeld voor lage stroom. Bij benadering is de gevoeligheid te bepalen door de hand erop te drukken en een redelijk bekend temperatuursverschil aan te brengen 32 C 22 C gaf 350mV. Dus 350mV / 10K = 35mV/K. De gevoeligheid is evenredig aan het aantal elementen. Het materiaal is bismuth telluride dat eigenlijk in alle gewone Peltier elementen zit. Deze gegevens kunnen dus voor alle gebruikte Peltier elementen gebruikt worden. Dan is het nodig om de thermische weerstand te bepalen van het Peltier element. Bij een PE is het volgens specificaties mogelijk een temperatuursprong te krijgen van 73 K bij warmtetransport = 0 (dus alleen inwendig verlies) en een warmtetransport van 20W te krijgen bij een temperatuursverschil = 0 (geen inwendig verlies). Dus de thermische weerstand is ca 73K/20W = 3,65 K/W. Het Peltier element heeft een oppervlak van AlO2. In de zuivere vorm heeft het voor infrarood een zeer lage reflectiecoëfficiënt (grote absorptie coëfficiënt). De schatting is dat in het geval van het Peltier element dit 0,15 is dus de absorptie coëfficiënt is 0,85 Bovenstaande stralingsmeter dient als basis voor het richtingsgevoelige meetinstrument. Om de sensor richtingsgevoelig te maken is deze geplaatst in een reflector. Hiervoor is een RVS bekertje van IKEA gebruikt. De bedoeling is dat het bekertje de paraboolvorm benadert. Helaas is het bekertje weliswaar glimmend maar niet gepolijst. De effectiviteit is dus minder. 8.2. De richtingsgevoelige stralingsmeter. Om onweerlegbaar vast te stellen of het uitstralen richtingsgevoel is, is het zogenaamde hoedje ontwikkeld. De bedoeling is om in 9 richtingen de instraling te bepalen. Hiermee kan vastgesteld worden of het zinnig is reflectors te gaan gebruiken. Elke sensor bestaat uit een reflector (RVS bekertje van IKEA) met daarin op de bodem een Peltier element zoals boven beschreven. Energie uit onverwachte hoek Page 13
9. Tests Er zijn verschillende tests gedaan. De bedoeling is om de tests steeds verder te verfijnen. Dus eerst eenvoudig, lees goedkoop, aantonen dat er een effect is, dan later de test verder uitwerken en met meetgegevens komen. 9.1. De vaas De vraag moest gesteld worden: Is met een lens of spiegel de stralingsbalans van een stralend lichaam te beïnvloeden? Hiertoe zijn een paar vazen gekocht met een kegel- en een paraboolvorm en bekleed met Al plaktape. De tape is geselecteerd op reflectiecoëfficiënt door de temperatuur met een IR meter te meten via reflectie. De hand was 34 C, de omgeving 24 C en gemeten werd 32 C. Conclusie de reflectiecoëfficiënt is bij eerste benadering 0,8. In de vaas is een Peltier element geplaatst waarmee we de straling op het PE zelf konden meten. Heel grofstoffelijk werd een meting gedaan om vast te stellen of het überhaupt mogelijk is om de balans te beïnvloeden waardoor een groter temperatuurverschil verkregen kan worden. De meetresultaten zijn beschikbaar. Conclusie: Er is nu met zekerheid te zeggen dat de stralingsbalans van oppervlakten te beïnvloeden is. In het voorbeeld van de vaas met ongeveer een factor 5 Energie uit onverwachte hoek Page 14
Condensvorming is van grote invloed op de resultaten. Bij de meting s nachts ontstond er condens op het Peltier element terwijl de omgeving (tuinmeubilair) geen condens had. Één van de aandachtspunten moet dus zijn dat de sensor in een geïsoleerde ruimte geplaatst moeten worden. Bijvoorbeeld dat er een voor infrarood transparante folie gebruikt moet worden ter afscherming. 9.2 Test: bepaling gevoeligheid sensor met reflector. Bij twee temperaturen meten we de gevoeligheid: Bij 20 C is de straling 417 W/m 2, bij 33 C is dit 497 W/m 2. Het verschil is 80 W/m 2 en dit geeft een verschilsignaal van 14mV. De gevoeligheid van de sensor is dan 80/14 = 5,71 W/m 2 per mv. Opgemerkt dient te worden dat dit getal waarschijnlijk nogal conservatief is. De bekertjes zijn niet gepolijst of gepoetst. Dat een bekertje warm wordt in de zon geeft aan dat het niet optimaal is. Dezelfde test is gedaan met de referentie sensor (ander model, groter en zonder reflector): Bij 20 C is de straling 417 W/m 2, bij 33 C is dit 497 W/m 2. Het verschil is 80 W/m 2 en dit geeft een verschilsignaal van 22mV. De gevoeligheid van de sensor is dan 80/22 = 3,64 W/m 2 per mv. Hier geldt de opmerking van conservatieve meting niet: er is geen bekertje/reflector. Op basis deze twee tests en de meting is de conclusie dat de verhouding tenminste een factor 2,3 is maar zeer waarschijnlijk aanmerkelijk meer als de bekertjes gepolijst zijn. De gevoeligheid scheelt een factor 22/14 = 1,6 en de meting laat een factor 1,5 zien. Mijn voorlopige inschatting is een factor 4. Dit moet nader uitgezocht worden. Energie uit onverwachte hoek Page 15
9.3 Het hoedje Toen aangetoond was dat de balans te beïnvloeden is, werd het tijd voor kwalitatieve en kwantitatieve metingen. Hiervoor zijn een aantal reflectors gekocht (IKEA RVS bekertjes 1,49) en daarin Peltier elementen geplaatst zoals beschreven in het hoofdstuk Sensors. In het platte vlak kijken ze in vier richtingen (noord oost zuid west) en vertikaal op 30 graden, 60 graden en 90 graden. Totaal dus 9 sensoren. Deze worden tegelijkertijd uitgelezen door middel van een zogenaamde labjack. De conclusie is heel duidelijk: vertikaal levert verreweg de meeste kou op. Hoe lager de hoek, hoe minder de kou / hoe warmer het is. Er is een tiende sensor geplaatst zonder reflector, als referentie. De grafiek op de volgende pagina laat de straling zien van de 10 sensoren beginnend op 1 aug 2011 19.51h tijdschaal in secondes, totaal 32000s, ca 9 h. De y-as is in Volts, 100 maal versterkt. De sensoren in de reflector hebben een gevoeligheid van 5,71 W/m 2 per mv Zoals te verwachten zijn de bovenste 4 sensoren in de grafiek de 30 graden sensoren waarvan de bovenste naar een stenen muur kijkt. De onderste is de 90 graden sensor, kijkt recht omhoog. Hiervan is de netto uitstraling verreweg het hoogst. Van de overigen is Series 3 afwijkend: dit is een Peltier element zonder reflector en heeft een kleinere gevoeligheid van 3,64 W/m 2 per mv (ander type Peltier element). Hiermee komt het signaal in dezelfde sterkterange als de 30 graden sensors, dit is ook te verwachten. De rest zijn de 60 graden sensors. Energie uit onverwachte hoek Page 16
De 90 graden sensor heeft 2,3 keer zoveel uitstraling als die van het platte vlak. Tijdens de meting bleek ook hier de opstelling last te hebben van condensvorming. Energie uit onverwachte hoek Page 17
Het hoedje van dichtbij. 9.4. De parabolische reflector Er is geprobeerd een reflector te maken. In een U vorm is een MDF profiel gemaakt volgens de functie y = a. x 2. De U vorm is 10 cm breed waardoor de hoogte uiteindelijk 25 cm bedraagt. In de volgende grafiek is te zien wat de temperatuur binnen (rood) en buiten (blauw) de reflector is. Gezegd moet worden dat de buitenkant nat werd van de condens. Toch is de binnenkant nog eens 3 a 4 graden kouder geworden. Helaas niet meer. Daar zijn drie redenen voor. 1. De reflector zelf sloeg ook aan vanwege de condens. Hierdoor is de reflector geen reflector meer. 2. Er kwam ook condens op de metalen strip (het eigenlijke object, de straler). 3. Het was in de open lucht waardoor er ook wat warmte uitwisseling ontstond met de lucht. Een andere vraag is wat we dan, buiten praktische problemen, theoretisch hadden kunnen verwachten. Het oppervlak was ca 2 x 160 cm 2 (dubbelzijdig). De reflectie coëfficiënt wordt geschat op 0,5. Het warmtesaldo wordt uitgestraald met naar schatting ca 200 W/m 2. Per saldo kan er dus slechts 200 W/m 2 x 0,032 m 2 x 0,5 = 3,2W koude gemaakt worden. Zoals gezegd, de condens speelt parten op het object en op de reflector. Opmerkelijk is dat de rode lijn aanmerkelijk sneller naar beneden loopt totdat het kennelijk tegen het dauwpunt aanloopt bij 11 C. Dit terwijl het dauwpunt van de buitenkant al bij 15 C ligt. Energie uit onverwachte hoek Page 18
Met de primitieve middelen thuis is een en ander lastig ondubbelzinnig aan te tonen. Tijd is in eenheden van 2 minuten, temperatuur in graden Celsius. Beide bovenstaande metingen (hoedje en reflector) zijn gelijktijdig uitgevoerd. In onderstaand plaatje is de weersituatie af te lezen tijdens de metingen (eigen weerstation). Energie uit onverwachte hoek Page 19
In het bovenstaande grafiekje rechtsonder kan de vreemde hobbel van de groene lijn genegeerd worden. De temperatuursensor staat tussen 17.00h en 20.00h in de zon (bij gebrek aan een betere plek) Te zien is dat het dauwpunt inderdaad zo rond de 15 C ligt. Echt windstil was het niet. Energie uit onverwachte hoek Page 20
10. De interpretatie: Het hoedje. Duidelijk is dat de 90 graden sensor die het minst ingestraald wordt, het meest koud is. De 60/120 graden sensors volgen daar op. De 30/150 graden sensors kijken naar een muur of schutting waardoor er weinig nuttig effect van is. De referentie sensor die geen reflector heeft kijkt in principe alle kanten op. Voorlopig is er tot 15 mv gemeten met de 90 graden sensor. De sensors werken echt goed. Op een meter afstand is er een effect van 300µV als je in het beeld van de reflector staat. Als we de beker met de hand afsluiten dan heeft het een effect van 14 mv. Ruwweg straalt de hand met 490 W/m 2 (32 gr C) en de sensor zendt zelf uit met 429 W/m 2 (22 gr C). De hand straalt in alle richtingen, lang niet alles komt op het Peltier element terecht. Stel: Het oppervlak van de ingang van de beker is 38 cm 2. Voor het gemak wordt voorlopig aangenomen dat de reflector bijna ideaal is. Er wordt vanuit de hand met 32 C, 1,8W ingestraald (490 W/m 2 ). Daarvan komt ca 50 % op het PE terecht dus 0,9W. De rest zit in de lijm op de bodem en de opstaande randen. Omgekeerd is de oppervlakte van het PE ongeveer 12 cm 2 (incl. de helft van de opstaande randen). Dat betekent 0,52 W. Per saldo wordt het PE met 0,38 W opgewarmd. Bij een thermische weerstand van 3,65 K/W betekent dit ca 1,4K temperatuursprong. Er zou dan 40mV over het PE moeten staan. Dit is duidelijk niet het geval. De conclusie die hieruit getrokken moet worden is dat de reflector niet zo effectief is als bedoeld. We missen ongeveer een factor vier!!! Aan de hand van een IR thermometer, is een schatting te maken van de kwaliteit- reflectiecoëfficiënt van de beker. De schatting is ca 50%. Dit is gedaan door de temperatuur te meten van de beker. Gemeten is 28,6 C bij een temperatuur van ca 33 C. Zeker is dat 14mV, als gevolg van handwarmte, over een PE sensor betekent dat er een temperatuur verschil is van 490mK en er dus een warmtestroom is van 0,49 / 3,65 = 0,134 W. Bij een oppervlak van 9 cm 2 komt dit neer op 0,134W / 9 cm 2 = 149 W/m 2 Let wel, alleen op het oppervlak van het Peltier element. Als we dan ook nog de reflectiecoëfficiënt meerekenen van 0,85 dan is de werkelijke instraling 149 W/m 2 / 0,85 = 175 W/m 2 Hetzelfde geldt voor de meting van de 90 graden sensor. Daar is verschillende keren 16 mv gemeten. In dat geval is de uitstraling 200 W/m 2 (verschil uitstraling - instraling) Dit zou een aardige indicatie kunnen zijn voor de thermische uitstraling bij een beperkte openingshoek. Leuke weetjes: Een lucifer op 1 m afstand, heeft een effect van ca 20mV. De relaxatie tijd van de sensor is ca 10-15 s De openingshoek van de RVS beker, is met een soldeerbout bepaald en is ca 2 x 19 graden. Energie uit onverwachte hoek Page 21
Extra meting hoedje : Analyse: Meting 7 aug 2011. 7.20h X - as seconde, Y - as signaal in Volts, 100 maal versterkt Om 7.20h is het hoedje buiten geplaatst, vandaar het opstart effect. Tot ongeveer 3200 s staat het in de schaduw, daarna in de laagstaande zon. De behuizing warmt op waardoor de uitstraling toeneemt. Ook zijn er wat hobbels te zien. Dit is het gevolg van een wolk die de instraling groter maakt. Enkele signalen komen zelfs positief. Series 9 (licht groen) is de platvlak referentie sensor. Omdat deze in de zon staat wordt deze warm. Series 2 kijkt recht in de zon. Energie uit onverwachte hoek Page 22
11. Voorlopige conclusies: Het is inderdaad mogelijk om veel koude te genereren. Op basis van onderzoek, proefjes en extrapolatie hiervan kan de temperatuur aflopen naar ca -79 C (zonder belasting). De uitstraling is 350-400 W/m 2 afhankelijk van de temperatuur. De instraling is aanmerkelijk te verkleinen door een kleine openingshoek van de reflector. De inschatting is dat het mogelijk moet zijn om 200 W/m 2-300 W/m 2 aan koude te genereren, afhankelijk van de constructie van de reflector. Het grootste probleem is de condensvorming, dit lijkt met enige inspanning technisch op te lossen. Een heel fraaie opdracht voor de HvA. Het oorspronkelijke idee oppervlaktevergroting is op zijn minst dubieus maar is zeker de moeite waard om theoretisch te bekijken. De bedachte toepassing, het bootje, is zeker het proberen waard. Er zijn vooralsnog geen redenen gevonden waarom het niet zou kunnen werken. Bij een oppervlakte van 4m 2 is een mechanisch vermogen van 150W beschikbaar uit de Stirlingmotor. Ook waterproductie, bijvoorbeeld in de woestijn lijkt nog steeds een optie. Afvoeren van restwarmte tot 300W/m 2 kan passief plaats vinden. Met iets hogere temperaturen zelfs tot 500W/m 2 IJs maken als energie opslag is ook een optie. Als educatief project is het zowel voor de UvA als voor de HvA zeer geschikt. Zoals eerder gemeld, tot op heden is er één octrooi (US 4624113 (A) ) gevonden die lijkt op de reflector uit dit document. De toepassing is anders en ook de constructie. De geclaimde resultaten komen overeen met de inschattingen in dit document. Het octrooi wordt niet onderhouden. Energie uit onverwachte hoek Page 23
12. Achtergrondinformatie 12.1. Stralingsbalans van de aarde De zonneconstante is 1367 W/m 2 d.w.z. loodrecht op de zon komt er 1367 W/m 2 naar beneden. De energie die op de aarde valt wordt door het gehele oppervlak van de aarde uitgestraald, gemiddeld 342 W/m 2 Volgens de verschuivingswet van Wien zit de piekgolflengte van de zon op 2897 µm.k/t = 500nm (T=6000K) De uitstraling van de aarde is dan bij 288K gepiekt op ca 10µm golflengte Waterdamp absorbeert in de banden van < 4 µm, van 5-8 µm en > 11 µm. De rest van de atmosfeer is transparant in het atmosferisch venster tussen 8 en 11 µm. Kooldioxide absorbeert tussen 13 en 17 µm en ozon bij 9,7 µm Over het gehele oppervlak van de aarde is de jaarbalans als volgt: 5% van het zonlicht komt direct op aarde, de directe straling 6% wordt terug verstrooid 43% wordt opgevangen in de wolken 52% wordt opgevangen door gassen en deeltjes 17% wordt door de wolken gereflecteerd, terug verstrooid 8% wordt door de gassen en deeltjes gereflecteerd, terugverstrooid Aan de rand van de atmosfeer is de jaarbalans als volgt: 31% (17+8+6) wordt terugverstrooid als kortgolvige straling = Albedo 36% gaat van de gassen en deeltjes in de vorm van langgolvige straling de atmosfeer uit 33% gaat van de wolken in de vorm van langgolvige straling de atmosfeer uit 69% (33+36) gaat in de vorm van langgolvige straling de atmosfeer uit Aan het aardoppervlak is er geen evenwicht in kort en langgolvige straling: 22% naar het aardoppervlak door verstrooiing aan gassen en deeltjes 22% door verstrooiing aan wolken ten goede komt wordt diffuse straling genoemd. 49% (5+22+22) directe plus diffuse straling heet globale straling en bedraagt ca 168 Wm2. 43% (49-6) De globale straling minus de door het aardoppervlak terugverstrooide straling noemt men de netto kortgolvige straling. 115% wordt uitgestraald in het langgolvige spectrum 34% in het langgolvige spectrum wordt ontvangen van gassen en deeltjes 67% % in het langgolvige spectrum wordt ontvangen van wolken 14% (115-34-67) is het saldo van het langgolvige spectrum 29% (43-14) is het totale surplus op het aardoppervlak 29%, het omgekeerde geldt voor de atmosfeer. Energie uit onverwachte hoek Page 24
22% wordt geabsorbeerd door deeltjes en luchtmoleculen in het kortgolvige spectrum waarvan 3% in het ultraviolet door ozon. 4% wordt geabsorbeerd door de wolken. -55% (115-67-103) is de langgolvige stralingsbalans van de atmosfeer. -29% (-55+29) is het stralingstekort in het kort- en langgolvige spectrum. Gemiddeld is er een stralingsonbalans, die het aardoppervlak verwarmt en de atmosfeer afkoelt. Deze onbalans wordt gecompenseerd door andere energiestromen die warmte van het aardoppervlak transporteren naar de atmosfeer. 23% wordt getransporteerd door het verdampen en weer condenseren van water: voor het verdampen van water is immers energie nodig! 6% verdwijnt van het aardoppervlak door rechtstreekse warmteoverdracht, namelijk het opstijgen van warme luchtbellen (thermiek). Let op: beeld is voor het hele aardoppervlak. De componenten verschillen van plaats tot plaats. Zo is bijvoorbeeld de reflectie, het Albedo van sneeuwoppervlakken zeer hoog (75% tot 95%) en van wateroppervlakken maar 2% tot 30% afhankelijk van de hoek van inval van de zonnestralen. Energie uit onverwachte hoek Page 25
12.2. Tabel thermische straling versus temperatuur. Temperatuur C Temperatuur K constante van Boltzman straling W/m 2 emissiviteit =1,0-100 173 5.67E-08 50.789-95 178 5.67E-08 56.920-90 183 5.67E-08 63.590-85 188 5.67E-08 70.830-80 193 5.67E-08 78.671-75 198 5.67E-08 87.145-70 203 5.67E-08 96.287-65 208 5.67E-08 106.130-60 213 5.67E-08 116.708-55 218 5.67E-08 128.059-50 223 5.67E-08 140.218-45 228 5.67E-08 153.222-40 233 5.67E-08 167.112-35 238 5.67E-08 181.924-30 243 5.67E-08 197.701-25 248 5.67E-08 214.481-20 253 5.67E-08 232.309-15 258 5.67E-08 251.224-10 263 5.67E-08 271.273-5 268 5.67E-08 292.498 0 273 5.67E-08 314.944 5 278 5.67E-08 338.659 10 283 5.67E-08 363.688 15 288 5.67E-08 390.079 20 293 5.67E-08 417.882 25 298 5.67E-08 447.145 30 303 5.67E-08 477.918 35 308 5.67E-08 510.253 40 313 5.67E-08 544.202 45 318 5.67E-08 579.818 50 323 5.67E-08 617.153 55 328 5.67E-08 656.264 60 333 5.67E-08 697.204 Energie uit onverwachte hoek Page 26
13. Nawoord Bij het project heb ik verschillende mensen betrokken om te voorkomen dat ik met onzinnige ideeën rondloop. Dat viel gelukkig wel mee. Deze mensen, op alfabetische volgorde, wil ik graag bedanken voor hun bijdrage aan dit project: Deelnemer onderwerp Rol* Ing. Mattijs Bakker techniek sparring Dr.Ir. John van Boxel meteorologie sparring Dr. Jeroen Goedkoop fysica algemeen opdrachtgever Prof.Dr. Huib Henrichs thermische straling sparring Dr. Tom Hijmans fysica onderwijs sparring Ing Gijs de Jonge algemeen onderwijs projectleider HvA Prof.Dr. Aart Kleijn duurzaamheids projecten UvA adviseur duurzaamheid UvA Dr. Jan Michels thermodynamica sparring Prof.Dr. Ad Oskam infra rood adviseur materialen Dr. Rudolf Sprik fysica algemeen sparring Ing. Rein Visser hoofd TC sparring *Geen mede-uitvinders (vlgs bespreking met BKT). Daarnaast is de discussie met de mensen van het BKT ook zeer motiverend: Dr.Ir. Karin van de Sande, Drs. Maarten Rottschäfer, Drs. Alrik Mol, Drs. Albert Wijnen en last but not least Ir. Willem Fokkema. Theo van Lieshout Augustus 2011 Energie uit onverwachte hoek Page 27