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THEMA: Wirkungsgrad Bimetall

Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 15:57 #64315

.
Energiespeicher

Ich lege ein (schwarz gestrichenes) Bimetall, einseitig befestigt, flach in die Sonne, eventuell in einem Glashaus. Die Sonnenstrahlung verbiegt das Bimetall. Aufgrund der einseitigen Befestigung am Boden hebt es sich auf einer Seite in die Höhe. Abends geht die Sonne unter, das Bimetall kühlt wieder aus und richtet sich wieder gerade. An diesem Vorgang ist ein Generator integriert, der von der Bewegung des sich wieder ausrichtenden Bimetalls angetrieben wird. Unabhängig von dem Wirkungsgrad des Generators (den lassen wir beiseite) wird wahrscheinlich auch bei der Aufnahme und Abgabe der Wärme des Bimetalls ein Wirkungsgrad vorhanden sein. Wo treten da Verluste auf? Das Bimetall muss sein eigenes Gewicht mitaufheben, dieses Gewicht kommt jedoch beim Senken dem Generator wieder zugute. Also, da kann kein wirklicher Verlust entstehen. Wo sonst ergeben sich Verluste?

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 16:32 #64317

Du kannst den Generator auch beim Anheben anschließen

Verluste hast Du bei der Erwärmung, weil unmittelbar Wärem an die Luft abgegeben wird.
Das Material wird strapaziert, also gehen Bindungskräfte verloren und das Material altert.

Der größte Verlust wird zwischen der benötigten Erwärmung und der tatsächlich ausgeübten Kraft bestehen. Ich denke, dass dieser Wirkungsgrad nur wenige Prozent beträgt. Für einen Schalter langt die Kraft aber nicht für Energiegewinnung.

Man müßte wohl die Längendehnung der Wärmekapazität gegenüberstellen.

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 17:36 #64325

ra-raisch schrieb:Verluste hast Du bei der Erwärmung, weil unmittelbar Wärme an die Luft abgegeben wird.

Diese Verluste lassen sich klein-optimieren.

Dass Material wird strapaziert, also gehen Bindungskräfte verloren und das Material altert.

Bei 1x Dehnung pro Tage wäre ein Altern vernachlässigbar.

Der größte Verlust wird zwischen der benötigten Erwärmung und der tatsächlich ausgeübten Kraft bestehen.

Das kann ich nicht abschätzen, inwieweit dieser Verlust durch den Vorteil, dass das Licht auch denn nicht ausgeht, wenn es dunkel wird. Das größte Problem bei der Gewinnung von Sonnenenergie ist ja, dass abends die Lichter ausgehen. Ein Bimetall hingegen wird erst so richtig lustig, wenn es finster wird :) Der benötigt keinen Speicher für die Energie denn er ist selbst dieser Speicher.

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 17:40 #64326

Bipolymer macht Strom aus Abwärme
www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/en...-strom-aus-abwaerme/
Der erste Prototyp schaffte 30 Newton
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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 17:45 #64329

ra-raisch schrieb: Der erste Prototyp schaffte 30 Newton

Und bei Nacht? Also dann, wenn es am wichtigsten wäre?

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 17:49 #64331

Dabei geht es ja nur um Wärmeunterschiede und zwar zB im Abwasser, da spielt die Uhrzeit keine Rolle.

Wichtig ist eben der Unterschied, und das am besten 1000 Mal je Sekunde....also....für bestimmte Fälle kann man da schon etwas konstruieren, aber es hat wenig Sinn, die Verhältnisse dann nach dem vorhandenen Modell gestalten zu wollen. Mit anderen Worten: es ist die Kunst, ein Gerät für eine Fallgestaltung zu kontruieren, die sich überall immer wieder ergibt.

Natürliche Temperaturunterschiede bewegen sich innerhalb vielleicht 10 K, also keine besonders große Zahl. Da hängt die überhaupt vorhandene Energie eben von der Wärmemenge ab und somit von der Masse.
QE = cTm·Δ.T

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 18:17 #64334

Na ja, ein schwarz eloxiertes Kupfer in einem Glashaus unter der Wüstensonne erwärmt sich schon innerhalb kürzester Zeit um mehr als 10 Grad. Bei dementsprechender Stärke lässt sich das auf einen ganzen Sonnentag strecken. Aber, wie gesagt, der Vorteil läge ja daran, dass das auch bei Nacht funktioniert und somit das größte Problem der ganzen Photovoltaik nicht hätte.

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 18:31 #64336

Auf die Abkühlung in der Nacht hat man keinen großen Einfluss und die ist gerade in Wüsten dramatisch. Wenn natürlich das Laden (Energiespeicherung) so langsam geht, würde das Entladen (Stromlieferung) wohl ähnlich lange dauern.
Lichtempfindlichkeit und Wärmeleitfähigkeit wären hierbei die maßgeblichen Eigenschaften.

Wichtig ist eben die Größenordnung, die überhaupt zur Verfügung steht, das ist ja der maximale Gesamtwert für jeden Zyklus (Tag).
QE = cTm·Δ.T

cT ist übrigens für Metalle niedriger als 1 kJ/kgK und je schwerer die Atome desto niedriger. Wasser hat hingegen den Wert 4,184 kJ/kgK

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 18:59 #64340

Bezüglich der Größenordnung: Ich habe einmal eine Grafik gesehen, in der die benötigte Fläche eingezeichnet war, um von Afrika aus Europa photovoltaisch zu versorgen. Was soll ich sagen? Die Fläche war nur ein kleiner Punkt mitten in der Sahara. Also, an Platz mangelt es weltweit wahrscheinlich nicht. Entscheidend ist, die Energiebilanz des gesamten Systems während seiner gesamten Laufzeit. Bei einer täglich 1x Beanspruchung hält das Bimetall wartungsfrei wahrscheinlich hundert Jahre oder noch länger. Wie viel Energie benötigt man, um das Material zu beschaffen, einzuschmelzen und Bimetalle zu produzieren. Wie steht dieser Energieeinsatz dem Energiegewinn gegenüber. Das würde wohl das alles Entscheidende sein. Wobei man das angesprochen wahrscheinlich in vielen Bereichen optimieren könnte. Das ist ja nur so eine Grundidee, wie man das größte Problem umgehen kann, nämlich das in der Nacht keine Sonne scheint.

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 20:08 #64342

Achso, jetzt verstehe ich, es geht Dir um "statt" Photovoltaik und nicht um eine Zwischenspeicherung für die Nachtzeit.

Naja, wie ich sagte, die Effektivität hängt davon ab, welcher Anteil der Wärmeenergie denn durch die Biegung nutzbar wird, und das wäre sicher im kleinen Prozentbereich. Der größte Teil geht ja als Abwärme in der kalten Nachtluft wieder verloren.

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 22:04 #64347

Eher gibt es Piezo Kraftwerke als Bimetall Kraftwerke. Luftdruck Schwankungen gibt es ständig.

Ja ich kann alles, sogar definieren was ich nicht kann.

Man muss noch Chaos in sich haben, um einen tanzenden Stern gebären zu können.
**Der Friedrich**

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Wirkungsgrad Bimetall 24 01. 2020 22:16 #64348

ra-raisch schrieb: Bipolymer macht Strom aus Abwärme

Ich habe den obigen Artikel nochmal überflogen. Dort ist von P=1 kW für eine Fläche von A=12 cm² die Rede. Das ist für Sonnenenergie natürlich totaler Unsinn. Die maximale Lichtbeute an der Erdoberfläche liegt bei 75%Sⵙ = 1000 W/m² der Wirkungsgrad müsste dann also bei satten 833% liegen ......

Die anderen Angaben waren A = 4x8 cm², ΔT=100 K und F=30 N. Das ist natürlich ohne Angabe der Hubhöhe vollkommen wertlos. Immerhin könnte man es auf qm umrechnen
312,5 * 30 N/m² = 9375 Pa also etwa 10% des Luftdrucks. Ob da nicht ein Luftballon in der Sonne mehr Power entwickelt?

p/T = rho_M*R_x = rho_M*kB/mM = 359 Pa/K
bei ΔT=100 K sind das dann 36000 Pa, also fast 4 Mal soviel wie mit dem Biplastik.

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Wirkungsgrad Bimetall 25 01. 2020 00:07 #64350

ra-raisch schrieb: Naja, wie ich sagte, die Effektivität hängt davon ab, welcher Anteil der Wärmeenergie denn durch die Biegung nutzbar wird, und das wäre sicher im kleinen Prozentbereich. Der größte Teil geht ja als Abwärme in der kalten Nachtluft wieder verloren.

Ok, ich habe mich täuschen lassen von der Annahme, dass Energie fähig wäre, Arbeit zu leisten. Energie ist unfähig, Arbeit zu leisten, nur der Energieunterschied ist dazu fähig. Und die Arbeit leistet dann auch nicht der Energieunterschied, sondern der Ausgleich des Energieunterschiedes. Und für die Verbiegung des Bimetalls gleicht sich nur ein sehr kleiner Teil des Energieunterschiedes aus. Wenn ich ein Stück Eisen und ein Stück Bimetall unter gleichen Bedingungen in die Sonne lege, dann erhitzt sich das Eisenstück auf 70 Grad und das Bimetall auf 69 Grad, 1 Grad beansprucht die Verbiegung. Und diesen Anteil bekomme ich wieder heraus, wenn sich das Bimetall wieder zurückbiegt. Der Rest geht als Abwärme verloren.

Wenn ich z.B ein von der Sonne bestrahltes, unten offenes, schwarz angestrichenes und in Glas eingefasstes Kupferrohr mit Innenlamellen, um die Oberfläche zu erhöhen, aufstelle und oben ein Windrad anbringe, dann ist der Wirkungsgrad wesentlich höher als bei einem Bimetall-Antrieb, der Aufwand wesentlich geringer und die Lebensdauer auch wesentlich größer. Also, nix iss mit Bimetall-Antrieb. Mit der Sonne geht dann allerdings auch der Strom unter. Also, auch nix gscheites :(

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Wirkungsgrad Bimetall 25 01. 2020 01:27 #64352

Exakt
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Wirkungsgrad Bimetall 25 01. 2020 09:18 #64355

Das bedeutet also, wenn ich dieses Bimetall ohne Sonneneinstrahlung händisch biege, denn erwärmt es sich um 1 Grad. Nachdem das Bimetall diesen Grad an die Umgebung abgegeben hat und ich wieder auslasse, dann kühlt es sich um 1 Grad relativ zu seiner ursprünglichen Temperatur ab, welche es sich dann von der Umgebung wieder zurückholt und die Ursprungstemperatur wieder hergestellt ist (der Wert ist natürlich willkürlich angenommen). Ist das so richtig oder ist das wieder etwas ganz anderes?

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Wirkungsgrad Bimetall 25 01. 2020 09:30 #64356

badhofer schrieb: Wenn ich ein Stück Eisen und ein Stück Bimetall unter gleichen Bedingungen in die Sonne lege, dann erhitzt sich das Eisenstück auf 70 Grad und das Bimetall auf 69 Grad, 1 Grad beansprucht die Verbiegung. Und diesen Anteil bekomme ich wieder heraus, wenn sich das Bimetall wieder zurückbiegt. Der Rest geht als Abwärme verloren.

Es wird sich ja auch ein thermisches Gleichgewicht einstellen und der Großteil als wärme abgestrahlt . Die Idee an sich ist gut nur du musst Moleküle nehmen die ihre Bindung ändern .
reset.org/blog/solarenergie-18-jahre-spe...ts-moeglich-10102018

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Wirkungsgrad Bimetall 25 01. 2020 11:31 #64361

badhofer schrieb: Ist das so richtig oder ist das wieder etwas ganz anderes?

Ich denke, dass beim Verbiegen andere Faktoren eine Rolle spielen als bei der Erwärmung von Bimetall.

Das Bimetall muss die Kraft aufbringen, um sich selbst zu verbiegen. Die Erwärmung führt zur unterschiedlichen Dehnung, wodurch diese Kraft entsteht. Die Erwärmung setzt zusätzlich die erforderliche Kraft herab, das Metall wird weicher.
Beim unmittelbaren Verbiegen muss man nicht erst erwärmen, es fällt nur ein kleiner Teil Abwärme an. Die Kraft wird zum größten Teil für die Änderung der Potentiale verwendet. Dies entspricht der Nutzkraft beim Bimetall.

Das ist Festkörperphysik....das habe ich mir noch nie angesehen.

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Wirkungsgrad Bimetall 25 01. 2020 22:12 #64410

Kleiner Einwurf:
Ein Bimetall besteht aus zwei Metallstreifen, die miteinander verbunden sind. Beide Metalle haben jeweils ihren eigenen Ausdehnngskoeffizienten. Bei Beaufschlagung mit Wärme, benötigt das eine mehr Raum als das andere. D.h., der eine Streifen streckt sich mehr, als der andere. Und dadurch verbiegen sich beide in eine Richtung. Sinkt die Umgebungstemperatur, nimmt die Biegung wieder ab.
Es sind also die verschiedenen Materialeigenschaften, die bei variabler Temperatur unterscheidbar reagieren.

Die Kräfte, die dabei auftreten, sind enorm! Deshalb baut man in Bahnschienen oder in Brücken etc. Dehnungsfugen ein, denn andernfalls würden diese unmittelbar angrenzenden Beton einfach wegsprengen.

Werden die zukünftigen Temperaturen im Sommer immer heißer, kann man sich leicht vorstellen, dass die eingebauten Dehnungsfugen irgendwann nicht mehr ausreichend sein werden, mit noch unbekannten Folgen.

Thomas

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Wirkungsgrad Bimetall 25 01. 2020 22:54 #64412

Thomas schrieb: Die Kräfte, die dabei auftreten, sind enorm!

Ja schon, aber im Vergleich zur benötigten Wärmeenergie sind sie dennoch minimal. Ich denke, dass meine Rechnung oben schon richtig sein wird.

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Wirkungsgrad Bimetall 26 01. 2020 00:46 #64415

Rainer,
Wärmeenergie entspricht dem Platzbedarf von Teilchen und dem Energieinhalt der WW- Partner zu einer zugehörigen Temperatur.
Wenn du die Statistik der Brownschen Molekularbewegung und die damit verbundenen Kräfte ins Kalkül ziehst, kannst du die Größenordnung der resultierenden Kräfte abschätzen.

Ob deine Überlegungen oben diesen Sachverhalt treffen, hm.

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Wirkungsgrad Bimetall 26 01. 2020 11:50 #64421

+ Differenz wegen Energie und so, und die ist hier Massiv im Keller.

Ja ich kann alles, sogar definieren was ich nicht kann.

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Wirkungsgrad Bimetall 26 01. 2020 12:04 #64424

Ich nehme willkürlich Zahlen an:
Wenn ich ein 100 m langes und 1 m dickes Bimetall bei gleichbleibender Temperatur mechanisch um 10 m verbiege, dann muss ich eine immense Kraft ausüben (wieviel, lässt sich sicher leicht errechnen). Diese Kraft steckt dann im verbogenen Bimetall. Wenn ich auslasse, bekomme ich diese Kraft wieder heraus mit wahrscheinlich gar nicht so einem hohen Verlust. Wenn ich das Biegen jedoch der Sonne überlasse, dann bekomme ich dieselbe Kraft wieder heraus, wenn sich nachts das Bimetall wieder zurückbiegt. Eigentlich könnte man da nicht sagen, dass die Abwärme eine verloren gegangene Wärme ist. Die Wärme von der Sonne wird ja fast zur gänze umgesetzt.

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Wirkungsgrad Bimetall 26 01. 2020 14:08 #64430

LOL, ja du Moderator ich widerspreche dir besser nicht, bei der Politik hier. Was du da schreibst ist jedoch Humbug, Blödsinn.
Was für eine Temperatur möchtest du da von der Sonne bekommen haben das da diese Bimetall 1 Meter verbogen wird,.... Ok da es 0 Meter Breit ist nehme ich nun in der tat an, es existiert gar nicht, jedoch was soll das dann sein was du uns Sagen möchtest.

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Wirkungsgrad Bimetall 26 01. 2020 15:39 #64434

badhofer schrieb: Eigentlich könnte man da nicht sagen, dass die Abwärme eine verloren gegangene Wärme ist. Die Wärme von der Sonne wird ja fast zur gänze umgesetzt.

Nein, die Wärme wird nur zu einem winzigen Bruchteil umgesetzt.

Ich nehme allerdings auch nur willkürliche Zahlen:
Zum Biegen brauchst Du zB E = F*s = 100 N * 1 m = 100 J, davon gehen 10 J in eine Erwärmung und 90 J in die Biegespannung, die nachher wieder herausspringt.
Mit der Sonne musst Du das Metall aber um 100 K erwärmen, sagen wir mal m*cτ*T = 10 kg * 0,8 J/kgK * 100 K = 800 J
Am Ende bekommst Du Deine 90 J beim Zurückbiegen, und die Abwärme trägt 710 J davon hinweg.

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Wirkungsgrad Bimetall 27 01. 2020 07:38 #64481

ra-raisch schrieb: Mit der Sonne musst Du das Metall aber um 100 K erwärmen, sagen wir mal m*cτ*T = 10 kg * 0,8 J/kgK * 100 K = 800 J
Am Ende bekommst Du Deine 90 J beim Zurückbiegen, und die Abwärme trägt 710 J davon hinweg.

Die Rechnung ist unvollständig , die Energie die von der sonne aufgenommen und als wärme abgegeben wird muss in die Wirkungsgrad Rechnung .

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Wirkungsgrad Bimetall 27 01. 2020 11:14 #64488

Chris schrieb: Chris schrieb: LOL, ja du Moderator ich widerspreche dir besser nicht, bei der Politik hier. Was du da schreibst ist jedoch Humbug, Blödsinn.

Ich schriebe hier als Mitglied so wie du und alle anderen auch. Da kann man schon mal einen Blödsinn schrieben. Wenn es zu ein großer Humbug ist, wird mich schon ein Moderator darauf hinweisen, dass ich das unterlassen soll. Es ist ja nur so ein Gedanke. Nachdem wir nicht sehr gesegnet sind mit dem Speichern von Sonnenenergie, ist das schon zulässig, sich solche Gedanken zu machen.

@ra-raisch
Du sagst also:
Von den 100% Sonneneinstrahlung benützt das Bimetall ungefähr 90%, um sich aufzuheizen und 10% um sich zu verbiegen. Diese 10% würde man dann Nachts nützen können, die restlichen 90% gehen als Abwärme verloren. Damit ist der Wirkungsgrad zu gering, damit der Vorteil, die Sonne auch Nachts scheinen lassen zu können, überwiegen würde. Ist das so richtig?

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Wirkungsgrad Bimetall 27 01. 2020 11:56 #64489

Richtig ist jedenfalls, dass dieses 100 Meter lange und 1 Meter "dicke" Monstrum auch noch eine dritte Dimension hat, nehmen wir mal 0,1 Meter an. Das Gewicht wird gegen 100 Tonnen gehen, zum Vergleich: ein Airbus A380 hat 250 Tonnen.
Diese überdimensionale Bi-Metall-Stange wird an einem Ende so aufgehangen, dass die 100 Meter frei schweben, um sich bewegen zu können. Oder aber die 100 Meter liegen auf und müssen zusätzliche Reibung überwinden.
Die Verklebung oder neutraler ausgedrückt die Verbindung der beiden Metalle wird problematisch. Möglicherweise zerreißt es die Konstruktion beim Biegen.
Was genau soll diese Stange eigentlich leisten ?

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Wirkungsgrad Bimetall 27 01. 2020 13:06 #64492

badhofer schrieb: damit der Vorteil, die Sonne auch Nachts scheinen lassen zu können, überwiegen würde. Ist das so richtig?

Davon gehe ich aus. Ich bin mir ziemlich sicher, dass sich die Platte beim Verbiegen bei weitem nicht auf 100°C erwärmen wird und dass am Ende jede Erwärmung als Abwärme verloren geht.
heinzendres schrieb: Die Rechnung ist unvollständig , die Energie die von der sonne aufgenommen und als wärme abgegeben wird muss in die Wirkungsgrad Rechnung .

Genau dies ist es, was ich prinzipiell vorgerechnet habe und badhofer entgegenhalte.

Das einzige was fehlt, ist die Umsetzung von Licht in Wärme. Doch dies dürfte ja bei anderen Photovoltaikanlagen um einen einstelligen Faktor schlechter und bei Solarwärmeanlagen ähnlich gelagert sein, und um diesen Vergleich ging es ja letztlich.

Hier habe ich einen Simulator gefunden zum Experimentieren, allerdings ohne Zahlen.
www.edumedia-sciences.com/de/media/894-bimetallstreifen

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