Дослідження роботи сонячного колектора та ефективності гравітаційної геліосистеми

Ім'я файлу: 1111111.docx
Розширення: docx
Розмір: 538кб.
Дата: 24.12.2021
скачати
Пов'язані файли:
лаба 9лера.docx
господарське право.docx
Курсова_Гнилюх_Юлія.docx

Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра теплогазопостачання та вентиляції

Лабораторна робота №1
з курсу
‘’Нетрадиційні джерела енергії’’

На тему: «Дослідження роботи сонячного колектора та ефективності гравітаційної геліосистеми»

Виконала

студентка групи БДТГ-11

Перевірил

.

Львів 2021

Мета лабораторної роботи.

Ознайомлення студентів з вимірюванням променистої енергії, набування навичок проведення експериментальних досліджень надходження, отримання та акумулювання теплової енергії гравітаційною геліосистемою. Здійснення висновків про роботу даної системи.

1. Теоретичні відомості

1.1. Сонячна енергія

Джерела енергії поділяють на дві групи: відновні (нетрадиційні) та невідновні (традиційні). Відновні – це джерела на основі постійно існуючих чи періодично виникаючих в навколишньому середовищі потоків енергії.

Невідновні – це природні запаси речовин і матеріалів, які можуть бути використані людиною для виробництва енергії. Перевагами сонячної енергії, порівняно з традиційними видами палива, є:

невичерпність джерела енергії; можливість використання сонячної енергії практично на всіх ділянках земної поверхні;
можливість безпосереднього перетворення сонячної енергії в теплову або електричну;
можливість отримання високотемпературних теплоносіїв.

Сонячний спектр можна умовно поділити на три основні області:

- ультрафіолетове випромінювання (λ < 0,4 мкм ) – 9 % інтенсивності;

- видиме випромінювання ( 0,4 мкм < λ < 0,8 мкм) – 45% інтенсивності;

- інфрачервоне випромінювання (0,8 мкм < λ < 1000 мкм ) – 46% інтенсивності.

Відомо, що Сонце, нагріте до температури 5000 К, випромінює електромагнітні хвилі різної довжини, що утворюють сонячний спектр. Проходячи через атмосферу, цей спектр змінюється. Сонячна енергія досягає атмосфери направленим потоком, проте на поверхню Землі поступає як прямий потік, так і розсіяне атмосферне випромінювання. Сонячне випромінювання, що падає по нормалі на поверхню Землі, змінюється через:

зміни у відстані між Землею і Сонцем;
атмосферне розсіювання молекулами повітря, водяної пари і пилу;
атмосферне поглинання киснем, озоном, водою і вуглекислим газом.

Прямим випромінюванням називається сонячна енергія, яка надходить від Сонця без зміни напрямку. Дифузним (розсіяним) – називається випромінювання від Сонця, яке надходить після зміни його напрямку в результаті відбивання і розсіювання атмосферою.

Енергія випромінювання Сонця, падаючого за одиницю часу на одиницю площі поверхні, перпендикулярної потоку випромінювання в космічному просторі на середній відстані між Землею і Сонцем, дорівнює 1353 Вт/м2 і називається сонячною сталою.

Рівень розсіяної сонячної енергії в безхмарний день в 1,5-2 рази нижчий прямої і складає 0,15 – 0,30 кВт/м2 . Прямий потік сонячної енергії, що проходить через атмосферу при нормальному тиску, взаємодіє із певною масою повітря. Збільшення шляху променя під кутом відмінним від нормального називається масою атмосфери "m". Довжина шляху по вертикалі відраховується від рівня моря і приймається рівною одиниці. Таким чином на рівні моря, коли Сонце знаходиться в зеніті, m = 1.

Довжини хвиль, що найбільш важливі в спектрі сонячного випромінювання для використання сонячної енергії у геліосистемах, відповідають області спектру від ультрафіолетового до ближнього інфрачервоного випромінювання, тобто 0,2 – 25 мкм. Більша частина сонячної енергії на поверхні Землі припадає на діапазон 0,29-3 мкм. Випромінювання в області спектра 0,2 – 100 мкм називається тепловим і має визначальний вплив на роботу сонячних колекторів.

Інтенсивність випромінювання визначається як енергія випромінювання, що проходить за одиницю часу через одиницю площі уявної площини в одиниці просторового кута, вісь якого перпендикулярна до цієї уявної площини.

Інтенсивність сонячної енергії впродовж доби змінюється від максимуму в обід до нуля вночі. Тому важливими для систем сонячного теплопостачання є акумулятори сонячної теплової енергії, що могли б акумулювати сонячну енергію в період сильної інтенсивності та віддавати її вночі та при тривалому захмаренні.

1.2. Сонячні колектори

У системах сонячного теплопостачання основними елементами є сонячні колектори. Вони сонячну енергію перетворюють в теплову з подальшим акумулюванням і передаванням її споживачеві. На сьогодні існує багато праць, присвячених дослідженню сонячних колекторів. А в системах безпосереднього перетворення сонячної енергії в електричну основними складниками є фотоелементи.

В сонячному колекторі сонячний тепловий потік перетворюється в теплоту, яка може відбиратись потоком теплоносія (вода, повітря, антифриз та ін.), що протікає через теплопоглинач. Плоский сонячний колектор, в основному, складається із прозорого покриття, теплопоглинача, теплоізоляції та корпусу. Схема типового плоского сонячного колектора подана на рис. 1.

Рис.1. Схема плоского сонячного колектора:

1 – прозоре покриття; 2 – теплопоглинач; 3 – теплоізоляція; 4 – корпус

Теплопоглиначі поділяють на: відкриті, закриті, вакуумовані. На рис. 2. подано конструкції найбільш поширених теплопоглиначів.

Рис. 2. Види конструкцій теплопоглиначів сонячних колекторів:

а – варіанти кріплення металевого листа і труби; б – регістр із труб з прикріпленим до них листом; в – панель із двох листів: гофрованого і плоского; г – стандартний панельний опалювальний радіатор; д – регістр із труб із поперечними ребрами; е – регістр із труб із поздовжніми ребрами

Сонячні колектори поділяють на плоскі (рис. 3, а) та концентруючі (рис. 3, в), а ті в свою чергу на повітряні (рис. 3, г) і рідинні, високотемпературні і низькотемпературні. Конструкції сонячних колекторів постійно вдосконалюються.

У плоских колекторах поверхня, що сприймає сонячне випромінювання є одночасно і його поглиначем (на відміну від концентруючих). Вони застосовуються для нагріву теплоносія до невисоких температур. Такі колектори не потребують постійного обслуговування та використовують як пряму, так і розсіяну сонячну енергію, тому можуть працювати і в хмарну погоду, але найкраще вони сприймають пряму сонячну енергію під прямим кутом до теплопоглинача.

У зв’язку із малою щільністю потоку сонячної енергії використовують концентратори. Відбивними концентраторами є дзеркала та поверхні певної форми (параболоїдної) із спеціальних матеріалів. Проте тривала експлуатація відбивачів пов’язана із багатьма труднощами. Відбивачі піддаються окисленню, стиранню, забрудненню і.т.п.

Для зменшення тепловтрат конвекцією застосовується вакуум між теплопоглиначем і прозорим покриттям, що реалізовано у вакуумних трубчастих колекторах (рис. 3, б).

Рис. 3. Сонячні колектори:

а – плоский сонячний колектор; б - вакуумний трубчастий колектор;

в – концентруючий колектор; г – повітряний сонячний колектор

1.3. Методи досліджень сонячних колекторів

На даний час існує ряд методик дослідження сонячних колекторів, що базуються на різних математичних моделях. Існує багато закордонних стандартів по дослідженню сонячних колекторів та вимірюванню сонячної енергії, а також розроблені стандарти України для випробування сонячних колекторів. Звісно, всі ці моделі мають деякі припущення щодо теплообмінних процесів в колекторі.

Квазістаціонарні методи досліджень плоских сонячних колекторів грунтуються на моделі Хоттеля-Уіллера-Бліса (модель з нульовою ємністю). В цій моделі нехтують впливом перехідних процесів при нагріві та охолодженні сонячного колектора на його ефективність. Режим роботи сонячного колектора описується рівнянням енергетичного балансу:

де I – інтенсивність потоку сонячної енергії (прямого чи розсіяного), що падає на одиницю площі поверхні з довільною орієнтацією, Вт/м2;

R – коефіцієнт переходу від густини потоку прямого (b) чи розсіяного (d) випромінювання до потоку випромінювання в площині орієнтації СК;

(DA) – приведена поглинаюча здатність системи покриттів відносно прямого і розсіяного сонячного проміння;

F – площа сонячного колектора, м2;

Qu – тепловий потік, переданий робочій рідині в сонячному колекторі (корисне тепло), Вт;

Ql – тепловтрати колектора в навколишнє середовище шляхом випромінювання і конвекцією, а також шляхом теплопровідності по опорах поглинаючої пластини і т.п., Вт;

Qs – потік тепла, що акумулюється колектором, Вт.

Миттєвий ККД сонячного колектора η визначається як відношення його питомої теплопродуктивності до густини потоку сонячної енергії і описується рівнянням:

де F_R – коефіцієнт відводу тепла із сонячного колектора;

( DA ) – приведена ефективна поглинаюча здатність сонячного колектора;

U_L – повний коефіцієнт тепловтрат, Вт/К;

t_f,i– температура на вході в сонячний колектор, К;

t_a – температура навколишнього повітря, К.

Оскільки натурні дослідження залежать від погодних факторів і супроводжуються багатьма труднощами, перспективним є дослідження сонячних колекторів в лабораторних умовах.

Лабораторні методи досліджень можуть бути з імітаторами сонячного випромінювання і без них. Застосування імітаторів сонячного випромінювання для досліджень дозволяє при менших затратах часу проводити велику кількість дослідів, задавати і керувати факторами незалежно від погодних умов.

2. Методичні рекомендації виконання лабораторної роботи

2.1. Опис лабораторної установки

Лабораторна установка складається із сонячного колектора 1, який з’єднаний із баком-акумулятором 2 за допомогою трубопроводів охолодженого 4 та нагрітого 5 теплоносія. На вході та виході теплоносія з сонячного колектора встановлені термометри 7,8. Також термометр 9 встановлено в баці-акумуляторі.

Під дією випромінювання, що створюється випромінювачем 3 у сонячному колекторі 1 відбувається нагрів теплоносія, який трубопроводом 5 під дією гравітаційних сил надходить в бак-акумулятор 2, а на його місце в сонячний колектор 1 трубопроводом 4 надходить більш холодний теплоносій.

Рис.4. Схема експериментальної установки:

1 – сонячний колектор; 2 – бак акумулятор; 3 – випромінювач;

4,5 – трубопроводи охолодженого та нагрітого теплоносія; 6 – злив

теплоносія; 7,8,9, 10 – термометри

Інтенсивність випромінювання здійснюється актинометром Ленінградського інституту охорони праці (ЛИОТ). Актинометр призначений для вимірювання інтенсивності променистої енергії, яку випромінюють нагрівальні печі, розплавлений метал та інше обладнання, пов’язане з високотемпературними технологічними процесами.

Актинометр складається із гальванометра і розміщеного на його тильній стороні приймача теплової радіації з вічком (рис. 5). В якості приймача теплової радіації прийнята термобатарея (рис. 5 б) – алюмінієва пластинка, окремі полоси якої чорного кольору, інші – яскраво-сріблястого. Зі зворотної сторони різноколірних полосок пластини через електроізолятор прикріплені спаї мідь-константанових термопар. Спаї термопар, що прикріплені до полосок чорного кольору – "гарячі спаї"; до яскраво-сріблястого – "холодні спаї".

Рис. 5. Актинометри ЛИОТ:

а) загальний вигляд; б) вид з тильної сторони (приймач теплової

радіації актинометра)

Принцип роботи приладу ґрунтується на неоднаковій поглинальній здатності темних і сріблястих полосок. Темні полоски поглинають теплове випромінювання у декілька разів більше ніж сріблясті і, відповідно, ступінь нагріву цих полосок буде різний. Буде різною і величина нагрівання спаїв термопар, що викличуть в свою чергу в замкнутому колі термопар виникнення електрорушійної сили. Електрорушійна сила вимірюється гальванометром, шкала якого проградуйована в калоріях на 1 см2 за хвилину, в границях від 0 до 20 кал/(см2 хв). Кожне ділення шкали відповідає 0,5 калорії.

Перед проведенням замірів стрілку гальванометра за допомогою коректора встановлюємо на нульове положення при закритому вічку приймача енергії. Після цього приймач актинометра направляємо на джерело випромінювання, відкриваємо вічко приймача теплової енергії і через декілька секунд (коли стрілка гальванометра прийме статичне положення) знімаємо покази і зразу вічко закриваємо. При замірах прилад необхідно тримати у вертикальному положенні. Заміри теплової радіації приводимо на різних відстанях від джерела випромінювання.

2.2. Виконання лабораторної роботи

1. Перевіряємо наявність теплоносія в системі.

2. Вмикаємо випромінювач 3.

3. Відмічаємо час початку нагріву сонячного колектора.

4. Одразу ж після увімкнення випромінювача записуємо значення температур усіх точкок вимірювання у таблицю 1 (стовбці -3,4,5).

5. Чекаємо зміну температури на вході/виході сонячного колектора та в баці акумуляторі (при зміні значення хоч однієї температури, заповнюємо стовбціі1, 2, 3, 4, 5, 6 таблиці 1).

6. Кожні 5 хвилин робимо заміри температур.

7. Кожні 10 хвилин вимірюємо інтенсивність випромінювача.

8. Результати заносимо в таблицю 1.

Таблиця 1

Дослідження роботи сонячного колектора та гравітаційної геліосистеми

№ досл.	𝞽 час нагріву, с	t_о, темп. оточ. середов., ⁰С	t₁, темп. на вході, ⁰С	t₂, темп. на виході, ⁰С	t₃, темп. в баці-акумуляторі, ⁰С	І, Інтесивність випромінювача, Вт	_ГС, ККД системи СТ
1	2	3	4	5	6	7	8
1	480	19	6	11	8	450	9,72
2	480	19	10	17	14	450	13,61
3	480	20	15	20	17	450	9,72
4	480	20	21	27	24	450	11,67
5	480	21	26	31	28	450	9,72
6	480	21	30	35	33	450	9,72

2.3. Опрацювання результатів вимірювань

1. Будуємо графік залежності температур від часу нагріву.

2. Визначаємо ефективність геліосистеми, що 5 хв.

Ефективність геліосистеми _ГС за кількістю енергії, отриманої бакомакумулятором Q_отр визначається за допомогою наступної залежності:

де Qотр ‒ кількість тепла, що отримав бак-акумулятор за час ∆t , с, визначається експериментально;

Qпром – кількість променевого тепла, що надійшла на поверхню теплопоглинача сонячного колектора за той самий проміжок часу ∆T , с.

де с – питома теплоємність теплоносія, Дж/(кг*К);

m – маса теплоносія, кг;

t3,і-1, t3,і – середні температури теплоносія в бакові-акумуляторові на початку та в кінці заміру за певний проміжок часу, К.

де Fск ‒ площа теплопоглинача сонячного колектора, м2;

Ів – інтенсивність випромінювання джерела на поверхню теплопоглинача сонячного колектора, Вт/м2 ;

 ‒ проміжок часу, с.

Отже, всередньому ККД геліосистеми _ГС за кількістю енергії, отриманої бакомакумулятором Q_отр відносно отриманої на поверхню енергії становить 10,69 %.

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Желих В.М. Нетрадиційні джерела енергії: Конспект лекцій для студентів ІБІД/ В.М. Желих, О.Т. Возняк, Ю.С. Юркевич – Львів : Видавництво НУ «Львівська політехніка», 2009. – 84 с.

2. Кондратьев К.Я. Лучистая энергия солнца./К.Я. Кондратьев – Ленинград : Гидрометеорологическое изд-во. 1954.

3. Минх А.А. Методы гигиенических исследваний/А.А. Минх – М. : Из-во "Медицина", М., 1971.

4. Дверняков В.С. Сонце – енергія та життя / В.С. Дверняков. – К.: Наук. думка, 1991. – 176 с.

5. Даффи Дж.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии Дж.А. Даффи, У.А. Бекман; пер. с англ. под. ред Ю.Н.Малевского . − М.: Мир, 1977. – 420 с.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас