Материал: Шилов Лабораторный практикум курса обсчей физики Разделы 2012
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1.Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. Молекулярная физика и термодинамика. М.: Астрель, АСТ, 2003. С. 14–22.
2.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Физматлит, 2006. С. 44–64.
Дополнительная
1.Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. С. 9–17.
2.Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1981. С. 119–124.
181
Работа 2.18
КОЛЛЕКТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Цель: измерение параметров воды в коллекторе и определение облученности плоскости коллектора.
Оборудование: коллектор, лабораторный термометр, циркуляционный насос, набор соединительных трубок, источник питания, теплообменник, нагреватель на 1 кВт, нагнетательный вентилятор (фен), галогеновая лампа на штативе, лабораторный стакан, рулетка, цифровой секундомер.
ВВЕДЕНИЕ
Солнечный коллектор – устройство для поглощения солнечной энергии и преобразования ее в тепловую энергию воды. В состав солнечного теплового коллектора входит прозрачная панель, теплопоглощающая панель, набор соединительных трубок для жидкостного теплоносителя, теплоизоляционный слой. Схема солнечного коллектора представлена на рис. 2.18.1.
Рис. 2.18.1
182
На рисунке даны следующие обозначения: 1 – корпус коллектора; 2 – вход воды в коллектор; 3 – трубки; 4 – выход воды из коллектора; 5 – термометр; 6 – лабораторный стакан. Солнечный коллектор освещается галогеновой лампой известной интенсивности. Тепловая энергия, поглощенная коллектором, может быть вычислена через расход жидкости и разницу температур воды на входе и на выходе из поглотителя при условии, что температура воды, подаваемой на вход устройства, остается почти постоянной при сбрасывании энергии в резервуар. Этим определяется эффективность коллектора.
Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. Самые простые приемники содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть. Приемники более сложной конструкции нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая, как правило, затем накапливается в отдельном резервуаре (баке-аккумуляторе).
Поток лучистой энергии, поглощаемой поверхностью приемника, составляет
Qпов = τпов α A I, |
(2.18.1) |
где Qпов – поток лучистой энергии, Вт; τпов – коэффициент пропускания солнечного излучения прозрачным покрытием (принимается равным 0,9 для одинарного стеклянного покрытия; 0,8 – для двойного стеклянного покрытия; 0,81 – для селективного стекла); α – коэффициент поглощения приемной поверхностью коллектора солнечного излучения (принимается равным 0,9 для одинарного стеклянного покрытия; 0,9 – для двойного стеклянного покрытия; 0,81 – для селективного стекла); А – площадь освещаемой поверхности коллектора; I – облученность поверхности солнечного коллектора, Вт/м2.
В процессе поглощения энергии температура поверхности приемника повышается и становится существенно выше температуры окружающего воздуха. Это приводит к возникновению обратного теплового потока в окружающую среду, который можно определить
Qпот = A(Тп – То.с)/Rп, |
(2.18.2) |
где Тп – температура приемной поверхности коллектора, К; То.с. – температура окружающего воздуха, К; Rп – термическое сопротив-
183
ление приемной поверхности коллектора (для типичных коллекторов можно принять равным 0,13 м2 К/Вт для одинарного стекла; 0,22 м2 К/Вт – для двухслойного стекла; 0,4 м2 К/Вт – для селективного стекла).
Уравнение солнечного коллектора тогда можно представить
Qск = A [τпов α I – (Тп – То.с)/Rп].
Однако не вся энергия, получаемая коллектором, передается воде, а только ее часть, характеризуемая коэффициентом перехода kf солнечной энергии, показывающим долю теплового потока Qск, передаваемого жидкости, принимается равным 0,85:
Qж = kf Qск.
Количество же тепла, требуемого для нагрева жидкости на определенную разницу температур, можно записать в виде
Q ж = Lρc(Тк – Тн), |
(2.18.3) |
где Qж – количество тепла, Вт; Тк – конечная температура воды, К; Тн – начальная температура воды, К; ρ – плотность воды, равная 1000 кг/м3; с – теплоемкость воды, равная 4200 Дж/кг, К; L – объемный расход воды, м3/с. Уравнение теплового баланса коллектора можно записать в виде
kA(τповαI −(Tн −To.c )/ Rп )= Lρc(Tк −Tн ) . |
(2.18.4) |
Из уравнения баланса солнечного коллектора определяются все основные характеристики.
В России имелся опыт создания и применения, главным образом, установок солнечного горячего водоснабжения различного масштаба, в том числе достаточно крупных производительностью до 120 т горячей воды в день. Солнечные коллекторы нашли широкое применение в теплоснабжении и горячем водоснабжении во многих странах, особенно в Австралии, Израиле, США, Японии, Испании. Современные солнечные коллекторы работают даже в мороз.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
В установке, изображенной на рис. 2.18.2, вода циркулирует под действием циркуляционного насоса 7 по контуру, состоящему из
184
коллектора 3, теплообменника 6, расходомера 8, смонтированного в одном блоке с циркуляционным насосом, и соединительных резиновых шлангов 5. На входе в коллектор и на выходе из него установлены термометры 2 и 4 для измерения температур втекающей и вытекающей воды. Коллектор может освещаться мощной лам- пой-нагревателем 1, имитирующей поток солнечного излучения. Для стабилизации температурного режима циркулирующая вода проходит через теплообменник 6 (погруженный в сосуд с водой спиралевидный металлический трубопровод). Циркуляционный насос приводится в действие электродвигателем, питаемым от источника напряжения 9.
Рис. 2.18.2
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
1.Непревышатьмаксимальнуютемпературунагреваводы(55 °С).
2.Проверить исправность предохранительных клапанов.
3.Соблюдать осторожность при работе со стеклянными изделиями в составе экспериментальной установки.
185