Исследование отопительного коллектора с помощью светового пучка воды

DOI: 10.32743/UniTech.2021.84.3-4.32-36

АННОТАЦИЯ

Эффективное использование солнечного света было изучено экспериментально с использованием лабораторного оборудования «Lex Polar-Thermal Energy Professional L3-03-191».

ABSTRACT

The effective use of sun light using laboratory equipment “Lexsolar-Thermal Energy Professional L3-03-191” was studied experimentally.

Ключевые слова: поток энергии, конвекция, теплопроводность, излучение, INFRAREDPAR38E, коэффициент полезного действия, параболическое отражение.

Keywords: energy flux, convection, conductivity of thermal, radiation, INFRAREDPAR38E, efficiency, parabolic reflector.

Из лучей, исходящих от солнца, можно получать энергию в различных формах, включая электрическую и тепловую энергию. Свет состоит из электромагнитных волн определенного диапазона.

Из всего состава излучения человеческий глаз может видеть только лучи с длиной волны от 3,8·10-7 м до 7,7·10-7 м. Лучи с длиной волны короче 3,8·10-7 м называются ультрафиолетовыми лучами, а лучи с длиной волны больше 7,7·10-7 м-инфракрасными лучами.

Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи не видны невооруженным глазом [1].

Эти лучи используются для различных целей в зависимости от их свойств. Как известно, основная масса световых лучей будет состоять из тепловой энергии.

Различают три вида теплоотдачи: 1-конвекционная; 2-теплопроводная; 3-тепловое излучение. Тепло от Солнца достигает поверхности Земли через излучение.

Инфракрасный свет составляет основную часть энергии спектра света, исходящего от солнца. Эффективное использование этого света является одной из важных проблем современности. Изучение и обучение такому способу получения энергии является одним из важнейших звеньев современного образования.

Поэтому стоит в совершенстве научить студентов этому виду энергии, которую можно получить от солнца.

Умение применять изученные теоретические знания учащимися на практике является одной из важных проблем современности. В решении этой проблемы эффективно поможет лабораторное оборудование “Lexsolar-Thermal Energy Proffesional L3-03-191”. В данной работе применена практика получения экспериментальных результатов с использованием данного оборудования с применением теоретических знаний.

Солнечное тепло может использоваться для нагрева воды, резервирования систем отопления или обогрева бассейнов. Солнечные коллекторы используются для отопления домов и производственных зданий и получения горячей воды для производственных нужд.

В процессе производства используется в основном достаточно нагретая вода температурой 30-90°С. Вода такой температуры может быть получена с помощью солнечных коллекторов [2]. Солнечные коллекторы-это оборудование, применяемое для получения тепловой энергии и электричества. Коллекторы в основном выполнены в черном цвете, чтобы эффективно поглощать все виды лучей, исходящих от солнца. Существуют следующие типы солнечных коллекторов:

1. Плоский.

2. Вакуумный.

3. Солнечные коллекторы с концентраторами.

Плоские коллекторы состоят в основном из светопоглощающих, прозрачных и теплоизоляционных слоев. Поглощающий слой называется абсорбером и связан с теплопроводящим слоем. Прозрачный элемент изготавливают из стекла, в которое вводят небольшое количество металлической смеси и подвергают обработке. Плоские коллекторы способны нагревать воду до 30-60 °С. Используется для получения горячей воды из плоских коллекторов.

Вакуумные промежуточные слои создаются с использованием многослойных стеклянных покрытий с целью предотвращения потерь тепловой энергии. В результате можно получить горячую воду с температурой до 60-90 °С.

Вакуумные коллекторы изготавливаются слоистым способом, имеют структуру, похожую на термос, используемый в быту, только верхняя часть его прозрачна, а на поверхность внутренней части трубы укладывается слой, чувствительный к солнечному свету и контролирующий солнечный свет. Вакуум образуется между верхней и внутренней стеклянной трубкой. Вакуумный слой обеспечивает сохранение 95% тепловой энергии [3].

Также на практике используются концентраторные коллекторы, имеющие параболическую форму.

Такие коллекторы напоминают спутниковые тарелки. В результате солнечный свет фокусируется и нагревает небольшую площадь, а эффективность использования энергии в этом случае велика.

Использование концентраторных коллекторов, работающих на солнечных батареях, очень удобно в использовании, а также экономически выгодно для нашей республики.

В проведенном эксперименте был опробован один из способов эффективного использования солнечного света. Эксперимент проводился в методике сравнения. Эксперимент проводился для случаев, когда параболическое отражение не применялось (рис.1) и применялось (рис. 2).

Рисунок 1.  Устройство, в котором параболическое зеркало собрано в неприменимом положении

1- INFRARED PAR38E; 2-цилиндрический коллектор; 3-шланговая трубка; 4 - электронасос; 5 - пробирка; 6-жидкостный термометр.

Рисунок 2. Устройство, в котором параболическое зеркало собрано в прикладном положении

 1 - инфракрасный ПАР38Е; 2-цилиндрический коллектор; 3-шланговая трубка; 4 - электронасос; 5 - пробирка; 6-жидкостный термометр; 7-параболическое зеркало.

В эксперименте на солнечном отопительном коллекторе с циркуляцией воды электронасосом необходимыми приборами и приспособлениями являются: устройство “INFRARED PAR38E”, излучающее инфракрасный свет в качестве источника тепла, базовое основание, пробирка, цилиндрический коллектор (l=7 см, r=0,5 см), электронасос с циркуляцией воды, параболическое зеркало (радиус кривизны R=15 см), источник питания напряжением 9 в, модуль захвата зеркала, термометр, шланговые трубки.

Первоначально устройство и инструменты были собраны на основной стойке, как показано на рисунке 1. При этом расстояние между цилиндрическим коллектором и источником света располагали так, чтобы оно составляло 15 см. Затем в пробирку налили 75 мл воды. Насосный модуль был подключен к напряжению 9 В, и на коллектор был подан свет.

Изменение температуры воды измерялось с помощью термометра каждые две минуты. Полученные результаты были помещены в таблицу 1.

Таблица 1.

Зависимость температуры от времени для состояния без параболического отражения

Этот эксперимент был повторен установкой параболического зеркала на модуле, удерживающем зеркало (рис.2).

Учитывая, что коллектор имеет цилиндрическую форму, лучи, направленные в сторону коллектора, падают примерно на половину его полной поверхности.

При более точном расчете поверхность коллектора равна S=2nrl. Он хорошо пропускает свет на четверть поверхности.

 Поверхность на верхней и нижней стороне коллектора равна двум четвертям общей поверхности, на эти поверхности меньше падает тепловая энергия лучей. В остальном, то есть на заднюю часть коллектора лучи практически не попадают. Параболическое зеркало использовалось для эффективного использования поверхности коллектора и энергии света. Из законов оптики известно, что параллельные лучи, падающие на параболическое зеркало, возвращаются с поверхности и проходят фокусное расстояние зеркала. Фокусное расстояние (F) параболического зеркала вычислялось через радиус кривизны: F=R/2=15/2=7,5 см, и коллектор помещался на фокусное расстояние параболического зеркала.

При этом достигается направленность света на заднюю часть коллектора и большее рассеивание света на верхнюю и нижнюю поверхности коллектора. Полученные результаты были помещены в таблицу 2 (через 30 минут температура осталась практически без изменений).

Таблица 2.

Зависимость температуры от времени для состояния с параболическим отражением

В случае, когда параболическое отражение не применяется, можно рассчитать, на какую часть поверхности коллектора падает луч света: если поверхность коллектора S, свет хорошо падает на S/4, частично на S/2, а на S/4 свет почти не достигает. В этом случае используемая поверхность коллектора будет равна (S/2)+(s/4)=0,75 С. Здесь следует иметь в виду, что на поверхность S/2 частично попадает свет.

В состоянии, при котором применяется параболическое отражение, свет падает на всю поверхность коллектора. Потому что коллектор расположен на фокальной оси параболического зеркала. То есть свет также попадает на заднюю часть коллектора. Следует также отметить, что при фокусировке света в направлении коллектора световая энергия, которую получает коллектор, становится еще сильнее. В результате достигается полноценное и эффективное использование поверхности коллектора.

С целью сравнения полученных результатов был изображен график зависимости их температуры (T) от времени (t) (рис.3).

Рисунок 3. График зависимости температуры от времени для случаев, когда применяется и не применяется параболическое отражение

Из полученных результатов можно сделать вывод, что в эксперименте 1 на нагрев воды до температуры 35⁰ С было затрачено 50 минут, в то время как в эксперименте 2 на нагрев воды до температуры 35⁰ С с помощью параболического зеркала было затрачено 16 минут. То есть время нагрева воды сократилось более чем в 3 раза.

Вышеуказанные результаты могут быть значительно улучшены, если коллектор и параболическая зеркальная поверхность увеличены соответственно.

Из графика также видно, что использование солнечной тепловой энергии с параболическим отражением оказывается более эффективным.

В настоящее время выпускаются разновидности концентраторов параболической формы мощностью 9-25 кВт. Коэффициент полезного действия (КПД) таких концентраторов составляет 22-24%, что больше, чем КПД некоторых фотоэлементов.

В заключение стоит отметить, что полученный опыт позволит студентам применить на практике свои теоретические знания, полученные по предметам оптики, электротехники, термодинамики, геометрии.

Список литературы:

1. Наумхужаев А. С., М. А., Норматов Б. Нурматов Н. А., Турсунметов К.А. Худойберганов А. М.  Физика часть 3. 2005. Ташкент. Стр. 6.
2. Мажидов Т.Ш. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. 2014. Ташкент. С. 86-96.
3. Ландсберг Г. С., Оптика, 2003. Москва. С. 246-268.
4. http://texnocom.uz