Konwersja energii słonecznej

(1)

Konwersja energii

słonecznej

(2)

I. Promieniowanie cieplne

1. Zestaw przyrządów

Promiennik podczerwoni Szyna profilowana Para nóżek do szyny Pręty stalowe x 2

Czarna metalowa płytka z klipsem uchwyt plastikowy 2. Przebieg pomiarów

1. Za pomocą suwaków i prętów stalowych umieść na szynie profilowanej promiennik podczerwieni oraz uchwyt.

2. W uchwycie zamontuj termometr

3. Ustaw odległość między promiennikiem podczerwieni a termometrem odległość 35cm.

4. Włączyć promiennik podczerwieni

5. Dokonać odczytu temperatury co 30 s przez 5 min.

6. Wyłączyć promiennik podczerwieni

7. Dokonać ponownie pomiaru temperatury w funkcji czasu.

3. Analiza wyników pomiarów

1. Narysuj wykres zależności temperatury od czasu

2. Na podstawie wykresu przeprowadź dyskusję otrzymanych wyników promieniowania cieplnego

(3)

II. Absorpcja i promieniowani

Promiennik podczerwoni Szyna profilowana Para nóżek do szyny Pręty stalowe x 2

Czarna metalowa płytka z klipsem biała metalowa płytka z klipsem Uchwyt plastikowy

2. Przebieg pomiarów

1. Za pomocą suwaków i prętów stalowych umieść na szynie profilowanej promiennik podczerwieni oraz uchwyt.

2. W uchwycie umieść termometry z zamontowanymi płytkami czarną i białą 3. Ustaw odległość między promiennikiem podczerwieni a termometrem

odległość 35cm.

4. Włączyć promiennik podczerwieni

5. Dokonać odczytu temperatur co 30 s przez 5 min.

6. Wyłączyć promiennik podczerwieni

7. Dokonać ponownie pomiaru temperatury w funkcji czasu.

3. Analiza wyników pomiarów

Na podstawie przeprowadzonych obserwacji przeprowadź dyskusję dotyczącą transportu ciepła przez konwekcję.

(4)

III. Transportowanie energii przez konwekcję

Mufa okrągła, podwójna Stolik Suwak z rurą zaciskową Barwnik Palnik spirytusowy Pręt statywu,

Rurka przepływu ciepłą Klips metalowy na pręcie Pręt statywu, Szyna profilowana Para nóżek do szyny Woda

Zapałki

1. Z pomocą statywu, stolik i rurkę przepływu ciepła przymocowujemy ponad szyną profilu, a palnik spirytusowy stawiamy na stoliku.

2. Samego palnika jeszcze nie zapalamy.

3. Rurkę przepływu ciepła pozycjonujemy w ten sposób, że jej prawy dolny koniec znajduje się około 5 cm ponad głowicą palnika spirytusowego.

4. Napełniamy rurkę przepływu cieplnego wodą do ok. 1 cm poniżej brzegu lejka i przez otwór lejka dodajemy niewielką ilość barwnika do wody. Dokładnie obserwujemy rozkład barwnika w cieczy.

5. Następnie wyjmujemy rurkę przepływu cieplnego z uchwytu, opróżniamy ją i po dokładnym wypłukaniu przymocowujemy powtórnie napełniając wodą tak samo jak poprzednio.

6. Zapalamy palnik spirytusowy i po upływie ok. 3 minut dodajemy ponownie niewielką ilość barwnika do cieczy i dokładnie obserwujemy jego rozkład.

Na podstawie przeprowadzonych obserwacji przeprowadź dyskusję dotyczącą transportu ciepła przez konwekcję.

(5)

IV. Zasada działania kolektora słonecznego

Kolektor słoneczny Promiennik podczerwoni

Szyna profilowana Para nóżek do szyny 2. Przebieg pomiarów

Kolektor składa się ze specjalnej ramy profilowanej, do której wtyka się wymiennie różne elementy, aby móc badać różnorodne warianty konfiguracyjne i ich sprawności.

Przy wymianie elementów, po poluzowaniu śruby radełkowanej, zdejmujemy górną szynę i wyciągamy potrzebny element, względnie wkładamy go od góry. Oryginalnie elementy są ułożone tak jak na rysunku.

Spirala kolektora jest na stałe połączona z ramą. Otwory mocujące na dole i po bokach ramy umożliwiają pionowe lub poziomo-wychylne ustawienie kolektora.

Rys.4.1 Schemat układu pomiarowego –zasada działania kolektora słonecznego 1. Z pomocą suwaków umieścić na szynie profilowanej kolektor słoneczny i promiennik podczerwieni (Rys.4.1).

2. Odległość pomiędzy źródłem ciepła a kolektorem powinna wynosić ok. 20 cm.

3. Do pomiaru temperatury, należy włożyć sensor w boczny otwór kolektora.

4. Efektywność kolektora słonecznego określa się za pomocą jego zdolności do absorpcji ciepła. Dla różnych wariantów konfiguracji kolektora (Rys.4.2) wyznaczyć przyrost temperatury w funkcji czasu.

Za pomocą pomiaru przyrostu temperatury w środku komory kolektora badamy poszczególne warianty odnośnie ich sprawności energetycznej w warunkach takiego samego odstępu źródła promieniowania i o takim samym czasie działania

promieniowania

5.Dla każdej konfiguracji kolektora dokonaj pomiaru przyrostu temperatury w funkcji czasu (czas trwania pomiaru 10 min).

(6)

Rys.4.2 możliwe konfiguracje budowy kolektora słonecznego 3. Analiza wyników pomiarów

1. Narysuj wykres przyrostu temperatury w funkcji czasu. Wyniki dla wszystkich konfiguracji umieść na jednym wykresie.

2. Na podstawie otrzymanych wyników przeanalizuj, które elementy konfiguracji (2, 4, 5) i w jakiej konfiguracji pomagały w magazynowaniu i zapobiegały ucieczce ciepła.

3. Określ najbardziej optymalna konfigurację kole kolektora słonecznego.

1. płytka szklana 2. płytka szklana 3. spirala kolektora

4. Płytka absorpcyjna (biało – czarna i biała strona)

5. Płytka izolacyjna 6. Płytka z pleksi

(7)

V. Kolektor słoneczny z obiegiem termosyfonu

Kolektor słoneczny Pokrywa zbiornika wysokości Mufa okrągła, podwójna Zbiornik wysokości z wężami Suwak z rurą zaciskową x3 Termometr

Barwnik Pręt statywu Zatyczki gumowe Woda

Szyna profilowana Para nóżek do szyny Promiennik podczerwieni

Kolektor słoneczny i zbiornik wysokości ustawiane są za pomocą suwaków i innych

materiałów statywu na szynie profilowanej. Należy zwrócić szczególną uwagę, aby zbiornik wysokości był ustawiony na wyższym poziomie niż kolektor słoneczny, a węże były dołączone w odpowiedni sposób (górny wąż zbiornika do górnego sprzęgu kolektora i dolny wąż do dolnego sprzęgu) Węże nie mogą zwisać ani być załamane. Układ napełniamy przez zbiornik wysokości, powoli, wodą, przy czym pęcherzyki powietrza nie mogą zostać zamknięte w układzie. Jeżeli mimo wszystko do obiegu miałyby się dostać pęcherzyki należy je starannie usunąć poprzez lekkie pochylenie kolektora lub naciskanie na węże. Po pełnym napełnieniu systemu stan wody w zbiorniku wysokości musi się znajdować trochę powyżej górnego króćca. Należy ostrożnie wsuwać termometr do zatyczki z otworem i zablokować w otworze pokrywy. Za pomocą pokrywy zamykamy zbiornik. Przedstawione przygotowanie do eksperymentu jest przeznaczone do przeprowadzenia eksperymentu ze światłem słonecznym jako źródłem energii. Kolektor słoneczny jest w tym wypadku nastawiany optymalnie do wpadającego promieniowania. Oczywiście możliwe jest też przygotowanie eksperymentu 3, aby móc przeprowadzić badania niezależnie od warunków pogodowych.

Rys.5.1

(8)

1. Zmontuj układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 5.1 2. Dokonaj pomiaru temperatury otoczenia

3. Dokonaj pomiaru temperatury w komorze kolektora i w zbiorniku wysokości 4. Włącz promiennik podczerwieni

5. Wykonaj pomiar temperatury w komorze kolektora i w zbiorniku wysokości w funkcji czasu (co 5 min)

6. Pomiar wykonywać do momentu, aż nie stwierdzi się dalszego wzrostu temperatury 7. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli.

Totoczenia =

Czas [min] 0 5 10 15 20 25

Tkolektora

[^oC]

Tzbiornika

[^oC]

Ok. po 5 minutach od początku eksperymentu można na krótko podnieść pokrywę zbiornika, aby dodać do wody niewielką ilość barwnika. Obserwujemy rozdział barwnika.

1. Na podstawie otrzymanych wyników sporządzić wykresy zależności temperatur Tkolektora, Tzbiornika w funkcji czasu.

2. Przeprowadź dyskusję otrzymanych zależności w oparciu o poznane mechanizmy transportu ciepła

(9)

VI. Kolektor słoneczny z obiegiem pompy i wymiennikiem ciepła

Kolektor słoneczny Pokrywa do zbiornika wysokości Mufa okrągła, podwójna 2 z wymiennikiem ciepła

Suwak z rurą zaciskową x 3 Wymiennik ciepła z wężem

Mufa nasadkowa z podkładką redukcyjną Zbiornik wyrównawczy z pompą i wężem Termometr x 2 Zasilacz prądowy

Pręt statywu Zatyczka gumowa z otworem x2 Promiennik podczerwieni Szyna profilowana

Para nóżek do szyny Woda destylowana 2. Przebieg pomiarów

1. Kolektor słoneczny, wymiennik ciepła i promiennik podczerwieni układamy z pomocą suwaków na szynie statycznej (Rys.6.1).

Rys.6.1 Schemat układ pomiarowego Przygotowanie do eksperymentu

2. Odstęp pomiędzy promiennikiem podczerwieni i kolektorem słonecznym nie może przy tym być mniejszy niż 15 cm.

3. Zbiornik wyrównawczy z zabudowaną pompą wirową dołączamy do górnego przyłącza kolektora a wąż pompy bez załamań łączymy z górnym przyłączem wymiennika ciepła.

4. Dolny przyłącz wymiennika ciepła również zostaje połączony z dolnym przyłączem kolektora słonecznego za pomocą węża.

5. Kabel podłączeniowy pompy wirowej podłączamy do zasilacza prądowego zgodnie z biegunami.

6. W celu napełnienia systemu, tak długo lejemy wodę do zbiornika wyrównawczego przy włączonej pompie wirowej (zasilacz prądowy na stopniu 1), aż powstanie obieg bez żadnych pęcherzyków na wysokości napełniania, troszkę poniżej bocznego przyłącza zbiornika wyrównawczego.

(10)

7. Wymiennik ciepła napełniamy wodą z ok. 1 cm odstępem od górnej krawędzi.

8. Termometry wkładamy do otworów w zatyczkach gumowych i wraz z nimi do pokrywy wymiennika ciepła oraz do mufy nasadkowej z podkładką redukcyjną.

9. Pokrywą zamykamy wymiennik ciepła, mufą nasadkową jest zamykany zbiornik wyrównawczy.

Przeprowadzanie eksperymentu

10. Zmierz temperatury w zbiorniku wyrównawczym i w wymienniku ciepła (na początku eksperymentu powinny być takie same)

11. Włącz promiennik podczerwieni i zasilacz pompy.

12. Na górnym bocznym przyłączu zbiornika wyrównawczego wyraźnie powinien być widoczny przepływ wody pompowanej przez aparaturę.

13. W odstępach 2 minutowych wykonaj pomiar temperatury w wymienniku ciepła i zbiorniku wyrównawczym

15. czas trwania pomiaru ok.45 min.

14. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli.

1. Narysuj wykres zależności temperatury od czas dla wymiennika ciepła i dla zbiornika wyrównawczego.

2. Przeprowadź dyskusję zaobserwowanych zmian temperatury w czasie z uwzględnieniem mechanizmów transportu ciepła