03_AZE Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na
advertisement
POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni kolektora Ćwiczenie nr 3 Laboratorium z przedmiotu Alternatywne źródła energii Kod: ŚĆ3066 Opracował: mgr inż. Anna Demianiuk Białystok, luty 2017 Politechnika Białostocka Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Ćwiczenie nr 3 Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni kolektora 1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego Celem tego ćwiczenia jest wyznaczenie rozkładu promieniowania na powierzchni kolektora, w warunkach laboratoryjnych, gdy źródłem tego promieniowania jest 15 punktowych źródeł światła o mocy 300 W każde. 2. Podstawy teoretyczne 2.1. Podział kolektorów słonecznych Ze względu na uzyskiwany rodzaj energii kolektory słoneczne można podzielić na: • kolektory, w których wykorzystuje się zjawisko konwersji fototermicznej (otrzymuje się ciepło), • kolektory, w których wykorzystuje się zjawisko konwersji fotoelektrycznej (otrzymuje się energię elektryczną). Wśród kolektorów, których zadaniem jest konwersja energii promieniowania słonecznego w ciepło, ze względu na rodzaj czynnika roboczego wyróżnić można kolektory powietrzne i cieczowe. Ze względu na budowę kolektory słoneczne dzieli się na: • kolektory płaskie, • kolektory próżniowe (płaskie, rurowe), • kolektory magazynujące. KOLEKTORY SŁONECZNE KONWERSJA FOTOTERMICZNA KONWERSJA FOTOELEKTRYCZNA POWIETRZNE CIECZOWE Kolektory fotowoltaiczne Kolektory magazynujące Kolektory płaskie Kolektory próżniowe płaskie Rys. 1. Podstawowy podział kolektorów słonecznych 2 rurowe Politechnika Białostocka Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Ćwiczenie nr 3 Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni kolektora 2.2. Zasada działania płaskiego termicznego kolektora wodnego Typowy płaski kolektor wodny składa się z pięciu podstawowych elementów (Rys. 2): przezroczysta osłona – wykonana ze szkła charakteryzującego się wysoką odpornością na warunki atmosferyczne i uszkodzenia mechaniczne oraz wysoką przepuszczalnością promieniowania UV i niskim współczynniku odbicia promieni, dzięki czemu więcej energii dociera do absorbera, obudowa – rama, najczęściej aluminiowa ze względu na małą masę, w której umieszczone są pozostałe elementy kolektora wraz z płytami osłonowymi i izolacją cieplną stosowaną celu zredukowania strat energii, układ odbioru ciepła – zintegrowanego z płytą absorbera układu przewodów, najczęściej miedzianych, w których krąży czynnik roboczy, którym może być woda, ale w przypadku całorocznego użytkowania kolektorów słonecznych należy zastosować płyn niezamarzający (np. glikol etylenowy), absorber – płyta pochłaniająca promieniowanie słoneczne stanowiąca zasadniczy element urządzenia; do konstrukcji tego elementu najczęściej wykorzystywane są miedź, aluminium, stal lub mosiądz, izolacja cieplna – warstwa materiału izolacyjnego, chroniącego absorber i układ odbioru ciepła przed nadmierną energii. Najczęściej wykonana jest z typowych materiałów izolacyjnych, które charakteryzują się niskimi współczynnikami przewodności cieplnej, małą gęstością mającą wpływ na całkowitą masę konstrukcji oraz niewielką nasiąkliwością. Rys. 2. Schemat płaskiego kolektora słonecznego: 1- osłona szklana, 2- obudowa, 3- absorber, 4- przewody z czynnikiem roboczym, 5- izolacja Promienie ultrafioletowe po przejściu przez szkło ulegają załamaniu, zmianie ulega też długość fali. Te dwa zjawiska uniemożliwiają wydostanie się promieniowania na zewnątrz wywołując wystąpienie efektu cieplarnianego, co z kolei powoduje wzrost temperatury wewnątrz kolektora. Wytworzone ciepło odbierane jest przez krążący w przewodach czynnik roboczy (glikol). Podczas jednokrotnego przepływu temperatura czynnika rośnie zwykle o kilka do kilkunastu stopni, a przyrost ten zależy od natężenia promieniowania słonecznego docierającego do absorbera i prędkości przepływu czynnika roboczego przez układ odbioru ciepła. 3 Politechnika Białostocka Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Ćwiczenie nr 3 Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni kolektora Rys. 3. Całkowite promieniowanie efektywne przy różnych kątach pochylenia płaszczyzny kolektora w ciągu roku. Kąt pochylenia kolektora α jest to kąt zawarty między płaszczyzną poziomą i płaszczyzną kolektora. Największa ilość energii jest odbierana przez kolektor, jeśli promienie słoneczne padają pod kątem prostym do jego powierzchni. Kąt padania promieni uzależniony jest jednak od dnia pory roku i pory dnia. W związku z tym ustawienie płaszczyzny kolektora należy dobierać tak, aby była skierowana odpowiednio do pozycji słońca okresu największego promieniowania. Kąty pochylenia α między 30 a 45° są najlepsze dla obszaru północno wschodniej Polski. 4 Politechnika Białostocka Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Ćwiczenie nr 3 Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni kolektora 3. Metodyka badań 3.1. Budowa stanowiska 2 1 3 4 Rys. 4. Schemat stanowiska badawczego: 1- wodny kolektor słoneczny, 2- zbiornik akumulacyjny, 3- jednostka sterująca, 4- komputer Rys. 5. Schemat stanowiska z termicznym kolektorem słonecznym: 1- wodny kolektor słoneczny, 2 - zbiornik akumulacyjny, 3 - panel lamp (symulator solarny), 4 - zamknięte naczynie wzbiorcze 5 Politechnika Białostocka Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Ćwiczenie nr 3 Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni kolektora Rys. 6. Wymiary powierzchni czynnej (apertury) kolektora 3.2. Metodyka pomiarów W ćwiczeniu wykorzystywana jest tylko jedna z lamp (L4). W celu wykonania doświadczenia należy: Ustawić panel lamp równolegle do kolektora. Uruchomić jednostkę sterującą, komputer i program. Uruchomić pojedynczą żarówkę wciskając przycisk L4. Ustawić planszę pomiarową centralnie umieszczając jej środek w punkcie maksymalnego promieniowania. 5) Dokonać pomiarów promieniowania w centralnych punktach wszystkich elementów siatki. 6) Po zakończeniu pomiarów zamknąć program i wyłączyć komputer. 1) 2) 3) 4) UWAGA: Należy pamiętać aby odczytów temperatur czujników dokonywać po ich ustabilizowaniu się. 6 Politechnika Białostocka Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Ćwiczenie nr 3 Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni kolektora Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów Imię i nazwisko studenta: Data wykonania ćwiczenia: 3.3. Analiza wyników 1) Korzystając z arkusza MsExel (załącznik do instrukcji) obliczyć średnią wartość promieniowania docierającego do powierzchni kolektora od lamp. 2) Sformułować wnioski. 7 Politechnika Białostocka Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Ćwiczenie nr 3 Badanie rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni kolektora 4. Sprawozdanie 1) 2) 3) 4) Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje: Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia, Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, b) niezbędne związki teoretyczne, c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, d) przebieg realizacji eksperymentu, e) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień, f) wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym), g) zestawienie i analiza wyników badań. Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków. Zestawienie załączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.). 5. Wymagania BHP Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia prowadzącego. 6. Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa 2011 Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, 2011 Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, 2009 Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji. Gliwice, 2011 Pluta Z.: „Słoneczne instalacje energetyczne”, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, warszawa 2007 L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: „Pomiary w inżynierii sanitarnej”, Arkady Warszawa 1980 8
