Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Badanie rozkładu promieniowania słonecznego
na powierzchni kolektora
Ć
wiczenie nr 3
Laboratorium z przedmiotu:
„Alternatywne źródła energii”
Kod: ŚC3066
Opracowała:
mgr inż. Anna Demianiuk
luty 2015
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
2
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 można podzielić na te, w których
wykorzystuje się konwersję fototermiczną lub fotoelektryczną, w wyniku których ostatecznie
otrzymuje się, odpowiednio, energię cieplną oraz elektryczną. Wśród kolektorów, których
zadaniem jest konwersja energii promieniowania słonecznego w energię cieplną wyróżnić
można, ze względu na rodzaj czynnika roboczego, powietrzne i cieczowe, do których należą:
• kolektory płaskie
• kolektory próżniowe (płaskie, rurowe)
• kolektory magazynujące.
Rys. 1. Podstawowy podział kolektorów słonecznych
2.2.
Zasada działania płaskiego termicznego kolektora wodnego
Typowy płaski kolektor wodny składa się z czterech podstawowych elementów:
Rys. 2. Schemat płaskiego kolektora słonecznego: 1- osłona szklana, 2- obudowa,
3- absorber, 4- przewody z czynnikiem roboczym, 5- izolacja
KOLEKTORY SŁONECZNE
Kolektory
fotowoltaiczne
KONWERSJA
FOTOELEKTRYCZNA
KONWERSJA
FOTOTERMICZNA
Kolektory
próżniowe
Kolektory
płaskie
Kolektory
magazynujące
płaskie
rurowe
CIECZOWE
POWIETRZNE
Politechnika Białostocka
Katedra Ciepłownictwa
•
przezroczysta osłona – wykonana ze szkła charakteryzuj
warunki atmosferyczne i uszkodzenia mechaniczne oraz wysok
promieniowania UV i niskim współczynniku odbicia promieni, dzi
energii dociera do absorbera.
•
obudowa – rama, najczęś
umieszczone są pozostałe elementy kolektora wraz z
cieplną stosowaną celu zredukowania strat energii
•
układ odbioru ciepła – zintegrowanego z płyt
miedzianych, w których krąż
całorocznego
użytkowania
kolektorów
słonecznych
nale
niezamarzający (np. glikol etylenow
•
absorber – płyta pochłaniaj
urządzenia; do konstrukcji tego elementu najcz
aluminium, stal lub mosiądz
•
izolacja cieplna – warstwa materiału izolacyjnego, chroni
ciepła przed nadmierną energii. Najcz
izolacyjnych, które charakteryzuj
małą gęstością mającą wpływ na całkowit
nasiąkliwością.
Promienie ultrafioletowe po przej
też długość fali. Te dwa zjawiska uniemo
wywołując efekt cieplarniany, co z kolei powoduje wzrost temperatury wewn
umożliwiając. Ciepło to odbierane jest nast
roboczy. Zjawisko bezpośredniej zamiany energii promieniowania słonecznego w energi
cieplną nosi nazwę konwersji fototermicznej.
czynnika rośnie zwykle o kilka do kilkunastu stopni, a p
promieniowania słonecznego docieraj
roboczego przez układ odbioru ciepła.
Rys. 3. Całkowite promieniowanie efektywne
kolektora w ciągu roku.
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
3
wykonana ze szkła charakteryzującego się wysok
osferyczne i uszkodzenia mechaniczne oraz wysoką przepuszczalno
promieniowania UV i niskim współczynniku odbicia promieni, dzię
energii dociera do absorbera.
rama, najczęściej aluminiowa ze względu na małą
pozostałe elementy kolektora wraz z płytami osłonowymi i
celu zredukowania strat energii
zintegrowanego z płytą absorbera układu przewodów, najcz
których krąży czynnik roboczy, którym może być woda, ale w przypadku
ytkowania
kolektorów
słonecznych
należy
zastosowa
cy (np. glikol etylenowy)
płyta pochłaniająca promieniowanie słoneczne stanowiąca zasadniczy element
dzenia; do konstrukcji tego elementu najczęściej wykorzystywane s
aluminium, stal lub mosiądz
warstwa materiału izolacyjnego, chroniącego absorber i
ą
energii. Najczęściej wykonana jest z typowych materiałów
izolacyjnych, które charakteryzują się niskimi współczynnikami przewodno
ą
cą wpływ na całkowitą masę konstrukcji oraz
Promienie ultrafioletowe po przejściu przez szkło ulegają załamaniu. Zmianie ulega
fali. Te dwa zjawiska uniemożliwiają wydostanie się promieniowania na zewn
c efekt cieplarniany, co z kolei powoduje wzrost temperatury wewn
c. Ciepło to odbierane jest następnie przez krążący w przewodach czynnik
ś
redniej zamiany energii promieniowania słonecznego w energi
konwersji fototermicznej. Podczas jednokrotnego przepływu, tem
le o kilka do kilkunastu stopni, a przyrost ten zale
promieniowania słonecznego docierającego do absorbera i prędkości przepływu czynnika
układ odbioru ciepła.
romieniowanie efektywne przy różnych kątach pochylenia płaszczyzny
gu roku.
Ć
wiczenie nr 3
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
wysoką odpornością na
ą
przepuszczalnością
promieniowania UV i niskim współczynniku odbicia promieni, dzięki czemu więcej
du na małą masę, w której
płytami osłonowymi i izolacją
absorbera układu przewodów, najczęściej
woda, ale w przypadku
ż
y
zastosować
płyn
ą
ca zasadniczy element
ciej wykorzystywane są miedź,
o absorber i układ odbioru
ciej wykonana jest z typowych materiałów
niskimi współczynnikami przewodności cieplnej,
konstrukcji oraz niewielką
załamaniu. Zmianie ulega
promieniowania na zewnątrz
c efekt cieplarniany, co z kolei powoduje wzrost temperatury wewnątrz kolektora
cy w przewodach czynnik
redniej zamiany energii promieniowania słonecznego w energię
Podczas jednokrotnego przepływu, temperatura
zależy od natężenia
ci przepływu czynnika
tach pochylenia płaszczyzny
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
4
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, w praktyce,
ustawienie płaszczyzny kolektora należy dobierać tak, aby była skierowana odpowiednio do
pozycji słońca okresu największego promieniowania. Jak zostało udowodnione, kąty
pochylenia α między 30 a 45°są najlepsze w naszej szerokości geograficznej.
3.
Metodyka badań
3.1.
Budowa stanowiska
Rys. 4. Schemat stanowiska badawczego: 1- wodny kolektor słoneczny, 2- zbiornik
akumulacyjny, 3- jednostka sterująca, 4- komputer
1
2
3
4
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
5
Rys. 5. Schemat stanowiska z termicznym kolektorem słonecznym: 1- wodny kolektor
słoneczny, 2- zbiornik akumulacyjny, 3- panel lamp (symulator solarny),
4 - zamknięte naczynie wzbiorcze
Rys. 6. Wymiary powierzchni czynnej (apertury) kolektora
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
6
3.2.
Metodyka pomiarów
W ćwiczeniu wykorzystywana jest tylko jedna z lamp (L4). W celu wykonania
doświadczenia należy:
1)
Ustawić panel lamp równolegle do kolektora.
2)
Uruchomić jednostkę sterującą, komputer i program.
3)
Uruchomić pojedynczą żarówkę wciskając przycisk L4.
4)
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.
UWAGA: Należy pamiętać aby odczytów temperatur czujników dokonywać po ich
ustabilizowaniu się.
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
7
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów
Imię i nazwisko studenta:
Data wykonania ćwiczenia:
3.3.
Analiza wyników
1)
Znając wymiary kolektora (rys. 6) i rozkład promieniowania uzyskiwanego z jednej
lampy (tab. 1) sporządzić rozkład promieniowania dla całej powierzchni kolektora,
przyjmując, że uruchomione są wszystkie lampy
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
8
•
w miejscach nakładania się siatek dla sąsiadujących lamp należy
sumować wartości promieniowania ze wspólnych pól zgodnie ze
schematem przedstawionym w załączniku
•
rozkład promieniowania należy sporządzić skali 1:5
2)
Na rozkładzie promieniowania zaznaczyć izolinie co 50 W/m
2
3)
Na podstawie wyznaczonego rozkładu obliczyć średnią wartość promieniowania
docierającego do kolektora
4)
Sformułować wnioski
4.
Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje:
1)
Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ć
wiczenia, datę wykonania ćwiczenia,
2)
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.
3)
Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków.
4)
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.
Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa 2011
2.
Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, 2011
3.
Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, 2009
4.
Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji.
Gliwice, 2011
5.
Pluta Z.: „Słoneczne instalacje energetyczne”, Oficyna wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, warszawa 2007
6.
L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: „Pomiary w inżynierii sanitarnej”,
Arkady Warszawa 1980
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Badanie rozkładu promienio wania
słonecznego na powierzchni kolektora
9
Załącznik 1
Schemat obliczeń rozkładu promieniowania na powierzchni kolektora dla pojedynczej linii świateł