Laboratorium konwersji energii

Tytuł ćwiczenia: Kolektor słoneczny

Prowadzący: Mgr inż. Michał Ostrycharczyk

Termin zajęć: Poniedziałek TN 13.15

Numer grupy: BN 5

Skład grupy: Karolina Żegiestowska 187230

Paweł Bielecki 186984

Data przeprowadzenia ćwiczenia: 27.02.2012

Data oddania sprawozdania: 12.03.2012

Wstęp teoretyczny

Kolektor słoneczny to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło użytkowe. Dzielimy je na:

1. płaskie-próżniowe

2. płaskie

• gazowe

• cieczowe

• dwufazowe

1. próżniowo-rurowe

• bezpośrednim przepływie

• z gorącą rurką

• z rurką dewara

1. skupiające

• liniowo

• miejscowo

1. specjalne

W tym ćwiczeniu użyto kolektora płaskiego z czynnikiem roboczym w postaci wody. Jest to najbardziej rozpowszechniony rodzaj kolektora. Nadaje się do domowych instalacji ogrzewania ciepłej wody użytkowej. Jego części to: szyba solarna (warstwa przepuszczalna), izolowana obudowa, płaski absorber oraz wymiennik ciepła (w nim znajduje się czynnik roboczy, zazwyczaj roztwór 40% glikolu z wodą). Rury muszą być wykonane z materiału dobrze przewodzącego ciepło (np. miedź), w celu uzyskania maksymalnej wartości przekazywanego strumienia ciepła z absorbera do płynu roboczego.

Schemat pomiarowy

Tabela pomiarowa i wynikowa

V	m	I70	I100
cm^3/min	kg/s	W/m^2	W/m^2
100	0,001667	1200	588
m^3/min		Pdost	Pdost
0,0001		W	W
m^3/s		144	70,56
1,66667*10^-6

	L1=0,7m	L2=1m
τ	twej	twyj
min	°C	°C
0	13,3	16,8
2	13,8	17,8
4	13,6	18,7
6	13,8	19,2
8	14	19,6
10	14,1	20
12	14,2	20,3
14	14,2	22,1
16	14,5	23,7
18	15,1	25,1
20	15,5	26,3
22	16,3	27,4
24	17,1	28,5

Obliczenia

$$\dot{m} = \rho \bullet \dot{V} = 1000 \bullet 1,667 \bullet 10^{- 6} = 0,001667\ kg/s$$

$$P_{c} = \dot{m}c_{w}t = \dot{m}c_{w}\left( t_{\text{wyj}} - t_{\text{wej}} \right) = 0,001667 \bullet 4190 \bullet \left( 17,8 - 13,8 \right) = 27,93\ W$$

$$I_{70} = I_{o}\left( \frac{L_{o}}{L_{x}} \right)^{2} = 1200 \bullet \left( \frac{70}{70} \right)^{2} = 1200\ W/m^{2}$$

P_dost = I₇₀ • A = 1200 • 0, 12 = 144 W

$$\eta = \frac{P_{c}}{P_{\text{dost}}} = \frac{27,93}{144} = 0,194$$

Wykresy

Wykres 1. Charakterystyka temperatur na wejściu i wyjściu z kolektora w zależności od czasu

Wykres . Charakterystyka sprawności w zależności od czasu

Uwagi i wnioski

Uwagi dotyczące ćwiczenia:

Pomiary do 12 sekundy włącznie przeprowadzaliśmy przy użyciu lampy halogenowej pojedynczej o gęstości promieniowania mocy 1200W/m² w odległości 70cm od kolektora. Po awarii lampy przeprowadzaliśmy pomiar przy użyciu lampy halogenowej o poczwórnej o nieznanej gęstości promieniowania i mocy 4*500W. Po 24 sekundzie pomiaru powrotem użyliśmy lampy pojedynczej, ale zwiększyliśmy odległość do 100cm od kolektora. Lampa ponownie uległa awarii po 32 sekundzie pomiaru.

Wnioski:

Z wykresu 1 wynika, że temperatura na wejściu do kolektora podlegała bardzo niewielkim wahaniom, chociaż zauważalny jest jej delikatny wzrost. Od 26 minuty pomiaru można zauważyć spadek temperatury, co spowodowane było dodaniem zbyt dużej ilości lodu do termosu przez grupę. Temperatura na wyjściu z kolektora rosła systematycznie aż do osiągnięcia 28,7°C, po czym nastąpił jej nieznaczny spadek. Oznacza to, że w tym punkcie kolektor osiągnął swoją maksymalną sprawność i nie jest w stanie podgrzać wody do większej temperatury.

Wykres 2 pokazuje, że sprawność rośnie wraz z czasem nagrzewania kolektora. Po zmianie odległości kolektora od lampy z 70cm na 100cm i lampy z poczwórnej na pojedynczą sprawność gwałtownie skoczyła do wartości 1,267. Temperatura na wyjściu nie zmalała, co spowodowane było najprawdopodobniej tym, że kolektor był już nagrzany. Konsekwencją oddalenia kolektora od lampy był stopniowy spadek temperatury. Według teorii sprawność powinna maleć wraz ze wzrostem odległości od kolektora. Dotyczy to jednak dwóch niezależnych pomiarów nagrzewania kolektora od temperatury otoczenia. Pomiar w odległości 100cm był przeprowadzony od temperatury 28,6°C, dlatego sprawność kolektora wyszła większa, niż dla 70cm. Pomiary dodatkowo zaburzył fakt podmieniania lamp w trakcie pomiarów. Nie znając gęstości promieniowania mocy dla lampy poczwórnej użyliśmy danych dla lampy pojedynczej.