Сонячний колектор з Cobra SMARTsense

Рис. 1: установка досліду

Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

Сонячний колектор слугує для нагрівання води енергією випромінювання. Щоб робити висновки про коефіцієнт корисної дії колектора чи сонячної установки, окрім конструкції важливо знати також погодні умови, кут установлення щодо Сонця та інші умови роботи, зокрема температуру абсорбера. У досліді погоду відтворювано моделюють галогенною лампою і потоком холодного повітря. У кожній серії вимірювань колектор оптимально орієнтують на галогенну лампу. Середню температуру абсорбера можна наближено задати через вибрану температуру накопичувача. Скляне покриття колектора поглинає або відбиває невелику частину енергії випромінювання, що падає. Та частина, що проходить крізь нього, потрапляє на абсорбер і поглинається ним здебільшого.

(1)

де = енергія випромінювання, яка в абсорбері за одиницю часу і на одиницю площі перетворюється на теплоту, = інтенсивність світла в місці розташування колектора, = коефіцієнт поглинання абсорбера і = коефіцієнт пропускання скляного покриття.

Енергія випромінювання, перетворена на теплоту, доступна як корисна енергія не повністю. Частина її втрачається через теплове випромінювання, теплопровідність або тепловий потік. Ще одна частина може підвищувати температуру абсорбера, тобто ця частка накопичується в колекторі. Тому корисна енергія , вироблена за одиницю часу і на одиницю площі, становить

(2)

де = втрачена енергія / с м і = накопичена енергія/с м .

За умов досліду

(3)

бо різницю температур вимірюють у стаціонарному стані за (майже) сталої вхідної температури.

Теплові втрати абсорбера тим більші, що вища його температура. Задня ізоляція визначає втрати через теплопровідність; на передньому боці виникають втрати через випромінювання і конвекцію. Усі втрати можна описати такою формулою:

(4)

де = коефіцієнт теплопередачі, = температура абсорбера і = температура довкілля.

Коефіцієнт корисної дії сонячного колектора показує відношення корисної енергії до енергії випромінювання, що надійшла.

(5)

Температура абсорбера невідома, а температури води на вході й виході і вимірюють. Крім того, рівняння (5) не враховує передавання теплоти від абсорбера до води, для якого вводять коефіцієнт корисної дії абсорбера :

Щоб виміряти температуру, використовують давач Cobra SMARTsense Temperature і, наприклад, measureAPP . Перевірте, чи ввімкнено на вашому пристрої (планшеті, смартфоні) «Bluetooth» (застосунок можна безкоштовно завантажити в App Store - QR-коди нижче). Тепер відкрийте measureAPP на своєму пристрої.

Щоб наповнити циркуляційну систему сонячного колектора, теплообмінник спершу з'єднують гумовим шлангом із впуском насоса (унизу). До виходу насоса (угорі) і до другого боку теплообмінника так само під'єднують шланг. Вентиль витратоміра відкривають, систему обережно наповнюють водою (так, щоб вода спершу проходила крізь теплообмінник, а потім крізь насос) і перекривають затискачем.

Сонячний колектор наповнюють через заливний патрубок знизу (термометр вставити у вимірювальний патрубок!). Коротку сполучну трубку між виходом і входом абсорбера знімають, щоб під'єднати до них насос і теплообмінник (див. рис. 1). Для цього досліду насос потребує напруги близько 3...6 В пост. струму. Залишки повітря витісняють із контуру, стискаючи шланг, і за потреби доливають воду.

Галогенна лампа на 120 Вт забезпечує рівномірне, відтворюване освітлення. Теплообмінник ставлять у резервуар із водою (хімічний стакан). Вентиль на витратомірі перед кожною окремою серією вимірювань слід повністю відкрити, щоб за максимальної об'ємної витрати температури в усіх точках контуру набули приблизно температури резервуара з водою.

Об'ємну витрату встановлюють вентилем на для запису кожної серії вимірювань. Температури на вході й виході абсорбера вимірюють, наприклад, щохвилини. Приблизно через 15 хв вони лишаються майже сталими.

Тривалість кожної серії вимірювань становить 20 хвилин.

• Теплообмінник ставлять у хімічний стакан на 2 л, наповнений льодяною водою. Обидві серії вимірювань записують без освітлення колектора. У першому випадку колектор укомплектований повністю, для другої серії знімають скляну пластину і задню ізоляцію.
  
  Під час серії вимірювань у хімічному стакані завжди має бути стільки льоду, щоб температура на вході абсорбера істотно не перевищувала 5 °C.
• У хімічний стакан на 5 л наливають 4,5 л води кімнатної температури; у нього ставлять теплообмінник. Відстань між сонячним колектором і галогенною лампою становить 70 см.
  
  Обидві серії вимірювань записують з освітленням. Під час першого вимірювання колектор укомплектований повністю, у другій серії скляну пластину знімають, а задню ізоляцію залишають. Слід стежити, щоб температури на виході були якомога сталішими (± 2 K).

• Воду в хімічному стакані на 5 л нагрівають занурювальним кип'ятильником приблизно до 60 °C, щоб температури в контурі колектора перед початком серії вимірювань сягали щонайменше 50 °C. Відстань між сонячним колектором і галогенною лампою становить 70 см.
  
  Повітродувку (у режимі холодного повітря) ставлять збоку на відстані близько 30 см так, щоб потік повітря падав на колектор під кутом близько 30°.
  
  Перші дві серії вимірювань записують із повністю укомплектованим колектором, спершу без потоку холодного повітря, а потім із ним. Третю і четверту серії виконують без скляної пластини, знову спершу без потоку холодного повітря, а потім із ним.
  
  Стежте, щоб температури на виході були якомога сталішими (± 2 K).

Порівняння вимірювань 2.1 і 3.1 та відповідно 2.2 і 3.3 виразно показує, що втрати колектора зростають зі зростанням температури абсорбера. Якщо ж абсорбер охолоджується нижче за температуру довкілля, енергію з довкілля можна поглинати навіть без сонячного випромінювання (вимірювання 1.1 і 1.2). Неізольований абсорбер у цьому разі ефективніший. На практиці охолодження рідини в контурі абсорбера нижче за температуру довкілля досягають віддаванням енергії тепловому насосу.

Вимірювання під номерами 2 і 3 показують дію скляного покриття. Коли колектор працює за температури довкілля, тепловими втратами можна знехтувати. Коефіцієнт пропускання скляного покриття можна визначити з порівняння 2.1 і 2.2. Він відповідає рівнянню (6):

зі склом

без скла

Порівняння вимірювань 3.1 і 3.2 показує, що скляне покриття зменшує теплові втрати абсорбера: парниковий ефект! Сонячне випромінювання скляна пластина здебільшого пропускає, а теплове випромінювання гарячого абсорбера здебільшого поглинає й відбиває.

У колекторі зі скляним покриттям вітер не має помітного впливу на коефіцієнт корисної дії, тоді як у колекторі без скла приріст температури помітно менший (вимірювання 3.2 і 3.4). Який саме тип скляного покриття застосовують на практиці (одинарне, подвійне, із селективним покриттям), залежить від сфери використання колектора, тобто передусім від бажаної температури абсорбера. Подвійне скління зменшує теплові втрати з переднього боку, але водночас зменшує і пропускання сонячного світла, тож ці витрати виправдані лише за високих температур абсорбера.

Важливе зауваження: Циркуляційний насос після виконання досліду слід повністю спорожнити, перш ніж відкладати його на тривале зберігання. Залишки води треба злити, щоб вапно та інші мінерали з води не осідали на шестернях і не пошкодили насос.