Ćwiczenie numer Konwersja energii 3 słonecznej na...

LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II

1

Ćwiczenie numer

3

Konwersja energii

słonecznej na ciepło

1. Wprowadzenie Jednostka eksperymentalna ET 202 pozwala analizować konwersję energii

słonecznej na ciepło użyteczne. Urządzenie składa się z płaskiego kolektora słonecznego, który pochłania energie słoneczną (generowana w sposób sztuczny przez lampy) a następnie przekazuje zaabsorbowane ciepło do przepływającej

przez kolektor wody. Podgrzana woda której obieg wymusza pompa gromadzona jest następnie w zbiorniku.

W urządzeniu tym (rys. 1 i rys. 9) można badać jaki wpływ na konwersję energii (sprawność) mają kluczowe z punktu wymiany ciepła własności i parametry tj. emisyjność absorbera, kąt pochylenia kolektora, temperatura wody, prędkość

przepływu wody, natężenie promieniowania słonecznego i kąt jego padania.

Rys. 1. Układ do konwersji energii słonecznej

Źródło promieniowania słonecznego

Kolektor płaski

Pompa

cyrkulacyjna

Zbiornik

wody


2

2. Cel ćwiczenia

Przeprowadzenie ćwiczenia ma za zadanie poznanie podstawowych aspektów związanych z pracą systemu solarnego i konwersją promieniowania słonecznego

na ciepło użytkowe. W szczególności jaki wpływ na prace układu ma: 1*. Prędkość przepływu wody przez kolektor i wężownice zbiornika;

2*. Kąt pomiędzy padającym promieniowaniem a kolektorem słonecznym 3*. Zmiana parametrów termofizycznych kolektora 4*. Krzywa grzania układu

* Podczas ćwiczeń realizowany jest tylko jeden wskazany przez prowadzącego aspekt pracy układu

3. Wstęp teoretyczny Przedstawiony poniżej wstęp nie wyczerpuje tematyki związanej z

podstawowymi informacjami o promieniowaniu słonecznym oraz konwersji energii

słonecznej. Dodatkowe informacje teoretyczne jak i praktyczne można znaleźć

m.in. w następujących pozycjach literaturowych związanych z wymianą ciepła w

szczególności rozdziały poświęcone radiacyjnej wymianie ciepła.

3.1 Promieniowanie słoneczne

W wyniku fuzji termojądrowej temperatura wewnątrz Słońca osiąga wartość

15000000K. Jednak spektrum energii Słońca basuje na tym co dzieje się w

zewnętrznych warstwach naszej najbliższej gwiazdy. Spektrum energii może być

w dosyć dobrym przybliżeniu opisane teoretycznie przez tzw. ciało doskonale

czarne o temperaturze T=5777K (rys.2)

Rys. 2. Spektrum energii dla ciała doskonale czarnego

Promieniowanie słoneczne w drodze do powierzchni Ziemi zostaje osłabione

przez atmosferę naszej planety. Miarą tego osłabienia jest efektywny współczynnik

masy powietrza oznaczany jako AM (Air Mass). Spektrum energii na zewnątrz


3

atmosfery definiowane jest jako AM0 (rys.3.). Średnia wartość promieniowania

słonecznego wynosi wówczas ok. 1367W/m2. Oznaczenie AM1 odnosi się do

sytuacji gdy promieniowanie pada prostopadle do powierzchni Ziemi (czyli

przechodzi prostopadle dokładnie przez całą grubość atmosfery).

Dla typowej sytuacji przyjmowany jest zwykle współczynnik AM1.5 który

odpowiada kątowi padania promieniowani słonecznych ok. 48.2o. Dla takich

warunków promieniowanie słoneczne przyjmuje wartość 1000W/m2.

Rys. 3. Spektrum energii: (A) dla ciała doskonale czarnego (T=5777K);

(B) na zewnątrz atmosfery Ziemi (AM0); (C) dla AM1.5

W wyniku przejścia promieniowania przez atmosferę powstają tzw. dziury w

widmie które są wynikiem absorpcji promieniowania w poszczególnych zakresach

długości fali. Odpowiadają za to poszczególne gazy znajdujące się w atmosferze

oraz para wodna.

W wyniku nachylenia osi Ziemi w stosunku do Słońca promieniowanie

słoneczne staje się funkcją położenia i czasu. Zarówno czas nasłonecznienia jak i

maksymalna wysokość słońca podlegają zmianom sezonowym. Ponadto

zachmurzenie, lokalne zacieniowanie powoduje zmienność w potencjale energii

słonecznej.

Całkowite promieniowanie słoneczne odnosi się do ilości promieniowania

padającego na dowolnie zorientowaną powierzchnię. Składa się ono a

promieniowania bezpośredniego, pośredniego oraz odbitego. Pochodzenie różnych

typów promieniowania wyjaśnia rysunek 4.


4

Rys. 4. Rodzaje promieniowania słonecznego: (A+B) rozproszone, (C)

bezpośrednie, (D) odbite

Zależnie od warunków pogodowych promieniowanie rozproszone może

stanowić 50% i więcej udziału w promieniowaniu całkowitym. Większość pomiarów

i map dotyczących promieniowania słonecznego odnosi się do promieniowania

całkowitego.

3.1 Pomiar promieniowania słonecznego

Podstawowa wielkością dla określenia ilości energii promieniowania

słonecznego jest natężenie promieniowania słonecznego R w W/m2. W tym

wypadku ważny jest również kierunek w jakim dokonany został pomiar. Jeżeli

pomiar będzie dokonany w kierunku źródła promieniowania słonecznego otrzyma

się wartość maksymalną. Zwykle jednak w meteorologii pomiar jest wykonywany

w odniesieniu do powierzchni poziomej. W żadnym z opisanej sytuacji natężenie

promieniowania słonecznego nie uwzględnia orientacji modułu ani kąta padania

promieni.

W celu przeliczenia promieniowania bezpośredniego padającego na dowolnie

zorientowaną powierzchnię korzysta się z prostych zależności geometrycznych.

Rys. 5. Definicja kąta pomiędzy kierunkiem pomiaru (linia pomarańczowa) a

kierunkiem padania promieniowania słonecznego (linia niebieska)


5

Rozpatrując przypadek 2-wymiarowy zależność między natężeniem

promieniowania słonecznego padającym na powierzchnię z dowolnego kierunku i

natężeniem promieniowania (rzut) padającego na powierzchnię poziomą może być

opisany jak na rysunku 5.

Rys. 6. Definicja kąta pomiędzy kierunkiem normalnym do powierzchni kolektora

(linia czerwona), kierunkiem pionowym (linia pomarańczowa) a kierunkiem

padania promieniowania słonecznego (linia niebieska)

Jeżeli powierzchni absorbera nie jest pozioma, ale dowolnie zorientowana wówczas

można wyróżnić i zdefiniować kilka kątów co przedstawiono na rysunku 6. Gdzie

opisano kąt pomiędzy kierunkiem normalnym do powierzchni kolektora (linia

czerwona), kierunkiem pionowym (linia pomarańczowa) a kierunkiem padania

promieniowania słonecznego (linia niebieska). Ostatecznie jednak zależności

geometryczne sprowadzają się do prostej konfiguracji w której określony jest

jedynie kąt pomiędzy kierunkiem padania promieni słonecznych a kierunkiem

normalnym do powierzchni absorbera. Sytuacje taka przedstawiono na rysunku 7.

Rys. 7. Zależność pomiędzy kierunkiem padania promieni słonecznych a

kierunkiem normalnym do powierzchni absorbera


6

Pozwala to ostatecznie na wyprowadzenie następującej zależności:

gdzie:

Rdir – promieniowanie słoneczne mierzone w kierunku padania promieni

słonecznych

Rhor – promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię poziomą

Rgen– promieniowanie słoneczne padające na absorber kolektora

słonecznego

Wykorzystując powyższą zależność można określić ilość promieniowania

słonecznego padającego na powierzchnię kolektora zorientowaną pod dowolnym

kątem.

3.2 Bilans energii dla kolektora słonecznego (płaskiego)

Celem kolektora słonecznego jest zaabsorbowanie jak największej ilości energii

słonecznej w celu wykorzystania tego ciepła np. do ogrzania ciepłej wody

użytkowej. Kolektor jak każde urządzenie ma określona sprawność która wynika z

jego bilansu energii. Poszczególne składniki takiego bilansu zostały przedstawione

w sposób graficzny na rysunku 8. Poszczególne składniki oznaczają (1)

promieniowanie słoneczne, (2) straty w wyniku odbicia promieniowania, (3) straty

ciepła w wyniku konwekcji, (4) straty w wyniku promieniowania termicznego, (5)

moc użyteczną.

Rys. 8. Graficzna reprezentacja bilansu energii dal kolektora płaskiego

Pomimo iż kolektor słoneczny formalnie nie jest zasilany paliwem w klasycznym

tego słowa znaczeniu to sprawność jest definiowana jak dla każdego urządzenia

czyli ilość energii użytecznej dostarczonej w jednostce czasu do ilości energii

dostarczonej w tym wypadku w formie promieniowania słonecznego.


7

Moc dostarczona do kolektora Pin może być wyznaczona jako iloczyn natężenia

promieniowania słonecznego razy powierzchnia kolektora słonecznego (tzw.

powierzchnia czynna lub absorbera) Acol

Z kolei moc użyteczna PN może być określona na podstawie danych pomiarowych.

Znając różnice temperatury tj. o ile wzrosła w kolektorze temperatura czynnika

obiegowego (wody) oraz znając przepływ masowy i własności termofizyczne płynu

wówczas moc użyteczną PN można wyznaczyć z następującej zależności:

gdzie:

F oznacza przepływ, gęstość płynu, cp jego ciepło właściwe. Występujące w

powyższym równaniu temperatury oznaczają temperaturę na wlocie T1 i wylocie T2

z kolektora płaskiego.

4. Opis układu eksperymentalnego

Jednostka eksperymentalna ET 202 jest samodzielna jednostka pomiarową.

Wszystkie elementy, przyciski do sterowania oraz wyświetlacze są wyraźnie

rozmieszczone na przednim panelu jednostki, której obraz przedstawiono na

rysunku 9.

Rys. 9. Jednostka eksperymentalna ET 202

1 Rurka przelewowa 8 Panel sterujący

2 Pompa (P) 9 Źródła światła

3 Odpowietrznik 10 Czujnik natężenia światła


8

4 Grzałka 11 Kolektor płaski

5 Zbiornik wody 12 Zasilanie kolektora

6 Pokrywa zbiornika 13 Zasilanie kolektora

7 Mierniki pomiarowe 14 Absorber (wymienny)

Schemat urządzenia przedstawiony na rysunku 10, służy zrozumieniu zasady

działania urządzenia. Wszystkie parametry są mierzone elektronicznie i

pokazywane na cyfrowych wyświetlaczach. Istnieje również możliwość

rejestrowania sygnałów z czujników na komputerze PC za pomocą

specjalistycznego oprogramowania i podłączenia USB. Tak więc system jest

gotowy do pracy zarówno z wykorzystaniem mierników z których wartości mogą

być odczytywane ręcznie jak do zapisu tych wartości bezpośrednio na komputerze.

Rys. 10. Schemat układu pomiarowego ET 202

1 Zespół lamp halogenowych V1 Zawór układu solarnego

2 Kolektor płaski V2 Zawór zbiornika

3 Zbiornik R Miernik natężenia promieniowania

4 Wymiennik ciepła F Przepływomierz

5 Grzałka T1 Temperatura na wejściu do kolektora

6 Odpowietrznik T2 Temperatura na wyjściu z kolektora

7 Przelew T3 Temperatura wody w zbiorniku

P Pompa T3 Temperatura otoczenia


9

Opis działania urządzenia

Światło z zespołu lamp halogenowych (1) pada na płaski kolektor słoneczny (2).

W wyniku pochłaniania promieniowania w absorberze kolektora wzrasta jego

temperatura. W kolektorze płaskim znajdują się rurki umożliwiające przepływ

czynnika obiegowego (wody) co umożliwia odbiór ciepła z kolektora. Nagrzany

nośnik ciepła wymuszony pompą (P) jest transportowany do zbiornika z ciepłą

woda (3) a dokładnie do spiralnej wężownicy stanowiącej wymiennik ciepła (4).

Ciepło z pierwotnego obiegu (solarnego) przekazywane jest do wody znajdującej

się w zbiorniku. Ochłodzony płyn obiegu solarnego jest ponownie transportowany

do kolektora słonecznego gdzie się nagrzewa i cały cykl ulega powtórzeniu.

Obieg czynnika w układzie solarnym jest zamknięty z tego powodu system

wyposażono w układ kompensujący rozszerzalność czynnika (wody) pod wpływem

temperatury (6) jak i układ odpowietrzający (7).

Temperatury T1, T2, T3 oraz T4 są mierzone za pomocą czujników we wszystkich

kluczowych punktach układu tj. odpowiednio na wejściu i wyjściu z kolektora

płaskiego, w zbiorniku oraz temperatura otoczenia. Grzałka (5) znajdująca się w

zbiorniku umożliwia szybsze nagrzanie wody w zbiorniku.

Na rysunku 11 znajduje się szczegółowy opis głównego panelu roboczego

na którym znajdują się przełączniki, urządzenia sterujące oraz mierniki

umożliwiające załączanie systemu, jego regulacje jak i odczytywanie aktualnych

wskazań.

Rys.11. Widok pulpitu sterującego urządzenia

1 Temperatura T1 – na wejściu

do kolektora

8 Włącznik lamp halogenowych

2 Temperatura T2 – na wyjściu

z kolektora

9 Włącznik główny

3 Temperatura T3 – w zbiorniku

(istnieje możliwość jest

ustawienia)

10 Aktywator dla konfigurowania

deklarowanej temperatury w

zbiorniku

4 Temperatura T4 – otoczenia 11 Włącznik grzałki w zbiorniku

5 Natężenie promieniowania 12 Włącznik pompy obiegowej

6 Czujnik temperatury T4 13 Potencjometr do regulacji

przepływu

7 Schemat układu 14 Miernik przepływu


10

5. Przygotowanie do pomiarów

Przed przystąpieniem do wykonania pomiarów należy zapoznać się z instrukcją

wykonania ćwiczenia oraz instrukcja bezpieczeństwa dostępną w laboratorium.

Należy zidentyfikować podstawowe elementy układu w tym czujniki pomiarowe i

zawory. Należy sprawdzić poprawność konfiguracji układu i poczekać na

prowadzącego który ostatecznie sprawdzi układ tuż przed przystąpieniem do

pomiarów.

5.1 Napełnianie obiegu wodą

Niezwykle istotną kwestią w wykonaniu ćwiczenia jest napełnienie obiegu

urządzenia wodą w taki sposób, aby wyeliminować wszystkie bąbelki powietrza

mogące znajdować się w przewodach. W tym celu:

Należy przechylić kolektor słoneczny na pozycję 40°.

Zamknąć zawór doprowadzający V1.

Podłączyć wąż doprowadzający wodę do układu do zaworu V1.

Włączyć pompę i ustawić średnią wartość przepływu na około 10 l/h.

Delikatnie otworzyć zawór doprowadzający wodę na ścianie.

Delikatnie otworzyć zawór V1 i ciągle monitorować poziom wody w

przewodzie przelewowym. Jeśli poziom wody w przewodzie przelewowym

unosi się zbyt szybko, należy zamknąć zawór V1.

Podczas procesu napełniania poziom wody w przewodzie przelewowym

powinien wynosić przynajmniej ¼ jego wysokości.

W celu usunięcia bąbelków powietrza z obiegu należy manewrować

prędkością pompy oraz nachyleniem kolektora słonecznego. Należy także

kilkakrotnie otworzyć zawód odpowietrzający znajdujący się przy pompie.

Proces napełniania i odpowietrzenia można uznać za skończony kiedy

poziom wody w przewodzie przelewowym przestanie fluktuować (przy stałej

wartości przepływu wody przez układ).

5.2 Napełnienie zbiornika

Niezwykle ważne jest, aby w zbiorniku znajdowała się woda i to w odpowiedniej

ilości. Przed przystąpieniem do pomiarów należy zdjąć górną ściankę zbiornika

i uzupełnić poziom wody do takiego poziomu aby woda zakrywała całkowicie

znajdującą się tam wężownice i grzałkę (patrz rysunek poniżej)

Rys. 12. Napełnianie zbiornika wodą


11

Zależnie od wersji ćwiczenia może okazać się, że ważne z punktu widzenia

wykonywanego wariantu ćwiczenia jest, aby woda znajdująca się w zbiorniku miała

stałą i możliwie niska temperaturę. Realizowane jest to wykorzystując wodę

wodociągową której temperatura z dużym przybliżeniem jest stała a wartości

oscylują w ciągu roku w granicach 10-14oC. Woda ta w ilości 70-80 litrów/godzinę

powinna być w sposób ciągły dostarczana do zbiornika. Równocześnie zawór

odpływowy należy otworzyć tak, aby odprowadzać wodę do kanalizacji

5.3 Pomiar natężenia promieniowania

W pomiarach wykorzystywane jest sztuczne światło halogenowe imitujące

promieniowanie słoneczne. Promieniowanie to nie jest równomierne i zależy od

miejsca na które pada. W związku z tym przed przystąpieniem do pomiarów

wykorzystując ogniwo słoneczne (służące jako miernik natężenia promieniowania)

należy przeprowadzić pomiary w różnych punktach kolektora płaskiego. Zalecane

jest wykonanie 16 lub 25 pomiarów realizowanych w 4 do 5 równych odstępach w

kierunku poprzecznym i wzdłużnym panelu. Z pomiarów tych należy wyznaczyć

wartość średnią ważoną. Wagi dla pomiarów w narożach i krawędziach wynoszą

odpowiednio 0.25 i 0.5 a dla pozostałych punktów 1.0.

W obliczeniach należy wykorzystywać wartość średnią ważoną natężenia

promieniowania, jednak jako wartość odniesienia dla pomiarów należy posługiwać

się wskazaniami miernika który na czas pomiarów jest umieszczony na krawędzi

panelu.

Tabela: Iluminancja zmierzona na powierzchni kolektora w kW/m2

Pozycja miernika w

mm

0 80 160 240 320

0

80

160

240

320

6. Wykonanie pomiarów

6.1 Badanie wpływu prędkość przepływu wody na pracę układu

W ćwiczeniu tym analizowane będzie jaki wpływ na pracę układu (moc i

efektywność) ma prędkość przepływu wody przez kolektor oraz wężownicę

zbiornika.

UWAGA. Podczas wykonywania tego ćwiczenia temperatura w zbiorniku powinna

być stała i możliwie jak najniższa. Jest to realizowane poprzez ciągły dopływ wody

wodociągowej do zbiornika i równoczesne usuwanie nadmiaru wody do kanalizacji.


12

1. Kolektor płaski z zainstalowanym absorberem określonego typu

uzgodnionym z prowadzącym ustawić w pozycji poziomej. 2. Na podstawie pomiarów natężenia promieniowania realizowanych przed

przystąpieniem do właściwych pomiarów policzyć i określić jakie jest średnie natężenie promieniowania (patrz pkt 5.3).

3. Wykorzystując regulator (potencjometr) prędkości obrotowej pompy

ustawić początkowy przepływ na maksymalny ok. 20.0-21.0 l/h 4. W celu wykonania pomiarów należy poczekać aż ustalony zostanie stan

stacjonarny czyli np. temperatura wody T2 na wyjściu z kolektora płaskiego osiągnie stałą wartość.

5. Po uzyskaniu wartości ustalonej wyniki pomiarów zapisać w formie

papierowej. 6. Po zapisaniu wszystkich wielkości zmniejszyć przepływ o ok. 1/10 przepływu

maksymalnego i ponownie wykonać pomiary powtarzając procedurę od pkt.4. Pomiary wykonywać aż do uzyskania przepływu minimalnego wynoszącego ok. 1-2 l/h. Pozwoli to na uzyskanie ok. 10 serii pomiarowych.

Tabela do ręcznego zapisu wyników pomiarów Lp. Przepływ Natężenie

promieniowania

Temperatura Temperatura Temperatura

Q, l/h R, W/m2 T1,oC T2,oC TA,oC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

7. Sprawozdanie Sprawozdanie należy przygotować według wzorca znajdującego się na stronie

internetowej katedry.

8. Literatura Staniszewski B., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 1979

Wiśniewski S., Wiśniewski T.S., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 2000

Holman J.P., Heat Transfer, McGraw Hill, Inc., New York, 1997

Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A heat transfer textbook, Phogiston Press,

Cambridge, 2002

Bejan A., Kraus A.D., Heat transfer handbook, Wiley, Hoboken, 2003


13

9. Załączniki

Arkusz roboczy do wydrukowania przed zajęciami:

Tabela do ręcznego zapisu wyników pomiarów

Lp. Przepływ Natężenie

promieniowania

Temperatura Temperatura Temperatura

Q, l/h R, W/m2 T1,oC T2,oC TA,oC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Podpis prowadzącego:


14

10. Dane techniczne urządzenia

Flat plate collector

Absorbing surface: 320x340mm

Angle adjustment: 0...60°

Resolution 10°

Height adjustment

for three positions: 279 mm, 532 mm, 862 mm

Lighting unit

Halogen spotlamps: 25 x 50 W

Illuminance: 0,5 kW/m2 -2,5 kW/m2

Peristaltic pump

Variable flow rate: 3...20 L/h

Measuring ranges

Temperature: 0...100°C

Flow rate: 0...30 L/h

Irradiance: 0...3 kW/m2

Dimensions and weight

LxWxH: 1860 x 790 x 1500 mm

Weight: approx. 90 kg

Connection values 230V, 50/60Hz, 1 phase


15

11. Instrukcja wymiany absorbera

Ćwiczenie numer Konwersja energii 3 słonecznej na...

Documents

Transcript of Ćwiczenie numer Konwersja energii 3 słonecznej na...