Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A Srawozdanie z laboratorim roekologicznych źródeł energii Temat: Wyznaczanie srawności konwersji energii romieniowania słonecznego w energię cielną w kolektorach słonecznych. Michał Stobiecki, Michał Ryms Gra 5; sem. VI Wydz. Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej

2 I. Wstę teoretyczny 1. Promieniowanie słoneczne Elektromagnetyczne romieniowanie γ emitowane z jądra Słońca ma dłgość fali rzęd stmilionowej części milimetra i jest to najkrótsza znana dłgość fali. Ze względ na odwrotną roorcjonalność energii romieniowania do jego dłgości fali, romieniowanie to jest romieniowaniem wysokoenergetycznym. Oszczając jądro Słońca, naotyka ono na swej drodze wiele elektronów i jąder, z którymi zderzając się lega osłabieni energetycznem i wydłżeni dłgości fali. Dodatkowo wybite tym romieniowaniem, wzbdzone elektrony, wracając onownie na swoje orbity walencyjne, wyromieniowją nadmiar energii o charakterystycznych dla danych owłok słonecznych dłgościach fal. Dalsze osłabienie romieniowania wysokoenergetycznego nastęje w rezltacie zamiany energii kinetycznej atomów legających zderzeniom i hamowania na owierzchni Słońca. W efekcie romieniowanie słoneczne ma szerokie sektrm dłgości fali od do 0.01 mm i niesie w sobie zróżnicowaną ilość energii. Tylko część tego romieniowania (od 0.35 do 0.75 µm) to zakres światła widzialnego dla człowieka. Dłgość romieniowania słonecznego waha się od ok. 0.2 do 2.5 µm. Około ołowa (46%) energii romieniowania rzyada na romieniowanie widzialne, reszta na ltrafiolet (7%) i odczerwień (47%). 2. Charakterystyka romieniowania słonecznego Energia słoneczna, która dociera do granicy atmosfery wynosi ok kw/m 2 i zwana jest stałą słoneczną. Na sktek odbicia (ok.35%), absorcji i rozroszenia, ory dnia i rok, do owierzchni Ziemi dociera średnio na oziomą owierzchnię ok. 1 kw/m 2. 1

3 Natężenie na owierzchni Ziemi zależy od wysokości Słońca, co wiąże się z grbością atmosfery, rzez którą to romieniowanie jest absorbowane. Dla wysokości równej 90, 30, 20 i 12 natężenie to wynosi odowiednio I = 900, 750, 600 i 400 W/m Podstawy teoretyczne kolektorów słonecznych Kolektor słoneczny jest to rządzenie w którym nastęje zamiana energii romieniowania słonecznego w energię cielną: romienie słoneczne adają na kolektor ogrzewając znajdjącą się w niej ciecz, która z kolei łynie do wymiennika cieła z stamtąd do omy i z owrotem do kolektora. W wymiennik cieła nastęje wymiana cieła z innym czynnikiem najczęściej wodą, która jest wykorzystywana do ogrzania dom, jak również jako cieła woda żytkowa. Energia romieniowania słonecznego o natężeni H [W/m 2 ], adająca na owierzchnię łaską (absorcyjną), jest częściowo absorbowana, a częściowo odbita. Część z energii zaabsorbowanej jest rzekazywana do otoczenia w ostaci strat cieła (konwekcyjnych i rzewodzenia). W stanie stalonej równowagi termicznej, oisanej rawem Stefana Boltzmana, temeratra równowagi (T równ ) wynosi: 4 α r H T rown = ε σ gdzie: σ = 5, W/(m 2 K 4 ) stała Stefana - Boltzmana. αr wsółczynnik absorcji ε wsółczynnikiem emisji α r /ε wsółczynnik selektywności absorbera Projektjąc kolektor słoneczny należy zastanowić się nad odowiednim doborem cieczy roboczej odgrzewanej w kolektorze. Polskie warnki klimatyczne wymszają stosowanie cieczy osiadających zarówno niską temeratrę krzenięcia, jak i wysoką temeratrę arowania. Ograniczenia te wyklczają życie wody jako czynnika roboczego. Należy więc stosować inne ciecze, takie jak choćby amoniak. Należy zaznaczyć, że ze względ na swą secyfikę działania kolektory słoneczne nie mogą stanowić jedynego źródła cieła. Przetwarzają one co rawda energię słoneczną na cieło, ale dostarczana im energia msi być dostatecznie dża, aby zaobserwować widoczne efekty takiej konwersji. Nie codziennie jednak romienie słoneczne docierają do kolektora z jednakową intensywnością, co więcej często jest tak, że słońce nie dochodzi do nich rzez kilka dni a nawet tygodni, n. zimą. Z tego owod zawsze należy mieć w rezerwie inne źródło cieła. 2

4 4. Srawność kolektora O ołacalności stosowania kolektorów słonecznych decydje ich srawność, którą można wyznaczyć w oarci o nastęjący bilans energii kolektora. H A = Q + Q, Q = m c t 2 t ), str ( 1 ( 1 m c t 2 t ) η = A H gdzie: Q strmień energii żytecznej [W] H natężenie romieniowania słonecznego [W/m 2 ] Q strmień strat cieła [W] str A owierzchnia absorcyjna kolektora [m 2 ] m masowe natężenie rzeływ czynnika [kg/s] c cieło właściwe czynnika [J/(kg K)] t 1 oraz t temeratry czynnika na wlocie i wylocie z kolektora [ C] 2 5. Sosoby odnoszenia srawności kolektorów Wyeliminowanie lb ograniczenie strat cieła z adsorbera do konstrkcji nośnej i odłoża (rzez rzewodzenie) oraz do otoczenia (rzez konwekcję) owodje odniesienie srawności kolektora. Przewodzenie można ograniczyć stosjąc tyowe materiały izolacyjne takie jak styroian, wełna mineralna, ianki oliretanowe. Materiałów tych nie można zastosować z do izolacji adsorbera od strony naświetlanej, gdyż są one nierzezroczyste dla romieni słonecznych. Pierwszym rzebadanym materiałem izolacyjnym była warstwa owietrza, zawarta wewnątrz rzestrzeni omiędzy adsorberem i łytą szklaną. W ten sosób dało się zahamować konwekcję od adsorbera do otoczenia, od łyty szklanej do otoczenia ozostała ona nadal. Okazało się jednak, że straty cieła rzez warstwę owietrza zachodzą nadal rzez rzewodzenie i konwekcję komórkową. Kolejnym rzebadanym materiałem izolacyjnym były izolacje transarentne (rzezroczyste), rzyominające swoją strktrą lastry miod. Hamją one konwekcję komórkową, nie rzeciwdziałają natomiast rzewodzeni cieła rzez warstwę owietrza. Materiałem izolacyjnym rzezroczystym i hamjącym jednocześnie straty cieła rzez rzewodzenie i konwekcji okazała się różnia. 3

5 6. Próżniowy, rrowy kolektor słoneczny Ze względów wytrzymałościowych kolektory różniowe mają kształt walcowy. Próżnia wytworzona wewnątrz szklanej rry otacza, również walcowy, adsorber. W cel zwiększenia wykorzystania owierzchni nasłonecznionej zastosowano dodatkowo rynnowe araboliczne zwierciadła skiające. W ogniskowej tego zwierciadła mieszczona jest rra adsorbera. II. Bdowa stanowiska omiarowego oraz rzebieg ćwiczenia. Stanowisko składa się z baterii 5 ci różniowych kolektorów rrowych (1), ołączonych ró wnolegle i ołączonych z kolektorem zbiorczym wlotowym (3) i wylotowym (2). Na wlocie i wylocie do rr zamocowane są termoary t di i t gi. Cieła woda z kolektorów wływa do wężownicy w zasobnik cw. (4) o ojemności V z = 80 l. Poma obiegowa (6) wraz z bocznikiem i zaworami (8) (tzw. byass ) możliwia reglację rzeływ czynnika od obieg grawitacyjnego do wymszonego. Naczynie wyrównawcze (5) zabeziecza instalację rzed zaowietrzeniem i wzrostem ciśnienia ogrzanego czynnika. W zasobnik zachodzi stratyfikacja, w wynik której ogrzana woda kłada się warstwami. Przeływ ciełej wody (cw.) z górnego króćca wymsza otwarcie zawor wlotowego (7), dorowadzającego do dolnego króćca zasobnika wodę sieciową. W obieg wewnętrznym i zewnętrznym zamocowano dwa rzeływomierze - jeden mierzy objętościowe natężenie rzeływ medim w kolektorze V k, a drgi obór ogranej wody V, oraz. termoary do cw omiar temeratr: wody sieciowej t, wody ogrzanej wl t cw oraz czynnika na wylocie z kolektora t.. k 4

6 1. Metodyka omiarowa W cel sorządzenia bilans cielnego kolektora, wyznaczenia jego efektywności i srawności należy zmierzyć wszystkie odane na owyższym schemacie (oznaczone w kółeczkach) wielkości. Wśród nich są: temeratry t, natężenia rzeływ V i natężenie romieniowania słonecznego H. W oarci o zmierzone wartości oraz dane tablicowe: gęstości ρ = f(t) i cieła właściwego c = f(t) dla średniej temeratry omiar można wyliczyć strmienie cieła: generowane w oszczególnych rrach kolektora Q 1, Q 2, Q 3, dla całego kolektora Q k, zmagazynowanego w zasobnik Q z lb wyrowadzonego z ciełą wodą żytkową Q cw. Możliwe są cztery warianty rzerowadzenia omiarów dla tego kład: a) z wyłączo ną omą (6), całkowicie otwartymi zaworami (8) i bez odbior cw., czyli rzy zamkniętym zaworze (7). (ten wariant wybrano) b) z wyłączoną omą (6), całkowicie otwartymi zaworami (8), ale z odbiorem cw., reglowanym zaworem (7). c) z wymszonym omą (6) obiegiem czynnika w kolektorze ze zmiennym natężeniem jego rzeływ, realizowanym zaworami (8), z odbiorem ciełej wody żytkowej cw, o zadanym zaworem (7) natężeni rzeływ. d) z wymszonym jw. obiegiem czynnika, ale bez odbior cw. W każdym z tych wariantów metodyka rowadzenia omiarów i obliczania wyników jest taka sama. Różnice wystęją doiero rzy sorządzani bilans strmieni cieła od strony odbiorcy. W wariantach z odbiorem ciełej wody żytkowej strmień Q ma dwa człony Q z i Q cw bez odbior cw. tylko jeden: Q = Q z + Q cw V = z t t t c t z konc z ocz. ρ wody ( sr ) ( sr ) Vcw ρ wody ( t i i sr ) + τ i i. c ( t ) ( t t τ sr cw wl ) [ kw ] 2. Obliczenia i analiza wyników Celem wykonanego ćwiczenia było wyznaczenie srawności badanego kolektora słonecznego. Przerowadzone omiary olegały na mierzeni aktalnego strmienia romieniowania słonecznego oraz sczytywani ozostałych arametrów z rogram sterjącego racą kolektora. Podczas wykonywania ćwiczenia gra naotkała roblem raktyczny w ostaci brak odowiedniego nasłonecznienia stanowiska. Mierzone wartości strmienia romieniowania nie rzekraczały 30W/m 2, co sktecznie niemożliwiło orawne zbadanie realnych możliwości badanego kolektora. Zebrane w oniższej tabeli (tab.1) 5

7 wyniki omiarowe ochodzą od innej gry badawczej, która rowadziła omiary w słoneczny dzień. Wszystkie dalsze obliczenia owstały w oarci o te dane. τ t g1 t g2 t g3 t g4 t g5 t d1 t d2 t d3 t d4 t d5 t k t zw V k H [min] C [m 3 ] [W/m 2 ] 0 24,11 24,15 24,26 24,66 24,78 21,31 21,08 20,62 19,89 21,22 22,60 20,75 4, ,65 24,80 24,82 25,33 25,40 21,83 21,63 21,22 20,54 21,70 22,70 21,30 8, ,63 24,70 24,76 25,09 25,09 22,06 21,93 21,90 21,02 22,06 23,06 21,45 12, ,14 25,15 25,09 25,38 25,57 22,32 22,24 21,96 21,42 22,51 23,51 21,55 17, ,08 25,79 26,19 26,46 26,25 22,51 22,47 22,23 21,70 22,61 23,60 21,75 21,5 453 Tab.1 Korzystając z owyższych danych obliczono: Średnie wartości temeratr (t gśr, t dśr, t zśr ) dla oszczególnych elementów kolektora., korzystając ze wzor: n 1 t sr = t i n Masowe natężenie rzeływ (m), dzieląc objętości czynnika (V) rzez czas omiar (τ), co w ogólności zaisać można nastęjąco: i m i Vi = τ i Strmień cieła (Q ) obliczono korzystając ze wzor: Q = m c ( t t ), gdzie c = 4200 gsr dsr J kg K Pole owierzchni kolektora (A) wynosiło 0,96 m 2, a zatem można było obliczyć strmień cieła H A oraz strmień cieła strat. Strmień strat cieła (Q str ) obliczono rzekształcając wzór: H A = Q + Q str Q str = H A Q Mając jż wszystkie otrzebne wartości, można zastosować ostateczny wzór na srawność kolektora: m c η = ( t gsr A H t dsr ) = Q A H 6

8 W oniższej tabeli (Tab.2) zebrane zostały wszystkie wartości, otrzymane dla oszczególnych odstęów czas. Ostatnia kolmna rzedstawia srawności kolektora obliczone dla określonego moment omiar. τ t gśr t dśr t zśr V m H Q Q str H A ηśr [s] C [m 3 ] [kg/s] [W/m 2 ] W ,00 21,38 21,30 8,7 0, ,2 269,4 489,6 44, ,85 21,79 21,45 12,8 0, ,1 314,1 451,2 30, ,27 22,09 21,55 17,2 0, ,5 367,9 495,4 25, ,15 22,30 21,75 21,5 0, ,9 290,0 434,9 33,31 średnia srawność całego omiar: 33,60 Tab.2 Z tabeli odcz ytać można, iż srawność kolektora jest stosnkowo niska, a jej wartość średnia wynosi zaledwie 33, 6%. Na oniższym wykresie (Rys.1) rzedstawiono orównanie zależności srawności i natężenia romieniowania słonecznego w fnkcji czas: Porównanie wykresów; srawności od czas η=f(τ) i natężenia romieniowania od czas H=f(τ) 50, Srawność η [-] 45,00 40,00 35,00 30, Natężenie romieniowania H [W/m 2 ] 25, Czas τ [min] srawność natężenie romieniowania słonecznego Rys. 1 Srawność kolektora waha się omiędzy 25,7 45% i jest to dość dża rozbieżność. Aby zbadać rzyczynę takiego stan rzeczy należy rzeanalizować zachowanie oszczególnych mocy (strmieni cieła) w fnkcji czas. Z orównawczego wykres, omimo oczekiwań, nie wynika bezośrednia relacja omiędzy natężeniem romieniowania adającego na kolektor, a jego srawnością. Ściśle mówiąc wynika tylko w oczątkowej fazie doświadczenia. Taki stan rzeczy sowodowany może być błędem omiarowym, lecz może też wynikać ze strat cieła otrzebnych na roces ogrzania kolektora (rawdoodobnie rzez ierwsze 30 mint), o którym rozoczął się właściwy roces konwersji energii. 7

9 Na oniższym wykresie (Rys.2) rzedstawiono zmiany mocy romieniowania (H A), mocy żytkowej (Q ) oraz mocy strat (Q str ) w fnkcji czas. Wykres zależności strmieni energii od czas Q=f(τ) 600,0 500,0 Strmień energii Q [W] 400,0 300,0 200,0 H A Q Qstr 100,0 0, Czas: τ [min] Rys. 2 Poddając analizie owyższy wykres dostrzec można interesjącą zależność Q str od czas, rozatrywaną w odniesieni do ozostałych dwóch zależności. Po czasie τ=30min wartość Q str jest onad dwkrotnie większa od Q, lecz różnica ta systematycznie maleje, za srawą zmniejszania się wartości Q str i o czasie τ=40min wartości Q str i Q są jż do siebie dość zbliżone. Przewidywać można, iż o dłższym czasie wartości te całkiem zbliżyłyby się do siebie. Powodem tak znacznego wahania strmienia strat cieła (Q str ) jest fakt rzerowadzania doświadczenia w warnkach niestacjonarnych. W ierwszych 30min doświadczenia dża część cieła zżyta została do ogrzania elementów kolektora i jego instalacji, co jest wysoce nieożądane w odczas omiar srawności, gdyż generje zaniżone wyniki (rzeczywista srawność jest wyższa niż by to wynikało z obliczeń zrobionych odczas rozrch kolektora). Dla orawienia rezltat dokonywanych omiarów należałoby rchomić kolektor co najmniej na godzinę rzed lanowanymi omiarami srawności. Jak widać na wykresie (Rys.2) wartość mocy Q zaczęła rosnąć doiero o 30 min od rozoczęcia doświadczenia. Był to czas w którym elementy kolektora i jego instalacji jż się nagrzały i rzestały odbierać cieło wodzie. Porawność owyższej analizy otwierdza kolejny wykres (Rys.3), rzedstawiający zależność temeratr w fnkcji czas, gdzie: t gśr oznacza średnią temeratrę na wlotach rr kolektora; t dśr jest średnią temeratrą na wylotach rr kolektora; t k to 8

10 średnia temeratra na wylocie z kolektora; t zśr zaś jest średnią temeratrą w wymiennik cieła. Wykres zależności temeratry od czas t=f(τ) 27,00 26,00 25,00 Temeratra t [ C] 24,00 23,00 tgśr tdśr tk tzśr 22,00 21, Czas τ [min] Rys. 3 Z owyższego wykres wynika, iż temeratra t k, mierzona na wylocie kolektora, stabilizje się o czasie 30min, (ciągły wzrost temeratry t g sowodowany jest rawdoodobnie błędnym wskazaniem czjników o czym oinformowano odczas rzebieg ćwiczenia). Wartość temeratry t dśr jest nieco wyższa niż t zśr, rawdoodobnie z owod odbior cieła rzez czynnik z rozgrzanych elementów kolektora. Praktycznie wartości t dśr oraz t zśr o 30min rawie się nie różnią. Wykres rzedstawia o ile stoni odgrzewa się czynnik w kolektorze i jak zmienia się temeratra w ważniejszych nktach obieg. III. Podsmowanie i wnioski końcowe. Kolektory są rządzeniami które zamieniają energię słoneczną w cieło, a ich srawność ściśle zależy od czas i warnków omiar. Podczas omiar srawność badanego kolektora wahała się omiędzy 25,7 48%, a jej średnia wartość wyniosła 33,6%, co jest jednakże wartością zaniżoną, ze względ na niestacjonarność omiarów, na co wskazją dże wahania mocy strat Q str. 9