II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В НАШЕМ ДОМЕ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рукавичкин М.В. 1

---

1

Абрамова Д.Ю. 1

---

1

Работа в формате PDF

2.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

             ВВЕДЕНИЕ

Мы с братом и родителями на все летние каникулы выезжаем жить в наш дом, расположенный в садовом товариществе на побережье Черного моря. Там летом очень жарко, мы купаемся в море, ходим по горам и приходится много раз мыться. В садовом товариществе нет водопровода. Для получения воды, у нас пробурена скважина и вода в ней очень холодная. Поэтому воду приходится нагревать, на что тратится много электроэнергии.

В тоже время, на побережье Черного моря очень много солнца и я задумался: как использовать солнечную энергию для получения горячей воды? Я видел на некоторых участках, на которых люди живут постоянно, установки промышленного производства для нагрева воды солнечной энергией.

Рис.1 Промышленные установки нагрева воды солнечной энергией

Я подумал, как сделать такую установку самостоятельно и дешевле. Для этой цели я провел исследование времени нагрева и возможной температуры воды в летнем душе. Результаты показали, что простейшая установка может обеспечить горячей водой наш дом, только нужно решить одну проблему: как перемешивать воду в бочке?

В книге [1] объясняется, как происходит перемешивание жидкости и газа при нагревании и охлаждении. Это явление называется конвекция. Конвекция это вид теплопередачи. Существует естественная конвекция, при которой нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При принудительной конвекции перемещение вещества вызывается действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной [2].

Чтобы упростить установку нагрева воды, я решил использовать естественную конвекцию. В книге [1] показано, что для нагревания воды источник тепла нужно располагать ниже нагреваемой емкости с водой. Принцип действия всех солнечных нагревателей одинаков: тепловая энергия солнца нагревает специальное устройство называемое коллектором, а нагретая в нем жидкость начинает циркулировать в системе.

Рис.2 Схема работы установки по нагреву воды

При проектировании водонагревателя построенного по такому принципу один конец трубы, идущий к коллектору, подключается ко дну емкости (бочки), другой должен подключаться выше к боку емкости. Так как горячий конец можно подключить в разные места, то у меня возник вопрос: к какой части емкости (бочки) подключать верхний (горячий) конец трубы идущей из коллектора?

Моя гипотеза: горячий ввод необходимо делать по возможности в самую нижнюю часть емкости (бочки).

Целью работы является проектирование простой, дешевой установки для получения горячей воды в летний период, которую можно сделать своими руками и проверить ее действие на макете.

1. Изучить, как используют солнечную энергию в настоящее время.

2. Исследовать время нагрева воды в летнем душе солнечными лучами.

3. Спроектировать схему установки нагрева воды солнечной энергией в нашем доме.

4. Сделать макет установки для нагрева воды.

5. Исследовать наилучшее место подключения солнечного нагревательного элемента к емкости для горячей воды.

1. Использование солнечной энергии

В настоящее время солнечную энергию используют двумя путями:

- фотоэлектрические технологии;

- применение солнечной тепловой энергии.

Фотоэлектрические технологии заключаются в том, что солнечный свет преобразуется в электричество. Такие технологии применяются в космосе для питания приборов.

Рис.4 Солнечные фотоэлементы для работы спутников

Я видел фотоэлектрические установки на дорогах в Краснодарском крае солнечные батареи, которые питали светофоры и освещали пешеходные переходы.

Рис.4 Солнечные фотоэлементы для освещения пешеходных переходов

Также продаются солнечные фонари для освещения дачных дорожек в ночное время. Солнечные батареи питают калькуляторы и др.

Рис.4 Солнечные фотоэлементы для освещения садовых дорожек

Рис.4 Солнечные фотоэлементы питают калькуляторы

Солнечная тепловая энергия широко применяется в тех областях, где много солнечного света. Она используется для отопления, сушки, опреснения воды др. Солнечные технологии, работа которых заключается исключительно на поглощении солнечной энергии и не имеют движущихся частей, называются пассивными солнечными системами. Активные солнечные системы могут иметь некоторые дополнительные элементы, такие, как, например, тепловые насосы.

В отличие от фотоэлектрических технологий, тепловые солнечные технологии могут быть реализованы в быту, без использования дорогостоящего оборудования.

Солнечная энергия поступает на поверхность земли со средней мощностью около 1 кВт на квадратный метр (такую мощность имеет чайник для кипячения воды) [4]. Величина фактически пригодного для использования излучения изменяется в зависимости от географического положения, облачности, времени суток и др. Самая большая солнечная радиация наблюдается на экваторе, особенно в районах пустыни.

Для нагревания воды используются специальные устройства – коллекторы. В коллекторах вода нагревается солнечными лучами и по трубам поступает в емкость для горячей воды. Наклон и ориентация коллекторов очень важны, так как от этого зависит, какая тепловая мощность будет получена, а от этого в свою очередь зависит температура воды и скорость ее нагрева. Поэтому поверхность коллектора, по возможности, должна быть направлена точно на солнце. Большинство солнечных водонагревательных коллекторов жестко закреплены на крышах зданий и не могут следить за солнцем. В более сложных системах для выработки электроэнергии применяются устройства, которые позволяют следовать за направлением солнца в течение дня.

Рис.5 Коллекторы, закрепленные на крышах

1. Исследование времени нагрева воды в летнем душе солнечными лучами

У нас на даче есть летний душ, который состоит из бочки объемом 200л, установленной на высоте 2м 10 см. Душ находится на открытом для солнечных лучей месте и бочка нагревается. Мы обычно, с утра до обеда уходим на пляж, и, приходя домой, через 3-4 часа, принимаем душ.

Рис.6 Летний душ

Вода на дне, откуда она берется для душа, оказывается холодной, хотя в верхней части она очень горячая. Это заставило меня задуматься, как сделать, чтобы вода была равномерно горячей и чтобы горячая вода была и на кухне и в ванной, где сейчас она греется электрическим нагревателем.

Этим летом я провел исследования времени нагрева воды в бочке при ясной погоде в обычных условиях и при перемешивании воды.

В таблице 1 приведены результаты измерений в обычных условиях.

Рис.7 Таблица 1 Результаты измерения времени нагрева воды в обычных условиях

В таблице 2 приведены результаты измерения при перемешивании воды в бочке.

Рис.8 Таблица 2 Результаты измерения времени нагрева воды при перемешивании

По результатам летнего исследования я сделал вывод, что при перемешивании воды в бочке вода нагревается равномерно и значительно быстрее.

1. Проектирование схемы установки для нагрева воды солнечной энергией

В настоящее время в продаже имеется большое количество солнечных коллекторов. Солнечный коллектор - это устройство для сбора тепловой энергии Солнца. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя. Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.

Стоимость коллекторов достаточно велика и самые простые стоят 25-30 тыс. руб. Так как мы находимся на даче только в летнее время 2-3 месяца и нам необходима только горячая вода для кухни и ванной (без отопления), покупать такой коллектор дорого. Хочется сделать нагреватель воды на основе летнего душа. Мои исследования температуры и времени нагрева, при условии перемешивания, воды нас устраивают.

В интернете рассмотрено много вариантов построения нагревателей воды солнечной энергией. Самый простой вариант - когда перемешивание воды происходит только за счет естественной конвекции (без разных насосов и дополнительных устройств). Для этого бак нужно прикрепить выше нагревателя (коллектора). Вода будет двигаться по такой схеме: при нагреве в коллекторе она будет расширяться, становиться менее плотной и подниматься вверх по трубе в бочку. В результате этого более холодная вода, со дна бака, будет поступать в нижнюю подводную трубу и в коллектор. Таким образом, происходит круговорот воды в солнечной греющей установке. И пока светит солнце, вода постоянно будет циркулировать по замкнутому кругу, все больше и больше нагреваясь.

Конструкций коллекторов также очень много. Самый простым является завернутый спиралью обычный поливочный шланг. Концы этого шланга служат подводящей и отводящей трубами.

Рис.9 Схема нашей будущей нагревательной установки для дома

На рисунке 9 приведен проект простейшей нагревательной установки для получения горячей воды в дачном доме.

Шланг для солнечного коллектора должен иметь тёмную, а лучше чёрную поверхность, которая хорошо поглощает и плохо отражает солнечные лучи. Часть солнечной энергии в виде тепла передаётся теплоносителю, а часть уходит в окружающую среду.

Количество солнечной энергии, которое получает коллектор, зависит не только от интенсивности освещения, но и от угла, под которым падают лучи. Максимальное количество солнечного тепла коллектор получает в том случае, когда коллектор расположен перпендикулярно солнечным лучам. Поэтому в средних широтах солнечный коллектор лучше ориентировать на южную сторону под углом примерно 45⁰.

1. Изготовление макета нагревательной установки

Для проверки действия нагревательной установки я нарисовал эскиз макетной установки, приведенной на рисунке и, с помощью папы, построил макет.

Рис.10 Эскиз макетной установки

Макет представляет собой уменьшенную часть дома. На верхнем этаже или чердаке располагается емкость (бочка) для хранения горячей воды. Нагревательный элемент располагается вне дома. В качестве емкости для горячей воды я использовал пластиковую бутылку объемом 5л. В качестве нагревательного элемента (шланга) я использовал пластиковую трубку диаметром 1см и длиной 5м, причем сам нагревательный элемент представляет собой часть трубки длиной 2м50см, закрученной в виде спирали.

1. Исследование влияния места подключения нагревательного элемента к емкости для горячей воды на время нагрева

Как было сказано в предыдущем разделе, нагревательный элемент (коллектор) должен располагаться ниже уровня емкости для горячей воды. При этом ввод воды из нагревательного элемента в емкость для горячей воды должен быть выше вывода, для того чтобы началась естественная конвекция (перемешивание) воды: горячая вода поступает вверх, а более холодная через вывод поступает в нагревательный элемент для последующего нагрева.

Чтобы проверить свою гипотезу, я провел эксперименты по определению времени нагрева в зависимости от точки ввода трубы нагревательного элемента.

Нагрев я производил тепловентилятором мощностью 1500 вт.

Первоначально в бутылку заливалась вода объемом 5л. Вводы делались в точках соответствующих одной третей части, двух третей, объема емкости для горячей воды. То есть получались объемы 1,5 л, 3л и 4,5 л. Температура измерялась в центре емкости уличным термометром. Эксперименты проводились при комнатной температуре 24⁰С. Для каждого последующего эксперимента заливалась новая холодная вода из водопровода.

При проведении экспериментов коллектор располагался под углом 45.^o.Результаты эксперимента приведены в таблице 3.

Рис.20 Таблица 3. Результаты определения времени нагрева в зависимости от точки ввода трубы нагревательного элемента

При достижении температуры, приближающейся к 30^oС, я видел, как в коллекторе начинали образовываться воздушные пузырьки, которые поднимались в верхнюю часть витка и там создавали воздушную пробку. Конвекция прекращалась, дальнейший нагрев не происходил, а наоборот вода начинала охлаждаться. На рисунке показан процесс образования воздушной пробки.

Рис.21 Процесс образования воздушной пробки.

Теплая вода поднимается вверх не только в нужном направлении, но и в сторону, противоположную естественной конвекции, мелкие пузырьки, всплывая вверх, собираются в воздушную пробку прекращают естественную циркуляцию воды. Я стал изучать, как это явление исключить. В работе [3] показано, что при вертикальном расположении спирального коллектора необходимо использовать насос.

Так как целью моей работы было спроектировать установку с естественной конвекцией, то такое расположение коллектора меня не устраивало. Тогда я решил попробовать горизонтальное расположение коллектора. По моему рассуждению, в этом случае, не должно быть взаимно противоположного движения теплой воды. А так как солнце в Сочи летом стоит практически в зените, оно будет почти всегда направлено на горизонтально расположенный коллектор.

Я провел исследования времени нагрева воды при горизонтальном расположении коллектора. Результаты исследования приведены в таблице 4.

Рис.22 Таблица 4. Результаты определения времени нагрева в зависимости от точки ввода трубы нагревательного элемента при горизонтально расположенном коллекторе.

При проведении исследования при температуре близкой к 30^oС также начали появляться пузырьки воздуха, но они поднимались вверх и выходили через емкость с водой и воздушные пробки не образовывались.

Эксперименты показали, что моя гипотеза не подтвердилась. Наилучшее место подключения горячей трубы соответствует точке равной двум третям от объема емкости. При выработке гипотезы, я исходил из опыта, приведенного в книге Я. Перельмана [1] с нагреванием льда в пробирке, в котором показано: для того чтобы вода в пробирке нагревалась ее надо нагревать снизу. В моем случае это не работает. Я объясняю неправильность своей гипотезы тем, что расстояние от входа горячей воды до выхода холодной очень мала. Поэтому вода быстро нагревается и температура входа и выхода становится одинаковой, поэтому процесс естественной конвекции прекращается или становится очень медленным.

Другой вопрос, который меня заинтересовал при проектировании установки, как зависит охлаждение нагретой воды в емкости при охлаждении нагревателя. Ведь солнце ночью не греет, а ночью летом бывает иногда холодно.

Это я также исследовал с помощью своего макета. Я провел два эксперимента:

- первый эксперимент. Я нагрел воду в емкости до 35⁰С и исключил циркуляцию воды, для чего зажал трубки нагревателя.

- второй эксперимент. Я нагрел воду в емкости до 35⁰С и оставил возможность циркуляции воды, при этом нагревательный элемент охлаждался в естественных условиях.

Результаты этих экспериментов приведены в таблице 5.

Рис.23 Таблица 5 Результаты определения времени охлаждения воды при наличии и исключении ее циркуляции.

Из таблицы видно, что время охлаждения не зависит от способа охлаждения коллектора, так вода в нагревательном элементе охлаждается быстрее, чем в бочке, и конвекция не происходит.

В результате своего исследования, я сделал следующие выводы:

1. Спиральный коллектор для нагревателей воды с естественной конвекцией должен располагаться горизонтально.

2. Труба, подводящая теплую воду в емкость должна иметь наклон вверх и не должна иметь участки со спусками, в которых могут образовываться воздушные пробки.

3. Мой проект нагревательной установки может использоваться в летний период, в южных широтах.

4. Лучшим местом подключения подводящей трубы к емкости для хранения горячей воды это средняя часть емкости. (В моем макете на высоте двух третей от объема емкости).

5. Время охлаждения горячей воды не зависит от охлаждения нагревательного элемента.

6. Моя гипотеза не подтвердилась.

7. Результаты моей работы мы будем использовать при строительстве нагревателя для горячей воды в нашем доме.

Исследования, которые я провел, показывают, что построить простую установку для получения горячей воды в летнее время возможно. Проект такой установки представляет собой бочку объемом 200л, изготовленную из пищевого пластика и нагревательного элемента выполненного из поливочного шланга длиной 70 – 100 м, свернутого в виде спирали и расположенного горизонтально. Концы шланга являются подводящей и отводящей трубами (Рисунок 1). Такая система позволяет ее быстро развертывать и свертывать и убирать в дом при приезде и отъезде.

1. Перельман Я.И. Занимательная физика – Москва: АСТ, 2015.

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F

3. http://www.solarsistem.ru/collector_iz_trubi.php

4. https://otvet.mail.ru/question/15053866

22