СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ БАНОК

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ БАНОК

Яруллина Л.Р. 1
1МАОУ "Гимназия №37" Авиастроительного района г.Казани
Бухарова А.В. 1
1МАОУ "Гимназия №37" Авиастроительного района г.Казани
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

С каждым годом потребность в энергии увеличивается, а запасы природных видов топлива (нефти, угля, газа и т.д.) конечны. Конечны и запасы ядерного топлива — урана и тория. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование возобновляемых энергоресурсов. Таковыми являются солнечная, ветряная, геотермальная энергии.

Среди возобновляемых источников — солнечная энергия самая перспективная. Получение энергии от Солнца может быть прямым или косвенным. Главное преимущество солнечной энергетики — отсутствие солнечных выбросов и минимальные затраты на оплату электричества. Это стимулирует все большее количество людей прибегать к солнечной энергетике как к альтернативе.

Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э.Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: «Исследования мировых пространств реактивными приборами». Он писал: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле» [7].

Таким образом, использование солнечной энергии является одним из весьма перспективных направлений энергетики. В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных поселков, а также для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов. В сухом жарком климате рационально использовать установки для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйственных объектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т.д.

Тема нашей работы: «Солнечный коллектор из алюминиевых банок». Цель работы — изготовить в домашних условиях солнечный коллектор.

Для этого, мы поставили перед собой следующие задачи:

изучить литературу по теме «Использование в быту возобновляемых источников энергии»;

познакомиться со значениями терминов: энергия, виды энергии, возобновляемые и не возобновляемые энергоресурсы, солнечная батарея, солнечный коллектор;

изготовить солнечный коллектор их алюминиевых банок;

проверить его эффективность и проанализировать результаты.

1. Современные представления об энергии

Энергия – общая количественная мера движения и мера перехода движения материи из одних форм в другие (взаимодействия всех видов материи). Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах [3].

Энергия первоначально была в физике абстрактной идеей, и стала популярной благодаря закону сохранения энергии, согласно которому она не возникает из ничего и не исчезает. Это понятие сильно упрощает описание широкого круга физических процессов и охватывает огромное количество экспериментальных фактов, и не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать эти факты каждый по отдельности.

Различают следующие виды энергии:

• потенциальная энергия

• кинетическая энергия

• энергия диссипации

Потенциальная энергия — это энергия взаимодействия тел, либо частей тела, между собой. Она зависит от расстояния, на котором находятся тела, и не зависит от их скорости. Потенциальная энергия - это скалярная величина, имеющая числовое значение, но не имеющая вектора направления.

или ,

где g- ускорение свободного падения, m- вес тела, h- высота, на которую поднято тело

Кинетическая энергия — скалярная функция, являющаяся мерой движения материальных точек, образующих рассматриваемую механическую систему, и зависящая от масс и модулей скоростей этих точек. Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости:

где Eк- кинетическая энергия тела, m- вес тела, v-скорость движения тела

Энергия диссипации – переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счете – в теплоту. Системы, в которых энергия упорядоченного движения с течением времени убывает за счет диссипации, переходя в другие виды энергии, например, в теплоту или излучение, называются диссипативными. Для учета процессов диссипации энергии в таких системах при определенных условиях может быть введена диссипативная функция. Если диссипация энергии происходит в замкнутой системе, то энтропия системы возрастает. Диссипация энергии в открытых системах, обусловленная процессами уноса энергии из системы, например, в виде излучения, может приводить к уменьшению энтропии рассматриваемой системы при увеличении полной энергии системы и окружающей среды. Это, в частности, обеспечивает важную роль процессов диссипации энергии в уменьшении удельной энтропии вещества на стадиях образования галактик и звезд в модели горячей Вселенной.

Закон сохранения энергии [6]. Одним из самых основных постулатов физики является Закон сохранения энергии. В соответствии с ним, энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает. Она постоянно переходит из одной формы в другую. Иными словами, происходит только изменение энергии. Закон сохранения энергии способен объяснить многие физические явления. Так, например, химическая энергия аккумулятора фонарика преобразуется в электрическую, а из нее – в световую и тепловую. Различные бытовые приборы превращают электрическую: в свет, тепло или звук. Чаще всего конечным результатом изменения являются тепло и свет. После этого энергия уходит в окружающее пространство. Ученые утверждают, что объем энергии во Вселенной постоянно остается неизменным. Никто не может создать энергию заново или уничтожить. Вырабатывая один из ее видов, люди используют энергию топлива, падающей воды, атома.

В 1918 г. ученые смогли доказать, что закон сохранения энергии представляет собой математическое следствие трансляционной симметрии времени - величины сопряженной энергии. Другими словами, энергия сохраняется вследствие того, что законы физики не отличаются в различные моменты времени.

,

где Wp-потенциальная энергия, W-полная энергия тела, Wк-кинетическая энергия тела, m-вес тела, g-ускорение свободного падения, h-высота, на которой находится тело.

С каждым годом человечество потребляет все большее количество энергоресурсов. Чаще всего для получения энергии, необходимой для освещения и отопления наших жилищ, работы автотранспорта и различных механизмов, используются такие ископаемые углеводороды, как уголь, нефть и газ. Они относятся к не возобновляемым ресурсам.

К сожалению, только незначительная часть энергии добывается на нашей планете с помощью возобновляемых ресурсов, таких как вода, ветер и Солнце. На сегодняшний день их удельный вес в энергетике составляет всего 5 %. Еще 3 % люди получают в виде ядерной энергии, производимой на атомных электростанциях.

Не возобновляемые ресурсы имеют следующие запасы (в джоулях):

ядерная энергия – 2 х 1024;

энергия газа и нефти – 2 х 1023;

внутренне тепло планеты – 5 х 1020.

Годовая величина возобновляемых ресурсов Земли:

энергия Солнца – 2 х 1024;

энергия ветра – 6 х 1021;

энергия рек - 6,5 х 1019;

энергия морских приливов - 2,5 х 1023.

Только при своевременном переходе от использования не возобновляемых запасов энергии Земли к возобновляемым человечество имеет шанс на долгое и счастливое существование на нашей планете. Для воплощения передовых разработок ученые всего мира продолжают тщательно изучать разнообразные свойства энергии.

2. Современные солнечные коллекторы

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя [1].

Главной особенностью гелиоколлекторов, отличающей их от теплогенераторов других типов, является цикличность их работы. Нет солнца – нет и тепловой энергии. Как следствие, в ночное время подобные установки пассивны. Среднесуточная выработка тепла напрямую зависит от продолжительности светового дня.

В зимний период эффективность гелиоколлекторов снижается не только из-за уменьшения продолжительности светового дня, но и из-за изменения угла падения солнечных лучей. Колебания производительности солнечного коллектора в течение года следует учитывать при расчетах его вклада в систему теплоснабжения.

Еще один фактор, который может повлиять на продуктивность солнечного коллектора, – климатические особенности региона. На территории нашей страны есть немало мест, где 200 и более дней в году солнце скрыто за толстым слоем туч или за пеленой тумана. В пасмурную погоду производительность гелиоколлектора не падает до нуля, поскольку он способен улавливать рассеянные солнечные лучи, но существенно снижается [2].

Главное назначение солнечных коллекторов, как и любых других теплогенераторов – отопление зданий и подготовка воды для системы горячего водоснабжения. При выборе устройства необходимо знать, какой именно тип гелиоколлекторов лучше подходит для выполнения той или иной функции.

Плоские солнечные коллекторы отличаются хорошей производительностью в весенне-летний период, но малоэффективны зимой. Из этого следует, что использовать их для отопления, потребность в котором появляется именно с наступлением холодов, нецелесообразно. Это, однако, не означает, что для данного оборудования вовсе не найдется дела. Еще чаще их используют для подогрева до комфортной температуры воды в открытых бассейнах.

Трубчатые вакуумные коллекторы более универсальны. С приходом зимних холодов их производительность снижается не столь существенно, как в случае плоских моделей, а значит, они могут использоваться круглогодично. Это дает возможность задействовать подобные гелиоколлекторы не только для горячего водоснабжения, но и в системе отопления.

Солнечный воздушный коллектор, применительно к частному домовладению, выполняет три функции. Первая – дополнительный обогрев помещения. Вторая - вентиляция и фильтрация воздуха в помещении. Третья – осушение помещения при периодическом отоплении его в холодное время.

В работе солнечных воздушных коллекторов практически нет ограничений – электричества и газа не нужно, воздух в качестве теплоносителя не закипает и не замерзает. Такого понятия как «стагнация гелиосистемы» как в жидкостных коллекторах, просто нет.

Быстрый прогрев воздуха в помещении до нужной температуры – тоже одна из особенностей солнечных воздушных коллекторов. Несмотря на то, что воздух имеет меньшую теплопроводность в 28 раз и меньшую удельную теплоемкость в 4 раза, чем вода, он как теплоноситель подвижен, хорошо регулируется (по температуре и количеству). Воздух обеспечивает быстрое изменение температуры и более равномерное распределение тепла внутри помещений. Он безопасен в пожарном отношении. Нагретый воздух можно распределять по существующим каналам вентиляционной системы.

Принцип действия.

Солнечный воздушный коллектор [8] – это тепловой абсорбер, в котором в качестве рабочего тела используется воздух, а в качестве источника тепла – солнечное излучение. Холодный воздух попадает в систему каналов, где он нагревается, контактируя с поверхностью абсорбера, нагретой солнечным теплом, и затем поступает в обогреваемое помещение.

Солнечные воздушные коллектора делятся на три основные группы по системе циркуляции воздуха: внутренняя циркуляция/рециркуляция (забор холодного воздуха происходит внутри отапливаемого помещения), внешняя циркуляция (забор холодного воздуха осуществляется с улицы), комбинированная циркуляция (забор холодного воздуха может осуществляться из обоих источников по очереди или одновременно).

По способу организации теплового потока в солнечном воздушном коллекторе эти устройства делятся на два типа: с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. В первом типе, в организации движения воздуха действуют законы конвекции и гравитации, во втором типе, движение воздуха осуществляется при помощи вентилятора.

В современных солнечных воздушных коллекторах устанавливают миниатюрную фотоэлектрическую (солнечную) панель, от которой происходит питание вентилятора 12В/12Вт постоянного тока. Это снижает пожароопасность системы до нуля, по сравнению с питанием вентилятора от 220 В домашней сети.

Недостатки солнечного воздушного коллектора:

- воздушный солнечный коллектор работает только при наличии солнца, эффективность его в пасмурные дни будет около нулевой;

- при низкой температуре, даже в солнечный день, лучше переключать коллектор на режим внутренней циркуляции;

- при установке коллектора необходимо сверлить одно-два больших отверстия в несущей стене или в крыше (в зависимости от места установки).

Большинство самодельных коллекторов либо ненадежны, либо очень сложны и дороги. Но если под солнечными лучами нагревать не жидкий теплоноситель, а обыкновенный воздух, то конструкцию можно существенно упростить и снизить ее стоимость до минимальной. В нашей проектной работе мы решили самостоятельно изготовить воздушный солнечный коллектор из алюминиевых банок.

3. Процесс изготовления солнечного коллектора

Для самостоятельного изготовления воздушного солнечного коллектора нам понадобилось:

- 25 алюминиевых банок;

- черная матовая краска;

- фанерный щит 8х1500х1500 мм;

- лист поликарбоната 350х1050мм;

- клей герметик силиконовый;

- утеплитель (пенополистирол) 6 мм;

- саморезы 20 шт;

- канализационный отводы d=50 мм

- вентилятор от процессора.

На первом этапе нам было необходимо подготовить банки, для чего в них увеличили отверстие в горлышке, а в донышке пробили большое отверстие (рис.1, приложение 1). Некрасивые зазубрины обязательно должны присутствовать. Струи воздуха, сталкиваясь с ними, создают эффект турбулентности, а значит ещё больше разгоняются и нагреваются. Таким образом нужно было подготовить все банки, после чего их очень тщательно промыли от пищевых остатков тёплой водой с моющим средством, чтобы они не издавали неприятный запах при нагревании [9,10,11].

На втором этапе мы соединили банки в трубы, для этого использовали клей герметик (рис.2, приложение 1). Банки сажали на клей, соединяя горлышко одной банки с донышком другой (места склеивания предварительно обезжиривали ацетоном), на каждую трубу понадобилось по 5 стандартных алюминиевых банок (500 мл), оставили клеиться на сутки. Всего понадобилось изготовить 5 труб (рис.3, приложение 1).

На третьем этапе мы покрыли банки черной краской, так как чёрный цвет значительно увеличит поглощение солнечной энергии. Краску выбрали матовую, глянцевая будет отражать часть света (рис.4, приложение 1).

На четвертом этапе мы изготовили короб для коллектора. Вырезали из листа фанеры заднюю стенку размером 350 х 1050мм. Борта короба скрепили между собой металлическими уголками. Высота бортов 12 см. На стену короба приклеили утеплитель (рис.3, приложение 1). Изготовили два держателя для труб из банок, для этого нам понадобилось две полоски фанеры размером 350 х 100 мм. С помощью электродрели высверлили отверстия под трубы.

На пятом этапе мы установили банки в короб, фиксировали опорными планками с отверстиями. В боковой стенке короба сделали верхнее и нижнее отверстия для воздуховодов, в нижнее будет заходить холодный воздух, а через верхнее будет выходить уже подогретый воздух. Для более интенсивного воздухообмена в системе мы планируем во входном отверстии установить вентилятор. Фронтальную часть короба закрыли листом поликарбоната, закрепили его саморезами, предварительно уплотнив все щели клеем-герметиком.

4. Оценка эффективности работы коллектора

На данном этапе работы мы постарались оценить эффективность работы собранного нами коллектора.

Мы установили солнечный коллектор на подоконнике кабинета на солнечной стороне (южная сторона), так как среднесуточная выработка тепла напрямую зависит от продолжительности светового дня (рис.7, приложение 2).

Экспериментальная часть включала в себя замеры температуры воздуха на входе (внизу коллектора) и выходе (на верху) (рис.5,6, приложение 1).

Измерения температуры и фиксацию значений мы осуществляли с помощью датчика температуры VERNIER (США) (рис.8, приложение 2) и устройства измерения и обработки данных (УИОД) [4,5]. Датчик представляет собой универсальный температурный сенсор из нержавеющей стали — прочный, который может использоваться в органических жидкостях, солевых растворах, кислотах и основаниях. Основные технические характеристики датчика представлены в приложении 2.

Измерения проводились в интервале с 10 утра до 13 часов дня. Устанавливали режим измерений «с изменением времени», 1 измерение в 5 минут в течение 120 мин-180 мин, таким образом, общее число замеров 50-75 (пример фрагмента графика рис.9, приложение 2). Обработка данных и построение графика осуществлялось с помощью программного приложения LoggerPro 3.8.0.

Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1. – Измерения температуры

Дата

Длительность светового дня, мин

Ясно/пасмурно

Температура на входе, оС

Температура на выходе, оС

Прирост температуры, оС

10.01.2020

435

пасмурно

20,4

39,8

19,4

13.01.2020

439

пасмурно

20,6

40,2

19,6

14.01.2020

441

облачно

20,6

40,4

19,8

15.01.2020

443

пасмурно

20,4

40,6

20,2

16.01.2020

445

пасмурно

20,4

40,6

20,2

17.01.2020

447

облачно

20,6

40,8

20,2

20.01.2020

476

пасмурно

20,8

41,2

20,4

21.01.2020

478

облачно

20,8

41,4

20,6

22.01.2020

480

ясно

21,0

41,6

20,6

23.01.2020

483

облачно

20,6

41,4

20,8

24.01.2020

484

пасмурно

20,6

41,6

21,0

27.01.2020

516

пасмурно

20,8

41,6

20,8

28.01.2020

518

ясно

21,2

43,4

22,2

29.01.2020

520

пасмурно

20,8

44,2

23,4

30.01.2020

523

пасмурно

20,8

44,6

23,8

31.01.2020

525

облачно

21,0

45,4

24,4

03.02.2020

532

ясно

21,8

46,6

24,8

04.02.2020

535

пасмурно

21,4

47,4

26,0

05.02.2020

537

облачно

21,6

47,8

26,2

06.02.2020

540

ясно

22,2

48,8

26,6

07.02.2020

542

ясно

23,2

50,8

27,6

10.02.2020

550

пасмурно

23,2

47,6

24,4

11.02.2020

553

ясно

23,4

56,6

33,2

12.02.2020

555

ясно

23,4

57,2

33,8

13.02.2020

562

ясно

23,6

57,8

34,2

14.02.2020

575

облачно

27,2

52,8

25,6

17.02.2020

588

облачно

29,8

57,4

27,6

20.02.2020

601

пасмурно

24,1

26,5

2,4

21.02.2020

606

ясно

26,0

45,4

19,4

26.02.2020

628

облачно

27,0

60,8

33,8

28.02.2020

638

пасмурно

24,8

27,9

3,1

5. Вывод

В ходе работы над нашим проектом мы решили поставленные перед нами задачи:

• изучили литературу по теме «Использование в быту возобновляемых источников энергии»;

познакомились со значениями терминов: энергия, виды энергии, возобновляемые и не возобновляемые энергоресурсы, солнечная батарея, солнечный коллектор;

• изготовили солнечный коллектор их алюминиевых банок;

провели эксперименты по определению эффективности его работы.

Проверку гелиоколлектора мы начали в зимний период (с января). Проведенные нами замеры, показывают, что прирост температуры при пасмурной погоде составил максимально 4,3 С в январе, прирост температуры при ясной погоде в январе составил максимально 7,2 С (диаграмма 1, 2 приложение 3).В феврале угол падения солнечных лучей меняется, и прирост температуры при пасмурной погоде составил максимально 4,1 С, прирост температуры при ясной погоде в феврале составил уже максимально 34 С.

В зимнее время эффективность работы солнечного коллектора может снижаться не только из-за уменьшения продолжительности светового дня, но и из-за изменения угла падения солнечных лучей. Поэтому, мы продолжим проводить замеры, меняя положение коллектора, отклоняя его от вертикали на разную величину угла.

В планах дальнейшей работы над изучением эффективности солнечного коллектора -применение его для обогрева воды, а также проведение расчетов, связанных с экономической выгодой для потребителя.

Список литературы

1

Алексеев В. В., Чекарев К. В. Солнечная энергетика. — М.: Знание, 1991. — 64 с.

2

Алексеенко С. В. /Нетрадиционная энергетика // Большая российская энциклопедия: [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М.: Большая российская энциклопедия, 2004—2017.

3

Дорфман Я. Г. Всемирная история физики. С начала XIX до середины XX века.— Изд. 3-е.—М.: ЛКИ, 2011с— 317с.

4

Жилин Д. М.. Демонстрационный эксперимент С AFSТМ. Химия. Методическое пособие для учителя. Москва, 2011.

5

Жилин Д. М.. Учебные проекты С AFSТМ. Химия. Методическое пособие для учителя. Москва, 2011.

6

Иванов Б.Н. Законы физики. 3-е изд.—М.:Эдиториал УРСС, 2004.— 368 с.

7

К.Циолковский «Исследование мировых пространств реактивными приборами» Калуга-1926.

8

Умаров Г. Я., Ершов А. А. Солнечная энергетика. — М.: Знание, 1974. — 64 с.

9

http://bestdiy.ru

10

http://sam-stroitel.com

11

https://1posvetu.ru

Приложение 1

   

Рис.1. Отверстия в днище банки.

Рис.2. Соединение в трубу.

   

Рис.3. Соединенные трубы.

Рис.4. Покраска конструкции.

   

Рис.5. Замеры на входе

Рис.6. Замеры на выходе

Приложение 2

   

Рис.7. Установка коллектора на подоконнике.

Рис.8. Датчик температуры с устройством измерения и вывода данных.

Технические характеристики датчика температуры

Диапазон измерений: от -40 до 135 ° C. Максимальная температура для датчика без физических повреждений: 150 ° C. Точность: ± 0,2 ° C при 0 ° C, ± 0,5 ° C при 100 ° C. Время отклика (90% конечного значения): 10 секунд (в жидкости при перемешивании).

Размеры зонда:

Длина с ручкой: 15,5см

Сенсор из нержавеющей стали: 10,5см длиной, 4,0 мм в диаметре

Ручка датчика 5,0 х 1,25см

 

Рис.9. Пример графика измерения температуры на выходе.

Приложение 3

Диаграмма 1. Динамика изменений разности температур на входе и выходе солнечного коллектора в январе.

Диаграмма 2. Динамика изменений разности температур на входе и выходе солнечного коллектора в феврале.

Просмотров работы: 18