ЛАБОРАТОРНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ВОЗДУШНОГО КОЛЛЕКТОРА

Полезная модель относится к учебным пособиям и может быть использована для проведения лабораторных исследований по курсам «Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии», «Физика», «Термодинамика», «Общая экология» и др.; для демонстрационных целей и изучения физических процессов преобразования солнечной энергии.
Известны устройства для экспериментального изучения законов оптики - полезные модели «Лабораторно-исследовательский стенд для изучения отражения света и концентраторов солнечного излучения» (RU №66071 от 2006.11.12), «Лабораторно-исследовательский стенд для исследования концентраторов излучения и отражения света с моделями на магнитной основе» (RU №71784 от 20.03.2008). Эти устройства позволяют проводить исследования в соответствующих областях оптики и электротехники.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является устройство, применяемое в качестве лабораторного стенда для изучения характеристик солнечных элементов - полезная модель «Лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик батареи солнечных элементов» (RU №75759 от 20.08.2008).
Лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик батареи солнечных элементов содержит источник света, закрепленный на подвижном штативе Г-образной формы, мультиметр и основание установки (ДСП).
Недостатком данного стенда является то, что на нем нельзя проводить исследовательские лабораторные работы по изучению процессов происходящих при преобразовании электромагнитного излучения Солнца в тепловую энергию для нагрева теплоносителя (воздуха).
Задачей является создание стенда с помощью которого в отличие от аналога (преобразование солнечной энергии в электрическую), будет возможным изучение процессов преобразования электромагнитной энергии солнечного излучения в тепловую энергию рабочего агента (воздуха) за счет использования солнечного воздушного коллектора. Данный стенд позволит изучить конструктивные особенности солнечных коллекторов, исследовать температурные характеристики, измерить изменения температуры в различных точках коллектора в зависимости от скорости потока воздуха и от времени, определить распределение температур в зависимости от расстояния приемного элемента от источника излучения, а также наглядно продемонстрировать различные физические процессы преобразования солнечной энергии для получения тепла.
Поставленная задача решается тем, что лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик батареи солнечных элементов, содержащий источник света, закрепленный на подвижном штативе Г-образной формы, мультиметр, основание стенда, согласно полезной модели он дополнительно содержит солнечный воздушный коллектор, вентилятор и панель управления, что позволяет исследовать процессы преобразования солнечной энергии в тепловую энергию нагрева воздуха.
В результате использования предлагаемой полезной модели можно изучить следующие характеристики солнечного воздушного коллектора:
- снятие температуры воздуха на входе в коллектор (Tin);
- снятие температуры воздуха на выходе из нижнего канала коллектора (Tout1);
- снятие температуры воздуха на выходе из верхнего канала коллектора (Tout2);
- снятие температуры в трех разных точка коллектора (T1, T2, Т3);
- снятие температурных данных при изменении скорости воздушного потока от 3 до 8.5 m/s;
- построение экспериментальной зависимости температуры и КПД от скорости воздуха;
- построение экспериментальной зависимости температуры и КПД от освещенности.
Лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечного воздушного коллектора содержит непосредственно сам коллектор, источник света, закрепленный на подвижном штативе Г-образной формы над коллектором, мультиметр, панель управления. Лабораторно-исследовательский стенд выполнен на плоском основании из изолирующего материала - ламинированной ДСП /древесно-стружечной плиты/ с окантовкой торцов.
На основании расположены:
- солнечный воздушный коллектор;
- источник освещения, расположенный над коллектором. Для имитации солнечного излучения используется галогенная лампа. Она закреплена на Г-образном штативе, позволяющем изменять расстояние от коллектора до лампы, меняя таким образом освещенность приемника солнечного коллектора.
- панель управления (изменение скорости потока воздуха, включение, выключение освещения и т.д.);
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема лабораторного стенда сбоку. На фиг.2 представлено поперечное сечение воздушного теплового коллектора. На фиг.3 изображена панель управления. На фиг.4 схема движения воздуха в коллекторе.
Лабораторный стенд (фиг.1) состоит: основания 1, на котором крепится оборудование, модели теплового воздушного солнечного коллектора 2,вентилятора 3, панели управления 4, измерительного прибора - мультиметра 5, прожектора 6, штатива 7, крепления штатива с прожектором 8, сетевого удлинителя 9, в который включаются блоки питания 10 аппаратуры стенда, порта 11. Внутри теплового коллектора размещаются съемные составляющие: пластина приемника 12, перегородка верхнего канала 13, защитное стекло 14, выпускное отверстие 15, шнур для замера температуры 16.
Панель управления (фиг.3) состоит из корпуса 17, кнопка 18 включения питания, кнопка 19 автомата защиты, кнопка 20 включения прожектора, кнопка 21 включения нагнетающего вентилятора, ручка 22 регулировки скорости вращения вентилятора, ручка 23 переключения между датчиками температуры.
Переключатель 23 температурных датчиков имеет следующие обозначения точек измерения:
0
T - температура окружающей среды;
in
T - температура воздуха на входе в коллектор;
out.1
T - температура воздуха на выходе из нижнего канала коллектора;
out.2
T - температура воздуха на выходе из верхнего канала коллектора;
1
T - температура приемной пластины в точке 1 (фиг.4);
2
T - температура приемной пластины в точке 2 (фиг.4);
3
T - температура приемной пластины в точке 3 (фиг.4).
Устройство работает следующим образом.
Тепловой коллектор 2 имеет впускное и выпускное 15 отверстия. Впускное отверстие находится под выпускной трубой вентилятора 3 и поэтому на рисунке не показано. Выпускное отверстие 15 имеет съемную заслонку. Подробное устройство боковой стенки теплового коллектора показано на поперечном сечении (фиг.2). Из фиг.2 видно, что тепловой коллектор 2 состоит из алюминиевого профиля 24, который вместе со слоем 27 теплоизолятора образуют боковые стенки коллектора 2, слои 25 и 26 теплоизоляции образуют заднюю стенку коллектора 2, слой 28 и 29 теплоизолятора образуют относительно поглощающей пластины 12, соответственно верхний и нижний воздушный канал. Для придания жесткости конструкции съемной образующей 13 верхнего канала теплоизолятор 29 прикреплен на металлическую основу 30. В качестве теплоизолятора при изготовлении теплового коллектора был использован вспененный полиэтилен с алюминиевой фольгой в качестве отражающего покрытия.
Полезная модель применяется как учебный лабораторный стенд для проведения практических занятий по учебному курсу «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» а также другим курсам, например «Общая экология», в которых рассматриваются вопросы солнечной энергетики.
С помощью данного лабораторно-исследовательского стенда для изучения характеристик солнечного воздушного коллектора, решена поставленная задача по исследованию процессов преобразования электромагнитной энергии солнечного излучения в тепловую энергию для нагрева воздуха.
Стенд позволит изучить конструктивные особенности солнечных коллекторов, исследовать температурные характеристики, изменение температуры в различных точках коллектора и распределение температур в зависимости от расстояния приемного элемента от источника излучения.