Лабораторна робота № 1 Дослідження прямого перетворення сонячної енергії в електричну

ВСТУП

Курс «Нетрадиційні джерела енергії» є базовою дисципліною для подальшого вивчення спеціальних питань ефективного використання енергетичних ресурсів в конкретних галузях народного господарства.

Курс призначений для проведення лабораторних робіт з дисципліни «Нетрадиційні джерела енергії» для студентів технічних спеціальностей. Методична розробка містить теоретичний матеріал, опис експериментальних установок і методичний матеріал щодо виконання робіт і обробки результатів вимірювань.

Матеріал охоплює основні методи перетворення світлової енергії і енергії вітру в електричну; основні джерела втрат енергії при транспортуванні рідин і газів по трубопроводу; методи перенесення енергії за допомогою теплової труби як найбільш ефективної системи, яка передає тепло. Студенти мають можливість порівняти різні джерела світла і вибрати найбільш ефективні з них.

 

Порядок виконання роботи

а) Дослідження характеристик холостого ходу сонячного елементу

 

1. Упевнитися, що навантаження на сонячний модуль від'єднане.

2. Встановити джерело світла на пряме випромінювання на поверхню сонячного модуля (нульова відмітка на лімбі джерела).

3. Включити джерело світла.

4. Люксметром зміряти освітленість Е в центрі і в чотирьох крайніх точках поверхні (Е1, Е2, Е3, Е4) сонячного модуля і обчислити її середнє значення (Е_ср).

5. За свідченнями вольтметра визначити, що виробляється сонячним елементом ЕРС.

6. Виконати аналогічні вимірювання при косому падінні випромінювання на поверхню модуля, повертаючи джерело світла на 10, 20, 30, 40, 50 градусів по лімбу.

7. Обчислити щільність потоку випромінювання W (енергетичну освітленість), використовуючи співвідношення між лк і Вт/м² для білого світу, W = 4,610-3 ×Е_ср.

8. Обчислити ЕРС, що виробляється одним сонячним елементом ЕРС-1, розділивши ЕРС на число елементів 36.

9. Всі результати занести до табл. 1.1.

 

 

Таблиця 1.1

Результати вимірювань і обчислень

Кут падіння випромінюван-ня, град	Ец лк	Е1 лк	Е2 лк	Е3 лк	Е4 лк	Еср лк	ЕРС У	W Вт/м2	ЕРС-1 У

 

10. Побудувати графік залежності ЕРС сонячного модуля від щільності потоку випромінювання, падаючого на його поверхню W.

б) Визначення вольт-амперної характеристики сонячного модуля

1. Підключити навантаження (реостат) до ланцюга сонячного елементу.

2. Встановити джерело світла на пряме випромінювання на поверхню сонячного модуля (нульова відмітка на лімбі джерела).

3. Включити джерело світла. За свідченнями вольтметра визначити напругу в ланцюзі U. За свідченнями амперметра визначити струм в ланцюзі I.

4. Переміщаючи рухомий контакт реостата, змінити опір навантаження в ланцюзі і виконати вимірювання U і I. Провести вимірювання 6 разів в межах від мінімального до максимального значення опору навантаження.

5. Для кожного вимірювання обчислити електричну потужність в ланцюзі WЭ=IU.

6. Всі дані занести в табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Щільність потоку випромінювання, Вт/м^2	Номер вимірювання	Напруга U, В	Струм I А	Потужність WЭ Вт

 

9. Побудувати вольт-амперну характеристику (графік залежності I від U) сонячного модуля при даній щільності потоку випромінювання, значення якої узяти з попередньої серії вимірювань.

10. Відзначити найбільше значення потужності, що виробляється сонячним модулем.

Література

1. Дж. Твайделл, А. Уейр. Поновлювані джерела енергії.– М.: Енергоатоміздат, 1990.

2. Solar Electricity /Ed. Tomas Markvart/. UNESCO Energy Engineering Series.– New York, 1994.

Лабораторна робота № 2 ДОСЛІДЖЕННЯ ПОРІВНЯЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕЛЕКТРИЧНИХ ДЖЕРЕЛ СВІТЛА

Мета роботи полягає у вивченні пристрою, принципу дії і порівнянні основних параметрів найбільш поширених типів електричних джерел світла.

 

Загальні відомості

Світло є електромагнітними хвилями завдовжки 410-7-810-7 м. Електричні хвилі випромінюються при прискореному русі заряджених частинок. Для того, щоб атом або молекула почали випромінювати, їм необхідно передати певну кількість енергії. Випромінюючи, вони втрачають отриману енергію, тому для безперервного свічення необхідна постійна притока енергії ззовні.

Потік випромінювання Ф_ізл – енергія, що переноситься електромагнітними хвилями за 1 секунду через довільну поверхню. Одиниця вимірювання потоку випромінювання – Дж/с = Вт.

Енергетична освітленість Е_ен (щільність потоку випромінювання) – відношення потоку випромінювання до площі рівномірно опромінюваної ним поверхні. Одиниця вимірювання енергетичної освітленості - Вт/м2.

Світловий потік Ф – потік випромінювання, що оцінюється по його дії на людське око. Людське око неоднаково чутливе до потоків світла з різними довжинами хвиль (найбільш чутливе око при денному освітленні до світла з довжиною хвилі 555 нм). Одиницею вимірювання світлового потоку з погляду сприйняття його людським оком (яскравості) є люмен (лм). Світловий потік в 1 лм білого світу рівний 4,6*10^-3Вт (1 Вт = 217 лм).

Освітленість Е - відношення світлового потоку, падаючого на поверхню, до площі цієї поверхні. Вимірюється в люксах (лк), де люкс – освітленість, при якій на 1 м² поверхні рівномірно розподілений світловий потік в 1 люмен.

Освітленість поверхні прямо пропорційна світловому потоку і обернено пропорційна квадрату відстані від джерела.

Теплове випромінювання - найбільш поширений вид випромінювання. При цьому втрати атомами або молекулами енергії на випромінювання світла компенсуються за рахунок енергії їх теплового руху. Чим вище температура тіла, тим швидше рухаються атоми або молекули. При зіткненні один з одним частина їх кінетичної енергії перетворюється на енергію збудження, яка потім перетворюється на світлову.

Люмінесцентне випромінювання виходить з порівняно невеликого числа центрів люмінесценції – атомів, молекул або іонів, що приходять в збуджений стан під впливом зовнішніх причин, а потім, під час переходу збудженого центру на нижчий енергетичний рівень, що випускають квант люмінесцентного випромінювання. Речовини, в яких відбувається люмінесценція, називаються люмінофорами.

 

Порядок виконання роботи

 

1. Встановити діапазон вимірювань люксметра 0–2500 лк.

2. Включити лампу розжарювання. Люксметром 5 зміряти величину освітленості на поверхні включеного світильника в 5 крапках.

3. За ватметром 3 визначити величину споживаної лампою розжарювання потужності з мережі.

4. Вимкнути лампу розжарювання.

5. Включити люмінесцентну лампу і провести для неї аналогічні вимірювання.

6. Отримані дані занести до табл. 2.1.

7. Зміряти діаметр d (м) і висоту h (м) циліндрового світильника і визначити його поверхню , м².

8. За наслідками розрахунків зробити висновок про економічність розглянутих джерел світла і доцільності їх використання.

 

 

Таблиця 2.1

Параметри	Включене електричне джерело світла
лампа розжарювання	люмінесцентна лампа, що працює на частоті 35000 Гц
Освітленість Е (лк) на поверхні світильника, в крапках
Розрахункове значення освітленості лк
Розрахункове значення світлового потоку , лм
Потік випромінювання Вт
Споживана потужність N, Вт
ККД джерела світла
Щільність потоку випромінювання (енергетична освітленість)

 

Загальні відомості

Транспортування плинних середовищ (рідин і газів) по трубопроводах здійснюється за допомогою нагнітальних пристроїв (насосів, вентиляторів і т.п.). Для того, щоб переміщати плинне середовище, нагнітальний пристрій повинен витрачати деяку енергію. Виявляється, ця енергія залежить не тільки від фізичних властивостей плинного середовища, але і від характеристик трубопровідної системи. Експлуатаційні витрати енергії на транспортування можна істотно скоротити за рахунок вибору оптимальної геометрії трубопровідної системи, що може бути реалізоване тільки після вивчення основних закономірностей перебігу рідин і газів по трубопроводах.

Потік рідини або газу можна характеризувати об'ємною витратою Q (м³/с) і середньою по перетину труби швидкістю V (м/с). Витрата є однією з основних характеристик потоків рідини або газу. Витратою називається кількість рідини або газу, яка переміщається через поперечний перетин трубопроводу в одиницю часу. Витрата і швидкість зв'язані між собою співвідношенням, де S – площа поперечного перетину труби (м²).

Під час руху реальних рідин і газів частина механічної енергії руху необоротно перетворюється на теплову. Ця частина енергії називається втратою енергії . Втрати енергії обумовлені існуванням сил в'язкого тертя в рідинах і газах, тобто в'язкості. З втратами енергії пов'язані втрати тиску і втрати натиску , де – щільність рідини або газу; – прискорення вільного падіння. Втрати тиску вимірюються в Па, втрати натиску – в м.

Існування сил в'язкості приводить до витрат енергії на переміщення плинних середовищ. Частина потужності, що витрачається нагнітальним пристроєм на транспортування по трубопроводу плинних середовищ з витратою Q, визначається виразом

 

Вт.

 

Гідравлічні втрати тиску (натиску) зазвичай ділять на два види. Перший тип є втратами тиску на тертя р_тр під час стабілізованого руху рідини в довгих трубах. Ці втрати рівномірно розподіляються по всій довжині труби. Втрати другого вигляду (D рм) зосереджені на порівняно коротких ділянках трубопроводів і викликаються місцевими змінами конфігурації каналу. Ці опори називаються місцевими. Прикладами місцевих опорів можуть служити ділянки різкого розширення і звуження трубопроводу, місця злиття і розділення потоків, різного роду трубопровідна апаратура (вентилі, клапани, засувки, дроселі і т.п.). Характерною особливістю руху рідини через місцеві опори є утворення вихорів в потоці, що викликає значні втрати енергії (тиску, натиску).

Таким чином, повні втрати тиску і натиску визначаються виразами:

;

 

.

 

Втрати натиску по довжині для випадку сталого руху рідини по трубопроводу круглого перетину визначаються за формулою Дарси-Вейсбаха:

 

,

 

де l – коефіцієнт гідравлічного тертя (коефіцієнт втрат натиску по довжині);

l – довжина даної ділянки труби, м;

d – діаметр трубопроводу, м;

V – середня швидкість руху рідини, м/с.

З формули видно, що величина втрат натиску по довжині зростає із збільшенням швидкості потоку, довжини труби і зменшується із збільшенням діаметра трубопроводу.

Місцеві втрати визначаються по формулою

 

,

 

де – коефіцієнт місцевого опору.

Коефіцієнт гідравлічного тертя l залежить від режиму перебігу рідини і шорсткості труби. Ця залежність називається законом опору.

Коефіцієнт місцевого опору також залежить від режиму течії і від вигляду і конструктивного виконання місцевого опору.

Порівняльний аналіз різних гідравлічних опорів показує, що втрати енергії значно зростають при різкій зміні діаметра труби, при різких поворотах і т.п.

Значення коефіцієнтів опору, як правило, визначаються досвідченим шляхом і в узагальненому вигляді містяться в довідниках у вигляді емпіричних формул, таблиць, графіків. У додатку до роботи приведені деякі дані щодо гідравлічних опорів.

Основні методи зниження втрат енергії при транспортуванні рідин і газів по складних трубопроводах: використання труб з гладкою внутрішньою поверхнею; забезпечення плавних поворотів потоку; пристрій плавної зміни поперечного перетину потоку рідини; пристрій плавних входів і виходів з труб; розігрівання при перекачуванні високов'язких рідин; введення полімерних добавок в потік рідини.

 

Експериментальна установка

Схема установки приведена на рис. 3.1. Вода з напірного бака 1 проходить послідовно через вхідний вентиль 2, магістральний трубопровід 3, ділянки трубопроводу з різким 4 і плавним 5 поворотами, різким розширенням 6 і різким звуженням 7, діафрагму 8 і зливається в бак 10. Витрата води регулюється вентилем 9 і визначається за перепадом тиску на діафрагмі 8 за допомогою тарифового графіка. Рівень в баку 1 підтримується постійним за допомогою насоса 11.

 

 

Рис. 3.1. Схема експериментальної установки.

Довжина магістральної ділянки трубопроводу l = 1,7 м; довжина d = 1,6*10^{-2 м} ; щільність води – 1000 кг/м³

П'єзометричний натиск в рідині на різних ділянках трубопроводу визначається за свідченнями п'єзометричних трубок h1 - h10, виведених на загальний щит і встановлених на досліджуваних ділянках трубопроводу.

 

Порядок виконання роботи

 

1. Включити насос 11 і заповнити напірний бак 1.

2. Відкрити вентиль 2 повністю і за допомогою вентиля 9 встановити задане значення витрати води. Величина витрати визначається за різницею h9,10 свідчень п'єзометрів h9 і h10 (D h9,10 = h9 - h10) і тарифовим графіком.

3. При даному значенні витрати зняти свідчення всіх п'єзометрів, дані занести до табл. 3.1.

4. Змінити витрату рідини і при кожному значенні витрати зняти свідчення всіх п'єзометрів, дані занести до табл. 3.1.

5. Після виконання роботи закрити вентилі 2 і 9 і відключити насос.

 

 

Таблиця 3.1

№ досліду	Свідчення п'єзометрів
h1, мм	h2, мм	h3, мм	h4, мм	h5, мм	h6, мм	h7, мм	h8, мм	h9, мм	h10, мм
...

 

Експериментальна установка

Основними елементами лабораторної установки (рис. 6.3) є укріплені на штативах 1 теплова труба 5 і мідний стрижень 6 однакової довжини l і діаметра d. На нижніх кінцях труби і стрижня встановлені електричні нагрівачі 2 однакової потужності, на які подається електрична напруга від блоку живлення 9. Теплова потужність W, що виділяється на нагревачах, вимірюється вольтметром (U) і амперметром (I) 8, і знаходиться W = I × U. Верхні кінці теплової труби і стрижня знаходяться в холодильнику 11 і охолоджуються проточною водопровідною водою. По довжині труби і стрижня встановлені по три термопари 4 (дві по кінцях і одна в центрі), що визначають температури у відповідних крапках. Свідчення термопар через комутаційні пристрої 7 реєструються вимірником малих ЕРС – самописним потенціометром КСП-4 і виводяться на друк.

 

 

 

Рис. 4.3. Схема лабораторної установки:

а) теплова труба; б) мідний стрижень;

1 – стійка (штатив); 2 – електричний нагревач; 3 – теплоізоляція;

4 – датчики температури (термопари); 5 – теплова труба; 6 – мідний стрижень; 7 – комутатор; 8 – вольтметр і амперметр; 9 – блок живлення; 10 – вимірник малих ЕРС (самопишущій потенціометр КСП-4); 11 – холодильник

 

Порядок виконання роботи

1. Відкрити кран системи охолоджування теплової труби і мідного стрижня.

2. Включити блок живлення електричних нагрівачів теплової труби і мідного стрижня і зафіксувати свідчення вольтметра і амперметра. Визначивши загальну потужність W і розділивши її навпіл, отримати потужність кожного з нагрівачів теплової труби і мідного стрижня і занести ці дані до табл. 4.1.

3. Включити живлення потенціометра КСП-4.

По черзі опитуючи всі шість термопар, встановлених в тепловій трубі і мідному стрижні, потенціометр почне друкувати на паперовій стрічці відповідні значення температур за певні проміжки часу. Свідчення кожної термопари друкуються цифрами, відповідними номеру термопари. У міру прогрівання теплової труби і мідного стрижня спостерігатиметься зростання температури в кожній крапці з поступовим виходом на постійне значення (стаціонарний режим). Стаціонарним можна рахувати такий режим, при якому свідчення кожній з термопар в сусідніх за часом крапках відрізнятимуться менш ніж на 10 %.

Звернути увагу на те, що вихід теплової труби на стаціонарний режим здійснюється набагато швидше, ніж мідного стрижня.

Через кожні 2 хвилини (до виходу на стаціонарний режим) знімати свідчення потенціометра і заносити їх до табл. 4.1.

Таблиця 4.1

	Мідний стрижень	Теплова труба
Потужність нагрівача, Вт	WC =	WTT =
Номери термопар
Час, хв.	Свідчення термопар, °З
.
Вт/(мК)

Література

1. Дан П.Д., Рэй Д.А. Теплові труби.– М.: Енергія, 1979. – 272 с.

2. Уазільев Л.Л. Теплообмінники на теплових трубах. - Мінськ: Наука і техніка, 1981. – 143 с.

3. Низькотемпературні теплові труби Під ред. Л.Л.Васильева.– Мінськ: Наука і техніка, 1976. – 133 с.

4. Харітну В.В., Глубеу В.М., Овчинників В.М., Ліхдіевзій В.Л. Вторинні теплоенергоресурси і охорона навколишнього середовища. – Мінськ: Виш. школа, 1988. – 181 с.

 

Загальні відомості

 

Вітер є рух повітряних мас земної атмосфери, викликаний перепадом температури в атмосфері із-за нерівномірного нагріву її Сонцем. Таким чином, використовувана енергія вітру є перетвореною в механічну енергією Сонця.

Пристрої, що перетворюють енергію вітру в корисну механічну, електричну або теплову види енергії, називаються вітроенергетичні установками (ВЕУ), або вітроустановками.

Енергія вітру в механічних установках, наприклад, на млинах і у водяних насосах, використовується вже декілька сторіч. Після різкого стрибка цін на нафту в 1973 році інтерес до таких установок різко зріс. Велика частина існуючих вітроустановок побудована в кінці 70-х – на початку 80-х років на сучасному технічному рівні при широкому використанні останніх досягнень аеродинаміки, механіки, мікроелектроніки для контролю і управління ними.

Білоруська енергетична програма до 2010 року основними напрямами використання вітроенергетичних ресурсів на найближчий період передбачає їх застосування для приводу насосних установок і як джерела енергії для електродвигунів автономного забезпечення. Ці області застосування характеризуються мінімальними вимогами до якості електричної енергії, що дозволяє різко спростити і здешевити вітроенергетичні установки.

При правильній організації використання вітроенергетики таке дешеве і невичерпне джерело енергії, як вітер, може задовольнити велику частину потреб в будь-якій галузі народного господарства. Установки, що перетворюють енергію вітру в електричну, теплову і механічну, можуть забезпечити:

- автономне енергопостачання різних локальних об'єктів (зрошувальні системи, механізми тваринницьких ферм, вентиляцію, пристрої мікроклімату і т.п.);

- гаряче водопостачання, опалювання, енергозабезпечення холодильних агрегатів;

- під'їм води для садових ділянок, на пасовищах і т.п.;

- відкачування води з систем вертикального і горизонтального дренажу і інших систем.

Порівняно з іншими видами джерел енергії вітроенергетичні установки мають наступні переваги:

- відсутність витрат на здобич і транспортування палива;

- зниження більш ніж в 10 разів трудовитрат на споруду вітроенергетичної установки порівняно з будівництвом теплових або атомних станцій;

- широкий технологічний діапазон прямого використання енергії вітроустановок (автономність або спільна робота з централізованими мережами, сумісність з іншими джерелами поновлюваної енергетики і т.п.);

- мінімальні терміни введення потужностей в експлуатацію;

- поліпшення екологічної обстановки за рахунок зниження рівня забруднення навколишнього середовища.

 

Принцип дії і класифікація ВЕУ

У вітроенергетичних установках енергія вітру перетвориться в механічну енергію їх робочих органів. Первинним і основним робочим органом ВЕУ, що безпосередньо приймає на себе енергію вітру і, як правило, що перетворює її в кінетичну енергію свого обертання, є вітрове колесо.

Обертання вітроколеса під дією вітру обумовлюється тим, що в принципі на будь-яке тіло, обтічне потоком газу із швидкістю u_0, діє сила F, яку можна розкласти на дві складові: 1 – уздовж швидкості набігаючого потоку, звану силою лобового опору FC, і 2 – в напрямі, перпендикулярному швидкості набігаючого потоку, звану підйомною силою FП(рис. 5.1).

Рис. 5.1. Сили, що діють на тіло, обтічне потоком газу

 

Величини цих сил залежать від форми тіла, орієнтації його в потоці газу і від швидкості газу. Дією цих сил робочий орган вітроустановки (вітроколесо) приводиться в обертання.

Вітроустановки класифікуються за двома основними ознаками -геометрією вітроколеса і його положенням щодо напряму вітру.

Якщо вісь обертання вітроколеса паралельна повітряному потоку, то установка називається горизонтально-осьовою, якщо перпендикулярна – вертикально-осьовою.

Вітроколесо з горизонтальною віссю, що використовує підйомну силу (дво- або трилопатеве вітроколесо), показано на рис. 5.2 (а, б, в, г).

 

 

Рис. 5.2. Типи вітряних коліс

 

Вітроустановки, що використовують силу лобового опору, складаються з укріплених вертикально-осьових лопатей різної конфігурації (рис. 5.2 е, ж, з, и, д).

На рис. 5.2, д представлене вітроколесо, що використовує ефект Магнуса (ефект виникнення підйомної сили, перпендикулярної напряму вітру, при обертанні циліндра або конуса).

Установки, що використовують силу лобового опору, як правило, обертаються з лінійною швидкістю, меншою за швидкість вітру, а установки, що використовують підйомну силу, мають лінійну швидкість кінців лопатей, істотно більшу за швидкість вітру.

Кожне вітроколесо характеризується:

- площею S (для горизонтально-осьових вітроколіс), тобто площею, що покривається його лопатями при обертанні, і рівною S = pD²/4, де D – діаметр вітроколеса, або площею лобового опору (для вертикально-осьових вітроколіс) S = h b, де h і b – відповідно висота ротора і його середній діаметр;

- геометричним заповненням, рівним відношенню площі проекції лопатей на площину, перпендикулярну потоку, до площі (так, наприклад, при однакових лопатях чотирилопатеве колесо має удвічі більше геометричне заповнення, чим дволопатеве);

- коефіцієнтом потужності CP, що характеризує ефективність використання вітроколесом енергії вітрового потоку і залежний від конструкції вітроколеса;

- коефіцієнтом швидкохідності Z, що є відношенням швидкості кінця лопаті до швидкості вітру.

При швидкості вітру u₀ і щільності повітря вітроколесо з площею S розвиває потужність N = CN S u₀ ^3/2.

З цієї формули видно, що ця потужність пропорційна кубу швидкості вітру.

За теорію Н. Жуковського максимальне значення коефіцієнта потужності 0,6-0,69. На практиці кращі швидкохідні колеса мають CN ~ 0,45-0,48; у тихохідних коліс CN ~ 0,35-0,38.

ВЕУ з великим геометричним заповненням вітроколеса розвивають значну потужність при відносно слабкому вітрі, і максимум потужності досягається при невеликих оборотах колеса. ВЕУ з малим заповненням досягають максимальної потужності при великих оборотах і довше виходять на цей режим. Тому перші використовуються, наприклад, у водяних насосах і навіть при слабкому вітрі зберігають працездатність, а другі – як електрогенератори, де потрібна висока частота обертання.

 

Експериментальна установка

 

Робота виконується на аеродинамічній трубі 1 (рис. 5.3). У трубі повітряний потік створюється осьовим вентилятором (на малюнку не показаний). Величина швидкості потоку в трубі регулюється зміною струму живлення вентилятора. Швидкість повітряного потоку в робочій області труби визначається за допомогою трубки Піто-прандтля 2 і мікроманометра 3. У робочу зону труби 1 встановлене вітроколесо 4 з електричним генератором 5. До генератора підключено навантаження 6. У ланцюг навантаження підключені також вольтметр 7 і амперметр 8.

Рис. 5.3. Схема експериментальної установки

 

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з різними типами вітряних коліс. За вказівкою викладача встановити необхідний тип вітроколеса в робочу зону аеродинамічної труби.

2. У разі відсутності потоку повітря в трубі відзначити початкове свідчення мікроманометра l₀.

3. Включити блок живлення аеродинамічної труби. Встановити необхідне значення швидкості повітряного потоку в робочій зоні шляхом зміни струму живлення вентилятора аеродинамічної труби.

4. Зміряти значення швидкості u₀ потоку за допомогою трубки Піто-прандтля. Для цього необхідно зняти свідчення мікроманометра l. Дані записати до табл. 7.1.

5. Зміряти напругу U, що створюється електричним генератором, і струм I в навантаженні 6.

6. Змінити величину швидкості повітряного потоку в аеродинамічній трубі. Провести всі вищезгадані вимірювання.

Замінити вітроколесо. Виконати вимірювання, описані в пп. 3-6.

 

Заменіти вітроколесо. Виконати розрахунки, описані в пп. 3-6.

 

Таблиця 5.1

Тип вітроколеса	№ досліду	Показання мікроманометра	u 0, м/с	Параметри генератора вітроустановки	CN
l 0, мм	l, мм	U, В	I, А	N, Вт

 

ВСТУП

Курс «Нетрадиційні джерела енергії» є базовою дисципліною для подальшого вивчення спеціальних питань ефективного використання енергетичних ресурсів в конкретних галузях народного господарства.

Курс призначений для проведення лабораторних робіт з дисципліни «Нетрадиційні джерела енергії» для студентів технічних спеціальностей. Методична розробка містить теоретичний матеріал, опис експериментальних установок і методичний матеріал щодо виконання робіт і обробки результатів вимірювань.

Матеріал охоплює основні методи перетворення світлової енергії і енергії вітру в електричну; основні джерела втрат енергії при транспортуванні рідин і газів по трубопроводу; методи перенесення енергії за допомогою теплової труби як найбільш ефективної системи, яка передає тепло. Студенти мають можливість порівняти різні джерела світла і вибрати найбільш ефективні з них.

 

Лабораторна робота № 1 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРЯМОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В ЕЛЕКТРИЧНУ

Мета роботи: вивчити принцип перетворення сонячної енергії в електричну і досліджувати основні технічні характеристики фотоелектричної батареї.

 

Загальні відомості

 

Сонце є основним джерелом енергії, що забезпечує існування життя на Землі. Унаслідок реакцій ядерного синтезу в активному ядрі Сонця досягаються температури до 10⁷ К. При цьому поверхня Сонця має температуру близько 6000 К. електромагнітним випромінюванням сонячна енергія передається в космічному просторі і досягає поверхні Землі. Вся поверхня Землі отримує від Сонця потужність близько 1,2*10¹⁷ Вт. Це еквівалентно тому, що менш одну годину отримання цієї енергії досить, щоб задовольнити енергетичні потреби всього населення Земної кулі протягом року. Максимальна щільність потоку сонячного випромінювання, що приходить на Землю, складає приблизно, 1 кВт/м². Для населених районів залежно від місця, часу доби і погоди потоки сонячної енергії змінюються від 3 до 30 МДж/м² в день.

В середньому для створення комфортних умов життя потрібно приблизно 2 кВт енергетичної потужності на людину або приблизно 170 Мдж енергії в день. Якщо прийняти ефективність перетворення сонячної енергії в зручну для споживання форму 10 % і потік сонячної енергії 17 МДж/м² в день, то потрібну для однієї людини енергію можна отримати з 100 м² площі земної поверхні. При середній щільності населення в містах 500 чоловік на 1 км² на одну людину доводиться 2000 м² земної поверхні. Таким чином, достатньо всього 5 % цій площі, щоб за рахунок сонячної енергії, що знімається з неї, задовольнити енергетичні потреби людини.

Для характеристики сонячного випромінювання використовуються наступні основні величини.

Потік випромінювання – величина, рівна енергії, переносимій електромагнітними хвилями за одну секунду через довільну поверхню. Одиниця вимірювання потоку випромінювання - Дж/с=Вт.

Щільність потоку випромінювання (енергетична освітленість) – величина, рівна відношенню потоку випромінювання до площі рівномірно опромінюваної ним поверхні. Одиниця вимірювання щільності потоку випромінювання – Вт/м².

Щільність потоку випромінювання від Сонця, падаючого на перпендикулярний йому майданчик поза земною атмосферою, називається сонячною константою S, яка рівна 1367 Вт/м².

Світловий потік. Світловим потоком називається потік випромінювання, що оцінюється за його дією на людське око. Людське око неоднаково чутливе до потоків світла з різними довжинами хвиль. Зазвичай при денному освітленні очей найбільш чутливий до світла з довжиною хвилі 555 нм. Тому однакові за потужністю потоки випромінювання, але різних довжин хвиль викликають різні світлові відчуття у людини. Одиницею вимірювання світлового потоку з погляду сприйняття його людським оком (яскравості) є люмен (лм). Світловий потік в 1 лм білого світу рівний 4,6*10^-3 Вт (або 1Вт=217 лм).

Освітленість – величина, рівна відношенню світлового потоку, падаючого на поверхню, до площі цієї поверхні. Освітленість вимірюється в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м². Для білого світу 1 лк = 4,6*10^-3 Вт/м² (або 1 Вт/м²=217 лк).

Прилади, призначені для вимірювання освітленості, називаються люксметрами.

 

Освітленість, що створюється різними джерелами

Джерела	Освітленість, лк	Освітленість, Вт/м^2
Сонячне світло опівдні (середні широти)
Сонячне світло взимку
Хмарне небо літом	5000-20000	23-92
Хмарне небо взимку	1000-2000	4,6-9,2
Розсіяне світло в світлій кімнаті (поблизу вікна)		0,46
Світильники, які створюють необхідну для читання освіт-леність	30-50	0,14-0,23
Повний Місяць, що опромінює поверхню Землі	0,2	0,9210-3

 

У зв'язку з великим потенціалом сонячної енергії надзвичайно принадним є максимально можливе безпосереднє використання її для потреб людей.

При цьому найоптимальнішим представляється пряме перетворення сонячної енергії в найбільш поширену у використанні електричну енергію.

Це стає можливим при використанні такого фізичного явища, як фотоефект.

Фотоефектом називаються електричні явища, що відбуваються при освітленні речовини світлом, а саме: вихід електронів з металів (фотоелектрична емісія або зовнішній фотоефект), переміщення зарядів через кордон розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) (вентильний фотоефект), зміна електричній провідності (фотопровідність).

При освітленні межі розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) між ними встановлюється різниця потенціалів (фото ЕРС). Це явище називається вентильним фотоефектом, і на його використанні засновано створення фотоелектричних перетворювачів енергії (сонячних елементів і батарей).