Engineering
Solarofen
Neun Spiegel folgen der Sonne über den Himmel und lenken ihr Licht auf den Receiver oben am Turm. Beobachten Sie, wie der Receiver bis zum Glühen heiß wird, verteilen Sie die Zielpunkte oder verkleinern Sie den Receiver, um zu sehen, wie viel Licht danebengeht, schicken Sie eine Wolke über das Feld und vergleichen Sie die Jahreszeiten.
Was passiert
Neun Heliostaten von 2 × 2 m stehen nördlich eines Turms auf 37° nördlicher Breite. Jeder dreht seinen Spiegel mit 1°/s so, dass die Spiegelnormale den Winkel zwischen den Richtungen zur Sonne und zum Receiver halbiert; der Receiver ist 15 m hoch in die Turmwand eingelassen. Die Spiegel sind leicht konkav: Kugelflächen, deren Radius das Doppelte ihres Abstands zum Receiver beträgt, sodass jeder das Sonnenbild in der Nähe des Receivers bündelt. Die Sonne bewegt sich auf ihrer Bahn für die gewählte Jahreszeit, und die Direktstrahlung am Boden folgt dem Klarhimmelgesetz von Meinel. Für jeden Spiegel werden Strahlen von 36 Punkten aus in sieben über die Sonnenscheibe verteilten Richtungen verfolgt: Ein Strahl kann vom Turm oder von einem anderen Spiegel abgeschattet werden, er wird zu 90 % reflektiert, er kann von einem davorstehenden Spiegel blockiert werden, und er trifft den Receiver oder geht an ihm vorbei.
Mittags zur Tagundnachtgleiche steht die Sonne 52,9° hoch, und die Spiegel fangen 31,6 kW ihrer Direktstrahlung auf; Abschattung und Blockierung kosten 1,8 kW, 26,8 kW treffen den 0,8 m großen Receiver, und er absorbiert davon 90 %, also 24,1 kW. Er heizt sich auf, bis Strahlung (ε = 0,85) und Konvektion diese Leistung abführen: bei 903 K. Heben Sie den Receiver 0,5 m über den Zielpunkt an, und die Hälfte des Lichts geht an ihm vorbei. Um 9 Uhr im Winter steht die Sonne nur 16° hoch, und auf den Receiver treffen 17,2 kW. Der Übertemperaturschutz dreht alle 5 s einen Spiegel weg, solange der Receiver über seinem Grenzwert liegt.
Modell: geometrische Optik mit abgetasteter Sonnenscheibe und abgetasteten Spiegeln; Meinels Luftmassengesetz; der Receiver als eine einzige Platte mit einer Wärmekapazität von 39 kJ/(m²·K), die εσA·(T⁴ − T_a⁴) und hA·(T − T_a) verliert; der Schatten einer Wolke, der über das Feld zieht. Keine Brechung in der Luft, kein Staub auf den Spiegeln.
Zum Ausprobieren
Starten Sie um 9 Uhr und beobachten Sie, wie sich der Receiver aufheizt, während die Sonne steigt. Verteilen Sie die Zielpunkte oder verkleinern Sie den Receiver und lesen Sie den Intercept-Faktor ab; schicken Sie eine Wolke und sehen Sie, wie die Temperatur einbricht.
Gleichungen des Moduls
Gleichungen n = (s + t)/|s + t| r = 2·(s·n)·n − s I_b = 1353·0.7^(AM^0.678), AM = 1/sin h C·dT/dt = α·P − εσA·(T⁴ − T_a⁴) − hA·(T − T_a)
