Engineering
Forno solare
Nove specchi seguono il sole nel cielo e inviano la sua luce sul ricevitore in cima alla torre. Guarda il ricevitore scaldarsi fino all’incandescenza, distribuisci i punti di mira o rimpicciolisci il ricevitore per vedere quanta luce lo manca, fai passare una nuvola sul campo e confronta le stagioni.
Cosa succede
Nove eliostati di 2 × 2 m si trovano a nord di una torre a 37° N. Ognuno ruota il proprio specchio a 1°/s in modo che la normale dello specchio sia la bisettrice dell’angolo tra le direzioni verso il sole e verso il ricevitore, incassato nella parete della torre a 15 m di altezza. Gli specchi sono leggermente concavi, sfere di raggio pari al doppio della loro distanza dal ricevitore, così ciascuno focalizza l’immagine del sole vicino al ricevitore. Il sole percorre la traiettoria propria della stagione, e la radiazione diretta che raggiunge il suolo segue la legge di cielo sereno di Meinel. Per ogni specchio si tracciano raggi da 36 punti in sette direzioni distribuite sul disco solare: un raggio può essere ombreggiato dalla torre o da un altro specchio, viene riflesso al 90 %, può essere bloccato da uno specchio davanti e arriva sul ricevitore oppure lo manca.
A mezzogiorno all’equinozio il sole è alto 52,9° e gli specchi raccolgono 31,6 kW della sua radiazione diretta; ombreggiamento e bloccaggio ne tolgono 1,8 kW, 26,8 kW arrivano sul ricevitore di 0,8 m e questo ne assorbe il 90 %, cioè 24,1 kW. Si scalda finché irraggiamento (ε = 0,85) e convezione non smaltiscono questa potenza: a 903 K. Alza il ricevitore di 0,5 m sopra il punto di mira e metà della luce lo manca. Alle 9 d’inverno il sole è alto solo 16° e sul ricevitore arrivano 17,2 kW. La protezione distoglie uno specchio ogni 5 s finché il ricevitore resta oltre il suo limite.
Modello: ottica geometrica con sole e specchi campionati; legge della massa d’aria di Meinel; il ricevitore come un’unica piastra con una capacità termica di 39 kJ/(m²·K) che perde εσA·(T⁴ − T_a⁴) e hA·(T − T_a); l’ombra di una nuvola che attraversa il campo. Niente rifrazione nell’aria, niente polvere sugli specchi.
Da provare
Parti dalle 9 e guarda il ricevitore scaldarsi mentre il sole sale. Distribuisci i punti di mira o rimpicciolisci il ricevitore e leggi il fattore di intercettazione; fai passare una nuvola e guarda la temperatura calare.
Equazioni del modulo
Equazioni 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)
