Engineering
Piec słoneczny
Dziewięć zwierciadeł podąża za słońcem po niebie i kieruje jego światło na odbiornik na szczycie wieży. Obserwuj, jak odbiornik rozgrzewa się do żarzenia, rozłóż punkty celowania lub zmniejsz odbiornik, aby zobaczyć, ile światła przechodzi obok, przepuść chmurę nad polem i porównaj pory roku.
Co się dzieje
Dziewięć heliostatów o wymiarach 2 × 2 m stoi na północ od wieży położonej na 37° szerokości północnej. Każdy obraca swoje zwierciadło z prędkością 1°/s tak, aby normalna do zwierciadła była dwusieczną kąta między kierunkami na słońce i na odbiornik, osadzony w ścianie wieży na wysokości 15 m. Zwierciadła są lekko wklęsłe – to sfery o promieniu równym podwojonej odległości od odbiornika – więc każde skupia obraz słońca w pobliżu odbiornika. Słońce porusza się po torze właściwym dla pory roku, a promieniowanie bezpośrednie docierające do ziemi podlega prawu Meinela dla czystego nieba. Dla każdego zwierciadła śledzi się promienie z 36 punktów w siedmiu kierunkach rozłożonych na tarczy słonecznej: promień może zostać zacieniony przez wieżę lub inne zwierciadło, odbija się w 90 %, może zostać zablokowany przez zwierciadło stojące przed nim i trafia w odbiornik albo przechodzi obok.
W południe w dniu równonocy słońce stoi 52,9° nad horyzontem, a zwierciadła przechwytują 31,6 kW jego promieniowania bezpośredniego; zacienienie i blokowanie zabierają 1,8 kW, 26,8 kW trafia w odbiornik o boku 0,8 m, a ten pochłania 90 % tej mocy, czyli 24,1 kW. Nagrzewa się, dopóki promieniowanie (ε = 0,85) i konwekcja nie zaczną odprowadzać całej tej mocy: do 903 K. Podnieś odbiornik o 0,5 m ponad punkt celowania, a połowa światła przejdzie obok. O godzinie 9 zimą słońce stoi tylko 16° nad horyzontem i w odbiornik trafia 17,2 kW. Zabezpieczenie co 5 s odwraca kolejne zwierciadło, dopóki odbiornik przekracza swoją temperaturę graniczną.
Model: optyka geometryczna z próbkowaną tarczą słońca i próbkowanymi zwierciadłami; prawo masy powietrza Meinela; odbiornik jako jedna płyta o pojemności cieplnej 39 kJ/(m²·K), tracąca εσA·(T⁴ − T_a⁴) i hA·(T − T_a); cień chmury przesuwający się nad polem. Bez załamania światła w powietrzu, bez kurzu na zwierciadłach.
Co wypróbować
Zacznij o godzinie 9 i obserwuj, jak odbiornik się nagrzewa, gdy słońce wznosi się coraz wyżej. Rozłóż punkty celowania lub zmniejsz odbiornik i odczytaj współczynnik przechwytu; przepuść chmurę i zobacz, jak spada temperatura.
Równania modułu
Równania 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)
