Engineering
Солнечная печь с зеркалами
Девять зеркал следят за солнцем на небе и направляют его свет на приёмник на вершине башни. Посмотрите, как приёмник раскаляется до свечения, разнесите точки наведения или уменьшите приёмник, чтобы увидеть, сколько света проходит мимо, пустите облако над полем и сравните времена года.
Что происходит
Девять гелиостатов 2 × 2 м стоят к северу от башни на 37° северной широты. Каждый поворачивает своё зеркало со скоростью 1°/с так, чтобы нормаль зеркала делила пополам угол между направлениями на солнце и на приёмник, встроенный в стену башни на высоте 15 м. Зеркала слегка вогнутые — это сферы радиусом вдвое больше их расстояния до приёмника, поэтому каждое фокусирует изображение солнца вблизи приёмника. Солнце движется по своему пути для выбранного времени года, а прямое солнечное излучение у земли подчиняется закону ясного неба Мейнела. Для каждого зеркала прослеживаются лучи из 36 точек в семи направлениях в пределах солнечного диска: луч может быть затенён башней или другим зеркалом, отражается на 90 %, может быть заблокирован зеркалом, стоящим впереди, и попадает на приёмник или проходит мимо.
В полдень в равноденствие солнце стоит на высоте 52,9°, и зеркала улавливают 31,6 кВт его прямого излучения; затенение и блокировка отнимают 1,8 кВт, 26,8 кВт попадает на приёмник размером 0,8 м, и он поглощает 90 % этой мощности — 24,1 кВт. Приёмник нагревается до тех пор, пока излучение (ε = 0,85) и конвекция не станут уносить всю эту мощность: это происходит при 903 К. Поднимите приёмник на 0,5 м над точкой наведения — и половина света пройдёт мимо. В 9 ч зимой солнце стоит лишь на 16° над горизонтом, и на приёмник попадает 17,2 кВт. Защита от перегрева каждые 5 с расфокусирует ещё одно зеркало, отворачивая его от приёмника, пока температура приёмника выше предельной.
Модель: геометрическая оптика с дискретизацией солнечного диска и зеркал; закон воздушной массы Мейнела; приёмник — одна пластина с теплоёмкостью 39 кДж/(м²·К), теряющая εσA·(T⁴ − T_a⁴) и hA·(T − T_a); тень облака, пересекающая поле. Без рефракции в воздухе и без пыли на зеркалах.
Что попробовать
Начните в 9 ч и следите, как нагревается приёмник по мере подъёма солнца. Разнесите точки наведения или уменьшите приёмник и посмотрите на перехват (долю попадания); пустите облако и проследите, как падает температура.
Уравнения модуля
Уравнения 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)
