Engineering
Сонячна піч із дзеркалами
Дев’ять дзеркал стежать за сонцем на небі й спрямовують його світло на приймач на вершині башти. Подивіться, як приймач розжарюється до світіння, рознесіть точки наведення або зменште приймач, щоб побачити, скільки світла проходить повз, пустіть хмару над полем і порівняйте пори року.
Що відбувається
Дев’ять геліостатів 2 × 2 м стоять на північ від башти на 37° північної широти. Кожен повертає своє дзеркало зі швидкістю 1°/с так, щоб нормаль дзеркала ділила навпіл кут між напрямками на сонце й на приймач, вбудований у стіну башти на висоті 15 м. Дзеркала злегка увігнуті — це сфери радіусом, удвічі більшим за їхню відстань до приймача, тому кожне фокусує зображення сонця поблизу приймача. Сонце рухається своїм шляхом для вибраної пори року, а пряме сонячне випромінювання біля землі підкоряється закону ясного неба Мейнела. Для кожного дзеркала простежуються промені з 36 точок у семи напрямках у межах сонячного диска: промінь може бути затінений баштою або іншим дзеркалом, відбивається на 90 %, може бути заблокований дзеркалом попереду й потрапляє на приймач або проходить повз.
Опівдні в день рівнодення сонце стоїть на висоті 52,9°, і дзеркала вловлюють 31,6 кВт його прямого випромінювання; затінення й блокування забирають 1,8 кВт, 26,8 кВт потрапляє на приймач розміром 0,8 м, і він поглинає 90 % цієї потужності — 24,1 кВт. Приймач нагрівається доти, доки випромінювання (ε = 0,85) і конвекція не почнуть відводити всю цю потужність: це відбувається за 903 К. Підніміть приймач на 0,5 м над точкою наведення — і половина світла пройде повз. О 9 год узимку сонце стоїть лише на 16° над горизонтом, і на приймач потрапляє 17,2 кВт. Захист від перегріву кожні 5 с розфокусовує ще одне дзеркало, відвертаючи його від приймача, поки температура приймача вища за граничну.
Модель: геометрична оптика з дискретизацією сонячного диска й дзеркал; закон повітряної маси Мейнела; приймач — одна пластина з теплоємністю 39 кДж/(м²·К), що втрачає εσA·(T⁴ − T_a⁴) і hA·(T − T_a); тінь хмари, що перетинає поле. Без рефракції в повітрі й без пилу на дзеркалах.
Що спробувати
Почніть о 9 год і стежте, як нагрівається приймач у міру підйому сонця. Рознесіть точки наведення або зменште приймач і подивіться на перехоплення (частку влучання); пустіть хмару й простежте, як падає температура.
Рівняння модуля
Рівняння 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)
