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利用太阳能取暖的试验和研究 论文


利用太阳能取暖的试验和研究
北京市第一七一中学 高二 8 班 唐思铭

关键词:节能,太阳能 摘要:在冬季时室内铺上黑色(或深色)的地毯,在墙上挂上黑色壁毯不仅 可以达到良好的取暖效果,而且可以节约能源资源。如果在窗户外安装凹面镜反 射太阳光(但为安全起见,安装平面镜也可) ,使更多的太阳光照进军室内,节 约煤的数量就可以成倍的增加。一吨煤燃烧可放出 78.4 公斤二氧化硫,故每年 可以减少二氧化硫排放 14488.32 万吨,对减少大气污染起到了至关重要的作用。

一、概述 随着经济的发展、社会的进步,人们需要的能量越来越多,而 且 对能源提出越来越高的要求,寻找新能源成为当前人类面临的迫 切课 题。 太阳照射在地球上的能量非常巨大,大约 40 分钟照射在 地球上 的太阳能,便足以供全球人类一年能量的消费。可以说,太 阳能是真 正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能是绝对干净, 不产生公害 的能源。太阳能的缺点一是密度小,二是受白天、夜 晚、天气阴晴等 条件的影响大。 太阳能的利用目前主要是用于发 电、供热水(太阳能热水器) 温室大棚等。 目前利用太阳能发电 、 有两大类型,一类是太阳光发电(亦称太阳 能光发电) ,另一类是 太阳热发电(亦称太阳能热发电) 太阳能光发电是将太阳能直接 。

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转变成电能的一种发电方式。它包 括光伏发电、光化学发电、光感 应发电和光生物发电四种形式,在光 化学发电中有电化学光伏电 池、光电解电池和光催化电池。 太阳能热发电是先将太阳能转化 为热能,再将热能转化成电能, 它有两种转化方式。一种是将太阳 热能直接转化成电能,如半导体或 金属材料的温差发电, 。另一种 方式是利用太阳加热水,产生水蒸汽, 再通过热机(如汽轮机)带 动发电机发电,与常规热力发电类似,只 不过是其热能不是来自燃 料,而是来自太阳能。 二、利用太阳能取暖的试验

如果用某种物质吸收太阳能从而转化为热能用于室内冬季取 暖, 从而减少能源资源的消耗是否可行,就必须通过实验来证明。 实验目的:不同颜色的物质吸收太阳能能力的强弱对比。 实验猜 想:用深色物质吸收太阳能的效果比用浅色物质效果好。 实验器 材:刻度尺,温度计三支,面积大小、材料相同的白色和 黑色布料 各一块。 实验方法:将布对折一次,把温度计放在两层布的中间 (这是为 了测量布的温度) ,再把他们放在阳光照射的室内水平地 面上,并将 温度计如图 1 放置(一支测量室温,另两支测量黑布和 白布的表面温 度) 。经过一段时间后,待三支温度计示数均不在发 生变化,读出三 支温度计的示数,并记录在表格中。 实验表格: 同种颜色不同的物质吸收太阳能能力的强弱实验记录表 黑布 面积/m2 温度计示数/℃ 室温/℃ 5.4×10 30.0 20.0
-4

白布 5.4×10 27.0
-4

2

图—1 黑布温度

图—2 白布温度

图—3 室温

从黑布的温度高于白布的温度可以知道黑颜色的布料吸收太阳 能的能力强。所以在取暖过程中应使用黑色物体吸收太阳能。 三、 节能计算 (1)黑布和白布吸收热能效率的比较 在太阳光的照射下布放出的 热量可按公式(1)计算,从而黑布、 白布放出热量的比较可按下式 计算。 Q =αF(t1-t3) Q =αF(t1-t3)
白 黑

3

Q



t1-t3 27.0℃-20.0℃ 7

== = = Q αF(t2-t3) t2-t3 30.0℃-20.0℃ 10


Q =0.7 Q




所以在相同的光照强度下,黑布放出的热量比白布多 30% (2)取暖节能计算 在冬季,室内采用这种取暖方法,可以节约多 少能源?这个数字 用公式计算即可得出。根据传热学公式 1 :
[ ]

Q=αF(t1-t2)。 (1) 式中:Q 为每小时从布上传给空气的热量,单位:大卡/小时; α 为传热系数,单位:大卡/米 2 · 小时· ℃,按参考文 献[1]给出 的数值,在加热和冷却空气时 α=1—50 大卡/米 2 · 时· 小 ℃。在计算 时取 α=30 大卡/米 2 · 小时· ℃。 t1 为布面温度,单位:℃, t2 为空 气温度,即室内温度,单位:℃。 F 为阳光照射面积,即窗户的面积,在此按两个窗户计算, 取为 6.0 m2。 将数据代入得: Q=30.0 大卡/米 2 · 小时· ℃×6.0 m2(30.0℃-20.0℃)=1800 大卡/小时。 在北京,冬季太阳照射到室内的时间按从上午 9:00 到下午 4:00 共计 7 小时,故在室内一天太阳能放出的热量 Q 按下


式计算:
4

Q =QT=1800 大卡/小时×7 小时=1.26×104 大卡。 每一公斤标准 煤的发热量为 3×103 大卡。那么采用这种取暖方法 每天节约煤 的质量:


M=

Q =4.2 公斤。 3000 大卡


北京冬季的供暖时间为四个月,即 120 天,但是考虑到冬季 时阴 天、下雨、下雪的天气除外,在计算时取 80 天。那么一户采 取太阳 能取暖方法整个冬天可节约 336 公斤煤。北京有 550 万 户,经过粗略 计算,北京市一年能节约煤 184.8 万吨。 四、结论 (1) 从黑布的温度高于白布的温度可以知道黑颜色的布料吸收 太阳能的能力强。所以在取暖过程中应使用黑色物体吸收太阳能

(2)在冬季时室内铺上黑色(或深色)的地毯,在墙上挂上黑色 壁毯不仅可以达到良好的取暖效果,而且可以节约能源资源。如果 在 窗户外安装凹面镜反射太阳光(但为安全起见,安装平面镜也 可) 使更多的太阳光照进军室内,节约煤的数量就可以成倍的增 , 加。一吨 煤燃烧可放出 78.4 公斤二氧化硫,故每年可以减少二氧 化硫排放 14488.32 万吨,对减少大气污染起到了至关重要的作用。 参考文 献:
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1、M.A.米海耶夫著 王补宣译《传热学基础》高等教育出版社 年九月第二版

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