太阳能热水器倾斜角研究样例.docx
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太阳能热水器倾斜角研究样例
江苏省邗江中学高一研究性学习材料
太阳能热水器倾斜角研究
指导教师：
太阳能热水器倾斜角研究
背景说明
数学是源于生活的，中国古代数学一直都是为现实世界服务的，而到了近代，尤其是在升学压力越来越重的今天，数学在现实世界中的应用越来越被淡化，数学离现实世界也越来越越远，于是数学这门本来活生生的科学在世人眼中演变成了一大堆公式构成的怪物。
因此还数学本来面目迫在眉睫。
扬州很多家庭都安装了太阳能热水器，学生应用所学数学知识，说明各个不同季节热水器安放的倾斜角度应怎样变化，才能使阳光直射热水器。
从而获得最大的热效率。
通过研究，向生产热水器的厂家提出你的建议。
一、课题的选择
教育改革的核心是素质教育，高中课程改革对高中数学教育提出了更高的要求，特别较重了对学生数学应用能力的培养，新课标还特别提出了在高中的课堂教学过程中，至少安排一次数学建模，培养学生利用已有知识解决实际问题的能力，使高中数学的学习回归生活，让学生体验学习数学的乐趣。
高一年级掌握了一定的地理知识，对相关的物理学知识有了初步的了解。
已经形成了完整的函数观念，并且已经可以利用函数的思想解决实际问题，除了培养学生数学应用能力，使学生对所学的函数概念理解更加深入的同时，真正做到学以致用。
二、课题的实施
1、准备工作
首先对学生进行分组，每组人数在5——10名左右为宜，产生组长和要研究的子课题，分工后制定研究计划。
然后教师进行必要辅导，告诉学生如何利用学校内的各种图书馆、资料室查阅文献资料，如何去网上进行信息检索，使学生尽快了解课题研究的方法和步骤。
2、确定子课题
每组学生根据本课题的总的设想选定各自不同的研究方向，确定不同的研究范围，由组长拟题，上报给教师，教师做好统一协调和安排，确定明确的研究方向。
学生根据各自的研究方向书写研究计划，研讨研究方案，分头收集资料。
3、调查研究
（1）查找图书文献或通过网络了解相关知识
（2）查考教材中的实际应用问题
（3）注意对生活的观察和体会，使自己研究的问题有更大的应用空间
4、函数模型分析
对自己建立的函数模型进行分析、改进、推广，使问题的解决更加完美，使自己的函数模型应用更为广泛。
5、总结研究成果
研究成果可以使研究报告或小论文，也可以是制作好的网页。
指导教师对研究成果进行分析、评价，提出指导性意见。
评价可分A、B、C、D四个等级。
三、时序安排
第1时序根据教师提供的可供研究的子课题，自行选题。
教师对论文的写作方法和途径给出一定的指导。
第2时序根据教师提供的课题，查阅相关资料，如上网或查看有关杂志和辅导书。
这一阶段是为选题做准备，扩大视野。
在广泛接触和查阅过程中，选取一些与子课题资料较吻合的题目。
第3时序确定好题目后，全组成员再一次查找资料。
与第一次不同的是：
选取的资料较集中，专门与子课题衔接；找资料时大家独立思考、独立研究。
第4时序整理与讨论。
同学负责对已有的资料进行分类，形成本组研究成果。
第5时序大组集中，交流各自成果，全班同学充分占有各组资料，写出小论文。
第6课时全班组织骨干成员书写结题报告，准备成果展示柴材料，制作网页等。
四、收获与体会
教师和学生结合研究过程中的实际情况总结收获和体会，总结经验和不
足。
课题实施预案：
1．准备工作
学生分组名单：
组别
组长
组员
2．确定子课题
子课题及组别
子课题
研究内容及主要研究方向
子课题负责人
3．调查研究
组别
网络查询情况记载
调查情况记载
1
1
2
2
3
3
备注
材料附件
4．函数模型改进及推广
（1）模型应用
（2）模型改进
（3）模型推广
5．总结研究成果
小组研究成果展示：
学生撰写论文，教师指导，主要围绕主课题进行
1．用所得的数据资料写一篇小论文（题目自拟，不少于800字）
2．在小组或班级上交流、讨论，并评选优秀论文
大组研究成果展示：
1．组织骨干成员书写结题报告，
2．准备成果展示材料，制作网页
研究性学习活动记录
江苏省邗江中学（集团）研究性学习活动记录表
研究性学习课题
太阳能热水器倾斜角研究
指导教师
活动时间
2007年12月
活动地点
化学实验室4
学生人数
6
实到人数
6
缺席名单
无
活
动
记
录
1、提出研究性学习的重要性及要求
2、让学生以小组为单位坐在一起选出各自的组长。
（召集学生之前，已分组）
3、以小组为单位安排各自的任务，每小组完成其中一个子课题。
（子课题课前已确定）
4、对于子课题简要介绍
5、让学生提出疑难问题。
6、以小组为单位讨论本组的子课题，并形成该课题的研究方案。
江苏省邗江中学（集团）研究性学习活动记录表
研究性学习课题
太阳能热水器倾斜角研究
指导教师
活动时间
2008年1月
活动地点
化学实验室4
学生人数
6
实到人数
6
缺席名单
无
活
动
记
录
1、对上次学生所收集的资料进行简单分析
（1）学生整体上完成得不错，能看出来都很积极地收集资料、总结资料，并发表了自己的一些独特性观点。
（2）出现的问题就是收集资料的方式过于单一，对太阳能热水器倾斜角研究分析不够深入。
2、提出一些建议
（1）结合本组特点，发挥组员的优势，进行统筹安排，拓宽收集资料的途径。
（2）对收集的资料进行综合地分析，运用辩证的方法，形成全面深入的结论。
（3）规范课题研究文本的格式。
3、明确学生提交研究性学习的日期
附：
邗江中学
研究性学习
太阳能热水器倾斜角研究
组长：
郭天赐高一
（2）
组员：
徐治高一（3）
陈雪莲高一（6）
王辉高一（9）
韩诺诚高一（10）
赵健高一（12）
太阳能热水器倾斜角研究
一．太阳能热水器的应用
太阳能热水器是太阳能成果应用中的一大产业，它为百姓提供环保、安全节能、卫生的新型热水器产品，太阳能热水器就是吸收太阳能的辐射热能，加热冷水提供给人们在生活、生产中使用的节能设备。
系统组成：
集热器：
系统中的集热元件。
其功能相当于电热水器中的电热管。
和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼。
保温水箱：
和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。
因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。
容积是每天晚上用热水量的总和。
采用同乐搪瓷内胆承压保温水箱，保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿命可长达20年以上。
连接管道：
将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。
设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。
热水管道必须做保温处理。
管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。
环保作用:
每平方米平板太阳能集热器平均每个正常日照日，可产生相当于2.5度电的热量，每年可节约标准煤200公斤左右，可以减少700多公斤CO2的排放量。
太阳能热水器的广泛运用，包括生活用热水，采暖，空调,在省钱的同时必将极大地改善地球的污染状况。
目前太阳能热水器占整个热水器市场的11.2％，而据预测，到2015年，我国太阳能热水器普及率将达到30％。
现在各地均用电非常紧张，能源非常紧缺，使用太阳能热水器可以节约很多能源，还可以防止污染。
从个人角度来说，用太阳能热水器价格要比用电热水器便宜得多，比用电、用燃气至少节约三分之二以上。
所以选用太阳能热水器，一来可以节约用电，二来长远考虑使用费用也较低。
二．太阳能热水器倾斜角研究
（1）太阳能倾角的选择
太阳辐射正午与地面夹角在一年四季中变化很大，热水器的倾角应该与当地纬度相同，才能保证在全年中太阳辐射由垂直状态左右摆动23.5°，如把热水器做成倾角可调，则稳固性降低，结构复杂，使用起来也需一年调整若干次，我们做成固定角，分为23°、33°、42°、50°几种，分别适应低中高纬度地区，提高集热效率。
（2）关于太阳能热水器的安装问题
太阳能热水器的倾角与当地的正午太阳高度角互余，可以利用正午太阳高度角公使衔计算正午太阳高度，然后就可以求出太阳能热水器的倾角了。
关于放置方向要根据当地的地理位置而定，北回归线及其以北地区，朝南放置。
一般地，太阳高度越大，光照面积越小，光热越集中，太阳能的利用效率越高。
所以为了更好地利用太阳能，应不断的调整太阳能热水器与楼顶平面之间的倾角，使太阳光线与受热板之间成直角。
如下图：
由太阳能热水器倾角与正午太阳高度角的关系式为：
α＋H=90°
（3）太阳能的工作原理
A．真空管式太阳能热水器工作原理：
真空管吸热-微循环-保温水箱-测控制系统-用户。
真空管式太阳能热水器，利用真空管集热，最大限度的实现光热转换，经微循环把热水传送到保温水箱里，通过专用管路至用户。
控制系统把自来水通过控制阀，控制仪等送至太阳能以达到自动化控制。
辅助电加热安置在水箱里，已备阴、雨、雪天使用，节电90%。
并自动化运行。
性能特点及技术参数：
⑴集热元件-真空管技术参数规格:
1200mm×47mm1500mm×47mm。
目前集热效果的最好的是AL---N/AL真空溅射选择性镀膜，本产品采用1.2、1.5m利用该涂层的玻璃真空管，其吸收率≥0.93红外发射率ε≤0.6，平均热损Uct0.9W/㎡℃真空度P≤5×10ˉ3pa采用性能相当于美国的高硼硅3.3特硬玻璃制造。
⑵保温材料性能特点及技术参数：
保温材料的好坏直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的东北尤其重要。
目前较好的保温方式是进口聚氨脂保温，若配料、工艺、环境、温度不适，也会造成发泡不均或泡孔过大、工质缓慢漏失保温性逐渐下降的后果，这就需要厂家有专门的发泡机械、标准化模具和较高的工艺技术水平。
另外，我们不仅要了解产品用材工艺、还要看厂家的机械设备、模具等有机成本的高低、质量监测的水准。
产品质量直接关系消费者的利益。
聚氨酯保温层厚度：
70mm闭孔率:
65.69％导热系数:
19.83mw/m.k，并经过高温熟化处理。
⑶水箱内胆与支架
水箱内是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要，优质的选材应是进口SUS304板材，厚度在0。
6mm--0。
8mm之间不锈钢板，氩气保护,高频自动焊接,提高钢板在各种水质或各种环境耐腐蚀性能，是比较先进的焊接工艺、支架材料全部采用不锈钢（SUS304），外观美观、强度高、整体采用螺栓连接，支架、整机刚性强,而且利于运输安装，抗腐能力强。
B．热管承压式太阳能热水器工作原理：
真空管吸热-热管传导热-保温水箱-控制系统-用户。
（价格较高）热管承压式太阳能热水器，利用真空管集热，内置¤型翅片，把高温环境中的热量传给热管、热管迅速将热量传入水箱，特别在多云，辐射强度低的情况下，启动传热快。
经连续测试，热管式太阳能热水器，日平均热效率高达56%。
传热元件-热管技术参数规格：
φ8×1520：
⑴国内热管生产厂很多，我们对国内所有热管进行检测，按GB/T14812-1993、GB/14813---1993对热管性能和热管寿命进行实验检测，大多有机热管在一、两年后，传热效率明显下降，最后选定无机分子热管（美国-MACBLE公司专利技术），通过美国思坦福研究院（SRI）长期系统测试，证明其具有卓越的传热性能。
传热不需工质相变，靠分子热运动、传热快、传热效率高。
⑵承压能力高热管式太阳能热水器水箱，采用2MM厚钢板，弧型封头，CO2自动焊接，承压能力0.6MPa，密封工作压力高达1.2Mpa。
选用国际先进化学镀镍技术，表面喷涂达到国际先进水平。
集热器可承受自来水的压力（试验压力最高可达1.2MPa）。
尺寸符合TB311-74规定，⑶抗冻、承载能力强热管式太阳能热水器采用热管传热技术，集热管内无水，不会因高寒地区气温过低而冻破集热管，从而影响使用。
而且因管中无水，若一支热管破损，不会影响整机工作，这样热水器使用范围更广。
支架材料全部采用不锈钢（SUS304），外观美观、强度高、整体采用螺栓连接，支架、整机刚性强而且利于运输安装，抗腐能力强。
三．太阳能热水器的优缺点
太阳能热水器分两种，一种是落水式的，另一种承压式的，应该说承压式的技术上更先进一些，真空管里没有水，不会爆裂、也不会结冻，特别适用于高纬度地区。
承压式的带压运行，上下水靠管道水压，电路控制相对简单，水流也比较冲。
但承压式有一个致命的缺点，就是采热片在内桶中的触头温度非常高，在北方碱性水地区很容易结垢，影响效能，甚至烧毁，另外价格也相对高一些。
落水式是比较成熟的产品，缺点是真空管里走水，有可能夏天有可能爆裂、冬天结冻，需要比较完备的控制电路防止夏天干晒爆裂，冬天太冷结冻。
太阳能热水器的电路控制非常重要，好的智能控制仪表应该具备以下功能：
㈠显示水温水量及工作状态显示，水温水位任意设定；㈡自动上水，防空晒干烧，安全自检，水满及缺水自动报警；㈢自动控制电辅助加热，太阳的光能不能满足水温要求时，自动启动电辅助加热。
㈣户外管道自动防冻功能，当管道内水温低于4度时，启动电热带，防止管道结冻，实现冬季管道无需排空；㈤异常自动报警，漏电保护等功能。
水的存贮有一定的限量，不能像煤气热水器那样，冬天里洗澡，自己随意想洗多久就洗多久的时间。
现在生产太阳能热水器的厂家比较多，价格相差也比较大，这其中有品牌效应、广告投入、销售成本方面的原因，也有产品生产成本和服务成本方面的原因。
差的太阳能热水器主要在以下方面偷工减料：
一是用低价的真空管，低价的真空管由于镀膜不过关，热效率低，老化快，使用时间短；二是用低价的保温材料，太阳能热水器在室外，保温层非常重要，要有一定的厚度，但关键还要看质量，好的产品用的高温恒压发泡的聚氨酯保温层，密度高，保温效果好；差的产品聚氨酯保温层的密度也就是前者的一半，保温效果差；三是内外桶金属材料差；四是控制电路简单，电磁阀质量不好。
还有：
好的产品都提供长时间的维修服务，还会为产品上各种意外保险。
小结：
对太阳能热水器的研究具有代表性，也因为其原理简单，便于我们的初次研究。
这次研究，我们把平时所学的数学知识用来对太阳能热水器倾斜角做出分析，是一次很好的实践。
我们的体验：
通过研究性这门课，我们学到了许多以前没接触过的东西，真可谓是收益非浅啊！
在调查过程中，逐渐学会调查等研究方法，体验了很多的经历，对于我们以后走上社会是一种和宝贵的收获。
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