太陽能模擬器聚光特性實驗研究*

儲順周，聶輔亮，崔芝瑛，宮　博，白鳳武?，張　燕

（1. 中國科學院太陽能熱利用與光伏系統(tǒng)重點實驗室，北京 100190；2. 中國科學院電工研究所，北京 100190；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 北京市太陽能熱發(fā)電工程技術研究中心，北京 100190；5. 長春晟博光學技術開發(fā)有限公司，長春 130033）

0　前　言

在聚光太陽能熱發(fā)電（concentrated solar power,CSP）應用中，高溫布雷頓循環(huán)系統(tǒng)能實現非常高的發(fā)電效率[1]。作為該系統(tǒng)中的關鍵部件，太陽能吸熱器的作用是吸收來自聚光設備聚集的輻射來加熱內部的傳熱介質，并最終驅動熱機發(fā)電[2]。太陽能吸熱器的應用場景決定了其必須能夠承受高溫和高密度輻射能流，并且有一些實驗在太陽爐上進行了實際氣象條件下的測試[3-5]。但由于日照等條件的波動，給吸熱器的穩(wěn)態(tài)測試帶來了很大的挑戰(zhàn)。

高能流太陽能模擬器可以為太陽能吸熱器的測試與評估提供完全可控和穩(wěn)定的測試條件。太陽能模擬器常用的三種燈源是氙氣燈、金屬鹵素燈和氬氣燈[6]。在實際應用中，由于燈的弧長對模擬器的聚光效率影響較大，燈弧越短，反射燈罩的聚集效率越高，在焦斑面上形成的光斑越小，獲得的峰值能流越高[7-8]。因此，短弧氙燈越來越多地應用到高能流太陽能模擬器上。表1列舉了世界范圍內用短弧氙燈作為燈源的太陽能模擬器，并列出了氙燈數量，電力消耗，峰值能流以及特定平面的熱功率等參數。盡管這些太陽能模擬器具有很好的聚光特性，但仍需要技術改進與部件更新。例如，一些太陽能模擬器只能以開燈個數來調節(jié)焦斑面的能流，而不能實現連續(xù)調節(jié)[9]。另一些由于功率較小，不能應用于對功率輸入范圍要求寬泛的場合[10]。還有一些太陽能模擬器由于調節(jié)措施比較復雜，使用中非常耗時[11]。因此，設計并制造一種調節(jié)靈活、功率范圍寬、穩(wěn)定可靠的太陽能模擬器對于吸熱器的測試至關重要。

表1　世界范圍內的短弧氙燈太陽能模擬器Table 1　Short-arc xenon-lamp solar simulator built in the world

本文介紹了自長春晟博光學技術開發(fā)有限公司引進的一種高輻射能流太陽能模擬器，研究并分析了在中國科學院電工研究所延慶實驗基地測試得到的實驗結果。該太陽能模擬器由19盞氙燈組成，每個氙燈最大耗電量6 kW，并配備橢球面燈罩，將氙燈輻射的能流發(fā)射并聚焦到焦斑面。氙燈后側裝有冷卻風機，將氙燈產生的熱量及時散失。整套太陽能模擬器系統(tǒng)結構緊湊，占地40.5 m3，具有可連續(xù)調節(jié)和可連續(xù)使用的特點，為太陽能吸熱器、熱化學反應器和高溫材料的測試提供了良好可控的輻射條件。

1　太陽能模擬器系統(tǒng)

1.1　太陽能模擬器部件組成

氙燈發(fā)出的輻射能量是通過橢球聚光燈罩反射并聚焦到焦斑面上來加熱待測試部件的。如圖1所示，氙燈光源位于橢球焦點F1，因此光線可以通過橢球燈罩反射到焦點F2。由于實際的燈源并不是理想的點光源，而是燈絲或者燈弧，因此實際反射的光線并不是嚴格匯聚到焦點F2，而是在過焦點F2的豎直焦斑面一定區(qū)域內形成近似圓形的光斑。

圖1　光線聚集原理Fig. 1　Mechanism of ray concentration

如圖 2（左）所示，氙燈的陰極和陽極被包裹在石英玻璃燈泡內，在使用過程中，電極兩端施加特定的電壓，并用觸發(fā)器使燈泡內氙氣擊穿導電，氙氣原子被電離后，形成弧光放電，之后擊穿電壓變小，幾十伏特就能維持持續(xù)的弧光放電狀態(tài)。

如圖2（右）所示，太陽能模擬器由供電電柜、冷卻風扇、短弧氙燈（含橢球形反射燈罩）、氙燈觸發(fā)器、支撐架、操作平臺等組成。每組氙燈單獨由一個獨立的電源供電，單個電源的電流調節(jié)范圍為50～150 A，每個氙燈獨立控制，互不干擾，因此可實現 10%～100%滿功率輸出負荷的連續(xù)調節(jié)。19組氙燈緊密呈六邊形布置，形成的焦距為1 800 mm。

圖2　單臺氙燈（左）；太陽能模擬器系統(tǒng)（右）Fig. 2　Frontal view of single xenon short-arc lamp (left); solar simulator system (right)

1.2　聚光特性測試系統(tǒng)

太陽能模擬器的評價主要從能流均值（限定區(qū)域）、熱功率（限定區(qū)域）、能流分布、能流峰值以及電-熱轉換效率等幾個方面來評估[10]。因此，對太陽能模擬器輻射能量的準確測量十分重要。本文采用“Mapping method”來測量接收面的能流分布，即利用CCD相機測得的圖像灰度值與能流計實際測得的能流值之間的線性關系間接得到接收面的能流分布。如圖3（左）所示，該測試系統(tǒng)的主要設備有CCD相機，冷卻設備，數據采集設備，Lambertian靶等。其中Lambertian靶由固定靶和移動靶組成。在固定靶中心位置，鑲嵌安裝有一個已標定的能流計，用于直接測量太陽能模擬器投射過來的能流。固定靶和能流計接有冷卻水導管，防止溫度過高導致設備損壞。圖3（右）為測試中的太陽能模擬器。

實際測量過程如下：首先開啟一臺氙燈，5 min后待氙燈輸出穩(wěn)定時，能流計首先記錄采集到的電壓（由轉換系數換算成能流值），然后電機驅動滑軌絲杠將移動靶移動到固定靶前面，CCD相機采集此時移動靶上的圖像，之后移動靶返回原來位置。能流計采集到的能流值和 CCD相機采集到的灰度值通過MATLAB程序進行處理，得到整個Lambertian靶面上的能流分布。為了保護能流計和固定靶的溫度在較低范圍內，每次測量時只開啟一盞氙燈，然后用MATLAB軟件程序進行疊加處理得到多組氙燈同時開啟時的能流分布情況。

圖3　用于測量接收面能流分布的主要設備（左）；測試中的太陽能模擬器（右）Fig. 3　The main instruments to test the radiation distribution on the receiving plate (left); photograph of the simulator on flux distribution testing (right)

灰度值與能流值的轉換關系為：

焦斑面能流計算公式：

焦斑面平均能流公式為：

2　實驗結果及數據分析

為測試太陽能模擬器的聚光特性，開展了不同位置處的能流測試。實驗時將Lambertian靶分別放置在焦點處、焦點前25 mm處、焦點前50 mm處、焦點后25 mm處、焦點后50 mm處等5處位置，控制每盞氙燈的輸入電流為 100 A（最大輸入電流為150 A），分別測試得到的光斑能流分布如圖4～圖8所示（“焦點前”指的是接近氙燈的方向，“焦點后”指的是遠離氙燈的方向）。

圖4　-50 mm 位置處平面內能流分布：（a）1燈開啟；（b）1～7燈開啟；（c）1～19燈開啟Fig. 4　Flux distribution of the receiving plate at -50 mm: (a) lamp 1 on; (b) lamp 1～7 on; (c) lamp 1～19 on

圖5　-25 mm 位置處平面內能流分布：（a）1燈開啟；（b）1～7燈開啟；（c）1～19燈開啟Fig. 5　Flux distribution of the receiving plate at -25 mm: (a) lamp 1 on; (b) lamp 1～7 on; (c) lamp 1～19 on

圖6　0 mm 位置處平面內能流分布：（a）1燈開啟；（b）1～7燈開啟；（c）1～19燈開啟Fig. 6　Flux distribution of the receiving plate at 0 mm: (a) lamp 1 on; (b) lamp 1～7 on; (c) lamp 1～19 on

圖7　25 mm 位置處平面內能流分布：（a）1燈開啟；（b）1～7燈開啟；（c）1～19燈開啟Fig. 7　Flux distribution of the receiving plate at 25 mm: (a) lamp 1 on; (b) lamp 1～7 on; (c) lamp 1～19 on

圖8　50 mm 位置處平面內能流分布：（a）1燈開啟；（b）1～7燈開啟；（c）1～19燈開啟Fig. 8　Flux distribution of the receiving plate at 50 mm: (a) lamp 1 on; (b) lamp 1～7 on; (c) lamp 1～19 on

從測試得到的光斑能流分布結果來看：在同一位置處，開啟中間1盞氙燈時形成的光斑能流分布無對稱性，直接受氙燈燈罩形狀影響；開啟中間1～7氙燈時形成的光斑呈對稱的圓形；全部開啟1～19全部氙燈時，光斑高能流區(qū)域變大，能流分布呈輕微變形的圓形。對比在焦點位置前后位置平面形成的光斑能流分布結果可以發(fā)現，在開啟相同編號的氙燈時，不同位置接收面形成光斑形狀相似；在焦點處平面內形成的光斑尺寸最小。

圖9是不同位置處平面內的峰值能流曲線圖?？梢钥闯觯旈_啟1氙燈時，峰值能流在焦點位置處最低，這主要是由于開啟的氙燈數量少，容易受到氙燈前電極遮擋的影響，以及氙燈燈罩形狀誤差所帶來的影響。當開啟1～7氙燈和1～19氙燈時，焦點處的峰值能流最大，且離焦點越遠，能流峰值越低，說明該太陽能模擬器具有良好的聚焦特性。

圖10為最大輸入功率時太陽能模擬器在焦斑面形成的光斑能流分布圖。焦斑平面內的總熱功率為28.95 kW，峰值能流為2.33 MW/m2，在直徑為 260 mm的光斑直徑內平均輻射熱流達到了545.54 kW/m2。

圖9　不同位置處能流峰值Fig. 9　The maximum value of the flux at different location

圖10　最大輸入功率時光斑能流分布圖Fig. 10　Flux distribution of the receiving plate with maximum input power

電-熱轉換效率公式如下：

圖11為氙燈在最大輸入功率時的電-熱轉換效率圖。結果表明，該太陽能模擬器的平均電-熱轉換效率為31.4%，與文獻[7]所述的29%的電-熱轉換功率相比，具有良好的經濟性。

圖11　氙燈電-熱轉換功率Fig. 11　The electricity-thermal transfer efficiency of xenon lamps

3　結　論

本文介紹了一種高功率、高能流密度的太陽能模擬器，該模擬器具有穩(wěn)定可靠、可連續(xù)調節(jié)的特點。通過對其聚焦特性的測試，可以得到以下結論：

（1）該太陽能模擬器單個組件相互獨立，單個氙燈輸出能量調節(jié)范圍大，整個系統(tǒng)能實現滿功率10%～100%內的連續(xù)調節(jié)；

（2）該模擬器具有良好的聚焦特性，其在焦點前后位置處形成的光斑形狀輪廓一致，且在焦點處形成的光斑最小，能量最高；

（3）該太陽能模擬器的總熱功率28.95 kW，峰值能流2.33 MW/m2，平均輻射能流545.54 kW/m2，為相關材料、設備的測試提供了優(yōu)良的測試條件；

（4）該太陽能模擬器的電-熱轉換效率為31.4%，具有良好的經濟性。

符號表：

η電-熱轉換效率

Q_rad 輻射功率，kW

Q_ele電功率，kW

q平均輻射能流，kW/m2

A焦斑面面積，m2

I氙燈輸入電流，A

V氙燈輸入電壓，V

Ix輻射能流值，kW/m2

Ib輻射能流常數，kW/m2

k轉換系數，kW/m2

Gx灰度值

Q，焦斑面能流，kW