基于氙燈陣列-光纖束的高密度能流的3D空間投射

楊根本，王俊濤，吳釗萱，宋記鋒

(1.華北電力大學(xué) 新能源學(xué)院，北京 102206；2.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3.華北電力大學(xué) 能源電力創(chuàng)新研究院，北京 102206)

0 引 言

隨著生產(chǎn)水平的逐步提高，人類(lèi)對(duì)能源的需求也在日益增加。傳統(tǒng)能源的不可再生性和地域分布的不均勻性一方面加劇了世界各國(guó)間的能源爭(zhēng)奪[1]，另一方面也使人們著眼于尋找傳統(tǒng)能源的替代品。新時(shí)代綠色可持續(xù)發(fā)展深入人心，低碳經(jīng)濟(jì)在提高資源使用率，體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展理念等方面都有著重要的意義[2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭一家獨(dú)大，碳排放量居高不下，使我國(guó)面臨著愈加嚴(yán)重的環(huán)境和國(guó)際輿論壓力[3]。和煤炭、石油等傳統(tǒng)化石能源相比，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源不僅有“取之不盡，用之不竭”的儲(chǔ)量?jī)?yōu)勢(shì)，而且清潔無(wú)污染，碳排放量較低，是未來(lái)解決能源問(wèn)題的關(guān)鍵。

太陽(yáng)模擬器是一種可以模擬和優(yōu)化太陽(yáng)能利用的設(shè)備。其中用于太陽(yáng)能熱發(fā)電的高通量太陽(yáng)模擬器可產(chǎn)生超過(guò)4 000個(gè)太陽(yáng)常數(shù)的輻照度[4]，且避免了真實(shí)太陽(yáng)光空間和時(shí)間上不穩(wěn)定性所帶來(lái)的負(fù)面影響，因此被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱電站的研究中[5]。

高通量太陽(yáng)模擬器通常由短弧氙燈光源、橢球面聚光鏡、二次集中器等部分構(gòu)成。由于其相對(duì)固定的結(jié)構(gòu)，使得輸出光斑的大小和強(qiáng)度調(diào)整成為了難題。相關(guān)研究表明，光纖可以承受超過(guò)10 000個(gè)太陽(yáng)常數(shù)的輻照度[6]，因此使用耐高輻照度的柔性光纖可以較為有效的解決這個(gè)問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)模擬器輸出光斑形狀和強(qiáng)度的可調(diào)節(jié)性，選用了可彎曲的柔性光纖束來(lái)傳輸高強(qiáng)度的太陽(yáng)光，通過(guò)改變氙燈的功率和光纖束的空間布置即可較為簡(jiǎn)便地獲取不同形狀和強(qiáng)度的光斑。這種應(yīng)用光纖束的高通量太陽(yáng)模擬器在光熱電站和太陽(yáng)能熱化學(xué)等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景[7]。

1 太陽(yáng)模擬器結(jié)構(gòu)

應(yīng)用光纖束的太陽(yáng)模擬器主要由三個(gè)部分構(gòu)成：氙燈陣列、光纖束和二次聚光器，整個(gè)模擬器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)聚光模擬器

1.1 氙燈陣列

此高通量太陽(yáng)模擬器具有由5×6個(gè)氙燈單元所構(gòu)成的氙燈陣列，單個(gè)氙燈單元的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中各參數(shù)的物理意義由表1所示。

表1 氙燈單元的參數(shù)

圖2 氙燈單元

如圖2所示，每個(gè)氙燈單元主要由氙燈燈泡，橢球反光鏡，冷卻風(fēng)扇和供電電路組成。選用可見(jiàn)光光譜和太陽(yáng)光相似且適合產(chǎn)生高輻照度的短弧氙燈作為光源[8，9]，短弧氙燈發(fā)出的光從第一焦點(diǎn)F1處經(jīng)橢球反光鏡反射后會(huì)聚在第二焦點(diǎn)F2處，被位于F2處的光纖束接收。

圖3所示為太陽(yáng)光譜與短弧氙燈光譜在可見(jiàn)光波段和部分紅外波段的對(duì)比，可以看出氙燈光譜在可見(jiàn)光波段(380～780 nm)連續(xù)且相對(duì)強(qiáng)度變化較小，在近紅外波段相對(duì)強(qiáng)度變化較大且出現(xiàn)了許多陡峭的尖峰，同時(shí)，太陽(yáng)光譜和氙燈光譜在圖示波段范圍內(nèi)相對(duì)強(qiáng)度和能量分布上也存在差異。但由于吸熱器涂層對(duì)光譜分布不敏感的特性[10]，紅外波段的尖峰并不會(huì)造成明顯的影響，因此氙燈光源仍適用于此太陽(yáng)模擬器。

圖3 太陽(yáng)光譜和短弧氙燈光譜對(duì)比

1.2 光纖束

光纖束用于傳輸經(jīng)橢球反射鏡會(huì)聚的高強(qiáng)度光。本次使用的多組分玻璃光纖由高折射率的玻璃纖芯和低折射率的玻璃包層組成，光纖間通過(guò)有機(jī)膠粘合在一起，采用填充率最大的六角密集結(jié)構(gòu)排列，以減少傳輸損失，光纖束結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光纖束剖面結(jié)構(gòu)(400×放大)

當(dāng)光線從折射率較高的纖芯進(jìn)入折射率較低的包層時(shí)，若入射角小于某一接受角θ，則入射光將以全內(nèi)反射的方式在光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的高效率傳輸[11]，如圖5所示。

圖5 光線在光纖內(nèi)的傳輸

其中光纖的最大接受角θmax由芯料的折射率nin和皮料的折射率nout決定[12]：

θmax=arcsinNA

(1)

(2)

式中：NA為光纖的數(shù)值孔徑，本次選用光纖的數(shù)值孔徑為0.56，計(jì)算可得θmax=34°，又橢球反射鏡的最大邊緣角Ф=30°，小于θmax，因此此實(shí)驗(yàn)中光纖束接受的光以全內(nèi)反射的方式高效傳輸。光纖束的各參數(shù)如表2所示。

表2 光纖束相關(guān)參數(shù)

由于通過(guò)光纖束的光以全內(nèi)反射的方式傳輸，無(wú)折射損失，因此衰減率理論上僅取決于光纖芯料的本征吸收，一定長(zhǎng)度的光纖的透射率是波長(zhǎng)的函數(shù)[13]。此次選取的光纖的透射率曲線如圖6所示。

圖6可以看出，此光纖在380～1 200 nm波段范圍內(nèi)對(duì)光的透射率變化較小，從而確保了氙燈光源輸出光譜的完整性。

圖6 不同形狀二次聚光器能流密度仿真結(jié)果

實(shí)際情況下，除了光纖芯料的本征吸收，光泄露、光纖斷裂和填充率損失等因素也會(huì)導(dǎo)致光纖傳輸衰減率的增加，此次研究中光纖束的實(shí)際平均傳輸效率為45%左右。

1.3 二次聚光器

二次聚光器可通過(guò)反射和折射再次聚光并提高聚焦光斑強(qiáng)度的均勻性，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置形狀。本次研究通過(guò)使用3種不同形狀(平板、球面和圓柱體)的二次聚光器來(lái)獲取不同形狀和密度的光斑，并分別使用蒙特卡洛方法[14]對(duì)三種不同的光線進(jìn)行追蹤仿真從而獲得各二次聚光器下能流密度的對(duì)比，如圖7所示。

圖7 1.5 m多組分玻璃光纖對(duì)不同波長(zhǎng)光的透射率曲線

由圖7可看出，在平板型和球面型二次聚光器下的能流密度都展示出了較好的高斯對(duì)稱(chēng)分布特點(diǎn)，且球面型二次聚光器的最高能流密度可達(dá)700 kW/m2。圓柱形二次聚光器的最高能流密度在180 kW/m2左右。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及相關(guān)理論

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由熱流計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CCD相機(jī)、朗伯靶、中性濾光片和運(yùn)動(dòng)控制裝置構(gòu)成，主要部分如圖8(a)所示。

其中熱流計(jì)型號(hào)為HT-50，其熱流量程可達(dá)±3.14 MW/m2，最高工作溫度為980 ℃，標(biāo)稱(chēng)分辨率為63 W/m2·μV，用于測(cè)量高溫傳導(dǎo)的熱流密度。實(shí)物如圖8(b)所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及結(jié)構(gòu)

為獲得更高的空間分辨率，采用通量映射方法間接測(cè)量能流分布。光斑圖像由CCD相機(jī)獲得。使用朗伯靶上的熱流計(jì)直接測(cè)量出通過(guò)二次聚光器的入射通量，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的入射通量通過(guò)改變熱流計(jì)的安裝位置實(shí)現(xiàn)，由于入射通量與其能流圖像的灰度值之間的線性關(guān)系[15]，測(cè)得朗伯靶面上某一點(diǎn)的灰度值及入射通量來(lái)獲得斜率值后便可通過(guò)熱流計(jì)間接得出朗伯靶面上的能流分布。由于 CCD相機(jī)與朗伯靶之間夾角并非直角，因此獲得的光斑圖像會(huì)失真，靶面上的能流分布從而也發(fā)生畸變，需要使用投影變換的方法修正。對(duì)于原圖像上某一點(diǎn)p(x,y)，投影校正后的坐標(biāo)P(u,v)由下列式子決定：

(3)

(4)

其中aij(i=1,2,3;j=1,2,3)由選取的4個(gè)原圖像的邊角點(diǎn)確定，T=(aij)3×3為變換矩陣。

平板型和球面型二次聚光鏡下的能流分布均可由上述方法求出，對(duì)于圓柱型二次聚光器，投影變換時(shí)需要加入高度坐標(biāo)z，變換矩陣維數(shù)也增加到4，其他步驟與平面投影變換類(lèi)似。

2.2 結(jié)果與分析

當(dāng)光纖束分別以平面、球面和圓柱體型布置時(shí)，太陽(yáng)模擬器修正后的能流密度如圖9所示。平面布置下模擬器的峰值通量可達(dá)180 kW/m2，出現(xiàn)在中心約15×15 mm的區(qū)域內(nèi)，如圖9(d)所示。球面布置下光斑的區(qū)域變小，但峰值通量大幅增加，可達(dá)500 kW/m2，出現(xiàn)在中心約10 mm半徑的圓形區(qū)域處，如圖9(e)所示。圓柱型布置下峰值通量為160 kW/m2，如圖9(f)所示。

圖9 不同空間布置下太陽(yáng)模擬器的能流密度

對(duì)比圖7可以看出，與仿真結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的峰值通量小幅下降，高斯對(duì)稱(chēng)性較差，原因包括：(1)氙燈并非完美點(diǎn)光源，發(fā)光位置和橢球鏡焦點(diǎn)不能完全重合，導(dǎo)致聚焦光不能與光纖束理想耦合。(2)部分光纖發(fā)生斷裂和彎折以及不同光纖束填充率的差異造成光纖束之間傳光能力產(chǎn)生區(qū)別。(3)CCD相機(jī)芯片的暗電流和表面微塵顆粒的陰影遮擋導(dǎo)致能流圖像出現(xiàn)誤差。

研究太陽(yáng)模擬器聚光性能時(shí)，上述缺陷并不會(huì)造成很大影響。通過(guò)調(diào)節(jié)氙燈功率和光纖束的空間布置可以獲得各種特定的能流密度分布，也就是說(shuō)，柔性光纖束的使用大大提高了太陽(yáng)模擬器的靈活性，為太陽(yáng)能熱電站等領(lǐng)域的研究提供了便利。但獲得高靈活性的代價(jià)是整個(gè)系統(tǒng)能量傳輸?shù)牡托?，光在光纖中的傳輸效率僅為45%左右。

3 結(jié) 論

為了解決傳統(tǒng)太陽(yáng)模擬器難以靈活傳輸光能的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種新型的太陽(yáng)模擬器，該太陽(yáng)模擬器主要由氙燈陣列、光纖束和二次聚光鏡構(gòu)成，并通過(guò)通量映射方法實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同空間布置下模擬器的能流分布。

實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)改變氙燈的功率和光纖束的空間布置可獲得3 D空間內(nèi)特定的能流密度分布，當(dāng)氙燈功率為1 kW時(shí)，球面布置下太陽(yáng)模擬器的峰值通量最高，可達(dá)500 kW/m2，為光熱電站等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了另一種可能的方案。