高辐照度太阳能模拟器的设计与实验研究

发布时间：2021-06-01 01:01

　　高温太阳能热利用技术在国内尚处于起步阶段,时间、气象、地域条件及实验环境等条件对高温太阳能热利用的研究影响较大,为此,本文提出了满足高温太阳能热利用研究的高辐照度太阳能模拟器的设计及建造方案。高辐照度太阳能模拟器满足大面积太阳光汇聚所具有的太阳光辐照特性,并能根据实际研究需求调节焦平面大小及焦平面辐照强度。高辐照度太阳能模拟器是聚光型太阳能模拟器,聚光系统是该太阳能模拟器的核心组成部分,本文详细描述了聚光系统的设计思路,建立了聚光镜及聚光系统的数学模型,并应用蒙特卡洛光线追迹法对聚光镜及聚光系统模型进行了数值模拟和尺寸优化。同时,本文还设计了配套的机械系统、电控系统和冷却系统,以实现焦平面及辐照度的调节功能,保证聚光系统的安全运行。太阳能模拟器建成后,通过实验方式测得焦平面温度可超过2000K,实现了模拟器的设计目标。该高辐照度太阳能模拟器总功率70kW,在直径为60mm的焦平面上可汇聚20.6kW的辐射能量,辐照度峰值高达15MW/m2,平均值为7.3MW/m2,是目前国内辐照度最高的聚光型太阳能模拟器。 

【文章来源】：华北电力大学河北省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：50 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

过去100多年能源消费变化

瑞士苏黎世联邦理工学院D.Hirsch等用200kW高压氧弧灯作为光源，采用2D-CPC及其渐开线的椭圆槽式反射器的聚光系统，如图1-3,1-4所示，高压氩弧灯置于椭圆横截面的槽式聚光镜水平轴上，模拟器的焦平面垂直于椭圆的主轴，包含第二个线性焦点。为了保证反射光线的角度在45度范围内，聚光镜在距焦平面上9.2cm以下被截断。系统通过调节目标沿主轴的距离或灯的电功率，来调节能量，能流密度以及温度。模拟器福射功率75kW，福照度峰值超过4250 kW/m2，温度将近3000K。[21]L—S4图1-3配有2D-CPC及其渐开线的 图1-4太阳模拟器实物图椭圆槽式反射器的聚光系统3

用离轴光学系统代替了同轴光学系统，之后，欧空局、日本、俄罗斯、印度等国先后建立了太阳能模拟器并对氣灯点燃技术、积分器形状和准直镜加工技术进行了改进。其中，欧空局建立的ESTEC模拟器均匀福照为巾6000mmX5 000mm，福照面不均勻度为±4%、体不均匀度为±6%，光谱为未经过滤光的氤灯光谱，福照度为1625W/m2，它代表了大型空间太阳模拟器的先进水平。[16-20]太阳能模拟器除用于航天领域外，集聚式太阳能模拟器也用于高温材料的测试，为模拟太阳能热发电吸热器环境提供条件，并为太阳能热化学研究提供反应所需的光照及温度环境。瑞士苏黎世联邦理工学院D.Hirsch等用200kW高压氧弧灯作为光源，采用2D-CPC及其渐开线的椭圆槽式反射器的聚光系统，如图1-3,1-4所示，高压氩弧灯置于椭圆横截面的槽式聚光镜水平轴上，模拟器的焦平面垂直于椭圆的主轴，包含第二个线性焦点。为了保证反射光线的角度在45度范围内，聚光镜在距焦平面上9.2cm以下被截断。系统通过调节目标沿主轴的距离或灯的电功率，来调节能量，能流密度以及温度。模拟器福射功率75kW，福照度峰值超过4250 kW/m2，温度将近3000K。[21]


本文编号：3209339