太阳能模拟器的设计实验研究

刘欢

摘  要：太阳能的热利用受时间、气象、地域条件及实验环境等条件影响较大，为此，该文提出了满足高温太阳能热利用研究的太阳能模拟器的设计研究方案。该方案可根据实际研究需要，调节焦平面的大小和辐照强度，符合大面积太阳光汇聚后的太阳光辐照特性。该文着重描述了太阳能模拟器的核心组成部分——聚光系统的设计方案，同时设计了与之对应的机械系统、控制系统，实现焦平面大小及辐照度的调节功能，确保聚光系统的安全稳定运行。

关键词：太阳能热利用  辐照强度  聚光系统

中图分类号：TM615    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（b）-0057-02

为减轻我国传统化石能源储量有限以及利用中的环境污染问题，太阳能正在日益得到重视[1]。但是自然界的太阳光在利用过程中受时间、气象、地理位置等各个因素的影響较大，同时辐照强度很低[2-3]。为了得到不同环境条件下的基准数据，突破地域、时间及气象等条件限制，为数值仿真模拟提供参考，同时为仿真结果提供实验校验技术手段，该文设计了辐照强度较高的聚集式太阳能模拟器。

1  设计方案

1.1 总体框架

该文设计的太阳能模拟器由氙灯、聚光部分、机械部分、氙灯电源、冷却系统、UPS电源及数控系统组成，如图1所示。将7盏氙灯的光经过高反射椭球镜聚集于很小的区域内，得到该区域内高温和高热流密度的光源，来模拟集聚式太阳能光热利用中的实际物理环境。

1.2 聚光系统及机械系统

该太阳能模拟器使用多个聚光单元，合成一个完整的聚光系统。每个聚光单元设置独立的电控及冷却系统，可以通过调节聚光单元的开启数量得到不同辐照强度的光源。将各个聚光单元的光线汇聚到一起，得到更高的温度和更强的辐照度。

太阳能模拟器机械系统主要包括：聚光镜及氙灯连接装置、底座和外机壳。将氙灯及聚光镜连接在一起，并使得聚光镜的焦点与氙灯的发光中心重叠。连接部件的微调装置可防止氙灯发光中心发生偏移。

1.3 控制系统

太阳能模拟器的控制系统包括焦平面大小调节控制系统、氙灯开关及功率调节系统、冷却控制系统和系统断电保护系统。焦平面大小调节系统可控制焦平面的大小，向系统输入所需的焦平面大小数值，系统会自动按照焦平面和聚光单元之间位移关系，控制电机导轨移动相应的距离。氙灯开关及功率调节系统可实现控制室内自动触发氙灯并调节其功率。

2  结语

气象、时间、地理条件及实验环境等对太阳能热利用的研究影响较大，为此，该文设计了可调节辐照强度的太阳能模拟器，以满足太阳能热利用的研究需要。该太阳能模拟器符合大面积太阳光汇聚的太阳光辐照特性，并可根据实际研究需求调节焦平面大小及焦平面辐照强度。该设计方案可为我国太阳能热利用的研究提供稳定可靠的实验平台。

参考文献

[1] 袁建丽，林汝谋，金红光，等.太阳能热发电系统与分类（1）[J].太阳能，2007（4）：30-33.

[2] 徐明，祝雪妹.聚光式太阳能热发电技术的现状及发展趋势[J].南京师范大学学报：工程技术版，2011.11（1）：27-32.

[3] 胡忠文，张明锋，郑继华.太阳能发电研究综述[J].能源研究与管理，2011（1）：14-16.

[4] 杜景龙.碟式斯特林太阳热发电系统太阳模拟器的设计与实验研究[D].中国科学院研究生院：工程热物理研究所，2011.

[5] G. Manzolini， M. Bellarmino.Solar thermodynamic plants for cogenerativeindustrial applications in southern Europe[J].Renewable Energy，2011（36）：235-243.

[6] 李子衿.高辐照度太阳能模拟器的设计与实验研究[D].华北电力大学，2014.