基于5kW非共轴聚光型模拟器性能数值研究

黄 兴，高方林，Bachirou Guene Lougou，姚 鑫

（1.华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

太阳能作为一种储量丰富、安全可靠、环境友好的可再生清洁能源受到了人们的广泛关注。前人通过集热技术将太阳能热量聚集，进行太阳能热 发 电[1]、太 阳 能 供 暖[2]、太 阳 能 照 明[3]。但 自 然 界中太阳能过于依赖天气、季节和时间等不稳定因素，且表现出不连续、不稳定的缺陷[4]。而太阳光模拟技术的出现，可以有效解决这些问题。该技术在光伏电池测试，太阳能驱动热化学重整，光伏材料老化实验等领域应用广泛。

太阳能模拟器聚光镜一般采用椭球面聚光镜，光线经过椭球面聚光镜汇聚于一点，但其辐照不均匀度高。因此目前采用非共轴椭球面聚光镜代替椭球面聚光镜，改善汇聚光斑辐照均匀度。国内外学者对太阳模拟器的光源进行了大量研究。Tawfik[5]通过比较光源光谱与太阳光谱，考虑稳定性、耐久性以及使用的安全问题，讨论了氩弧灯、金属卤化物灯、卤钨灯和氙弧灯4种主要光源。综合考虑，金属卤化物灯和氙弧灯光谱与太阳光谱匹配良好，为最常用光源。Ekman[6]为模拟出更加真实的太阳光谱，设计了以金属卤化物灯为光源的太阳能模拟器，其通量峰值可达到1MW/m2。Zhu[7]研究了光源与聚光镜焦点之间的位置关系，结果显示，不同位置关系会影响光斑的通量分布。除了太阳能模拟器的光源以外，太阳能模拟器的聚光镜也是研究重点。周明状[8]对非标准椭球面聚光镜二项展开式的系数进行研究，结果表明，改变二项展开式系数可以使聚光效率提高10%。孙焕杰[9]研制了一种变系数椭球聚光系统，得到的新型聚光镜比传统椭球聚光镜辐照面辐照均匀度提高了3.91%。Wang[10]设计了非共轴椭球面聚光镜，并应用于太阳能模拟器，得出该新型太阳能模拟器输入功率最高可达30kW。

以往研究多是针对太阳能模拟器光源、聚光镜形状以及高强度汇聚光斑，对太阳能模拟器聚光镜具体结构参数研究较少。本文基于小型非共轴椭球面太阳能模拟器，采用数值方法建立其聚光系统模型，研究太阳能模拟器中，聚光镜的结构参数对太阳能模拟器焦平面热流密度峰值和辐照不均匀度的影响。

1 非共轴聚光镜汇聚原理

非共轴椭球面聚光镜则是在椭球面的基础上，把第二焦平面的能量分散，即能量梯度变小，从而提升焦平面光斑辐照均匀性。其原理是将椭球的部分弧线L以第一焦点F1为支点旋转一定角度 θ得到弧线L′，弧线L′围绕X轴线旋转一周，便可获得非共轴的椭球面[11]。非共轴椭球面聚光镜剖面图如图1所示。其中：F1，F2分别为第一焦点和第二焦点；F2′为F2偏转一定角度后的位置；θ为旋转角；d后，d前分别为非共轴椭球面聚光镜的后端开口直径和前端开口直径。

图1 非共轴椭球面几何结构Fig.1 Geometrical structure of a noncoaxial ellipsoid

在第一焦点F1处放置一个光源，经非共轴椭球面聚光镜反射把光线聚焦在第二焦平面处形成一个亮环，其亮环半径为

式中：Emax，Emin分别为辐照面上辐照最大值、最小值。

2 太阳模拟器焦平面热流密度测量

2.1 太阳模拟器介绍

本文所用非共轴椭球面太阳能人工模拟器如图2所示。太阳能模拟器主要由氙灯、聚光镜、冷却系统（水冷和风冷）以及控制系统组成。氙灯为太阳模拟器提供光源，其型号为5kW的YUYU XHA5000。实验所用聚光镜为非共轴椭球面聚光镜，聚光镜对氙灯发射的光线起到汇聚作用，其结构尺寸如表1所示。由于氙灯的光电转化作用会使氙灯和聚光镜温度升高，可能导致炸裂发生危险，因此采用冷却系统对其进行降温冷却，保证安全运行。控制系统控制冷却系统的启停以及氙灯电功率的调节。

图2 太阳能模拟器Fig.2 Solar simulator

表1 非共轴聚光镜尺寸Table1 Dimensions of non-coaxial converters

2.2 实验测量

本文采用直接热流密度测量法对太阳能模拟器焦平面热流密度测量。实验系统如图3所示。

图3 实验测量系统Fig.3 Experimental measurement system

采用热流密度计对汇聚光斑热流密度进行测量，测量数据通过数采仪进行显示。导轨和升降台的作用分别是在测量时调节热流密度计的水平和竖直方向的位置。本实验测量了光斑直径为60 mm的能流密度分布，测量点的分布如图4所示。以光斑圆心为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴进行坐标系建立。测试时内两环间距为5mm，其它环间距为4mm，这样可以更清楚地观查趋势走向。

图4 测点位置Fig.4 The position of the measuring point

图5为在太阳能模拟器电功率为1470W下，测试直径为60mm时汇聚光斑水平和竖直方向上的热流密度曲线。由图5可以看出，汇聚光斑的最大热流密度为519.2kW/m2，热流密度由光斑中心沿X轴、Y轴方向逐渐减小，整体呈高斯分布。由于太阳能模拟器为非共轴椭球面聚光镜，汇聚光斑能流密度呈类高斯分布曲线，且可能存在安装误差等因素，所以存在一定误差，导致对称并不完美。

图5 光斑热流密度曲线Fig.5 Heat flux curve of light spot

3 模型验证

通过Tracepro软件对图1所示太阳模拟器进行模型建立。根据实验设备实际尺寸，通过CAD建立出非共轴椭球面聚光镜模型，并将非共轴聚光镜框架导入Tracepro进行光源建模。考虑到光源阳极±45°和阴极±30°内几乎无光线产生，于是把光源假设为直径和长度均为2mm且两端不发光的圆柱体模型[13]。由于光源两极一定角度内无光线发出，所以只需把光源模型侧面设置为光源。根据厂家提供的聚光镜反射面材料信息，将聚光镜反射面总反射率设置为0.9。将遮光板设置在聚光镜第二焦平面处，其表面属性设置完全吸收光线。图6为Tracepro软件建立的太阳能模拟器框架模型。

图6 太阳模拟器建模图Fig.6 A model of a solar simulator

图7为太阳能模拟器模拟结果与实验测量结果对比。由图7可知，模拟结果热流密度由中心向外逐渐降低呈类高斯分布曲线，实验测量热流密度分布由中心向外逐渐降低呈高斯分布曲线，两者趋势一致，吻合较好，但仍存在误差。造成模拟与实验误差的主要原因：由于在模拟中光源形状和尺寸难以确定，因此需要对其形状及尺寸进行假设，从而导致模拟结果与实验结果产生误差[14]。模拟与实验所得热流密度趋势与文献[15]一致，误差范围合理，因此所得结果可以用于后续研究。

图7 实验测量与模拟结果对比Fig.7 Comparison between experimental measurement and simulation results

4 结果与讨论

根据非共轴聚光镜反射原理，采用数值研究讨论非共轴聚光镜结构参数（旋转角、后端开口直径、前端开口直径）和光源安装误差（光源离焦和偏转角）对汇聚效果的影响。

4.1 非共轴聚光镜结构参数对汇聚光斑影响

4.1.1旋转角θ对汇聚光斑影响

图8为聚光镜旋转角对光斑的影响。在聚光镜前端开口直径为355mm、后端开口直径为90 mm以及安装无误差的条件下，随着聚光镜旋转角增大，汇聚光斑的热流密度峰值从1979kW/m2到658.5kW/m2呈下降趋势，辐照不均匀度从68.5%降低到11.3%。聚光镜旋转角增大时，由式（1）可知，经非共轴聚光镜反射汇聚的光环半径变大，汇聚光斑内热流密度趋于平缓，峰值降低，辐照不均匀度降低。本文结果与Xiao[15]通过模拟对聚光镜旋转角研究结果趋势一致，随着聚光镜旋转角 θ的增加热流密度峰值和辐照不均匀度降低。图9是 聚 光 镜 不 同θ（1，1.25，1.75，2°）下 汇 聚光斑热流密度曲线，为了对比汇聚光斑热流密度分布曲线，选取汇聚光斑直径为70mm，可以看出，随着 θ的增加热流密度峰值下降，曲线趋于平缓，汇聚光斑直径变大。θ的大小应根据实验所需光斑的尺寸和辐照均匀性进行合理选择。

图8 旋转角对光斑的影响Fig.8 The effect of rotation angle on light spot

图9 不同旋转角下热流密度曲线Fig.9 Heat flux curves at different rotation angle

4.1.2后端开口直径对汇聚光斑影响

图10为聚光镜后端开口直径对汇聚光斑影响。在聚光镜旋转角为1.25°、前端开口直径为355mm不变以及无安装误差的情况下，随着聚光镜后端开口直径的增加，汇聚光斑热流密度峰值从1718.1kW/m2到1520.5kW/m2呈下降趋势，辐照不均匀度从54.9%上升到58.3%。增大聚光镜后端开口直径导致聚光镜反射面积减少，汇聚在光斑上的光线条数减少，所以峰值降低。由式（2）得热流密度最大值降低快而最小值降低慢，所以辐照不均匀性上升。

图10 后端开口直径对光斑的影响Fig.10 Influence of diameter of back end opening on spot

图11为聚光镜不同后端开口直径（60，80，90，110mm）时的汇聚光斑热流密度曲线对比图，从图中可以更直观的看出热流密度峰值降低。从图9与图11中曲线对比可以看出，聚光镜旋转角对光斑性能的影响比后端开口直径对其影响大。由于聚光镜后端开口直径受安装和空气冷却风量的限制，所以应在满足条件的情况下后端开口直径尽可能小。

图11 不同后端开口直径下热流密度曲线Fig.11 Heat flux curves under different back-end opening diameters

4.1.3前端开口直径对汇聚光斑影响

图12为聚光镜前端开口直径对汇聚光斑影响。在聚光镜旋转角为1.25°、后端开口直径为90 mm不变以及无安装误差的情况下，随着聚光镜前端开口直径增大，热流密度峰值从1585.7 kW/m2到1623kW/m2增加趋势越来越缓慢，辐照不均匀度从61.7%降低到50.8%，均匀性得到改善。聚光镜前端开口直径增大时，聚光镜反射面积增大，汇聚在光斑上的光线数增加，所以热流密度峰值增加。此原理与Shah[16]提到的直径尽可能的大，以最大限度汇聚光线原理一致。由式（2）得，在一定汇聚光斑范围内，热流密度最大值小幅度增加，而最小值大幅度增加，所以辐照不均匀度下降。图13为聚光镜不同前端开口直径（160，170，190，200mm）时汇聚光斑热流密度曲线对比图。由图可知，随着聚光镜前端开口直径增大，热流密度峰值受影响很小。增加前端直径不仅能够增大热流密度峰值，还可以改善光斑均匀性，但受实际加工限制，所以聚光镜前端开口直径应在加工条件允许的范围内尽可能大。

图12 前端开口直径对光斑的影响Fig.12 Influence of front opening diameter on spot

图13 不同前端开口直径下热流密度曲线Fig.13 Heat flux curves under different front opening diameters

4.2 光源安装误差对汇聚光斑影响

4.2.1光源离焦对汇聚光斑影响

图14为聚光镜旋转角为1.25°、前端开口直径为355mm、后端开口直径为90mm以及光源为偏转的情况下，以第一焦点为原点，接收板方向为正方向，光源发生离焦，离焦量分别为-1，0，1mm时热流密度曲线对比。由图可知，光源在安装时发生离焦，对焦平面的汇聚光斑影响较大。离焦1 mm导致热流密度峰值上升、辐照不均匀性降低，离焦-1mm导致热流密度峰值下降。

图14 光源离焦对比图Fig.14 Light source defocus comparison chart

图15为离焦-1，0，1mm情况下第二焦平面汇聚光斑热流密度分布。

图15 离焦下热流密度分布Fig.15 Heat flux distribution under defocusing

由图15可以看出，离焦对光斑尺寸有所影响。离焦对光斑尺寸和热流密度有负影响，所以在安装时应避免安装误差。

4.2.2光源偏转对汇聚光斑影响

氙灯工作时有一定的形状和不发光区域 （氙灯阳极、阴极），所以在安装时会对光斑造成一定的影响。图16为聚光镜旋转角1.25°、前端开口直径355mm、后端开口直径90mm不变以及无离焦情况下，模拟光源安装角度对光斑的影响。由图可知，在汇聚光斑热流密度峰值方面有较低影响，对光斑辐照不均匀度几乎无影响。由于光源具有一定的形状和不发光区域，在光源发生偏转时侧面发光区域光线直射到遮光板上，所以造成热流密度峰值增加而均匀性几乎无影响。

图16 光源角度对光斑影响Fig.16 Influence of light source angle on light spot

5 结论

本文基于一种5kW小型非共轴聚光型太阳能模拟器，介绍了非共轴椭球面聚光镜设计原理。通过建立太阳模拟器模型并与实验验证，对太阳模拟器进行研究。通过理论研究得出以下结论。

①在控制聚光镜前端开口直径为355mm、后端开口直径为90mm不变以及无安装误差的情况下，随聚光镜旋转角增大，汇聚光斑热流密度峰值和辐照不均匀度呈下降趋势，热流密度峰值由1979kW/m2降低到658.5kW/m2，辐照不均匀度由68.5%降低到11.3%。

②在控制聚光镜旋转角为1.25°、前端开口直径为355mm不变以及无安装误差的情况下，随着聚光镜后端开口直径增大，汇聚光斑热流密度峰值呈下降趋势，而辐照不均匀度呈上升趋势，热流密度峰值由1718.1kW/m2降低到1520.5 kW/m2，辐照不均匀度由54.9%上升到58.3%。

③在聚光镜旋转角为1.25°、后端开口直径为90mm不变以及无安装误差的情况下，随着聚光镜前端开口直径增大，汇聚光斑热流密度峰值呈上升趋势，而辐照不均匀度呈下降趋势，热流密度峰值由1585.7kW/m2上升到1623kW/m2，辐照不均匀度由61.7%降低到50.8%。

④光安装误差会对汇聚光斑造成负面影响，所以在安装时应尽可能避免安装误差的存在。