儲(chǔ)順周，聶輔亮，崔芝瑛，宮　博，白鳳武?，張　燕

（1. 中國科學(xué)院太陽能熱利用與光伏系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 北京市太陽能熱發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京 100190；5. 長春晟博光學(xué)技術(shù)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(yīng)用中，高溫布雷頓循環(huán)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)非常高的發(fā)電效率[1]。作為該系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，太陽能吸熱器的作用是吸收來自聚光設(shè)備聚集的輻射來加熱內(nèi)部的傳熱介質(zhì)，并最終驅(qū)動(dòng)熱機(jī)發(fā)電[2]。太陽能吸熱器的應(yīng)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(shí)驗(yàn)在太陽爐上進(jìn)行了實(shí)際氣象條件下的測試[3-5]。但由于日照等條件的波動(dòng)，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(píng)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?zé)艉蜌鍤鉄鬧6]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于燈的弧長對(duì)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(yīng)用到高能流太陽能模擬器上。表1列舉了世界范圍內(nèi)用短弧氙燈作為燈源的太陽能模擬器，并列出了氙燈數(shù)量，電力消耗，峰值能流以及特定平面的熱功率等參數(shù)。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(shù)改進(jìn)與部件更新。例如，一些太陽能模擬器只能以開燈個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)焦斑面的能流，而不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)[9]。另一些由于功率較小，不能應(yīng)用于對(duì)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(diào)節(jié)措施比較復(fù)雜，使用中非常耗時(shí)[11]。因此，設(shè)計(jì)并制造一種調(diào)節(jié)靈活、功率范圍寬、穩(wěn)定可靠的太陽能模擬器對(duì)于吸熱器的測試至關(guān)重要。

表1　世界范圍內(nèi)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(xué)技術(shù)開發(fā)有限公司引進(jìn)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(xué)院電工研究所延慶實(shí)驗(yàn)基地測試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該太陽能模擬器由19盞氙燈組成，每個(gè)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(cè)裝有冷卻風(fēng)機(jī)，將氙燈產(chǎn)生的熱量及時(shí)散失。整套太陽能模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占地40.5 m3，具有可連續(xù)調(diào)節(jié)和可連續(xù)使用的特點(diǎn)，為太陽能吸熱器、熱化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)F1，因此光線可以通過橢球燈罩反射到焦點(diǎn)F2。由于實(shí)際的燈源并不是理想的點(diǎn)光源，而是燈絲或者燈弧，因此實(shí)際反射的光線并不是嚴(yán)格匯聚到焦點(diǎn)F2，而是在過焦點(diǎn)F2的豎直焦斑面一定區(qū)域內(nèi)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(nèi)，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(nèi)氙氣擊穿導(dǎo)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(fēng)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(tái)等組成。每組氙燈單獨(dú)由一個(gè)獨(dú)立的電源供電，單個(gè)電源的電流調(diào)節(jié)范圍為50～150 A，每個(gè)氙燈獨(dú)立控制，互不干擾，因此可實(shí)現(xiàn) 10%～100%滿功率輸出負(fù)荷的連續(xù)調(diào)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(tái)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(píng)價(jià)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(zhuǎn)換效率等幾個(gè)方面來評(píng)估[10]。因此，對(duì)太陽能模擬器輻射能量的準(zhǔn)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(jī)測得的圖像灰度值與能流計(jì)實(shí)際測得的能流值之間的線性關(guān)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(shè)備有CCD相機(jī)，冷卻設(shè)備，數(shù)據(jù)采集設(shè)備，Lambertian靶等。其中Lambertian靶由固定靶和移動(dòng)靶組成。在固定靶中心位置，鑲嵌安裝有一個(gè)已標(biāo)定的能流計(jì)，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(jì)接有冷卻水導(dǎo)管，防止溫度過高導(dǎo)致設(shè)備損壞。圖3（右）為測試中的太陽能模擬器。

實(shí)際測量過程如下：首先開啟一臺(tái)氙燈，5 min后待氙燈輸出穩(wěn)定時(shí)，能流計(jì)首先記錄采集到的電壓（由轉(zhuǎn)換系數(shù)換算成能流值），然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑軌絲杠將移動(dòng)靶移動(dòng)到固定靶前面，CCD相機(jī)采集此時(shí)移動(dòng)靶上的圖像，之后移動(dòng)靶返回原來位置。能流計(jì)采集到的能流值和 CCD相機(jī)采集到的灰度值通過MATLAB程序進(jìn)行處理，得到整個(gè)Lambertian靶面上的能流分布。為了保護(hù)能流計(jì)和固定靶的溫度在較低范圍內(nèi)，每次測量時(shí)只開啟一盞氙燈，然后用MATLAB軟件程序進(jìn)行疊加處理得到多組氙燈同時(shí)開啟時(shí)的能流分布情況。

圖3　用于測量接收面能流分布的主要設(shè)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(zhuǎn)換關(guān)系為：

焦斑面能流計(jì)算公式：

焦斑面平均能流公式為：

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)時(shí)將Lambertian靶分別放置在焦點(diǎn)處、焦點(diǎn)前25 mm處、焦點(diǎn)前50 mm處、焦點(diǎn)后25 mm處、焦點(diǎn)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(diǎn)前”指的是接近氙燈的方向，“焦點(diǎn)后”指的是遠(yuǎn)離氙燈的方向）。

圖4　-50 mm 位置處平面內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)果來看：在同一位置處，開啟中間1盞氙燈時(shí)形成的光斑能流分布無對(duì)稱性，直接受氙燈燈罩形狀影響；開啟中間1～7氙燈時(shí)形成的光斑呈對(duì)稱的圓形；全部開啟1～19全部氙燈時(shí)，光斑高能流區(qū)域變大，能流分布呈輕微變形的圓形。對(duì)比在焦點(diǎn)位置前后位置平面形成的光斑能流分布結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在開啟相同編號(hào)的氙燈時(shí)，不同位置接收面形成光斑形狀相似；在焦點(diǎn)處平面內(nèi)形成的光斑尺寸最小。

圖9是不同位置處平面內(nèi)的峰值能流曲線圖?？梢钥闯?，當(dāng)開啟1氙燈時(shí)，峰值能流在焦點(diǎn)位置處最低，這主要是由于開啟的氙燈數(shù)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(dāng)開啟1～7氙燈和1～19氙燈時(shí)，焦點(diǎn)處的峰值能流最大，且離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，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(shí)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(nèi)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(nèi)平均輻射熱流達(dá)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(shí)光斑能流分布圖Fig. 10　Flux distribution of the receiving plate with maximum input power

電-熱轉(zhuǎn)換效率公式如下：

圖11為氙燈在最大輸入功率時(shí)的電-熱轉(zhuǎn)換效率圖。結(jié)果表明，該太陽能模擬器的平均電-熱轉(zhuǎn)換效率為31.4%，與文獻(xiàn)[7]所述的29%的電-熱轉(zhuǎn)換功率相比，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

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

3　結(jié)　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(diào)節(jié)的特點(diǎn)。通過對(duì)其聚焦特性的測試，可以得到以下結(jié)論：

（1）該太陽能模擬器單個(gè)組件相互獨(dú)立，單個(gè)氙燈輸出能量調(diào)節(jié)范圍大，整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)滿功率10%～100%內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)；

（2）該模擬器具有良好的聚焦特性，其在焦點(diǎn)前后位置處形成的光斑形狀輪廓一致，且在焦點(diǎn)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(guān)材料、設(shè)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(zhuǎn)換效率為31.4%，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

符號(hào)表：

η電-熱轉(zhuǎn)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(shù)，kW/m2

k轉(zhuǎn)換系數(shù)，kW/m2

Gx灰度值

Q，焦斑面能流，kW