太陽(yáng)模擬器在太陽(yáng)能光熱領(lǐng)域的測(cè)試研究

■ 李開(kāi)春 苗偉 張旭 劉廣虎

一 引言

太陽(yáng)模擬器是模擬太陽(yáng)光輻照特性的一種測(cè)試設(shè)備，其主要作用是提供具有一定輻照度和輻照均勻性的光源，可在高精度擬合太陽(yáng)光譜分布的前提下實(shí)現(xiàn)不同地域、不同季節(jié)的太陽(yáng)光照特性，以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)研究對(duì)太陽(yáng)輻照的特殊需求。該技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，早期主要用于空間飛行器的空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，近年來(lái)在空間技術(shù)的其他方面、太陽(yáng)能利用、遙感技術(shù)中常常把太陽(yáng)模擬器作為太陽(yáng)光的模擬光源。衡量太陽(yáng)模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)有輻照強(qiáng)度、輻照均勻性、光譜能量分布等。

二 實(shí)驗(yàn)

1 太陽(yáng)模擬器的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為太陽(yáng)模擬器的結(jié)構(gòu)圖，主要由燈場(chǎng)、人造天空及控制系統(tǒng)組成。其工作原理主要是由金屬鹵素?zé)舭l(fā)出光，經(jīng)橢球面聚光鏡的反射形成近平行光束，光束經(jīng)玻璃過(guò)濾除去雜光得到與自然太陽(yáng)光非常接近的光譜分布，光再經(jīng)過(guò)人造天空照在集熱器或熱水器上，進(jìn)行試驗(yàn)，人造天空的作用是降低燈在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱對(duì)測(cè)量的影響。

從圖2中可以看出，太陽(yáng)模擬器發(fā)出的光譜與自然光(AM1.5)光譜很接近，特別是在可見(jiàn)光范圍內(nèi)基本上完全重合。圖3為太陽(yáng)模擬器實(shí)物圖。

圖3 太陽(yáng)模擬器實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將真空管型集熱器和平板型集熱器分別放在太陽(yáng)模擬器測(cè)試臺(tái)架上按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完后，將集熱器放到室外跟蹤臺(tái)上做相同的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比室內(nèi)外測(cè)得的性能。將相同集熱器放在太陽(yáng)模擬器與室外跟蹤臺(tái)上進(jìn)行多次測(cè)量，驗(yàn)證測(cè)試的穩(wěn)定性。

室外跟蹤臺(tái)：穩(wěn)態(tài)測(cè)試；

室內(nèi)太陽(yáng)模擬器：穩(wěn)態(tài)測(cè)試；

室內(nèi)外均基于工質(zhì)平均溫度。

采光平面的輻照均勻度偏差在±5.1%之內(nèi)。

三 結(jié)果與討論

1 效率計(jì)算公式

其中，a%為直射占總輻射的比例；b%為散射總輻射的比例。

2 入射角修正系數(shù)曲線

由圖4可知，對(duì)于真空管集熱器，修正系數(shù)隨著入射角增大是先增大后減小，在入射角小于65?前，修正系數(shù)大于1。對(duì)于平板型集熱器，修正系數(shù)隨著入射角增大而減小，修正系數(shù)都小于1。太陽(yáng)模擬器發(fā)出的光中約25%的光是不平行、帶角度的，當(dāng)自然光中散射占總輻射的25%左右時(shí)，兩光源角度接近。

3 室內(nèi)外測(cè)試對(duì)比結(jié)果

圖5 真空管型集熱器室內(nèi)外測(cè)試對(duì)比

圖6 平板型集熱器室內(nèi)外測(cè)試對(duì)比

從圖5、圖6結(jié)果可知，真空管集熱器和平板型集熱器在太陽(yáng)模擬器的測(cè)試結(jié)果與室外跟蹤臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果相近，在誤差允許范圍內(nèi)。這主要是當(dāng)自然太陽(yáng)光的散射占總輻射的25%左右時(shí)，測(cè)試的修正系數(shù)相同，測(cè)試結(jié)果相近，如果自然太陽(yáng)光的散射占總輻射的比例大于或小于25%，較大時(shí)，由于修正系數(shù)的影響，測(cè)試結(jié)果有較大偏差。

如表1所示，在太陽(yáng)模擬器中5次的測(cè)試結(jié)果相同，而室外跟蹤上測(cè)試的結(jié)果由于輻照及環(huán)境的影響使得5次測(cè)試結(jié)果偏差較大。

表1 模擬器與跟蹤臺(tái)同一集熱器多次測(cè)量結(jié)果

四 結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知，太陽(yáng)模擬器測(cè)試的結(jié)果是可靠的，而且太陽(yáng)模擬器測(cè)試條件穩(wěn)定，非常有利于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，準(zhǔn)確地反映產(chǎn)品結(jié)構(gòu)細(xì)微調(diào)整對(duì)產(chǎn)品性能的影響。