基于5kW非共軸聚光型模擬器性能數(shù)值研究

黃 興，高方林，Bachirou Guene Lougou，姚 鑫

（1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

太陽(yáng)能作為一種儲(chǔ)量豐富、安全可靠、環(huán)境友好的可再生清潔能源受到了人們的廣泛關(guān)注。前人通過(guò)集熱技術(shù)將太陽(yáng)能熱量聚集，進(jìn)行太陽(yáng)能熱 發(fā) 電[1]、太 陽(yáng) 能 供 暖[2]、太 陽(yáng) 能 照 明[3]。但 自 然 界中太陽(yáng)能過(guò)于依賴(lài)天氣、季節(jié)和時(shí)間等不穩(wěn)定因素，且表現(xiàn)出不連續(xù)、不穩(wěn)定的缺陷[4]。而太陽(yáng)光模擬技術(shù)的出現(xiàn)，可以有效解決這些問(wèn)題。該技術(shù)在光伏電池測(cè)試，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱化學(xué)重整，光伏材料老化實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

太陽(yáng)能模擬器聚光鏡一般采用橢球面聚光鏡，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)橢球面聚光鏡匯聚于一點(diǎn)，但其輻照不均勻度高。因此目前采用非共軸橢球面聚光鏡代替橢球面聚光鏡，改善匯聚光斑輻照均勻度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)模擬器的光源進(jìn)行了大量研究。Tawfik[5]通過(guò)比較光源光譜與太陽(yáng)光譜，考慮穩(wěn)定性、耐久性以及使用的安全問(wèn)題，討論了氬弧燈、金屬鹵化物燈、鹵鎢燈和氙弧燈4種主要光源。綜合考慮，金屬鹵化物燈和氙弧燈光譜與太陽(yáng)光譜匹配良好，為最常用光源。Ekman[6]為模擬出更加真實(shí)的太陽(yáng)光譜，設(shè)計(jì)了以金屬鹵化物燈為光源的太陽(yáng)能模擬器，其通量峰值可達(dá)到1MW/m2。Zhu[7]研究了光源與聚光鏡焦點(diǎn)之間的位置關(guān)系，結(jié)果顯示，不同位置關(guān)系會(huì)影響光斑的通量分布。除了太陽(yáng)能模擬器的光源以外，太陽(yáng)能模擬器的聚光鏡也是研究重點(diǎn)。周明狀[8]對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)橢球面聚光鏡二項(xiàng)展開(kāi)式的系數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，改變二項(xiàng)展開(kāi)式系數(shù)可以使聚光效率提高10%。孫煥杰[9]研制了一種變系數(shù)橢球聚光系統(tǒng)，得到的新型聚光鏡比傳統(tǒng)橢球聚光鏡輻照面輻照均勻度提高了3.91%。Wang[10]設(shè)計(jì)了非共軸橢球面聚光鏡，并應(yīng)用于太陽(yáng)能模擬器，得出該新型太陽(yáng)能模擬器輸入功率最高可達(dá)30kW。

以往研究多是針對(duì)太陽(yáng)能模擬器光源、聚光鏡形狀以及高強(qiáng)度匯聚光斑，對(duì)太陽(yáng)能模擬器聚光鏡具體結(jié)構(gòu)參數(shù)研究較少。本文基于小型非共軸橢球面太陽(yáng)能模擬器，采用數(shù)值方法建立其聚光系統(tǒng)模型，研究太陽(yáng)能模擬器中，聚光鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能模擬器焦平面熱流密度峰值和輻照不均勻度的影響。

1 非共軸聚光鏡匯聚原理

非共軸橢球面聚光鏡則是在橢球面的基礎(chǔ)上，把第二焦平面的能量分散，即能量梯度變小，從而提升焦平面光斑輻照均勻性。其原理是將橢球的部分弧線(xiàn)L以第一焦點(diǎn)F1為支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度 θ得到弧線(xiàn)L′，弧線(xiàn)L′圍繞X軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，便可獲得非共軸的橢球面[11]。非共軸橢球面聚光鏡剖面圖如圖1所示。其中：F1，F(xiàn)2分別為第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)；F2′為F2偏轉(zhuǎn)一定角度后的位置；θ為旋轉(zhuǎn)角；d后，d前分別為非共軸橢球面聚光鏡的后端開(kāi)口直徑和前端開(kāi)口直徑。

圖1 非共軸橢球面幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometrical structure of a noncoaxial ellipsoid

在第一焦點(diǎn)F1處放置一個(gè)光源，經(jīng)非共軸橢球面聚光鏡反射把光線(xiàn)聚焦在第二焦平面處形成一個(gè)亮環(huán)，其亮環(huán)半徑為

式中：Emax，Emin分別為輻照面上輻照最大值、最小值。

2 太陽(yáng)模擬器焦平面熱流密度測(cè)量

2.1 太陽(yáng)模擬器介紹

本文所用非共軸橢球面太陽(yáng)能人工模擬器如圖2所示。太陽(yáng)能模擬器主要由氙燈、聚光鏡、冷卻系統(tǒng)（水冷和風(fēng)冷）以及控制系統(tǒng)組成。氙燈為太陽(yáng)模擬器提供光源，其型號(hào)為5kW的YUYU XHA5000。實(shí)驗(yàn)所用聚光鏡為非共軸橢球面聚光鏡，聚光鏡對(duì)氙燈發(fā)射的光線(xiàn)起到匯聚作用，其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。由于氙燈的光電轉(zhuǎn)化作用會(huì)使氙燈和聚光鏡溫度升高，可能導(dǎo)致炸裂發(fā)生危險(xiǎn)，因此采用冷卻系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行降溫冷卻，保證安全運(yùn)行。控制系統(tǒng)控制冷卻系統(tǒng)的啟停以及氙燈電功率的調(diào)節(jié)。

圖2 太陽(yáng)能模擬器Fig.2 Solar simulator

表1 非共軸聚光鏡尺寸Table1 Dimensions of non-coaxial converters

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

本文采用直接熱流密度測(cè)量法對(duì)太陽(yáng)能模擬器焦平面熱流密度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Experimental measurement system

采用熱流密度計(jì)對(duì)匯聚光斑熱流密度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)采儀進(jìn)行顯示。導(dǎo)軌和升降臺(tái)的作用分別是在測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)熱流密度計(jì)的水平和豎直方向的位置。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了光斑直徑為60 mm的能流密度分布，測(cè)量點(diǎn)的分布如圖4所示。以光斑圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸進(jìn)行坐標(biāo)系建立。測(cè)試時(shí)內(nèi)兩環(huán)間距為5mm，其它環(huán)間距為4mm，這樣可以更清楚地觀(guān)查趨勢(shì)走向。

圖4 測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 The position of the measuring point

圖5為在太陽(yáng)能模擬器電功率為1470W下，測(cè)試直徑為60mm時(shí)匯聚光斑水平和豎直方向上的熱流密度曲線(xiàn)。由圖5可以看出，匯聚光斑的最大熱流密度為519.2kW/m2，熱流密度由光斑中心沿X軸、Y軸方向逐漸減小，整體呈高斯分布。由于太陽(yáng)能模擬器為非共軸橢球面聚光鏡，匯聚光斑能流密度呈類(lèi)高斯分布曲線(xiàn)，且可能存在安裝誤差等因素，所以存在一定誤差，導(dǎo)致對(duì)稱(chēng)并不完美。

圖5 光斑熱流密度曲線(xiàn)Fig.5 Heat flux curve of light spot

3 模型驗(yàn)證

通過(guò)Tracepro軟件對(duì)圖1所示太陽(yáng)模擬器進(jìn)行模型建立。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)際尺寸，通過(guò)CAD建立出非共軸橢球面聚光鏡模型，并將非共軸聚光鏡框架導(dǎo)入Tracepro進(jìn)行光源建模。考慮到光源陽(yáng)極±45°和陰極±30°內(nèi)幾乎無(wú)光線(xiàn)產(chǎn)生，于是把光源假設(shè)為直徑和長(zhǎng)度均為2mm且兩端不發(fā)光的圓柱體模型[13]。由于光源兩極一定角度內(nèi)無(wú)光線(xiàn)發(fā)出，所以只需把光源模型側(cè)面設(shè)置為光源。根據(jù)廠(chǎng)家提供的聚光鏡反射面材料信息，將聚光鏡反射面總反射率設(shè)置為0.9。將遮光板設(shè)置在聚光鏡第二焦平面處，其表面屬性設(shè)置完全吸收光線(xiàn)。圖6為T(mén)racepro軟件建立的太陽(yáng)能模擬器框架模型。

圖6 太陽(yáng)模擬器建模圖Fig.6 A model of a solar simulator

圖7為太陽(yáng)能模擬器模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比。由圖7可知，模擬結(jié)果熱流密度由中心向外逐漸降低呈類(lèi)高斯分布曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量熱流密度分布由中心向外逐漸降低呈高斯分布曲線(xiàn)，兩者趨勢(shì)一致，吻合較好，但仍存在誤差。造成模擬與實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因：由于在模擬中光源形狀和尺寸難以確定，因此需要對(duì)其形狀及尺寸進(jìn)行假設(shè)，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差[14]。模擬與實(shí)驗(yàn)所得熱流密度趨勢(shì)與文獻(xiàn)[15]一致，誤差范圍合理，因此所得結(jié)果可以用于后續(xù)研究。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between experimental measurement and simulation results

4 結(jié)果與討論

根據(jù)非共軸聚光鏡反射原理，采用數(shù)值研究討論非共軸聚光鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)（旋轉(zhuǎn)角、后端開(kāi)口直徑、前端開(kāi)口直徑）和光源安裝誤差（光源離焦和偏轉(zhuǎn)角）對(duì)匯聚效果的影響。

4.1 非共軸聚光鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)匯聚光斑影響

4.1.1旋轉(zhuǎn)角θ對(duì)匯聚光斑影響

圖8為聚光鏡旋轉(zhuǎn)角對(duì)光斑的影響。在聚光鏡前端開(kāi)口直徑為355mm、后端開(kāi)口直徑為90 mm以及安裝無(wú)誤差的條件下，隨著聚光鏡旋轉(zhuǎn)角增大，匯聚光斑的熱流密度峰值從1979kW/m2到658.5kW/m2呈下降趨勢(shì)，輻照不均勻度從68.5%降低到11.3%。聚光鏡旋轉(zhuǎn)角增大時(shí)，由式（1）可知，經(jīng)非共軸聚光鏡反射匯聚的光環(huán)半徑變大，匯聚光斑內(nèi)熱流密度趨于平緩，峰值降低，輻照不均勻度降低。本文結(jié)果與Xiao[15]通過(guò)模擬對(duì)聚光鏡旋轉(zhuǎn)角研究結(jié)果趨勢(shì)一致，隨著聚光鏡旋轉(zhuǎn)角 θ的增加熱流密度峰值和輻照不均勻度降低。圖9是 聚 光 鏡 不 同θ（1，1.25，1.75，2°）下 匯 聚光斑熱流密度曲線(xiàn)，為了對(duì)比匯聚光斑熱流密度分布曲線(xiàn)，選取匯聚光斑直徑為70mm，可以看出，隨著 θ的增加熱流密度峰值下降，曲線(xiàn)趨于平緩，匯聚光斑直徑變大。θ的大小應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需光斑的尺寸和輻照均勻性進(jìn)行合理選擇。

圖8 旋轉(zhuǎn)角對(duì)光斑的影響Fig.8 The effect of rotation angle on light spot

圖9 不同旋轉(zhuǎn)角下熱流密度曲線(xiàn)Fig.9 Heat flux curves at different rotation angle

4.1.2后端開(kāi)口直徑對(duì)匯聚光斑影響

圖10為聚光鏡后端開(kāi)口直徑對(duì)匯聚光斑影響。在聚光鏡旋轉(zhuǎn)角為1.25°、前端開(kāi)口直徑為355mm不變以及無(wú)安裝誤差的情況下，隨著聚光鏡后端開(kāi)口直徑的增加，匯聚光斑熱流密度峰值從1718.1kW/m2到1520.5kW/m2呈下降趨勢(shì)，輻照不均勻度從54.9%上升到58.3%。增大聚光鏡后端開(kāi)口直徑導(dǎo)致聚光鏡反射面積減少，匯聚在光斑上的光線(xiàn)條數(shù)減少，所以峰值降低。由式（2）得熱流密度最大值降低快而最小值降低慢，所以輻照不均勻性上升。

圖10 后端開(kāi)口直徑對(duì)光斑的影響Fig.10 Influence of diameter of back end opening on spot

圖11為聚光鏡不同后端開(kāi)口直徑（60，80，90，110mm）時(shí)的匯聚光斑熱流密度曲線(xiàn)對(duì)比圖，從圖中可以更直觀(guān)的看出熱流密度峰值降低。從圖9與圖11中曲線(xiàn)對(duì)比可以看出，聚光鏡旋轉(zhuǎn)角對(duì)光斑性能的影響比后端開(kāi)口直徑對(duì)其影響大。由于聚光鏡后端開(kāi)口直徑受安裝和空氣冷卻風(fēng)量的限制，所以應(yīng)在滿(mǎn)足條件的情況下后端開(kāi)口直徑盡可能小。

圖11 不同后端開(kāi)口直徑下熱流密度曲線(xiàn)Fig.11 Heat flux curves under different back-end opening diameters

4.1.3前端開(kāi)口直徑對(duì)匯聚光斑影響

圖12為聚光鏡前端開(kāi)口直徑對(duì)匯聚光斑影響。在聚光鏡旋轉(zhuǎn)角為1.25°、后端開(kāi)口直徑為90 mm不變以及無(wú)安裝誤差的情況下，隨著聚光鏡前端開(kāi)口直徑增大，熱流密度峰值從1585.7 kW/m2到1623kW/m2增加趨勢(shì)越來(lái)越緩慢，輻照不均勻度從61.7%降低到50.8%，均勻性得到改善。聚光鏡前端開(kāi)口直徑增大時(shí)，聚光鏡反射面積增大，匯聚在光斑上的光線(xiàn)數(shù)增加，所以熱流密度峰值增加。此原理與Shah[16]提到的直徑盡可能的大，以最大限度匯聚光線(xiàn)原理一致。由式（2）得，在一定匯聚光斑范圍內(nèi)，熱流密度最大值小幅度增加，而最小值大幅度增加，所以輻照不均勻度下降。圖13為聚光鏡不同前端開(kāi)口直徑（160，170，190，200mm）時(shí)匯聚光斑熱流密度曲線(xiàn)對(duì)比圖。由圖可知，隨著聚光鏡前端開(kāi)口直徑增大，熱流密度峰值受影響很小。增加前端直徑不僅能夠增大熱流密度峰值，還可以改善光斑均勻性，但受實(shí)際加工限制，所以聚光鏡前端開(kāi)口直徑應(yīng)在加工條件允許的范圍內(nèi)盡可能大。

圖12 前端開(kāi)口直徑對(duì)光斑的影響Fig.12 Influence of front opening diameter on spot

圖13 不同前端開(kāi)口直徑下熱流密度曲線(xiàn)Fig.13 Heat flux curves under different front opening diameters

4.2 光源安裝誤差對(duì)匯聚光斑影響

4.2.1光源離焦對(duì)匯聚光斑影響

圖14為聚光鏡旋轉(zhuǎn)角為1.25°、前端開(kāi)口直徑為355mm、后端開(kāi)口直徑為90mm以及光源為偏轉(zhuǎn)的情況下，以第一焦點(diǎn)為原點(diǎn)，接收板方向?yàn)檎较颍庠窗l(fā)生離焦，離焦量分別為-1，0，1mm時(shí)熱流密度曲線(xiàn)對(duì)比。由圖可知，光源在安裝時(shí)發(fā)生離焦，對(duì)焦平面的匯聚光斑影響較大。離焦1 mm導(dǎo)致熱流密度峰值上升、輻照不均勻性降低，離焦-1mm導(dǎo)致熱流密度峰值下降。

圖14 光源離焦對(duì)比圖Fig.14 Light source defocus comparison chart

圖15為離焦-1，0，1mm情況下第二焦平面匯聚光斑熱流密度分布。

圖15 離焦下熱流密度分布Fig.15 Heat flux distribution under defocusing

由圖15可以看出，離焦對(duì)光斑尺寸有所影響。離焦對(duì)光斑尺寸和熱流密度有負(fù)影響，所以在安裝時(shí)應(yīng)避免安裝誤差。

4.2.2光源偏轉(zhuǎn)對(duì)匯聚光斑影響

氙燈工作時(shí)有一定的形狀和不發(fā)光區(qū)域 （氙燈陽(yáng)極、陰極），所以在安裝時(shí)會(huì)對(duì)光斑造成一定的影響。圖16為聚光鏡旋轉(zhuǎn)角1.25°、前端開(kāi)口直徑355mm、后端開(kāi)口直徑90mm不變以及無(wú)離焦情況下，模擬光源安裝角度對(duì)光斑的影響。由圖可知，在匯聚光斑熱流密度峰值方面有較低影響，對(duì)光斑輻照不均勻度幾乎無(wú)影響。由于光源具有一定的形狀和不發(fā)光區(qū)域，在光源發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)側(cè)面發(fā)光區(qū)域光線(xiàn)直射到遮光板上，所以造成熱流密度峰值增加而均勻性幾乎無(wú)影響。

圖16 光源角度對(duì)光斑影響Fig.16 Influence of light source angle on light spot

5 結(jié)論

本文基于一種5kW小型非共軸聚光型太陽(yáng)能模擬器，介紹了非共軸橢球面聚光鏡設(shè)計(jì)原理。通過(guò)建立太陽(yáng)模擬器模型并與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)太陽(yáng)模擬器進(jìn)行研究。通過(guò)理論研究得出以下結(jié)論。

①在控制聚光鏡前端開(kāi)口直徑為355mm、后端開(kāi)口直徑為90mm不變以及無(wú)安裝誤差的情況下，隨聚光鏡旋轉(zhuǎn)角增大，匯聚光斑熱流密度峰值和輻照不均勻度呈下降趨勢(shì)，熱流密度峰值由1979kW/m2降低到658.5kW/m2，輻照不均勻度由68.5%降低到11.3%。

②在控制聚光鏡旋轉(zhuǎn)角為1.25°、前端開(kāi)口直徑為355mm不變以及無(wú)安裝誤差的情況下，隨著聚光鏡后端開(kāi)口直徑增大，匯聚光斑熱流密度峰值呈下降趨勢(shì)，而輻照不均勻度呈上升趨勢(shì)，熱流密度峰值由1718.1kW/m2降低到1520.5 kW/m2，輻照不均勻度由54.9%上升到58.3%。

③在聚光鏡旋轉(zhuǎn)角為1.25°、后端開(kāi)口直徑為90mm不變以及無(wú)安裝誤差的情況下，隨著聚光鏡前端開(kāi)口直徑增大，匯聚光斑熱流密度峰值呈上升趨勢(shì)，而輻照不均勻度呈下降趨勢(shì)，熱流密度峰值由1585.7kW/m2上升到1623kW/m2，輻照不均勻度由61.7%降低到50.8%。

④光安裝誤差會(huì)對(duì)匯聚光斑造成負(fù)面影響，所以在安裝時(shí)應(yīng)盡可能避免安裝誤差的存在。