太阳模拟器在太阳能光热领域的测试研究

■ 李开春 苗伟 张旭 刘广虎

一 引言

太阳模拟器是模拟太阳光辐照特性的一种测试设备，其主要作用是提供具有一定辐照度和辐照均匀性的光源，可在高精度拟合太阳光谱分布的前提下实现不同地域、不同季节的太阳光照特性，以满足实验研究对太阳辐照的特殊需求。该技术应用领域非常广泛，早期主要用于空间飞行器的空间环境模拟实验，近年来在空间技术的其他方面、太阳能利用、遥感技术中常常把太阳模拟器作为太阳光的模拟光源。衡量太阳模拟器的主要技术指标有辐照强度、辐照均匀性、光谱能量分布等。

二 实验

1 太阳模拟器的结构及工作原理

图1为太阳模拟器的结构图，主要由灯场、人造天空及控制系统组成。其工作原理主要是由金属卤素灯发出光，经椭球面聚光镜的反射形成近平行光束，光束经玻璃过滤除去杂光得到与自然太阳光非常接近的光谱分布，光再经过人造天空照在集热器或热水器上，进行试验，人造天空的作用是降低灯在运行过程中产生的热对测量的影响。

从图2中可以看出，太阳模拟器发出的光谱与自然光(AM1.5)光谱很接近，特别是在可见光范围内基本上完全重合。图3为太阳模拟器实物图。

图3 太阳模拟器实物图

2 实验过程

将真空管型集热器和平板型集热器分别放在太阳模拟器测试台架上按照标准进行测试，测试完后，将集热器放到室外跟踪台上做相同的实验，对比室内外测得的性能。将相同集热器放在太阳模拟器与室外跟踪台上进行多次测量，验证测试的稳定性。

室外跟踪台：稳态测试；

室内太阳模拟器：稳态测试；

室内外均基于工质平均温度。

采光平面的辐照均匀度偏差在±5.1%之内。

三 结果与讨论

1 效率计算公式

其中，a%为直射占总辐射的比例；b%为散射总辐射的比例。

2 入射角修正系数曲线

由图4可知，对于真空管集热器，修正系数随着入射角增大是先增大后减小，在入射角小于65¡前，修正系数大于1。对于平板型集热器，修正系数随着入射角增大而减小，修正系数都小于1。太阳模拟器发出的光中约25%的光是不平行、带角度的，当自然光中散射占总辐射的25%左右时，两光源角度接近。

3 室内外测试对比结果

图5 真空管型集热器室内外测试对比

图6 平板型集热器室内外测试对比

从图5、图6结果可知，真空管集热器和平板型集热器在太阳模拟器的测试结果与室外跟踪台上的测试结果相近，在误差允许范围内。这主要是当自然太阳光的散射占总辐射的25%左右时，测试的修正系数相同，测试结果相近，如果自然太阳光的散射占总辐射的比例大于或小于25%，较大时，由于修正系数的影响，测试结果有较大偏差。

如表1所示，在太阳模拟器中5次的测试结果相同，而室外跟踪上测试的结果由于辐照及环境的影响使得5次测试结果偏差较大。

表1 模拟器与跟踪台同一集热器多次测量结果

四 结论

通过以上实验可知，太阳模拟器测试的结果是可靠的，而且太阳模拟器测试条件稳定，非常有利于产品的开发，可以缩短产品开发的周期，准确地反映产品结构细微调整对产品性能的影响。