太阳能模拟器聚光特性实验研究*

储顺周，聂辅亮，崔芝瑛，宫　博，白凤武†，张　燕

（1. 中国科学院太阳能热利用与光伏系统重点实验室，北京 100190；2. 中国科学院电工研究所，北京 100190；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 北京市太阳能热发电工程技术研究中心，北京 100190；5. 长春晟博光学技术开发有限公司，长春 130033）

0　前　言

在聚光太阳能热发电（concentrated solar power,CSP）应用中，高温布雷顿循环系统能实现非常高的发电效率[1]。作为该系统中的关键部件，太阳能吸热器的作用是吸收来自聚光设备聚集的辐射来加热内部的传热介质，并最终驱动热机发电[2]。太阳能吸热器的应用场景决定了其必须能够承受高温和高密度辐射能流，并且有一些实验在太阳炉上进行了实际气象条件下的测试[3-5]。但由于日照等条件的波动，给吸热器的稳态测试带来了很大的挑战。

高能流太阳能模拟器可以为太阳能吸热器的测试与评估提供完全可控和稳定的测试条件。太阳能模拟器常用的三种灯源是氙气灯、金属卤素灯和氩气灯[6]。在实际应用中，由于灯的弧长对模拟器的聚光效率影响较大，灯弧越短，反射灯罩的聚集效率越高，在焦斑面上形成的光斑越小，获得的峰值能流越高[7-8]。因此，短弧氙灯越来越多地应用到高能流太阳能模拟器上。表1列举了世界范围内用短弧氙灯作为灯源的太阳能模拟器，并列出了氙灯数量，电力消耗，峰值能流以及特定平面的热功率等参数。尽管这些太阳能模拟器具有很好的聚光特性，但仍需要技术改进与部件更新。例如，一些太阳能模拟器只能以开灯个数来调节焦斑面的能流，而不能实现连续调节[9]。另一些由于功率较小，不能应用于对功率输入范围要求宽泛的场合[10]。还有一些太阳能模拟器由于调节措施比较复杂，使用中非常耗时[11]。因此，设计并制造一种调节灵活、功率范围宽、稳定可靠的太阳能模拟器对于吸热器的测试至关重要。

表1　世界范围内的短弧氙灯太阳能模拟器Table 1　Short-arc xenon-lamp solar simulator built in the world

本文介绍了自长春晟博光学技术开发有限公司引进的一种高辐射能流太阳能模拟器，研究并分析了在中国科学院电工研究所延庆实验基地测试得到的实验结果。该太阳能模拟器由19盏氙灯组成，每个氙灯最大耗电量6 kW，并配备椭球面灯罩，将氙灯辐射的能流发射并聚焦到焦斑面。氙灯后侧装有冷却风机，将氙灯产生的热量及时散失。整套太阳能模拟器系统结构紧凑，占地40.5 m3，具有可连续调节和可连续使用的特点，为太阳能吸热器、热化学反应器和高温材料的测试提供了良好可控的辐射条件。

1　太阳能模拟器系统

1.1　太阳能模拟器部件组成

氙灯发出的辐射能量是通过椭球聚光灯罩反射并聚焦到焦斑面上来加热待测试部件的。如图1所示，氙灯光源位于椭球焦点F1，因此光线可以通过椭球灯罩反射到焦点F2。由于实际的灯源并不是理想的点光源，而是灯丝或者灯弧，因此实际反射的光线并不是严格汇聚到焦点F2，而是在过焦点F2的竖直焦斑面一定区域内形成近似圆形的光斑。

图1　光线聚集原理Fig. 1　Mechanism of ray concentration

如图 2（左）所示，氙灯的阴极和阳极被包裹在石英玻璃灯泡内，在使用过程中，电极两端施加特定的电压，并用触发器使灯泡内氙气击穿导电，氙气原子被电离后，形成弧光放电，之后击穿电压变小，几十伏特就能维持持续的弧光放电状态。

如图2（右）所示，太阳能模拟器由供电电柜、冷却风扇、短弧氙灯（含椭球形反射灯罩）、氙灯触发器、支撑架、操作平台等组成。每组氙灯单独由一个独立的电源供电，单个电源的电流调节范围为50～150 A，每个氙灯独立控制，互不干扰，因此可实现 10%～100%满功率输出负荷的连续调节。19组氙灯紧密呈六边形布置，形成的焦距为1 800 mm。

图2　单台氙灯（左）；太阳能模拟器系统（右）Fig. 2　Frontal view of single xenon short-arc lamp (left); solar simulator system (right)

1.2　聚光特性测试系统

太阳能模拟器的评价主要从能流均值（限定区域）、热功率（限定区域）、能流分布、能流峰值以及电-热转换效率等几个方面来评估[10]。因此，对太阳能模拟器辐射能量的准确测量十分重要。本文采用“Mapping method”来测量接收面的能流分布，即利用CCD相机测得的图像灰度值与能流计实际测得的能流值之间的线性关系间接得到接收面的能流分布。如图3（左）所示，该测试系统的主要设备有CCD相机，冷却设备，数据采集设备，Lambertian靶等。其中Lambertian靶由固定靶和移动靶组成。在固定靶中心位置，镶嵌安装有一个已标定的能流计，用于直接测量太阳能模拟器投射过来的能流。固定靶和能流计接有冷却水导管，防止温度过高导致设备损坏。图3（右）为测试中的太阳能模拟器。

实际测量过程如下：首先开启一台氙灯，5 min后待氙灯输出稳定时，能流计首先记录采集到的电压（由转换系数换算成能流值），然后电机驱动滑轨丝杠将移动靶移动到固定靶前面，CCD相机采集此时移动靶上的图像，之后移动靶返回原来位置。能流计采集到的能流值和 CCD相机采集到的灰度值通过MATLAB程序进行处理，得到整个Lambertian靶面上的能流分布。为了保护能流计和固定靶的温度在较低范围内，每次测量时只开启一盏氙灯，然后用MATLAB软件程序进行叠加处理得到多组氙灯同时开启时的能流分布情况。

图3　用于测量接收面能流分布的主要设备（左）；测试中的太阳能模拟器（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)

灰度值与能流值的转换关系为：

焦斑面能流计算公式：

焦斑面平均能流公式为：

2　实验结果及数据分析

为测试太阳能模拟器的聚光特性，开展了不同位置处的能流测试。实验时将Lambertian靶分别放置在焦点处、焦点前25 mm处、焦点前50 mm处、焦点后25 mm处、焦点后50 mm处等5处位置，控制每盏氙灯的输入电流为 100 A（最大输入电流为150 A），分别测试得到的光斑能流分布如图4～图8所示（“焦点前”指的是接近氙灯的方向，“焦点后”指的是远离氙灯的方向）。

图4　-50 mm 位置处平面内能流分布：（a）1灯开启；（b）1～7灯开启；（c）1～19灯开启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

图5　-25 mm 位置处平面内能流分布：（a）1灯开启；（b）1～7灯开启；（c）1～19灯开启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

图6　0 mm 位置处平面内能流分布：（a）1灯开启；（b）1～7灯开启；（c）1～19灯开启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

图7　25 mm 位置处平面内能流分布：（a）1灯开启；（b）1～7灯开启；（c）1～19灯开启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

图8　50 mm 位置处平面内能流分布：（a）1灯开启；（b）1～7灯开启；（c）1～19灯开启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

从测试得到的光斑能流分布结果来看：在同一位置处，开启中间1盏氙灯时形成的光斑能流分布无对称性，直接受氙灯灯罩形状影响；开启中间1～7氙灯时形成的光斑呈对称的圆形；全部开启1～19全部氙灯时，光斑高能流区域变大，能流分布呈轻微变形的圆形。对比在焦点位置前后位置平面形成的光斑能流分布结果可以发现，在开启相同编号的氙灯时，不同位置接收面形成光斑形状相似；在焦点处平面内形成的光斑尺寸最小。

图9是不同位置处平面内的峰值能流曲线图。可以看出，当开启1氙灯时，峰值能流在焦点位置处最低，这主要是由于开启的氙灯数量少，容易受到氙灯前电极遮挡的影响，以及氙灯灯罩形状误差所带来的影响。当开启1～7氙灯和1～19氙灯时，焦点处的峰值能流最大，且离焦点越远，能流峰值越低，说明该太阳能模拟器具有良好的聚焦特性。

图10为最大输入功率时太阳能模拟器在焦斑面形成的光斑能流分布图。焦斑平面内的总热功率为28.95 kW，峰值能流为2.33 MW/m2，在直径为 260 mm的光斑直径内平均辐射热流达到了545.54 kW/m2。

图9　不同位置处能流峰值Fig. 9　The maximum value of the flux at different location

图10　最大输入功率时光斑能流分布图Fig. 10　Flux distribution of the receiving plate with maximum input power

电-热转换效率公式如下：

图11为氙灯在最大输入功率时的电-热转换效率图。结果表明，该太阳能模拟器的平均电-热转换效率为31.4%，与文献[7]所述的29%的电-热转换功率相比，具有良好的经济性。

图11　氙灯电-热转换功率Fig. 11　The electricity-thermal transfer efficiency of xenon lamps

3　结　论

本文介绍了一种高功率、高能流密度的太阳能模拟器，该模拟器具有稳定可靠、可连续调节的特点。通过对其聚焦特性的测试，可以得到以下结论：

（1）该太阳能模拟器单个组件相互独立，单个氙灯输出能量调节范围大，整个系统能实现满功率10%～100%内的连续调节；

（2）该模拟器具有良好的聚焦特性，其在焦点前后位置处形成的光斑形状轮廓一致，且在焦点处形成的光斑最小，能量最高；

（3）该太阳能模拟器的总热功率28.95 kW，峰值能流2.33 MW/m2，平均辐射能流545.54 kW/m2，为相关材料、设备的测试提供了优良的测试条件；

（4）该太阳能模拟器的电-热转换效率为31.4%，具有良好的经济性。

符号表：

η电-热转换效率

Q_rad 辐射功率，kW

Q_ele电功率，kW

q平均辐射能流，kW/m2

A焦斑面面积，m2

I氙灯输入电流，A

V氙灯输入电压，V

Ix辐射能流值，kW/m2

Ib辐射能流常数，kW/m2

k转换系数，kW/m2

Gx灰度值

Q，焦斑面能流，kW