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太阳能模拟器聚光仿真及能流分布特性调控分析

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实验技术与管理 2022年第12期39卷 86-92页

作者：白章郑博胡文鑫魏秀东巩亮中国石油大学(华东)新能源学院山东青岛266580 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

高通量太阳能模拟器作为聚光太阳能热利用研究的重要实验平台,其聚光能流分布特性受运行功率、聚光镜结构等多种因素影响。该文以18 kW聚光太阳能模拟器实验平台为基础,采用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)进行光学仿真,分析其聚光能流特性。... 详细信息

高通量太阳能模拟器作为聚光太阳能热利用研究的重要实验平台,其聚光能流分布特性受运行功率、聚光镜结构等多种因素影响。该文以18 kW聚光太阳能模拟器实验平台为基础,采用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)进行光学仿真,分析其聚光能流特性。结果表明,聚焦光斑能流密度与氙灯运行功率呈线性关系,此外,安装误差等因素产生的靶面离焦现象将降低聚光能流密度与不均匀度。进一步地,为研究太阳能模拟器聚光结构的影响特性,计算分析了非共轴椭球面结构的聚光能流分布特征,与传统椭球设计相比,在非共轴偏转角为1.0°和1.5°时,对应聚光能流不均匀度分别降低至35.56%和12.48%,显著提高了聚光能流的均匀性。研究结果将为优化太阳能模拟器结构设计、改善其能流特性提供参考,以更好地满足太阳能热利用的实验需求。

关键词：太阳能模拟器聚光能流特性光学仿真能流分布均匀性

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太阳能模拟器滤光片的研制

真空科学与技术学报 2010年第5期30卷 470-473页

作者：潘永强施洋杭凌侠西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室西安710032

太阳能模拟器作为研究航天科技卫星空间环境模拟和太阳能电池的检测与标定的必要模拟设备，越来越受到人们的关注，其中，模拟器滤光片（AM1．5）是太阳能模拟器的关键元件。本文依据标准大气光谱和标准氙灯的光谱曲线，得到了AM1．5型... 详细信息

太阳能模拟器作为研究航天科技卫星空间环境模拟和太阳能电池的检测与标定的必要模拟设备，越来越受到人们的关注，其中，模拟器滤光片（AM1．5）是太阳能模拟器的关键元件。本文依据标准大气光谱和标准氙灯的光谱曲线，得到了AM1．5型太阳能模拟器滤光片的透射率光谱曲线。在此基础上用TFC膜系软件对该滤光片的膜系进行了设计、优化，并对该膜系进行了镀制工艺研究。光谱测试结果表明，所研制的滤光片的中心波长950nrn处的透射率T=15％，半宽度350nm；400。750131n波段内，平均透射率Ta≥95％，1200-1400nm内平均透射率Ta≥92％。光谱辐照度测试结果表明，其辐照匹配度在0．89～1．09之间，达到A类滤光片要求。

关键词：太阳能模拟器 AM1.5滤光片光谱辐照度辐照匹配度

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太阳能模拟器滤光片的研制

太阳能模拟器滤光片的研制

作者：施洋西安工业大学

学位级别：硕士

太阳能模拟器是模拟太阳光辐照特性的一种工具,可以模拟不同大气质量条件下的太阳光谱特性如太阳光谱总辐照度、辐照不均匀度、辐照不稳定度等。太阳能模拟器的应用非常广泛,如在航天技术中用来模拟卫星空间环境的大型太阳能模拟器,在... 详细信息

太阳能模拟器是模拟太阳光辐照特性的一种工具,可以模拟不同大气质量条件下的太阳光谱特性如太阳光谱总辐照度、辐照不均匀度、辐照不稳定度等。太阳能模拟器的应用非常广泛,如在航天技术中用来模拟卫星空间环境的大型太阳能模拟器,在卫星姿态控制、太阳敏感器地面模拟试验与标定中用到的小型太阳能模拟器。在太阳能光伏产业中,太阳能模拟器主要用于太阳能电池的检测与标定。太阳能模拟器中,滤光片的性能好坏决定了太阳能模拟器的优劣,而且它在模拟器的成本中占有较大的比例。本课题的主要研究内容是设计并制备出用于太阳能电池测试的太阳能模拟器滤光片,其中包括Air Mass 1.5G(AM1.5G)、AM0和AM1三种型号的滤光片。首先,依据标准大气光谱AM1.5G、AM0、AM1与标准氙灯光谱曲线,获得了这三种太阳能模拟器滤光片的光谱曲线及其透射率光谱指标要求。用TFC膜系设计软件分别设计出这三种不同的滤光片,用*** M-2000UI椭偏仪对二氧化钛(TiO2)薄膜近红外波段的光学特性进行了研究,在此基础上对三种膜系进行了优化分析以及允差和敏感层分析。采用离子束辅助电子束热蒸发技术和短波控制长波以及变波长的膜厚控制技术分别制备了这三种滤光片。其光谱测试结果表明,所镀制的这三种滤光片均满足光谱透过率的要求。其中AM1.5G滤光片在中心波长950nm处的透射率T=15%,半宽度350nm;400-750nm波段内,平均透射率Ta≥95%,1200-1400nm内平均透射率Ta≥92%。AM1.5G滤光片的光谱辐照度测试结果表明,其光谱辐照匹配度在0.89-1.09之间,满足A类滤光片要求。

关键词：太阳能模拟器滤光片太阳光谱辐照度辐照匹配度

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太阳能模拟器聚光特性实验研究

新能源进展 2018年第3期6卷 188-194页

作者：储顺周聂辅亮崔芝瑛宫博白凤武张燕中国科学院太阳能热利用与光伏系统重点实验室北京100190 中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 北京市太阳能热发电工程技术研究中心北京100190 长春晟博光学技术开发有限公司长春130033

太阳能模拟器为高温吸热器、热化学反应器、高温材料等测试提供了稳定可靠、调节灵活的全天候辐射条件。本文介绍了一种高辐射能流的太阳能模拟器,包含19个独立的单元。每个单元包括一盏短弧氙灯(包含椭球面反射灯罩),一台冷却风机和一... 详细信息

太阳能模拟器为高温吸热器、热化学反应器、高温材料等测试提供了稳定可靠、调节灵活的全天候辐射条件。本文介绍了一种高辐射能流的太阳能模拟器,包含19个独立的单元。每个单元包括一盏短弧氙灯(包含椭球面反射灯罩),一台冷却风机和一台电源控制器。每盏灯的输入电流范围是50~150 A,19盏灯的灵活组合使得该设备具有非常宽泛的能流使用范围(10%~100%)。实验通过"Mapping Method"得到了聚焦平面上的能流分布、峰值能流、总功率和转换效率等参数。测试结果表明:该太阳能模拟器的总功率达到了28.95 k Wth,峰值能流为2.33 MW/m2,平均辐射能流为545.54 k W/m2(直径为260 mm焦斑面),电-热转换效率为35%。本文介绍的太阳能模拟器为太阳能高温器件的测试提供了稳定可靠的室内模拟辐射源,为相关实验部件的性能评估提供了一种新的便捷途径。

关键词：太阳能模拟器氙灯实验测试吸热器太阳能热利用

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高辐照度太阳能模拟器的设计与实验研究

高辐照度太阳能模拟器的设计与实验研究

作者：李子衿华北电力大学

学位级别：硕士

高温太阳能热利用技术在国内尚处于起步阶段,时间、气象、地域条件及实验环境等条件对高温太阳能热利用的研究影响较大,为此,本文提出了满足高温太阳能热利用研究的高辐照度太阳能模拟器的设计及建造方案。高辐照度太阳能模拟器满足大... 详细信息

高温太阳能热利用技术在国内尚处于起步阶段,时间、气象、地域条件及实验环境等条件对高温太阳能热利用的研究影响较大,为此,本文提出了满足高温太阳能热利用研究的高辐照度太阳能模拟器的设计及建造方案。高辐照度太阳能模拟器满足大面积太阳光汇聚所具有的太阳光辐照特性,并能根据实际研究需求调节焦平面大小及焦平面辐照强度。高辐照度太阳能模拟器是聚光型太阳能模拟器,聚光系统是该太阳能模拟器的核心组成部分,本文详细描述了聚光系统的设计思路,建立了聚光镜及聚光系统的数学模型,并应用蒙特卡洛光线追迹法对聚光镜及聚光系统模型进行了数值模拟和尺寸优化。同时,本文还设计了配套的机械系统、电控系统和冷却系统,以实现焦平面及辐照度的调节功能,保证聚光系统的安全运行。太阳能模拟器建成后,通过实验方式测得焦平面温度可超过2000K,实现了模拟器的设计目标。该高辐照度太阳能模拟器总功率70kW,在直径为60mm的焦平面上可汇聚20.6kW的辐射能量,辐照度峰值高达15MW/m2,平均值为7.3MW/m2,是目前国内辐照度最高的聚光型太阳能模拟器。

关键词：太阳能模拟器蒙特卡洛光线追迹法高辐照度

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基于辐射传热等效的太阳能模拟器设计与研究

基于辐射传热等效的太阳能模拟器设计与研究

作者：张凯西南大学

学位级别：硕士

随着我国进一步推进能源结构优化,干燥作业的大量能源消耗已成为干燥领域迫切需要解决的问题,太阳能干燥是解决干燥行业能耗问题的有效方法。但由于太阳辐射的不稳定性,太阳能干燥设备与干燥工艺的实验研究普遍受到天气因素的影响,太阳... 详细信息

随着我国进一步推进能源结构优化,干燥作业的大量能源消耗已成为干燥领域迫切需要解决的问题,太阳能干燥是解决干燥行业能耗问题的有效方法。但由于太阳辐射的不稳定性,太阳能干燥设备与干燥工艺的实验研究普遍受到天气因素的影响,太阳能模拟器作为一种实验平台能为太阳能相关实验研究提供理想的实验环境。目前,已有的太阳能模拟器多是针对航空航天、高温材料测试、热化学反应、光伏发电等领域开发的,它们无需复现外界太阳辐射变化,因此大都无法用于太阳能干燥的研究,部分可用的大型太阳能模拟器由于成本太高,也难以在农产品干燥中推广应用。针对上述问题,本文设计了一种基于干燥辐射传热等效的太阳能模拟器,并对其性能进行了研究。本文的主要工作有:确定了太阳能模拟器的设计要求,对太阳能模拟器进行初步设计;通过仿真实验完成太阳能模拟器光源排布方式设计;采用现代控制方法对太阳能模拟器的控制系统进行设计;对太阳能模拟器性能和其适用性进行测试。本文主要研究结论如下:(1)通过分析太阳能干燥实验中的辐射传热过程和实验特点,结合太阳能模拟器行业标准,提出太阳能模拟器的设计目标:平均有效辐照度大于1050W/m、有效辐射面积大于0.5m×0.5m、辐射直射角0～30°可调、辐照度空间不均匀性小于15%,辐照度时间不稳定性小于5%、室外辐照度变化复现的平均相对误差小于5%。根据设计目标设计了模拟器可调节机架,满足辐射直射角0～30°可调,并完成灯阵单元和连接件的设计。(2)建立并验证了太阳能模拟器灯阵单元的数值模型,在此基础上构建了多灯灯阵的数值模型,通过拟水平正交试验对多灯灯阵结构进行优化设计,实验结果表明灯阵形状对模拟器辐照度空间不均匀性的影响非常显著,光源间距和灯阵高度对辐照度空间不均匀性的影响显著,确定最优灯阵结构为圆形灯阵形状、光源间距290mm、灯阵高度1200mm,该种结构下,仿真结果的有效辐射接收面辐照度空间不均匀性为9.7%,平均辐照度为1053W/m,满足设计目标。(3)设计模拟器的自动控制系统,包括下位机和上位机,下位机由Arduino开发板、DS1302计时芯片、可控硅变压模块组成,可接收上位机的控制命令,定时输出相应的PWM信号给变压器,实现辐照度的调控。基于Labview图形化编程语言设计人机交互软件上位机,实验人员可通过人机交互界面完成控制参数设置,选择标定、模拟或单值控制三种工作模式实现灵活的辐照度控制输出。(4)通过太阳能模拟器的性能测试发现,太阳能模拟器在0.5m×0.5m的有效辐射接收面内平均辐照度达1051W/m,辐照度空间不均匀性为10.63%,辐照度时间不稳定性为1.9%,复现6天室外辐照度变化的平均相对误差小于5%,测试结果说明模拟器满足设计目标。对太阳能干燥设备的主要集热部件—空气集热器进行适用性实验测试,分别进行三组的室外集热器集热实验并在室内模拟器环境下复现,由实验结果可得三组室内外实验的空气集热器出口温度平均相对误差分别0.521%、0.597%、0.669%,说明该模拟器对通过空气集热器进行太阳能干燥的实验有较好的适用性。对直接接受太阳直射的干燥物料进行适用性实验测试,分别对白萝卜、苦瓜、朝天椒进行三组适用性干燥实验测试,根据实验结果得出白萝卜三组干燥实验的水分比平均相对误差分别为4.2%、7.8%、9.8%。苦瓜三组实验的平均相对误差分别为1.5%、3.1%、4.8%,朝天椒三组实验的平均相对误差分别为33%、7.8%、11.7%。结果表明,本太阳能模拟器以直射方式干燥物料时,对于苦瓜的适用性最好、白萝卜其次、朝天椒一般,由此得出该模拟器仅适用于部分物料的干燥实验。

关键词：农作物干燥太阳能模拟器辐照度控制灯阵模拟优化人机交互界面

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太阳能模拟器滤光片研制与测试

太阳能模拟器滤光片研制与测试

TFC’09全国薄膜技术学术研讨会

作者：施洋潘永强杭凌侠西安工业大学光电工程学院

太阳模拟技术的应用非常广泛,应用太阳模拟技术研制的大型太阳模拟器是航天技术卫星空间环境模拟的最主要部分。在太阳能光伏科学与工程中,太阳模拟器主要用于用于太阳电池的检测与标定。随着我国对太阳能产业的长期规划与投资,这项阳... 详细信息

太阳模拟技术的应用非常广泛,应用太阳模拟技术研制的大型太阳模拟器是航天技术卫星空间环境模拟的最主要部分。在太阳能光伏科学与工程中,太阳模拟器主要用于用于太阳电池的检测与标定。随着我国对太阳能产业的长期规划与投资,这项阳光工程将会有非常蓬勃的发展。由于太阳能模拟器中滤光片在成本中占有较大比例,但是国外成本太高,所以有必要研制

关键词：太阳能模拟器大气质量能谱分析

来源： cnki会议评论

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基于热辐射等效的太阳能模拟器设计与研究

基于热辐射等效的太阳能模拟器设计与研究

作者：胡众欢西南大学

学位级别：硕士

太阳能干燥具有节能、环保、可再生等特点,在学术界广泛关注。但太阳能极大程度依赖天气因素,且不连续性、不稳定性,使太阳能干燥技术的发展较为缓慢。将太阳能模拟器应用于太阳能干燥技术研究,可有效解决研究过程受天气因素干扰的问题... 详细信息

太阳能干燥具有节能、环保、可再生等特点,在学术界广泛关注。但太阳能极大程度依赖天气因素,且不连续性、不稳定性,使太阳能干燥技术的发展较为缓慢。将太阳能模拟器应用于太阳能干燥技术研究,可有效解决研究过程受天气因素干扰的问题,推进太阳能干燥技术的发展。然而,现有的太阳能模拟器大都是针对航空航天领域、高能反应领域、光学元器件测试领域等应用场景开发的,应用成本相对偏高,难以在农产品太阳能干燥技术研究中推广应用。基于上述情况,本文针对干燥操作的特点,设计了一种基于热辐射等效的太阳能模拟器,并对太阳能模拟器的性能进行了测试;以苦瓜为实验材料对本文所设计的太阳能模拟器的适用性进行了测试;构建了太阳能模拟器干燥系统的数学模型,对实验系统进行了数值模拟,并分析了干燥过程中的能量和质量传递现象。本文主要研究结果如下:(1)根据太阳能干燥过程的特点,确定了太阳能模拟器的设计标准,采用COMSOL Multiphysics对太阳能模拟器的光源排布方式进行了分析与优化,并设计加工了太阳能模拟器实物,对其性能进行了测试。测试结果表明:太阳能模拟器可提供最大辐照度为1216.1W/m,高于地球表面最大理论辐照度1000W/m;太阳能模拟器辐照度不均匀度低于10%,符合国际电工委员会所规定的C级要求;太阳能模拟器辐照度不稳定度低于10%,符合国际电工委员会所规定的C级要求;太阳能模拟器有效辐照面积大于一般干燥实验材料堆放面积0.2m。本文所设计的太阳能模拟器满足设计要求。(2)以苦瓜为原材料,选取三种切片厚度(3mm、5mm、7mm)设计了9组实验,每组实验分为室外实验与室内实验,室内实验采用太阳能模拟器模拟对应室外条件的太阳辐照度变化情况,并从干燥特性曲线、有效水分扩散系数、干燥活化能三个方面对实验进行了分析。实验结果表明:室内实验与室外实验的干燥速率伴有很小幅度的交替性变化,但干燥速率的整体变化趋势一致,水分比变化情况几乎完全一致,剔除接近绝干的数据点后,其各个点的测量值的相对误差均在10%以内;第8组实验的有效水分扩散系数的相对误差最大,其值为10.71%,其余8组实验的有效水分扩散系数的相对误差均在10%以内;苦瓜切片厚度3mm、5mm、7mm的干燥活化能相对误差分别为11.9%、10.5%、11.3%,室内实验与室外实验的干燥活化均在合理范围内。本文所设计太阳能模拟器可用于干燥过程的研究。(3)分析了实验系统在干燥过程中的能量传递特性与质量传递特性,根据菲克定律、达西定律、能量守恒等定律与高斯定理,在多孔介质模型的基础上建立了实验系统质量与能量传递的数学模型,并以第6组实验对模型进行了验证,分析了太阳能干燥过程中主要物理量的变化情况,结果表明:数值模拟结果得到的水分比曲线与实验得到的水分比曲线变化趋势基本一致,其最大偏差为0.159;干燥室内水蒸气浓度总体上先增大后减小,干燥室中心区域水蒸气浓度比干燥室边缘区域水蒸气浓度高;材料在干燥过程中有干区、湿区、蒸发区之分,且干区与湿区被蒸发区隔开,蒸发区逐渐由材料外部向材料内部迁移;干燥初期,材料平均温度上升迅速,表明材料在干燥过程中存在着预热阶段;在干燥过程开始的前几秒,干燥室的底部热空气有明显的上浮趋势,在空气进口处不断有冷空气流入,随着热空气在干燥室顶部不断堆积,干燥室内的气压逐渐增大,一段时间后整个干燥室内的流场趋于稳定,但随辐照度的变化仍有轻微波动。

关键词：太阳能模拟器太阳能干燥实验测试数学模型

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基于5kW非共轴聚光型模拟器性能数值研究

可再生能源 2023年第1期41卷 39-45页

作者：黄兴高方林 Bachirou Guene Lougou 姚鑫华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

文章采用Tracepro软件对一个5 kW小型非共轴聚光型太阳能模拟器建立数学模型,通过实验验证了模型的准确性,并计算得到了太阳能模拟器中聚光镜的结构参数(旋转角度θ、后端开口直径、前端开口直径)和氙灯光源的安装误差(光源离焦、偏转角... 详细信息

文章采用Tracepro软件对一个5 kW小型非共轴聚光型太阳能模拟器建立数学模型,通过实验验证了模型的准确性,并计算得到了太阳能模拟器中聚光镜的结构参数(旋转角度θ、后端开口直径、前端开口直径)和氙灯光源的安装误差(光源离焦、偏转角)对太阳能模拟器焦平面热流密度峰值和辐照不均匀度的影响规律。研究结果表明:太阳能模拟器焦平面热流密度峰值与辐照不均匀度随聚光镜旋转角度呈现逐渐下降的趋势;热流密度峰值与辐照不均匀度随聚光镜后端开口直径增加分别呈下降和上升趋势;热流密度峰值与辐照不均匀度随前端开口直径增加分别呈上升和下降趋势;光源离焦对焦平面热流密度峰值有负影响;光源偏转角度对热流密度峰值和辐照不均匀度几乎无影响。文章研究结果对太阳能模拟器聚光镜结构及汇聚光斑性能优化提供了理论指导。

关键词：太阳能模拟器 Tracepro 热流密度辐照不均匀度