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聚焦型太阳模拟器的设计与性能分析(在职论文)
来源:  发表时间:2018/7/11 17:42:01  点击:224 次

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第 1 章 绪 论


1.1 研究背景及意义
1.1.1 课题背景
随着社会的快速发展,能源和环境问题日渐凸显,发展可再生能源迫在眉睫。太阳能在使用上具有普遍性、无害性、长期性和低成本性等优点,因此其成为可再生能源领域投资和研发的热点[1~3]。太阳能主要应用于发电领域,太阳能根据发电方式的不同分为太阳能光伏发电和太阳能光热发电[4]。光伏发电是利用太阳能电池吸收自然光而激发其自身电子跃迁而产生电压[5]。光热发电是将低密度的自然光通过聚光镜汇聚到吸收器上直接转化为热能,再将热能通过传统的热能循环形式转化为电能,和现在普遍使用的热发电过程非常相似[6]。光伏发电具有发电过程无污染、安装简单、重量轻、清洁容易、易推广等优点,但其产生电压的核心材料单晶硅和多晶硅在制造过程中对环境损害极大,是高能耗和高污染的过程[7]。光热发电是清洁生产过程,基本采用物理手段进行光电能量转换,对环境危害极小,并且还具有可通过补燃与常规火电站改善电力输出特性、并网容易、利用储热技术可连续供电等明显优势,因此被认为是太阳能利用当中最具发展潜力的技术[8]。日前,21 世纪可再生能源政策网络发布的《2017 年全球可再生能源现状报告》指出,估计2017年有望新建光热发电的装机量为900 MW。国际可再生能源署在2016年发布的名为《电力转型:2025 年前太阳能和风能成本下降潜力》报告中指出,目前的光热发电技术还未成熟,其成本仍有很大的下降空间。中国在 2016 年新增光热项目装机约为 10 MW,使其成为继南非之后新增装机容量最大的发展中国家。中国还制定了在 2018 年底完成装机共 1.35 GW 的光热项目计划。尽管光热发电被普遍看好,并大力发展,但受限于储热系统的研发,关键设备的成本,光热电站设备更新换代,接收器的光热转化效率等因素影响,其发电的代价仍高于风电、水电和光伏发电[12]。因此,有必要对光热发电各种关键技术开展实验研究,促进光热发电技术成熟,提高光热转化效率,降低发电成本。
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1.2 太阳模拟器国内外研究现状
2007年瑞士保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute)制造了一台由10支15 kW氙灯组成的太阳模拟器[16,17],该模拟器有一个冷却系统通过电极前的水回路冷却每个灯单元。作者使用CCD相机拍摄了水冷朗伯靶上太阳模拟器光斑的灰度图像,通过建立灰度值与光辐射值的标定关系,进而得知其焦平面上所形成光斑的辐射功率,即辐照度。结果显示:光斑直径60 mm区域内总辐照度超过20 kW,光斑直径240 mm区域内总辐照度超过50 kW。2009年Proyecson公司建造了水平放置的单灯太阳模拟器[18],该太阳模拟器由一个7 kW氙灯和椭球聚光镜组成,且电源箱具有电流强度可调功能,电流可在113-153A范围内连续输出,其主要用于测试不同体积式接收器热效率及动态特性,如图1-5所示。作者利用直径15 mm的光伏电池对焦平面上光斑辐照度进行测试,结果显示:输入电流为153A时,辐照度峰值为3583 kW....m-2,输入电流为113A时,辐照度峰值为2076 kW....m-2,焦平上平均辐照度为889~2220个太阳常数(1太阳常数= 1350kW....m-2)。2010 年麻省理工学院研制了由 7 个金属卤化物灯和二次六角锥形集中器组成的太阳能模拟器[19],其主要应用在聚光热或聚光伏发电系统热性能测试领域,如图 1-6所示。作者将直径 29 mm 的铝盘置于焦平面不同位置,当铝盘达到热平衡时,通过计算铝盘的能量损失来计算该点辐照度值,结果显示:二次集中器出口的中心辐照度峰值为 60 个太阳常数,平均辐照度为 45 个太阳常数,辐照度分布呈现高斯分布。
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第 2 章 光机系统设计

现有聚焦型太阳模拟器不能根据实验需求进行光斑聚焦形式变化和面积大小的调整,本文通过对比现有光源和聚光镜特点,完成了光学组件的设计与选型,依据单灯多自由度的设计理念,设计了太阳模拟器机械运动支撑结构,实现了太阳模拟器光斑聚焦形式变化和面积大小连续可调的设计要求,并搭建了两套灯单元。

2.1 光源的选择
光源是太阳模拟器重要的光学组件,光源的正确选取是搭建太阳模拟器实验平台的前提[31,32]。太阳模拟器光源的选择不仅要着重考虑光谱匹配程度还要从发光形式、发光效率、光源结构等方面进行综合考虑。模拟自然光的人工光源主要有碳弧灯、卤素灯、氙灯。碳弧灯的发光原理是将两根接触的碳棒在空气中通电而产生放电弧光,是初期模拟自然光的常用光源[33]。碳弧灯发光效率为 7~14 lm....w--1,具有色温高、光谱连续性好等优点,同时具有强紫外辐射,易产生有毒气体,碳棒接头处光辐射强度非常不稳定等缺点。碳弧灯分为开放式碳弧灯和封闭式碳弧灯,碳弧灯与自然光的光谱能量分布对比如图 2-1 所示。卤素灯的发光原理是在惰性气体中加入碘化镝、汞等卤素工质,使得卤素工质与钨丝发生化学反应而产生其特有的光辐射[34,35]。卤素灯具有是高光效,良好的光谱质量平衡,可见光谱段与太阳光非常接近太,光效高,寿命长和低成本等优点,但存在可见光区域蓝紫光线少,光谱宽,色温低,光色一致性差、光谱特性随电流或电压变化等缺点。卤素灯的光谱如图 2-2 所示。
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2.2 聚光镜设计与参数优化
因短弧氙灯以朗伯形式发出的光辐射密度较低,故太阳模拟器采用聚光镜来高效率汇聚光辐射。依据聚光镜输出光辐射形式的不同,聚光镜主要分为:抛物面和椭球面聚光镜[43,44]。抛物面聚光镜的聚光特点为:位于抛物面镜焦点处光源发出的光辐射经反射后以平行光形式发射,可在焦平面上形成大面积光斑,光斑均匀性好,但辐照度较低;椭球面聚光镜特点为:位于椭球镜第一焦点处光源发出的光辐射,经聚光镜反射后高效率的汇聚到第二焦点处,可在焦平面上形成小面积,高辐照强度光斑。因本文需模拟太阳能光热发电领域中大面积自然光被反射镜高倍聚焦后形成的高辐照度光斑,故选择聚光镜为椭球聚光镜。椭球聚光镜第一焦距 F1的大小通常由所用光源的大小决定,常为光中心高的1/3-1/2[49],考虑聚光镜加工误差和短弧氙灯的加工误差,需增加短弧氙灯的轴向可调节量,故本文设计椭球镜第一焦距为 F1=33 mm。椭球镜的成像倍率直接影响着其光辐射汇聚效率和加工的难易程度,结合目前较为成熟的椭球镜加工技术,采用光学软件对不同成像倍率下的椭球镜聚光效率进行分析,进而得到椭球镜的最优设计参数。
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第 3 章 光斑自动对焦系统设计..........23
3.1 光斑位置采集子系统 ........23
3.2 光斑调节子系统 ..........32
3.2.1 运动模型简化 .............32
3.2.2 运动学分析 ..............34
3.2.3 数据传输 ...........35
3.3 自动对焦系统实验验证 .......37
3.4 本章小结 .............38
第 4 章 灯单元性能分析.............39
4.1 光源离焦对辐照度分布影响 .....39
4.2 中间灯单元性能分析 ........42
4.3 偏置灯单元性能分析 ........44
4.4 中间与偏置灯单元同时开启 .....47
4.5 本章小结 .............51
第 5 章 太阳模拟器性能标定...........53
5.1 焦平面上光斑辐照度检测 ......53
5.2 氙灯轴向离焦实验 .........54
5.3 焦平面离焦实验 ..........55
5.4 中间与偏置灯单元共同开启 .....59
5.5 太阳模拟器总体性能 ........60

第 5 章 太阳模拟器性能标定

焦平面上光斑辐照度分布是太阳模拟器性能评价的主要因素,因加工误差、装配误差、模型建立的准确性等因素影响,使得光学软件不能准确的模拟太阳模拟器所形成光斑的辐照性能,为验证光学软件对太阳模拟器性能模拟的准确性及得到太阳模拟器实际性能,需对太阳模拟器光斑辐照度进行采集与分析。因实验条件限制,目前仅搭建了两套灯单元,由上述 4.4 节知,灯单元形成光斑的辐照度具有叠加特性,故本章对现有的两套灯单元进行光斑辐照度测试,以验证第 4 章软件模拟结果的正确性,进而得到太阳模拟器实际性能。

5.1 焦平面上光斑辐照度检测
聚焦型太阳模拟器不具备匀光装置,光斑辐照度峰值常为 104~107个太阳常数,超出现有辐照度检测设备量程,故对焦平面上光斑辐照度的检测常采用 CCD 相机+朗伯靶的间接测量方法,其基本原理为:将水冷朗伯靶置于太阳模拟器焦平面位置,开启太阳模拟器,利用 CCD 相机拍摄朗伯靶上的光斑图像,通过建立光斑图像上灰度值与辐射值标定关系,得到太阳模拟器光斑辐照度。因灯单元发出的杂散光、朗伯靶加工精度、自然光在高温物体存在时偏折率过大等因素影响,使得 CCD 相机不能准确拍摄朗伯靶表面光斑图像。本文依据现有实验条件,采用了一种基于红外热像仪的光斑辐照度测量方法。基于红外热像仪的光斑辐照度测量方法基本原理为:将不透光的温度测试盘置于焦平面位置,点亮灯单元,温度测试盘吸收灯单元发出的光辐射达到热平衡后,运用红外热像仪拍摄其温度图像,得温度测试盘表面温度场分布,计算温度测试盘热损失功率,依据热力学第一定律,从而得到焦平面上光斑辐射功率,即焦平面上光斑总辐照度。本文设计温度测试盘材料为紫铜,高为 350 mm,宽为 200 mm,厚度为 2 mm 的长方体,温度测试盘红外图像如图 5-1 所示。

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结 论

本文针对现有聚焦型太阳模拟器不能根据实验需求进行光斑聚焦形式变化的缺点,设计了一种多功能太阳模拟器,可实现光斑聚焦形式变化;针对多光源太阳模拟器光斑位置数据采集不易,手工对焦困难情况,设计一种光斑自动对焦系统;采用软件模拟方法获得了光斑在光源离焦、焦平面离焦、灯单元偏转角度等因素单独或共同作用时辐照度变化数据,分析了光斑辐照度变化趋势;采用了一种基于红外热像仪的光斑辐照度间接检测方法,实验验证了软件模拟结果,完成了太阳模拟器性能标定。本文主要研究工作如下:
1) 依据实验要求和辐照度设计指标,对比分析了现有光源的光谱分布和发光特点,选择了光源类型和数量;对比分析了现有氙灯的建模形式,选择最佳氙灯建模形式;采用基于蒙特卡洛方法的光学软件对椭球镜进行设计与参数优化;针对光斑聚焦形式变化要求,设计了太阳模拟器总体机械结构,最终搭建了太阳模拟器光机系统。
2) 针对多光源太阳模拟器光斑对焦困难,设计了一种光斑自动对焦系统。依据高温物体机器视觉测量特性,选择了基于红外相机的标定方法,并设计了红外标定板;通过二值化、边缘检测、最小二乘法拟合等一系列图像处理获得了光斑中心位置数据;将太阳模拟器简化为串联机器人,并建立其运动学模型,获得了光斑在目标位置时灯单元反向运动学解析解表达式;进而完成光斑自动对焦系统设计。
3)模拟研究了聚焦光斑在光源离焦、焦平面离焦、灯单元偏转角度单独或共同作用时辐照度分布数据,并且研究了中间和偏置灯单元共同作用时对光斑辐照度分布的影响,分析了光斑辐照度变化趋势。
4) 实验验证了光源离焦、焦平面离焦、灯单元偏转角度、灯单元开启数量等因素单独或共同作用时对光斑辐照度分布影响,对比分析了实验与模拟结果的异同,给出了太阳模拟器灯单元总辐照性能指标,完成了太阳模拟器性能标定。
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参考文献(略)


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