太陽模擬器在太陽能光熱領域的測試研究

2013-09-13 04:46:42李開春苗偉張旭劉廣虎

太陽能 2013年18期

■ 李開春苗偉張旭劉廣虎

一引言

太陽模擬器是模擬太陽光輻照特性的一種測試設備，其主要作用是提供具有一定輻照度和輻照均勻性的光源，可在高精度擬合太陽光譜分布的前提下實現(xiàn)不同地域、不同季節(jié)的太陽光照特性，以滿足實驗研究對太陽輻照的特殊需求。該技術(shù)應用領域非常廣泛，早期主要用于空間飛行器的空間環(huán)境模擬實驗，近年來在空間技術(shù)的其他方面、太陽能利用、遙感技術(shù)中常常把太陽模擬器作為太陽光的模擬光源。衡量太陽模擬器的主要技術(shù)指標有輻照強度、輻照均勻性、光譜能量分布等。

二實驗

1 太陽模擬器的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為太陽模擬器的結(jié)構(gòu)圖，主要由燈場、人造天空及控制系統(tǒng)組成。其工作原理主要是由金屬鹵素燈發(fā)出光，經(jīng)橢球面聚光鏡的反射形成近平行光束，光束經(jīng)玻璃過濾除去雜光得到與自然太陽光非常接近的光譜分布，光再經(jīng)過人造天空照在集熱器或熱水器上，進行試驗，人造天空的作用是降低燈在運行過程中產(chǎn)生的熱對測量的影響。

從圖2中可以看出，太陽模擬器發(fā)出的光譜與自然光(AM1.5)光譜很接近，特別是在可見光范圍內(nèi)基本上完全重合。圖3為太陽模擬器實物圖。

圖3 太陽模擬器實物圖

2 實驗過程

將真空管型集熱器和平板型集熱器分別放在太陽模擬器測試臺架上按照標準進行測試，測試完后，將集熱器放到室外跟蹤臺上做相同的實驗，對比室內(nèi)外測得的性能。將相同集熱器放在太陽模擬器與室外跟蹤臺上進行多次測量，驗證測試的穩(wěn)定性。

室外跟蹤臺：穩(wěn)態(tài)測試；

室內(nèi)太陽模擬器：穩(wěn)態(tài)測試；

室內(nèi)外均基于工質(zhì)平均溫度。

采光平面的輻照均勻度偏差在±5.1%之內(nèi)。

三結(jié)果與討論

1 效率計算公式

其中，a%為直射占總輻射的比例；b%為散射總輻射的比例。

2 入射角修正系數(shù)曲線

由圖4可知，對于真空管集熱器，修正系數(shù)隨著入射角增大是先增大后減小，在入射角小于65?前，修正系數(shù)大于1。對于平板型集熱器，修正系數(shù)隨著入射角增大而減小，修正系數(shù)都小于1。太陽模擬器發(fā)出的光中約25%的光是不平行、帶角度的，當自然光中散射占總輻射的25%左右時，兩光源角度接近。

3 室內(nèi)外測試對比結(jié)果

圖5 真空管型集熱器室內(nèi)外測試對比

圖6 平板型集熱器室內(nèi)外測試對比

從圖5、圖6結(jié)果可知，真空管集熱器和平板型集熱器在太陽模擬器的測試結(jié)果與室外跟蹤臺上的測試結(jié)果相近，在誤差允許范圍內(nèi)。這主要是當自然太陽光的散射占總輻射的25%左右時，測試的修正系數(shù)相同，測試結(jié)果相近，如果自然太陽光的散射占總輻射的比例大于或小于25%，較大時，由于修正系數(shù)的影響，測試結(jié)果有較大偏差。

如表1所示，在太陽模擬器中5次的測試結(jié)果相同，而室外跟蹤上測試的結(jié)果由于輻照及環(huán)境的影響使得5次測試結(jié)果偏差較大。