杨根本，王俊涛，吴钊萱，宋记锋

(1.华北电力大学 新能源学院，北京 102206；2.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；3.华北电力大学 能源电力创新研究院，北京 102206)

0 引 言

随着生产水平的逐步提高，人类对能源的需求也在日益增加。传统能源的不可再生性和地域分布的不均匀性一方面加剧了世界各国间的能源争夺[1]，另一方面也使人们着眼于寻找传统能源的替代品。新时代绿色可持续发展深入人心，低碳经济在提高资源使用率，体现社会经济可持续发展理念等方面都有着重要的意义[2]。

长期以来，我国能源消费结构中煤炭一家独大，碳排放量居高不下，使我国面临着愈加严重的环境和国际舆论压力[3]。和煤炭、石油等传统化石能源相比，风能、太阳能等新能源不仅有“取之不尽，用之不竭”的储量优势，而且清洁无污染，碳排放量较低，是未来解决能源问题的关键。

太阳模拟器是一种可以模拟和优化太阳能利用的设备。其中用于太阳能热发电的高通量太阳模拟器可产生超过4 000个太阳常数的辐照度[4]，且避免了真实太阳光空间和时间上不稳定性所带来的负面影响，因此被广泛应用于太阳能光热电站的研究中[5]。

高通量太阳模拟器通常由短弧氙灯光源、椭球面聚光镜、二次集中器等部分构成。由于其相对固定的结构，使得输出光斑的大小和强度调整成为了难题。相关研究表明，光纤可以承受超过10 000个太阳常数的辐照度[6]，因此使用耐高辐照度的柔性光纤可以较为有效的解决这个问题。

为了实现太阳模拟器输出光斑形状和强度的可调节性，选用了可弯曲的柔性光纤束来传输高强度的太阳光，通过改变氙灯的功率和光纤束的空间布置即可较为简便地获取不同形状和强度的光斑。这种应用光纤束的高通量太阳模拟器在光热电站和太阳能热化学等领域有着良好的应用前景[7]。

1 太阳模拟器结构

应用光纤束的太阳模拟器主要由三个部分构成：氙灯阵列、光纤束和二次聚光器，整个模拟器的结构如图1所示。

图1 太阳聚光模拟器

1.1 氙灯阵列

此高通量太阳模拟器具有由5×6个氙灯单元所构成的氙灯阵列，单个氙灯单元的原理结构如图2所示，图2中各参数的物理意义由表1所示。

表1 氙灯单元的参数

图2 氙灯单元

如图2所示，每个氙灯单元主要由氙灯灯泡，椭球反光镜，冷却风扇和供电电路组成。选用可见光光谱和太阳光相似且适合产生高辐照度的短弧氙灯作为光源[8，9]，短弧氙灯发出的光从第一焦点F1处经椭球反光镜反射后会聚在第二焦点F2处，被位于F2处的光纤束接收。

图3所示为太阳光谱与短弧氙灯光谱在可见光波段和部分红外波段的对比，可以看出氙灯光谱在可见光波段(380～780 nm)连续且相对强度变化较小，在近红外波段相对强度变化较大且出现了许多陡峭的尖峰，同时，太阳光谱和氙灯光谱在图示波段范围内相对强度和能量分布上也存在差异。但由于吸热器涂层对光谱分布不敏感的特性[10]，红外波段的尖峰并不会造成明显的影响，因此氙灯光源仍适用于此太阳模拟器。

图3 太阳光谱和短弧氙灯光谱对比

1.2 光纤束

光纤束用于传输经椭球反射镜会聚的高强度光。本次使用的多组分玻璃光纤由高折射率的玻璃纤芯和低折射率的玻璃包层组成，光纤间通过有机胶粘合在一起，采用填充率最大的六角密集结构排列，以减少传输损失，光纤束结构如图4所示。

图4 光纤束剖面结构(400×放大)

当光线从折射率较高的纤芯进入折射率较低的包层时，若入射角小于某一接受角θ，则入射光将以全内反射的方式在光纤内实现长距离的高效率传输[11]，如图5所示。

图5 光线在光纤内的传输

其中光纤的最大接受角θmax由芯料的折射率nin和皮料的折射率nout决定[12]：

θmax=arcsinNA

(1)

(2)

式中：NA为光纤的数值孔径，本次选用光纤的数值孔径为0.56，计算可得θmax=34°，又椭球反射镜的最大边缘角Ф=30°，小于θmax，因此此实验中光纤束接受的光以全内反射的方式高效传输。光纤束的各参数如表2所示。

表2 光纤束相关参数

由于通过光纤束的光以全内反射的方式传输，无折射损失，因此衰减率理论上仅取决于光纤芯料的本征吸收，一定长度的光纤的透射率是波长的函数[13]。此次选取的光纤的透射率曲线如图6所示。

图6可以看出，此光纤在380～1 200 nm波段范围内对光的透射率变化较小，从而确保了氙灯光源输出光谱的完整性。

图6 不同形状二次聚光器能流密度仿真结果

实际情况下，除了光纤芯料的本征吸收，光泄露、光纤断裂和填充率损失等因素也会导致光纤传输衰减率的增加，此次研究中光纤束的实际平均传输效率为45%左右。

1.3 二次聚光器

二次聚光器可通过反射和折射再次聚光并提高聚焦光斑强度的均匀性，可根据实验要求设置形状。本次研究通过使用3种不同形状(平板、球面和圆柱体)的二次聚光器来获取不同形状和密度的光斑，并分别使用蒙特卡洛方法[14]对三种不同的光线进行追踪仿真从而获得各二次聚光器下能流密度的对比，如图7所示。

图7 1.5 m多组分玻璃光纤对不同波长光的透射率曲线

由图7可看出，在平板型和球面型二次聚光器下的能流密度都展示出了较好的高斯对称分布特点，且球面型二次聚光器的最高能流密度可达700 kW/m2。圆柱形二次聚光器的最高能流密度在180 kW/m2左右。

2 实验分析

2.1 实验过程及相关理论

实验设备由热流计、数据采集系统、CCD相机、朗伯靶、中性滤光片和运动控制装置构成，主要部分如图8(a)所示。

其中热流计型号为HT-50，其热流量程可达±3.14 MW/m2，最高工作温度为980 ℃，标称分辨率为63 W/m2·μV，用于测量高温传导的热流密度。实物如图8(b)所示。

图8 实验设备及结构

为获得更高的空间分辨率，采用通量映射方法间接测量能流分布。光斑图像由CCD相机获得。使用朗伯靶上的热流计直接测量出通过二次聚光器的入射通量，对应点的入射通量通过改变热流计的安装位置实现，由于入射通量与其能流图像的灰度值之间的线性关系[15]，测得朗伯靶面上某一点的灰度值及入射通量来获得斜率值后便可通过热流计间接得出朗伯靶面上的能流分布。由于 CCD相机与朗伯靶之间夹角并非直角，因此获得的光斑图像会失真，靶面上的能流分布从而也发生畸变，需要使用投影变换的方法修正。对于原图像上某一点p(x,y)，投影校正后的坐标P(u,v)由下列式子决定：

(3)

(4)

其中aij(i=1,2,3;j=1,2,3)由选取的4个原图像的边角点确定，T=(aij)3×3为变换矩阵。

平板型和球面型二次聚光镜下的能流分布均可由上述方法求出，对于圆柱型二次聚光器，投影变换时需要加入高度坐标z，变换矩阵维数也增加到4，其他步骤与平面投影变换类似。

2.2 结果与分析

当光纤束分别以平面、球面和圆柱体型布置时，太阳模拟器修正后的能流密度如图9所示。平面布置下模拟器的峰值通量可达180 kW/m2，出现在中心约15×15 mm的区域内，如图9(d)所示。球面布置下光斑的区域变小，但峰值通量大幅增加，可达500 kW/m2，出现在中心约10 mm半径的圆形区域处，如图9(e)所示。圆柱型布置下峰值通量为160 kW/m2，如图9(f)所示。

图9 不同空间布置下太阳模拟器的能流密度

对比图7可以看出，与仿真结果相比，实验结果的峰值通量小幅下降，高斯对称性较差，原因包括：(1)氙灯并非完美点光源，发光位置和椭球镜焦点不能完全重合，导致聚焦光不能与光纤束理想耦合。(2)部分光纤发生断裂和弯折以及不同光纤束填充率的差异造成光纤束之间传光能力产生区别。(3)CCD相机芯片的暗电流和表面微尘颗粒的阴影遮挡导致能流图像出现误差。

研究太阳模拟器聚光性能时，上述缺陷并不会造成很大影响。通过调节氙灯功率和光纤束的空间布置可以获得各种特定的能流密度分布，也就是说，柔性光纤束的使用大大提高了太阳模拟器的灵活性，为太阳能热电站等领域的研究提供了便利。但获得高灵活性的代价是整个系统能量传输的低效率，光在光纤中的传输效率仅为45%左右。

3 结 论

为了解决传统太阳模拟器难以灵活传输光能的问题设计了一种新型的太阳模拟器，该太阳模拟器主要由氙灯阵列、光纤束和二次聚光镜构成，并通过通量映射方法实验测量了不同空间布置下模拟器的能流分布。

实验表明，通过改变氙灯的功率和光纤束的空间布置可获得3 D空间内特定的能流密度分布，当氙灯功率为1 kW时，球面布置下太阳模拟器的峰值通量最高，可达500 kW/m2，为光热电站等相关领域的研究提供了另一种可能的方案。