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(福建工程學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院， 福建 福州 350118)

太陽爐通過高倍聚集傳輸太陽光束獲得高溫，是一種重要的能源供給和熱工性能試驗(yàn)平臺，在材料制備[1]、材料高溫性能測量[2]，太陽能熱化學(xué)反應(yīng)[3-4]、以及聚光光伏發(fā)電[5]等技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。根據(jù)工作方式，太陽爐有直射式和反射式兩類。直射式太陽爐本質(zhì)上是拋物面聚集器。反射式太陽爐由拋物面聚集器和平面

反射板組成，入射太陽光經(jīng)平面反射板反射，沿平行于拋物面對稱軸方向傳輸，最后被拋物面高倍匯聚[6]。

一般來說，太陽爐裝置一旦建成，拋物面聚集器結(jié)構(gòu)參數(shù)固化，系統(tǒng)的功率和熱平衡溫度等技術(shù)指標(biāo)基本不能調(diào)節(jié)，限制了太陽爐的使用范圍[7-10]。為滿足不同的太陽能熱工技術(shù)要求，由拋物面、百葉窗和反射板組成的輸入功率可調(diào)節(jié)太陽爐得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

Hernandez等[1]利用太陽爐試驗(yàn)平臺，試驗(yàn)測量了金屬氧化物的高溫熔融特性。Oliveira等[2]采用太陽爐試驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)研究了碳化鎢硬質(zhì)合金的高溫?zé)岱€(wěn)定性。Gordon等[3]在太陽爐上，研究分析了聚光光伏發(fā)電特性及納米材料加工合成特性。Lee等[11]采用CCD相機(jī)實(shí)驗(yàn)測量與計(jì)算模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，測量分析了太陽爐焦平面的能流密度分布特性，但是缺少相關(guān)計(jì)算模型分析。

為降低技術(shù)成本和增加實(shí)驗(yàn)操作的靈活性，本文在分析太陽光路聚集傳輸?shù)幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本多功能太陽爐實(shí)驗(yàn)平臺。采用紅外溫度成像實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可靠性。通過建立光路傳輸模型，計(jì)算分析了百葉窗葉片張角和非跟蹤調(diào)節(jié)等因素對太陽光斑能流密度分布影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)平臺研制分析

多功能太陽爐主要由拋物面聚集器、焦平面、百葉窗和反射平板4部分組成。兩端的聚集器和反射板安裝在帶萬向輪、可自由移動的正方形底盤上。兩個底盤通過橫梁連接在一起，百葉窗和焦平面支架固定在橫梁上，如圖1所示。

太陽光傳輸路徑為外界入射太陽投到反射平板上、被水平反射，穿過百葉窗、進(jìn)入聚集器、通過反射聚集匯聚在焦平面上。為改善聚光效果，聚集器、焦平面、百葉窗和反射平板的中心位置在同一水平線上，距離橫梁的距離為H1。

位于吸熱器和反射板之間的百葉窗，通過調(diào)節(jié)百葉窗葉片張角 ，控制聚集器的輸入太陽功率及其轉(zhuǎn)換溫度，滿足不同的太陽能熱工性能技術(shù)要求。百葉窗葉片見圖1放大部分，隨著葉片張角q不斷增加，百葉窗逐漸關(guān)閉。當(dāng)θ=0°時，百葉窗全開，聚集器的輸入太陽功率最大，轉(zhuǎn)換溫度最高；當(dāng)θ=90°時，百葉窗閉合，聚集器的輸入太陽功率為0。

圖1 多功能太陽爐的結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Scheme of the multifunctional solar furnace

聚集器技術(shù)參數(shù)包括焦距f和口徑rc，是決定太陽能爐系統(tǒng)匯聚功率和轉(zhuǎn)換溫度的核心部件。橫梁長度一般包括聚集器焦距、百葉窗對反射平板沒有陰影的最小距離、反射平板在z軸方向投影的一半等3部分。根據(jù)幾何關(guān)系，通過推導(dǎo)，得橫梁長度L的估算式為

(1)

式中，αs是太陽高度角(入射太陽光與水平面夾角)。

一般來說，αs取值大，L值就小，太陽爐操作比較方便，但是試驗(yàn)時間比較受限制；相反，αs取值小，L值就大，試驗(yàn)時間段長，但是太陽爐操作不夠方便。根據(jù)中國的地理位置，以福州市為例(北緯26°、東經(jīng)120°)，αs設(shè)計(jì)值取50°左右比較合適。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，通過各部件的設(shè)備定制和系統(tǒng)組裝調(diào)試，獲得了多功能太陽爐實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)，戶外實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 多功能太陽爐實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photo of the multifunctional solar furnace

結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)，綜合考慮匯聚功率、溫度和操作維護(hù)的方便性，反射平板、法蘭片、百葉窗、聚集器、底盤和橫梁等系統(tǒng)部件的加工材料、結(jié)構(gòu)尺寸、技術(shù)特征和功能明細(xì)如表1所示。

表1 多功能太陽爐部件尺寸與材料明細(xì)Tab.1 Sizes and materials of the multifunctional solar furnace’s parts

2 光路聚集傳輸模型

建立直角坐標(biāo)系o-xyz，拋物面中心點(diǎn)位于坐標(biāo)系原點(diǎn)o，對稱軸與z軸重合，開口指向z軸正方向。則聚集器的描述方程為

(2)

式中，f是拋物面的焦距，m。

焦平面在聚集器焦平面上，表面方程為

z=f

(3)

焦平面表面約束條件為

(4)

式中，rf是焦斑半徑。

由于百葉窗葉片對入射到拋物面聚集器的太陽光有調(diào)控作用，因此，確定拋物面聚集器太陽光發(fā)射坐標(biāo)模型十分關(guān)鍵。根據(jù)百葉窗口葉片的結(jié)構(gòu)特性，將太陽光束抽樣表面設(shè)置在百葉窗右側(cè)，得到太陽光發(fā)射點(diǎn)抽樣模型表達(dá)式為

(5)

式中，R1、R2和R3分別為0-1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。int是取整函數(shù)。lb是百葉窗到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。nb是百葉窗的葉片數(shù)，有

(6)

式中，h是葉片寬度。

面型誤差是聚集器鏡面反射太陽光束實(shí)際方向與理想方向的偏差，是聚集器曲面誤差和非理想鏡反射光學(xué)誤差的一個綜合指標(biāo)，包括鏡面加工、安裝、表面清潔和鏡反射性能等因素。在射線蹤跡蒙特卡洛法中(MCRTM)，通過高斯分布概率模型計(jì)算天頂角和圓周角來表征聚集器面型誤差[12]，有

(7)

式中，Rθ和Rφ分別是0-1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。σse是面型誤差參數(shù)，mrad。對大多數(shù)聚集器，σse一般在1.0～6.0 mrad之間[12]。

采用MCRTM模擬分析太陽爐光路聚集特性，具體實(shí)施過程見文獻(xiàn)[13]，計(jì)算流程概述為：

(a)建立多功能太陽爐各個部件表面方程的數(shù)學(xué)描述及其約束條件；

(b)根據(jù)太陽光錐模型、確定太陽光束的發(fā)射方向和發(fā)射點(diǎn)；

(c)考慮面型誤差，對太陽光束進(jìn)行追蹤統(tǒng)計(jì)，最后得MCRTM統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 光路聚集傳輸可行性驗(yàn)證

通過戶外實(shí)驗(yàn)測量，驗(yàn)證太陽爐光路設(shè)計(jì)的可行性。實(shí)驗(yàn)時間下午1點(diǎn)左右，實(shí)驗(yàn)期間太陽最大直射輻射600～700 W/m2(有云，輻射強(qiáng)度不穩(wěn)定)，風(fēng)速3～5 m/s。通過設(shè)備組裝和光路調(diào)試，利用紅外熱像儀(T650sc型號)，在拋光的不銹鋼板焦平面上捕獲了太陽光斑紅外溫度圖像，如圖3所示(百葉窗葉片角度θ最大時)。

從圖3可以看出，焦平面上光斑直徑約8.0 cm，光斑中心區(qū)域能流密度大，熱轉(zhuǎn)換溫度高，邊緣區(qū)域能流密度小，溫度低，符合拋物面聚集器高斯曲線能流密度分布特征。

由于不銹鋼板的反射率比較大(約0.8)，且風(fēng)速由比較高，焦平面峰值溫度不高，熱像儀指示峰值溫度約57.4 ℃，通過換算[9]，中心真實(shí)溫度約140 ℃。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了多功能太陽爐太陽聚集傳輸光路設(shè)計(jì)的可行性，為多功能太陽爐的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖3 太陽爐焦斑紅外溫度圖像Fig.3 Infrared imaging of the solar furnace’s focal spot

3.2 聚集光斑的偏移特性分析

間歇手動調(diào)整太陽爐，間歇期間由于太陽運(yùn)動，入射太陽光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聚集光斑位置會發(fā)生相應(yīng)的偏移，偏移量與間歇調(diào)整時間相關(guān)，太陽光偏轉(zhuǎn)角度與間歇時間的相對關(guān)系見文獻(xiàn)[6]。為便于分析，采用數(shù)值模擬結(jié)果分析間歇時間對太陽爐光斑偏移和變形的影響，如圖4所示(模擬條件：面型誤差取2.5 mrad，抽樣光束數(shù)為108)。

其中4(a)是精確跟蹤時光斑位置，4(b)是間歇時間為1 min(太陽光偏轉(zhuǎn)角1.5 mrad)光斑位置，4(c)是間歇時間為3 min(太陽光偏轉(zhuǎn)角4.5 mrad)光斑位置，4(d)是間歇時間為5 min(太陽光偏轉(zhuǎn)角7.5 mrad)光斑位置。圖4中參數(shù)Cq為能流聚光比，是聚集能流密度與入射太陽能流密度的比值。

圖4 間歇調(diào)整時間對光斑的偏移影響

從圖4可以看出，隨著間歇調(diào)整時間延長，太陽光偏轉(zhuǎn)角增加，聚集光斑的位置偏移量越來越大，光斑輪廊變形越明顯。當(dāng)間歇調(diào)整時間由1 min增加到5 min時，光斑中心位置偏移量(離焦平面中心位置)由1 cm增加到5 cm，間歇時間(min)近似等于光斑中心位置偏移值(cm)。因此實(shí)驗(yàn)時需要跟蹤實(shí)驗(yàn)工況要求確定間歇時間，一般間歇時間在2～3 min左右比較合適，操作可行性好，同時光斑偏移量也比較適中。

3.3 聚集能流的調(diào)節(jié)特性分析

通過調(diào)節(jié)百葉窗葉片張角θ，能夠控制聚集器的輸入太陽功率，實(shí)現(xiàn)太陽能聚集功率的可調(diào)節(jié)特性，θ越小聚集器的輸入太陽功率越大(見圖1)，θ對焦平面能流聚光比分布的影響如圖5所示。

圖5 百葉窗張角θ對焦平面能流聚光比的影響Fig.5 Influence of shutter blade angle θ on the concentration ratio of the energy flow of the focal plane

從圖5可看出，隨著θ增加，光斑半徑不變，但是能流聚光比顯著下降。當(dāng)θ由30°增加到60°時，峰值能流聚光比由3 880減小到1 022。進(jìn)一步的分析表明，能流聚光比與輸入太陽功率成比例，即Cq(r,θ)=Cq(r,0)×(1.0-sinθ)，其中(1.0-sinθ)即為通光率(百葉窗通光面積與總面積之比)。通過圖5曲線對比可發(fā)現(xiàn)，由于θ成比例改變能流密度分布大小，對能流密度分布輪廊幾乎沒有影響，這為太陽爐的熱工實(shí)驗(yàn)提供了良好的能流穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

基于幾何光學(xué)原理，設(shè)計(jì)研制了一套功率可調(diào)節(jié)太陽爐，采用紅外溫度成像和光路傳輸模擬方法對太陽爐的光路聚集傳輸性能進(jìn)行了研究分析。通過研究，得到以下主要結(jié)論：

1)太陽爐光熱轉(zhuǎn)換性能主要由聚集器決定，該太陽爐光斑直徑約8.0 cm，在拋光不銹鋼朗伯靶上光斑最高溫度約140 ℃。

2)本太陽爐光斑偏移距離(cm)與間歇調(diào)整時間(min)數(shù)值近似相等。一般來說2～3 min調(diào)整一次比較合適。

3)光斑能流密度值與百葉窗葉片張角正弦成比例，但是光斑能流密度分布輪廊基本穩(wěn)定，不受百葉窗葉片張角影響。

總的來說，該太陽爐具有較好的功率調(diào)節(jié)和能流密度分布輪廊穩(wěn)定的特性，可有效滿足不同的太陽能熱工實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求，具有重要的應(yīng)用潛力。

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