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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(yáng)爐通過(guò)高倍聚集傳輸太陽(yáng)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(tái)，在材料制備[1]、材料高溫性能測(cè)量[2]，太陽(yáng)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(yáng)爐有直射式和反射式兩類。直射式太陽(yáng)爐本質(zhì)上是拋物面聚集器。反射式太陽(yáng)爐由拋物面聚集器和平面

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

一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)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(yáng)爐的使用范圍[7-10]。為滿足不同的太陽(yáng)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(yáng)爐得到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

Hernandez等[1]利用太陽(yáng)爐試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)測(cè)量了金屬氧化物的高溫熔融特性。Oliveira等[2]采用太陽(yáng)爐試驗(yàn)平臺(tái)，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(yáng)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(cè)量與計(jì)算模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，測(cè)量分析了太陽(yáng)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(yáng)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(jiǎn)單、低成本多功能太陽(yáng)爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(guò)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(duì)太陽(yáng)光斑能流密度分布影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制分析

多功能太陽(yáng)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(wàn)向輪、可自由移動(dòng)的正方形底盤上。兩個(gè)底盤通過(guò)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(yáng)光傳輸路徑為外界入射太陽(yáng)投到反射平板上、被水平反射，穿過(guò)百葉窗、進(jìn)入聚集器、通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)百葉窗葉片張角 ，控制聚集器的輸入太陽(yáng)功率及其轉(zhuǎn)換溫度，滿足不同的太陽(yáng)能熱工性能技術(shù)要求。百葉窗葉片見(jiàn)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(shí)，百葉窗全開，聚集器的輸入太陽(yáng)功率最大，轉(zhuǎn)換溫度最高；當(dāng)θ=90°時(shí)，百葉窗閉合，聚集器的輸入太陽(yáng)功率為0。

圖1 多功能太陽(yáng)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(yáng)能爐系統(tǒng)匯聚功率和轉(zhuǎn)換溫度的核心部件。橫梁長(zhǎng)度一般包括聚集器焦距、百葉窗對(duì)反射平板沒(méi)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(guò)推導(dǎo)，得橫梁長(zhǎng)度L的估算式為

(1)

式中，αs是太陽(yáng)高度角(入射太陽(yáng)光與水平面夾角)。

一般來(lái)說(shuō)，αs取值大，L值就小，太陽(yáng)爐操作比較方便，但是試驗(yàn)時(shí)間比較受限制；相反，αs取值小，L值就大，試驗(yàn)時(shí)間段長(zhǎng)，但是太陽(yáng)爐操作不夠方便。根據(jù)中國(guó)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(guò)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(yáng)爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，戶外實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 多功能太陽(yáng)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(yáng)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(duì)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(duì)入射到拋物面聚集器的太陽(yáng)光有調(diào)控作用，因此，確定拋物面聚集器太陽(yáng)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(yáng)光束抽樣表面設(shè)置在百葉窗右側(cè)，得到太陽(yáng)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(yáng)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(gè)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(guò)高斯分布概率模型計(jì)算天頂角和圓周角來(lái)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(duì)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(yáng)爐光路聚集特性，具體實(shí)施過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[13]，計(jì)算流程概述為：

(a)建立多功能太陽(yáng)爐各個(gè)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(yáng)光錐模型、確定太陽(yáng)光束的發(fā)射方向和發(fā)射點(diǎn)；

(c)考慮面型誤差，對(duì)太陽(yáng)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(guò)戶外實(shí)驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證太陽(yáng)爐光路設(shè)計(jì)的可行性。實(shí)驗(yàn)時(shí)間下午1點(diǎn)左右，實(shí)驗(yàn)期間太陽(yáng)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(guò)設(shè)備組裝和光路調(diào)試，利用紅外熱像儀(T650sc型號(hào))，在拋光的不銹鋼板焦平面上捕獲了太陽(yáng)光斑紅外溫度圖像，如圖3所示(百葉窗葉片角度θ最大時(shí))。

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(guò)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(yáng)爐太陽(yáng)聚集傳輸光路設(shè)計(jì)的可行性，為多功能太陽(yáng)爐的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖3 太陽(yáng)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(dòng)調(diào)整太陽(yáng)爐，間歇期間由于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，入射太陽(yáng)光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聚集光斑位置會(huì)發(fā)生相應(yīng)的偏移，偏移量與間歇調(diào)整時(shí)間相關(guān)，太陽(yáng)光偏轉(zhuǎn)角度與間歇時(shí)間的相對(duì)關(guān)系見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。為便于分析，采用數(shù)值模擬結(jié)果分析間歇時(shí)間對(duì)太陽(yáng)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(shí)光斑位置，4(b)是間歇時(shí)間為1 min(太陽(yáng)光偏轉(zhuǎn)角1.5 mrad)光斑位置，4(c)是間歇時(shí)間為3 min(太陽(yáng)光偏轉(zhuǎn)角4.5 mrad)光斑位置，4(d)是間歇時(shí)間為5 min(太陽(yáng)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(yáng)能流密度的比值。

圖4 間歇調(diào)整時(shí)間對(duì)光斑的偏移影響

從圖4可以看出，隨著間歇調(diào)整時(shí)間延長(zhǎng)，太陽(yáng)光偏轉(zhuǎn)角增加，聚集光斑的位置偏移量越來(lái)越大，光斑輪廊變形越明顯。當(dāng)間歇調(diào)整時(shí)間由1 min增加到5 min時(shí)，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(shí)間(min)近似等于光斑中心位置偏移值(cm)。因此實(shí)驗(yàn)時(shí)需要跟蹤實(shí)驗(yàn)工況要求確定間歇時(shí)間，一般間歇時(shí)間在2～3 min左右比較合適，操作可行性好，同時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)百葉窗葉片張角θ，能夠控制聚集器的輸入太陽(yáng)功率，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能聚集功率的可調(diào)節(jié)特性，θ越小聚集器的輸入太陽(yáng)功率越大(見(jiàn)圖1)，θ對(duì)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(duì)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(shí)，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(yáng)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(guò)圖5曲線對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，由于θ成比例改變能流密度分布大小，對(duì)能流密度分布輪廊幾乎沒(méi)有影響，這為太陽(yáng)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(yáng)爐，采用紅外溫度成像和光路傳輸模擬方法對(duì)太陽(yáng)爐的光路聚集傳輸性能進(jìn)行了研究分析。通過(guò)研究，得到以下主要結(jié)論：

1)太陽(yáng)爐光熱轉(zhuǎn)換性能主要由聚集器決定，該太陽(yáng)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(yáng)爐光斑偏移距離(cm)與間歇調(diào)整時(shí)間(min)數(shù)值近似相等。一般來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，該太陽(yáng)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(yáng)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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