專利名稱：一種太陽模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種太陽模擬裝置，尤其是應(yīng)用于碟式/斯特林太陽熱發(fā)電實(shí) 驗(yàn)、太陽能熱化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)等需要潔凈高熱流密度加熱源場(chǎng)合的太陽模擬裝置。
背景技術(shù)：
目前，常用的人工太陽模擬裝置主要是由光源、光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)及控制調(diào)節(jié)系統(tǒng) 組成。光源通常選用汞氙燈、汞燈及金素鹵素?zé)糇龉庠?。光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用半球形、拋 物面形反光杯與平面鏡或透鏡組成，經(jīng)過透鏡的匯聚作用或平面鏡的多次反射和折射將 光源發(fā)出的光投射至加熱區(qū)域。該類型人工太陽模擬裝置的不足之處有第一，光源發(fā) 出的光線主要集中在紫外和可見光區(qū)域，與實(shí)際的太陽光線在光譜上很不符合；第二， 光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)復(fù)雜，透鏡制作成本高，且光線在通過透鏡或平面鏡時(shí)引起能量的衰減導(dǎo) 致裝置整體電光轉(zhuǎn)換效率的降低；第三，聚焦性不好，對(duì)于熱化學(xué)反應(yīng)及太陽熱發(fā)電等 需要高熱流密度的場(chǎng)合，此類裝置達(dá)不到很高的匯聚率，不能滿足高溫加熱需求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是公開一種太陽模擬裝置，其光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、 聚光性強(qiáng)且整體效率高，用于加熱實(shí)驗(yàn)，以解決常用的太陽模擬裝置中光線光譜不吻 合、整體電光轉(zhuǎn)換效率低及能量匯聚率低的缺陷。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種太陽模擬裝置，其至少包括一個(gè)太陽模擬裝置單元，一單元包括一橢球聚 光鏡、一光源、一燈桶、一支架、一冷卻風(fēng)機(jī)、一功率調(diào)節(jié)裝置；橢球聚光鏡形狀為半 橢球體，在其內(nèi)側(cè)壁面或外側(cè)壁面電鍍有銀膜；光源沿橢球聚光鏡的軸線安裝或垂直于 軸線橫穿過橢球聚光鏡，光源安裝點(diǎn)位于橢球聚光鏡的第一焦點(diǎn)，橢球聚光鏡的反射匯 聚特性將光源發(fā)出的光線聚集至第二焦點(diǎn)處，試驗(yàn)件位于第二焦點(diǎn)附近；光源與功率調(diào)節(jié)裝置電連接，功率調(diào)節(jié)裝置外接電源；橢球聚光鏡固接于圓柱形燈桶內(nèi)，在聚光鏡出口前方燈桶側(cè)壁上開有多個(gè)安全 通風(fēng)孔，聚光鏡后方燈桶內(nèi)設(shè)有正對(duì)聚光鏡外壁面吹風(fēng)的冷卻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)對(duì)聚光鏡進(jìn)行 強(qiáng)制對(duì)流換熱；冷卻風(fēng)機(jī)與功率調(diào)節(jié)裝置電連接；圓柱形燈桶固裝在支架上，與支架動(dòng)連接，使燈桶可以上下前后調(diào)節(jié)角度，根 據(jù)被加熱試驗(yàn)件形狀和位置進(jìn)行光線出射角度調(diào)節(jié)。所述的太陽模擬裝置，其所述光源，采用高壓球形短弧氙燈。所述的太陽模擬裝置，其所述聚光鏡為硼硅酸鹽耐熱玻璃材料制作；其上的金 屬膜為銀膜，是反射光線材料。所述的太陽模擬裝置，其所述支架，為方框形支架，以EF3030鋁合金型材制 作；支架的高度為橢球聚光鏡焦距的3.5 4倍。所述的太陽模擬裝置，其所述每套光源對(duì)應(yīng)一套功率調(diào)節(jié)裝置，光源經(jīng)功率調(diào)節(jié)裝置與供電線路電連接，功率調(diào)節(jié)裝置位于電源控制柜中。所述的太陽模擬裝置，其所述橢球聚光鏡固接于圓柱形燈桶內(nèi)，是橢球聚光鏡 內(nèi)置于燈桶內(nèi)部前端，沿橢球聚光鏡前端面周向均勻布置多個(gè)U形爪，多個(gè)U形爪上裝 配連接件內(nèi)連接于燈桶內(nèi)壁，將橢球聚光鏡的軸向固定；在橢球聚光鏡的后端面用一直 徑大于聚光鏡入口直徑的鋼圈套在聚光鏡上，鋼圈通過連接件內(nèi)焊接于燈桶內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)聚 光鏡的周向固定。所述的太陽模擬裝置，其所述燈桶固裝在支架上，是在燈桶的外側(cè)對(duì)稱安裝兩 個(gè)上開有絲孔的肋，在燈架的安裝處安裝滑塊導(dǎo)軌，用一頭內(nèi)六角桿將燈桶固定在滑軌 上。所述的太陽模擬裝置，其所述為多個(gè)太陽模擬裝置單元時(shí)，單元相互間呈正多 邊形布置，試驗(yàn)件位于多邊形內(nèi)切圓中心，按照需要的熱流密度和功率大小調(diào)節(jié)燈桶角 度和裝置輸出功率。所述的太陽模擬裝置，其所述多個(gè)裝置單元相互間呈正多邊形布置，是一個(gè)單 元位于中心頂部，其它環(huán)于四周，各單元投影于多邊形內(nèi)切圓圓面上；中心頂部裝置單 元固接于其它裝置單元的頂部。本實(shí)用新型的有益效果是，高壓球形短弧氙燈提供了與實(shí)際太陽光光譜接近的 光線，光源上保證了太陽模擬裝置光譜的真實(shí)性。橢球聚光鏡反射匯聚率高，且電鍍銀膜后為全光譜均勻反射，減小了光學(xué)調(diào)節(jié) 裝置對(duì)光線能量的折損性和對(duì)光譜的改變性，焦點(diǎn)處最大熱流密度可達(dá)30 50W/cm2， 相當(dāng)于200 360個(gè)太陽常數(shù)。滿足大熱流密度且熱源潔凈的加熱條件。單個(gè)裝置電功 率在5 IOKw的范圍內(nèi)，反射匯聚后的輸出熱功率約為電功率的23 30%。通過光源的功率及裝置單元個(gè)數(shù)的調(diào)整，控制整套裝置輸出的熱流密度及總功 率大小，模擬出不同地區(qū)季節(jié)及不同匯聚面積下實(shí)際的太陽熱流密度，實(shí)現(xiàn)碟式/斯特 林太陽熱發(fā)電、太陽熱化學(xué)反應(yīng)等需要潔凈加熱源實(shí)驗(yàn)的多地域多時(shí)節(jié)性研究，減小了 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)天氣情況及實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)的依賴。

圖1本實(shí)用新型中的高壓球形短弧氙燈結(jié)構(gòu)圖；圖2本實(shí)用新型中設(shè)計(jì)的橢球聚光鏡，f1; f2為聚光鏡兩個(gè)焦點(diǎn)；圖3金屬銀和鋁的光反射率分布圖；圖4本實(shí)用新型的光源單元結(jié)構(gòu)剖視圖；圖5本實(shí)用新型的多單元組合性能效果圖；圖6為光源單元功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)電路連接圖；圖7本實(shí)用新型發(fā)明的單元整體裝配結(jié)構(gòu)圖。燈架材料為EF3030結(jié)構(gòu)型材。圖8安裝角度為38.3度，四套光源裝置組合的側(cè)視圖；圖9為本實(shí)用新型的含有多個(gè)單元一種太陽模擬裝置實(shí)施例；
具體實(shí)施方式
一種太陽模擬裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)光譜逼真度高、全光譜反射率高、光路及功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。采用高壓球形短弧氙燈作為光源，所述高壓球形短弧氙燈不但具有發(fā)光體尺寸 小，呈點(diǎn)狀，亮度高，在光學(xué)工程上可以近似處理成為點(diǎn)光源的特性，而且高壓球形短 弧氙燈的發(fā)光光譜是從紫外線、可見光再到紅外區(qū)域的連續(xù)光譜，與海平面附近的太陽 光線光譜接近；加裝半橢球體形狀的聚光鏡，橢球體聚光鏡具有雙焦點(diǎn)特性當(dāng)光源位 于其一焦點(diǎn)時(shí)，光源發(fā)出的光線被橢球體聚光鏡反射后匯聚至另一焦點(diǎn)上，通過焦點(diǎn)后 再發(fā)散。橢球體的這種光學(xué)特性與實(shí)際碟式斯特林熱發(fā)電用的拋物面形太陽聚光鏡的光 學(xué)效果相同海平面附近的太陽光線可認(rèn)為是理想的平行光線，經(jīng)拋物面聚光鏡反射后 向焦點(diǎn)匯聚。氙燈在工程上可視為點(diǎn)光源，故選用橢球體聚光鏡作為本實(shí)用新型裝置中 光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；橢球體聚光鏡外壁在真空條件下電鍍一層銀膜，高壓球形短弧氙燈的發(fā) 光光譜范圍內(nèi)，銀對(duì)整個(gè)光譜范圍內(nèi)的反射率大于0.95 (圖3)，反射率曲線均勻平坦，為 全光譜反射，反射后光線光譜能量分布不失真；氙燈功率可調(diào)，通過功率調(diào)節(jié)裝置來改 變裝置輸出的功率，實(shí)現(xiàn)不同工況下的太陽輻射，滿足不同加熱功率需求。本實(shí)用新型的一種太陽模擬裝置的方法及原理是以高壓球形短弧氙燈為光 源，設(shè)計(jì)了內(nèi)壁電鍍銀膜的半橢球體聚光鏡為光路調(diào)節(jié)裝置，并加裝功率調(diào)節(jié)裝置。氙 燈安裝在鍍銀膜的橢球聚光鏡的第一焦點(diǎn)，發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡反射聚焦在聚光鏡的 第二焦點(diǎn)處，形成一個(gè)很小面積的焦平面，具有很高的能量匯聚比，熱流密度可達(dá)到 200 360個(gè)太陽常數(shù)；在第二焦點(diǎn)后光線發(fā)散能量密度減小，分布均勻。單元太陽模 擬裝置，有一用EF3030工業(yè)型材組裝的支架。上下前后四個(gè)自由度都可調(diào)節(jié)，可以根據(jù) 被加熱對(duì)象的形狀及所要求的熱流密度進(jìn)行裝配單元個(gè)數(shù)和調(diào)節(jié)功率大小。見圖1、圖2、圖4、圖6、圖7，本實(shí)用新型的一種太陽模擬裝置，包括高壓球 形氙燈1、鍍銀膜的橢球形聚光鏡2、可調(diào)支架12和功率調(diào)節(jié)裝置14。本實(shí)用新型采用 發(fā)光光譜與太陽光接近的氙燈1為光源，并加裝所設(shè)計(jì)的外側(cè)壁面電鍍銀膜的橢球形聚 光鏡2及功率調(diào)節(jié)裝置14運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了太陽模擬裝置特性與實(shí)際太陽光線的吻合，采用 的鍍銀橢球形聚光鏡2保證了反射聚光后光譜不變化且能量匯聚比高。每套光源單元8對(duì)應(yīng)一套功率調(diào)節(jié)裝置14，功率調(diào)節(jié)裝置14連接電網(wǎng)的供電線 路，安裝固定在電源控制柜中。功率調(diào)節(jié)裝置14的電路連接如圖6所示。橢球聚光鏡2的及氙燈1安裝在燈桶9內(nèi)部，燈桶底部外側(cè)開有安全通風(fēng)孔11。 橢球聚光鏡2內(nèi)置于燈桶9內(nèi)部前端，沿橢球聚光鏡2前端面周向均勻布置五個(gè)U形爪 3，五個(gè)U形爪外側(cè)靠螺栓內(nèi)連接于燈桶9內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)橢球聚光鏡2的軸向固定。在橢球 聚光鏡2的后端面用一比聚光鏡2入口直徑稍大的鋼圈套4在聚光鏡2外壁，鋼圈4通過 螺桿5內(nèi)焊接于燈桶內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)聚光鏡2的周向固定(如圖4)。在燈桶9的中部壁面外側(cè) 對(duì)稱開直徑6毫米圓孔，在燈架12的安裝桿15上安裝滑塊導(dǎo)軌13，用一內(nèi)六角桿將燈桶 固定在滑軌13上。使燈桶9可上下前后調(diào)節(jié)。本太陽模擬裝置光譜真實(shí)性好、光路調(diào)節(jié)方便、聚光性強(qiáng)且可實(shí)現(xiàn)不同地域和 季節(jié)的太陽輻照度。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 橢球形聚光鏡2(參見圖2、圖4)固定安裝在圓柱形燈桶9內(nèi)部，從交流電路輸入額定380伏的交流電，經(jīng)功率調(diào)節(jié)裝置14及調(diào)壓電源輸出一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓7給 光源單元，然后觸發(fā)器工作，產(chǎn)生一個(gè)瞬間高壓，擊穿高壓球形氙燈燈泡(圖1)內(nèi)的氙 氣，與觸發(fā)器串聯(lián)的電極向另一電極發(fā)射電子從而產(chǎn)生弧光。調(diào)節(jié)氙燈1在橢球聚光鏡 2軸線方向上的位置，使兩電極間距離的中點(diǎn)位于橢球聚光鏡2的第一焦點(diǎn)上，氙燈1光 線被橢球面反光鏡反射后在第二焦點(diǎn)位置形成很小面積光斑(直徑15 25mm)，該區(qū)域 具有很高的熱流密度，可用作太陽熱發(fā)電加熱實(shí)驗(yàn)、太陽熱化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的熱源。由于 氙燈1的極間距不同，在第二焦點(diǎn)處產(chǎn)生的光斑會(huì)有差異，一般極間距越小，第二焦點(diǎn) 處形成的光斑面積越小。布置功率調(diào)節(jié)控制裝置14，分為lKw、2Kw、5Kw和7Kw四 個(gè)檔次。實(shí)施例2 見圖7，以EF3030鋁合金型材為基礎(chǔ)搭建的方形支架12，包括一個(gè)光源單元 8。支架12高度為橢球聚光鏡2焦距的3.5 4倍，光源單元8可以上下前后四個(gè)自由度 調(diào)節(jié)，控制光源單元8與實(shí)驗(yàn)件10間距離大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)件10接收面積和所需的熱流密 度，調(diào)節(jié)光線的入射角及光斑面積大小。實(shí)例3:見圖8和圖9，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要的總熱功率的大小，組合多個(gè)太陽模擬裝置單元 8。所有太陽模擬裝置單元呈正多邊形布置，實(shí)驗(yàn)件加裝在多邊形內(nèi)切圓中心，根據(jù)實(shí) 驗(yàn)所需要加熱條件確定實(shí)例1中的太陽模擬裝置單元數(shù)量，并由功率調(diào)節(jié)裝置14進(jìn)行微 調(diào)，各單元對(duì)加熱器件的照射角度調(diào)節(jié)規(guī)則是既要保證最大的入射角，又要保證光線不 溢出。
權(quán)利要求1.一種太陽模擬裝置，其特征在于，至少包括一個(gè)太陽模擬裝置單元，一單元包括 一橢球聚光鏡、一光源、一支架、一燈桶、一冷卻風(fēng)機(jī)、一功率調(diào)節(jié)裝置；橢球聚光鏡 形狀為半橢球體，內(nèi)側(cè)壁面或外側(cè)壁面電鍍有金屬膜；光源沿橢球聚光鏡的軸線安裝或 垂直于軸線橫穿過橢球聚光鏡的聚光鏡，光源位于橢球聚光鏡的第一焦點(diǎn)處，用橢球聚 光鏡的反射匯聚特性將光源發(fā)出的光線聚集至第二焦點(diǎn)處，試驗(yàn)件位于第二焦點(diǎn)；光源與功率調(diào)節(jié)裝置電連接，功率調(diào)節(jié)裝置外接電源；橢球聚光鏡固接于圓柱形燈桶內(nèi)，燈桶側(cè)壁上開有多個(gè)安全通風(fēng)孔，聚光鏡后方燈 桶內(nèi)安裝正對(duì)聚光鏡外壁面吹風(fēng)的冷卻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)對(duì)聚光鏡進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱；冷卻風(fēng) 機(jī)與功率調(diào)節(jié)裝置電連接；圓柱形燈桶固裝在支架上，與支架動(dòng)連接，使燈桶可以上下前后調(diào)節(jié)角度，根據(jù)被 加熱試驗(yàn)件形狀和位置進(jìn)行光線出射角度調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬裝置，其特征在于，所述光源，采用高壓球形短弧 氙燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬裝置，其特征在于，所述聚光鏡為硼硅酸鹽耐熱玻 璃材料制作；其上的金屬膜為銀膜，是反射光線材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬裝置，其特征在于，所述支架，為方框形支架，以 EF3030鋁合金型材制作；支架的高度為橢球聚光鏡焦距的3.5 4倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬裝置，其特征在于，所述每套光源對(duì)應(yīng)一套功率調(diào) 節(jié)裝置，光源經(jīng)功率調(diào)節(jié)裝置與供電線路電連接，功率調(diào)節(jié)裝置位于電源控制柜中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬裝置，其特征在于，所述橢球聚光鏡固接于圓柱形 燈桶內(nèi)，是橢球聚光鏡內(nèi)置于燈桶內(nèi)部前端，沿橢球聚光鏡前端面周向均勻布置多個(gè)U 形爪，多個(gè)U形爪上裝配連接件內(nèi)連接于燈桶內(nèi)壁，將橢球聚光鏡的軸向固定；在橢球 聚光鏡的后端面用一直徑大于聚光鏡入口直徑的鋼圈套在聚光鏡上，鋼圈通過連接件內(nèi) 焊接于燈桶內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)聚光鏡的周向固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬裝置，其特征在于，所述燈桶固裝在支架上，是在 燈桶的外側(cè)對(duì)稱安裝兩個(gè)上開有絲孔的肋，在燈架的安裝處安裝滑塊導(dǎo)軌，用一頭內(nèi)六 角桿將燈桶固定在滑軌上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬裝置，其特征在于，所述為多個(gè)太陽模擬裝置單元 時(shí)，單元相互間呈正多邊形布置，試驗(yàn)件位于多邊形內(nèi)切圓中心，按照需要的熱流密度 和功率大小調(diào)節(jié)燈桶角度和裝置輸出功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的太陽模擬裝置，其特征在于，所述多個(gè)裝置單元相互間 呈正多邊形布置，是一個(gè)單元位于中心頂部，其它環(huán)于四周，各單元投影于多邊形內(nèi)切 圓圓面上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種太陽模擬裝置，以內(nèi)壁電鍍銀膜的橢球形聚光鏡為光路調(diào)節(jié)裝置，并有功率調(diào)節(jié)裝置。光源在橢球形聚光鏡的第一焦點(diǎn)，發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡反射聚焦在聚光鏡的第二焦點(diǎn)處，產(chǎn)生一個(gè)很小面積的焦平面，具有很高的能量匯聚比，最高熱流密度可達(dá)到200～360個(gè)太陽常數(shù)，試驗(yàn)件位于第二焦點(diǎn)，在第二焦點(diǎn)后光線發(fā)散能量密度減小，分布趨于均勻。本實(shí)用新型裝置采用的高壓球形氙燈，其發(fā)光光譜與太陽光接近，保證了與實(shí)際太陽光線光譜能量分布的吻合，采用的鍍銀橢球形聚光鏡保證了反射聚光后光譜不變化且能量匯聚比高。本實(shí)用新型裝置光譜分布好、光路調(diào)節(jié)方便、聚光性強(qiáng)且可實(shí)現(xiàn)不同地域和季節(jié)的太陽輻照度。
文檔編號(hào)F21S8/00GK201795395SQ201029166038
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者唐大偉, 張志平, 杜景龍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所