高辐照度太阳能模拟器设计与实验研究

摘要

高温太阳能热利用技术在国内尚处于起步阶段，时间、气象、地域条件及实验环境等条件对高温太阳能热利用的研究影响较大，为此，本文提出了满足高温太阳能热利用研究的高辐照度太阳能模拟器的设计及建造方案。高辐照度太阳能模拟器满足大面积太阳光汇聚所具有的太阳光辐照特性，并能根据实际研究需求调节焦平面大小及焦平面辐照强度。 高辐照度太阳能模拟器是聚光型太阳能模拟器，聚光系统是该太阳能模拟器的核心组成部分，本文详细描述了聚光系统的设计思路，建立了聚光镜及聚光系统的数学模型，并应用蒙特卡洛光线追迹法对聚光镜及聚光系统模型进行了数值模拟和尺寸优化。同时，本文还设计了配套的机械系统、电控系统和冷却系统，以实现焦平面及辐照度的调节功能，保证聚光系统的安全运行。 太阳能模拟器建成后，通过实验方式测得焦平面温度可超过2000K，实现了模拟器的设计目标。 该高辐照度太阳能模拟器总功率70kW，在直径为60mm的焦平面上可汇聚20.6kW的辐射能量，辐照度峰值高达15MW/m2，平均值为7.3MW/m2，是目前国内辐照度最高的聚光型太阳能模拟器。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 太阳能模拟器的发展概况

1．3 本章小结

第2章 太阳能模拟器原理

2．1 引言

2．2 太阳辐射基本参数

2．2．1 太阳常数

2．2．2 大气质量系数

2．2．3 太阳光谱

2．3 太阳能模拟器简介

2．4 集聚式太阳能模拟器

2．5 高辐照度太阳能模拟器整体参数

2．6 本章小结

第3章 聚光单元设计及加工

3．1 引言

3．2 光源选择

3．2．1 氙灯

3．2．2 金属卤化物灯

3．3 聚光镜设计模型

3．4 聚光镜数值模拟及尺寸优化

3．4．1 蒙特卡洛光线追迹法

3．4．2 光学模拟软件

3．4．3 光源简化

3．4．4 聚光镜计算模型

3．4．5 聚光镜开孔半径设计

3．5 聚光镜加工

3．6 本章小结

第4章 主体设计

4．1 引言

4．2 聚光系统及机械系统设计

4．2．1 聚光镜及氙灯连接部件

4．2．2 聚光系统总体机构

4．2．3 焦平面辐照强度调节

4．3 控制系统

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢