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聚焦型太阳模拟器的设计与性能分析(在职论文)
论文库:硕博论文 时间:2020-08-01 点击:

第 1 章 绪 论


1.1 研讨背景及含义
1.1.1 课题背景
跟着社会的快速展开,动力和环境问题日渐凸显,展开可再生动力火烧眉毛。太阳能在运用上具有遍及性、无害性、长期性和低本钱性等长处,因而其成为可再生动力范畴出资和研制的热点[1~3]。太阳能首要应用于发电范畴,太阳能依据发电办法的不同分为太阳能光伏发电和太阳能光热发电[4]。光伏发电是运用太阳能电池吸收天然光而激发其自身电子跃迁而发生电压[5]。光热发电是将低密度的天然光经过聚光镜会聚到吸收器上直接转化为热能,再将热能经过传统的热能循环方式转化为电能,和现在遍及运用的热发电过程十分类似[6]。光伏发电具有发电过程无污染、安装简略、重量轻、清洁简单、易推广等长处,但其发生电压的核心资料单晶硅和多晶硅在制作过程中对环境损害极大,是高能耗和高污染的过程[7]。光热发电是清洁生产过程,根本选用物理手法进行光电能量转换,对环境危害极小,而且还具有可经过补燃与常规火电站改进电力输出特性、并网简单、运用储热技能可接连供电等明显优势,因而被认为是太阳能运用当中最具展开潜力的技能[8]。日前,21 世纪可再生动力政策网络发布的《2017 年全球可再生动力现状陈述》指出,估计2017年有望新建光热发电的装机量为900 MW。世界可再生动力署在2016年发布的名为《电力转型:2025 年前太阳能和风能本钱下降潜力》陈述中指出,目前的光热发电技能还未老练,其本钱仍有很大的下降空间。我国在 2016 年新增光热项目装机约为 10 MW,使其成为继南非之后新增装机容量最大的展开我国家。我国还制定了在 2018 年底完成装机共 1.35 GW 的光热项目方案。虽然光热发电被遍及看好,并大力展开,但受限于储热体系的研制,关键设备的本钱,光热电站设备更新换代,接收器的光热转化功率等要素影响,其发电的价值仍高于风电、水电和光伏发电[12]。因而,有必要对光热发电各种关键技能展开试验研讨,促进光热发电技能老练,提高光热转化功率,降低发电本钱。
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1.2 太阳模仿器国内外研讨现状
2007年瑞士保罗谢勒研讨所(Paul Scherrer Institute)制作了一台由10支15 kW氙灯组成的太阳模仿器[16,17],该模仿器有一个冷却体系经过电极前的水回路冷却每个灯单元。作者运用CCD相机拍照了水冷朗伯靶上太阳模仿器光斑的灰度图画,经过树立灰度值与光辐射值的标定联系,从而得知其焦平面上所构成光斑的辐射功率,即辐照度。成果显现:光斑直径60 mm区域内总辐照度超越20 kW,光斑直径240 mm区域内总辐照度超越50 kW。2009年Proyecson公司制作了水平放置的单灯太阳模仿器[18],该太阳模仿器由一个7 kW氙灯和椭球聚光镜组成,且电源箱具有电流强度可调功用,电流可在113-153A范围内接连输出,其首要用于测验不同体积式接收器热功率及动态特性,如图1-5所示。作者运用直径15 mm的光伏电池对焦平面上光斑辐照度进行测验,成果显现:输入电流为153A时,辐照度峰值为3583 kW....m-2,输入电流为113A时,辐照度峰值为2076 kW....m-2,焦平上均匀辐照度为889~2220个太阳常数(1太阳常数= 1350kW....m-2)。2010 年麻省理工学院研制了由 7 个金属卤化物灯和二次六角锥形集中器组成的太阳能模仿器[19],其首要应用在聚光热或聚光伏发电体系热功能测验范畴,如图 1-6所示。作者将直径 29 mm 的铝盘置于焦平面不同方位,当铝盘到达热平衡时,经过核算铝盘的能量丢失来核算该点辐照度值,成果显现:二次集中器出口的中心辐照度峰值为 60 个太阳常数,均匀辐照度为 45 个太阳常数,辐照度散布出现高斯散布。
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第 2 章 光机体系规划

现有聚集型太阳模仿器不能依据试验需求进行光斑聚集方式改变和面积巨细的调整,本文经过比照现有光源和聚光镜特色,完成了光学组件的规划与选型,依据单灯多自由度的规划理念,规划了太阳模仿器机械运动支撑结构,完成了太阳模仿器光斑聚集方式改变和面积巨细接连可调的规划要求,并树立了两套灯单元。

2.1 光源的挑选
光源是太阳模仿器重要的光学组件,光源的正确选取是树立太阳模仿器试验平台的条件[31,32]。太阳模仿器光源的挑选不仅要着重考虑光谱匹配程度还要从发光方式、发光功率、光源结构等方面进行归纳考虑。模仿天然光的人工光源首要有碳弧灯、卤素灯、氙灯。碳弧灯的发光原理是将两根触摸的碳棒在空气中通电而发生放电弧光,是初期模仿天然光的常用光源[33]。碳弧灯发光功率为 7~14 lm....w--1,具有色温高、光谱接连性好等长处,一起具有强紫外辐射,易发生有毒气体,碳棒接头处光辐射强度十分不稳定等缺陷。碳弧灯分为开放式碳弧灯和封闭式碳弧灯,碳弧灯与天然光的光谱能量散布比照如图 2-1 所示。卤素灯的发光原理是在惰性气体中加入碘化镝、汞等卤素工质,使得卤素工质与钨丝发生化学反应而发生其特有的光辐射[34,35]。卤素灯具有是高光效,良好的光谱质量平衡,可见光谱段与太阳光十分挨近太,光效高,寿命长和低本钱等长处,但存在可见光区域蓝紫光线少,光谱宽,色温低,光色一致性差、光谱特性随电流或电压改变等缺陷。卤素灯的光谱如图 2-2 所示。
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2.2 聚光镜规划与参数优化
因短弧氙灯以朗伯方式宣布的光辐射密度较低,故太阳模仿器选用聚光镜来高功率会聚光辐射。依据聚光镜输出光辐射方式的不同,聚光镜首要分为:抛物面和椭球面聚光镜[43,44]。抛物面聚光镜的聚光特色为:坐落抛物面镜焦点处光源宣布的光辐射经反射后以平行光方式发射,可在焦平面上构成大面积光斑,光斑均匀性好,但辐照度较低;椭球面聚光镜特色为:坐落椭球镜榜首焦点处光源宣布的光辐射,经聚光镜反射后高功率的会聚到第二焦点处,可在焦平面上构成小面积,高辐照强度光斑。因本文需模仿太阳能光热发电范畴中大面积天然光被反射镜高倍聚集后构成的高辐照度光斑,故挑选聚光镜为椭球聚光镜。椭球聚光镜榜首焦距 F1的巨细一般由所用光源的巨细决议,常为光中心高的1/3-1/2[49],考虑聚光镜加工差错和短弧氙灯的加工差错,需添加短弧氙灯的轴向可调理量,故本文规划椭球镜榜首焦距为 F1=33 mm。椭球镜的成像倍率直接影响着其光辐射会聚功率和加工的难易程度,结合目前较为老练的椭球镜加工技能,选用光学软件对不同成像倍率下的椭球镜聚光功率进行剖析,从而得到椭球镜的最优规划参数。
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第 3 章 光斑主动对焦体系规划..........23
3.1 光斑方位收集子体系 ........23
3.2 光斑调理子体系 ..........32
3.2.1 运动模型简化 .............32
3.2.2 运动学剖析 ..............34
3.2.3 数据传输 ...........35
3.3 主动对焦体系试验验证 .......37
3.4 本章小结 .............38
第 4 章 灯单元功能剖析.............39
4.1 光源离焦对辐照度散布影响 .....39
4.2 中心灯单元功能剖析 ........42
4.3 偏置灯单元功能剖析 ........44
4.4 中心与偏置灯单元一起敞开 .....47
4.5 本章小结 .............51
第 5 章 太阳模仿器功能标定...........53
5.1 焦平面上光斑辐照度检测 ......53
5.2 氙灯轴向离焦试验 .........54
5.3 焦平面离焦试验 ..........55
5.4 中心与偏置灯单元一起敞开 .....59
5.5 太阳模仿器整体功能 ........60

第 5 章 太阳模仿器功能标定

焦平面上光斑辐照度散布是太阳模仿器功能评价的首要要素,因加工差错、装配差错、模型树立的精确性等要素影响,使得光学软件不能精确的模仿太阳模仿器所构成光斑的辐照功能,为验证光学软件对太阳模仿器功能模仿的精确性及得到太阳模仿器实际功能,需对太阳模仿器光斑辐照度进行收集与剖析。因试验条件限制,目前仅树立了两套灯单元,由上述 4.4 节知,灯单元构成光斑的辐照度具有叠加特性,故本章对现有的两套灯单元进行光斑辐照度测验,以验证第 4 章软件模仿成果的正确性,从而得到太阳模仿器实际功能。

5.1 焦平面上光斑辐照度检测
聚集型太阳模仿器不具备匀光设备,光斑辐照度峰值常为 104~107个太阳常数,超出现有辐照度检测设备量程,故对焦平面上光斑辐照度的检测常选用 CCD 相机+朗伯靶的直接丈量办法,其根本原理为:将水冷朗伯靶置于太阳模仿器焦平面方位,敞开太阳模仿器,运用 CCD 相机拍照朗伯靶上的光斑图画,经过树立光斑图画上灰度值与辐射值标定联系,得到太阳模仿器光斑辐照度。因灯单元宣布的杂散光、朗伯靶加工精度、天然光在高温物体存在时偏折率过大等要素影响,使得 CCD 相机不能精确拍照朗伯靶表面光斑图画。本文依据现有试验条件,选用了一种根据红外热像仪的光斑辐照度丈量办法。根据红外热像仪的光斑辐照度丈量办法根本原理为:将不透光的温度测验盘置于焦平面方位,点亮灯单元,温度测验盘吸收灯单元宣布的光辐射到达热平衡后,运用红外热像仪拍照其温度图画,得温度测验盘表面温度场散布,核算温度测验盘热丢失功率,依据热力学榜首定律,从而得到焦平面上光斑辐射功率,即焦平面上光斑总辐照度。本文规划温度测验盘资料为紫铜,高为 350 mm,宽为 200 mm,厚度为 2 mm 的长方体,温度测验盘红外图画如图 5-1 所示。

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结 论

本文针对现有聚集型太阳模仿器不能依据试验需求进行光斑聚集方式改变的缺陷,规划了一种多功用太阳模仿器,可完成光斑聚集方式改变;针对多光源太阳模仿器光斑方位数据收集不易,手工对焦困难状况,规划一种光斑主动对焦体系;选用软件模仿办法获得了光斑在光源离焦、焦平面离焦、灯单元偏转视点等要素独自或一起作用时辐照度改变数据,剖析了光斑辐照度改变趋势;选用了一种根据红外热像仪的光斑辐照度直接检测办法,试验验证了软件模仿成果,完成了太阳模仿器功能标定。本文首要研讨工作如下:
1) 依据试验要求和辐照度规划指标,比照剖析了现有光源的光谱散布和发光特色,挑选了光源类型和数量;比照剖析了现有氙灯的建模方式,挑选最佳氙灯建模方式;选用根据蒙特卡洛办法的光学软件对椭球镜进行规划与参数优化;针对光斑聚集方式改变要求,规划了太阳模仿器整体机械结构,终究树立了太阳模仿器光机体系。
2) 针对多光源太阳模仿器光斑对焦困难,规划了一种光斑主动对焦体系。依据高温物体机器视觉丈量特性,挑选了根据红外相机的标定办法,并规划了红外标定板;经过二值化、边际检测、最小二乘法拟合等一系列图画处理获得了光斑中心方位数据;将太阳模仿器简化为串联机器人,并树立其运动学模型,获得了光斑在目标方位时灯单元反向运动学解析解表达式;从而完成光斑主动对焦体系规划。
3)模仿研讨了聚集光斑在光源离焦、焦平面离焦、灯单元偏转视点独自或一起作用时辐照度散布数据,而且研讨了中心和偏置灯单元一起作用时对光斑辐照度散布的影响,剖析了光斑辐照度改变趋势。
4) 试验验证了光源离焦、焦平面离焦、灯单元偏转视点、灯单元敞开数量等要素独自或一起作用时对光斑辐照度散布影响,比照剖析了试验与模仿成果的异同,给出了太阳模仿器灯单元总辐照功能指标,完成了太阳模仿器功能标定。
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参考文献(略)

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