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近日，南方科技大學(xué)機械與能源工程系助理教授林蒙團隊獨立研發(fā)了具有現(xiàn)存最高峰值聚光比的太陽模擬器（人造太陽）系統(tǒng)。其最高可模擬4萬倍太陽輻射，展現(xiàn)出優(yōu)異的聚光特性以及靈活的可調(diào)性，可廣泛用于從極端到均勻能流分布的聚光太陽能能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究。這項研究由南科大團隊獨立完成，研究成果以題為“A flexibly controllable high-flux solar simulator for concentrated solar energy research from extreme magnitudes to uniform distributions”發(fā)表在能源領(lǐng)域著名期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews。

近年來，用于生產(chǎn)清潔燃料和太陽能發(fā)電的高溫太陽熱利用技術(shù)在解決當(dāng)前和未來的能源問題中發(fā)揮了重要的作用。太陽能的有效熱利用必須在高溫條件下進行，因此需要獲得高能流密度的太陽能。通常，室外聚光設(shè)備（如碟式、塔式或槽式聚光器）可以提供高聚光比的能流密度，將太陽能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?、電能或者化學(xué)能。但是自然太陽光的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性增加了實驗的難度和成本，同時降低了實驗結(jié)果的可重復(fù)性。

為此，研究團隊開發(fā)的40千瓦高能流密度太陽模擬器可提供在強度和光譜上接近自然陽光的聚光輻射環(huán)境，在尺寸、成本、操作靈活性、天氣獨立性和穩(wěn)定性方面具有不可替代的優(yōu)勢。該極端能流密度太陽模擬器可以實現(xiàn)對能流矢量的控制和精確調(diào)節(jié)，從而為各種轉(zhuǎn)換和儲存太陽能的方法研究以及材料合成或熱測試提供穩(wěn)定持續(xù)且不受時間、天氣和地域等條件制約的穩(wěn)定可控的實驗環(huán)境。

圖1現(xiàn)存典型太陽模擬器的峰值能流密度對比圖

圖2高能流密度太陽模擬器系統(tǒng)實物圖以及勻光器的設(shè)計和實物圖

研究團隊設(shè)計的高能流密度太陽模擬器系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由4個輻射模組組成，每個模組由一個10千瓦氙燈和一個截斷橢球反射器組成，從氙燈發(fā)出的光線經(jīng)截斷橢球反射器反射后會聚到同一焦點上。經(jīng)間接法標定，該系統(tǒng)可實現(xiàn)突破現(xiàn)有文獻紀錄的峰值能流密度（41.43 MW m-2），在50 mm半徑光斑范圍內(nèi)的接收功率為17.57 kW。中心輻射模組可以實現(xiàn)14.86 MW m-2的峰值能流密度，其余三個輻射模組的峰值能流密度分別為11.8 MW m-2、12.07 MW m-2以及8.23 MW m-2。四個輻射模組均可單獨或耦合運行，可根據(jù)應(yīng)用需求控制靶面的物理位置以及不同輻射模塊運行功率進行靈活精確的調(diào)節(jié)。

圖3高能流密度太陽模擬器全功率運行時能流密度分布及性能參數(shù)

由于入射角的隨機性，光線在反應(yīng)器/接收器內(nèi)傳播之后容易產(chǎn)生局部熱點進而損壞器件。為了更好地模擬真實太陽能聚光器的性能以及拓展太陽模擬器的應(yīng)用范圍，團隊設(shè)計和制造了一個柱形勻光器對光線進行二次調(diào)節(jié)，實現(xiàn)光斑總均勻度提高達300%。接收表面存在1 cm2高度均勻區(qū)域，其平均能流密度為0.55 MW m-2，空間不均勻度僅為1.76%，達到ASTM標準A級（<2%），可以應(yīng)用于聚光太陽能光伏和光電化學(xué)等領(lǐng)域的研究。

圖4勻光器運行工況下的能流分布以及均勻性分析圖

該論文第一作者為南方科技大學(xué)機械與能源工程系碩士研究生黎杰揚，第二作者為碩士研究生胡錦鵬，通訊作者為林蒙，南科大是論文第一單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金以及麻省理工學(xué)院和南方科技大學(xué)機械工程研究與教育中心的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032122000144