在職碩士論文:聚焦型太陽模擬器的設計與性能分析

來源: www.1081492.live 發布時間:2018-06-09 論文字數:34152字
論文編號: sb2018060719175921538 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇在職碩士論文,碩士論文的種類有哲學碩士論文、經濟學碩士論文、法學碩士論文、教育學碩士論文、文學碩士論文、歷史學碩士論文、理學碩士論文、工學碩士論文、農學碩士論文
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第 1 章 緒 論
 
1.1 研究背景及意義
1.1.1 課題背景
隨著社會的快速發展,能源和環境問題日漸凸顯,發展可再生能源迫在眉睫。太陽能在使用上具有普遍性、無害性、長期性和低成本性等優點,因此其成為可再生能源領域投資和研發的熱點[1~3]。太陽能主要應用于發電領域,太陽能根據發電方式的不同分為太陽能光伏發電和太陽能光熱發電[4]。光伏發電是利用太陽能電池吸收自然光而激發其自身電子躍遷而產生電壓[5]。光熱發電是將低密度的自然光通過聚光鏡匯聚到吸收器上直接轉化為熱能,再將熱能通過傳統的熱能循環形式轉化為電能,和現在普遍使用的熱發電過程非常相似[6]。光伏發電具有發電過程無污染、安裝簡單、重量輕、清潔容易、易推廣等優點,但其產生電壓的核心材料單晶硅和多晶硅在制造過程中對環境損害極大,是高能耗和高污染的過程[7]。光熱發電是清潔生產過程,基本采用物理手段進行光電能量轉換,對環境危害極小,并且還具有可通過補燃與常規火電站改善電力輸出特性、并網容易、利用儲熱技術可連續供電等明顯優勢,因此被認為是太陽能利用當中最具發展潛力的技術[8]。日前,21 世紀可再生能源政策網絡發布的《2017 年全球可再生能源現狀報告》指出,估計2017年有望新建光熱發電的裝機量為900 MW。國際可再生能源署在2016年發布的名為《電力轉型:2025 年前太陽能和風能成本下降潛力》報告中指出,目前的光熱發電技術還未成熟,其成本仍有很大的下降空間。中國在 2016 年新增光熱項目裝機約為 10 MW,使其成為繼南非之后新增裝機容量最大的發展中國家。中國還制定了在 2018 年底完成裝機共 1.35 GW 的光熱項目計劃。盡管光熱發電被普遍看好,并大力發展,但受限于儲熱系統的研發,關鍵設備的成本,光熱電站設備更新換代,接收器的光熱轉化效率等因素影響,其發電的代價仍高于風電、水電和光伏發電[12]。因此,有必要對光熱發電各種關鍵技術開展實驗研究,促進光熱發電技術成熟,提高光熱轉化效率,降低發電成本。
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1.2 太陽模擬器國內外研究現狀
2007年瑞士保羅謝勒研究所(Paul Scherrer Institute)制造了一臺由10支15 kW氙燈組成的太陽模擬器[16,17],該模擬器有一個冷卻系統通過電極前的水回路冷卻每個燈單元。作者使用CCD相機拍攝了水冷朗伯靶上太陽模擬器光斑的灰度圖像,通過建立灰度值與光輻射值的標定關系,進而得知其焦平面上所形成光斑的輻射功率,即輻照度。結果顯示:光斑直徑60 mm區域內總輻照度超過20 kW,光斑直徑240 mm區域內總輻照度超過50 kW。2009年Proyecson公司建造了水平放置的單燈太陽模擬器[18],該太陽模擬器由一個7 kW氙燈和橢球聚光鏡組成,且電源箱具有電流強度可調功能,電流可在113-153A范圍內連續輸出,其主要用于測試不同體積式接收器熱效率及動態特性,如圖1-5所示。作者利用直徑15 mm的光伏電池對焦平面上光斑輻照度進行測試,結果顯示:輸入電流為153A時,輻照度峰值為3583 kW....m-2,輸入電流為113A時,輻照度峰值為2076 kW....m-2,焦平上平均輻照度為889~2220個太陽常數(1太陽常數= 1350kW....m-2)。2010 年麻省理工學院研制了由 7 個金屬鹵化物燈和二次六角錐形集中器組成的太陽能模擬器[19],其主要應用在聚光熱或聚光伏發電系統熱性能測試領域,如圖 1-6所示。作者將直徑 29 mm 的鋁盤置于焦平面不同位置,當鋁盤達到熱平衡時,通過計算鋁盤的能量損失來計算該點輻照度值,結果顯示:二次集中器出口的中心輻照度峰值為 60 個太陽常數,平均輻照度為 45 個太陽常數,輻照度分布呈現高斯分布。
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第 2 章 光機系統設計
 
現有聚焦型太陽模擬器不能根據實驗需求進行光斑聚焦形式變化和面積大小的調整,本文通過對比現有光源和聚光鏡特點,完成了光學組件的設計與選型,依據單燈多自由度的設計理念,設計了太陽模擬器機械運動支撐結構,實現了太陽模擬器光斑聚焦形式變化和面積大小連續可調的設計要求,并搭建了兩套燈單元。
 
2.1 光源的選擇
光源是太陽模擬器重要的光學組件,光源的正確選取是搭建太陽模擬器實驗平臺的前提[31,32]。太陽模擬器光源的選擇不僅要著重考慮光譜匹配程度還要從發光形式、發光效率、光源結構等方面進行綜合考慮。模擬自然光的人工光源主要有碳弧燈、鹵素燈、氙燈。碳弧燈的發光原理是將兩根接觸的碳棒在空氣中通電而產生放電弧光,是初期模擬自然光的常用光源[33]。碳弧燈發光效率為 7~14 lm....w--1,具有色溫高、光譜連續性好等優點,同時具有強紫外輻射,易產生有毒氣體,碳棒接頭處光輻射強度非常不穩定等缺點。碳弧燈分為開放式碳弧燈和封閉式碳弧燈,碳弧燈與自然光的光譜能量分布對比如圖 2-1 所示。鹵素燈的發光原理是在惰性氣體中加入碘化鏑、汞等鹵素工質,使得鹵素工質與鎢絲發生化學反應而產生其特有的光輻射[34,35]。鹵素燈具有是高光效,良好的光譜質量平衡,可見光譜段與太陽光非常接近太,光效高,壽命長和低成本等優點,但存在可見光區域藍紫光線少,光譜寬,色溫低,光色一致性差、光譜特性隨電流或電壓變化等缺點。鹵素燈的光譜如圖 2-2 所示。
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2.2 聚光鏡設計與參數優化
因短弧氙燈以朗伯形式發出的光輻射密度較低,故太陽模擬器采用聚光鏡來高效率匯聚光輻射。依據聚光鏡輸出光輻射形式的不同,聚光鏡主要分為:拋物面和橢球面聚光鏡[43,44]。拋物面聚光鏡的聚光特點為:位于拋物面鏡焦點處光源發出的光輻射經反射后以平行光形式發射,可在焦平面上形成大面積光斑,光斑均勻性好,但輻照度較低;橢球面聚光鏡特點為:位于橢球鏡第一焦點處光源發出的光輻射,經聚光鏡反射后高效率的匯聚到第二焦點處,可在焦平面上形成小面積,高輻照強度光斑。因本文需模擬太陽能光熱發電領域中大面積自然光被反射鏡高倍聚焦后形成的高輻照度光斑,故選擇聚光鏡為橢球聚光鏡。橢球聚光鏡第一焦距 F1的大小通常由所用光源的大小決定,常為光中心高的1/3-1/2[49],考慮聚光鏡加工誤差和短弧氙燈的加工誤差,需增加短弧氙燈的軸向可調節量,故本文設計橢球鏡第一焦距為 F1=33 mm。橢球鏡的成像倍率直接影響著其光輻射匯聚效率和加工的難易程度,結合目前較為成熟的橢球鏡加工技術,采用光學軟件對不同成像倍率下的橢球鏡聚光效率進行分析,進而得到橢球鏡的最優設計參數。
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第 3 章 光斑自動對焦系統設計..........23
3.1 光斑位置采集子系統 ........23
3.2 光斑調節子系統 ..........32
3.2.1 運動模型簡化 .............32
3.2.2 運動學分析 ..............34
3.2.3 數據傳輸 ...........35
3.3 自動對焦系統實驗驗證 .......37
3.4 本章小結 .............38
第 4 章 燈單元性能分析.............39
4.1 光源離焦對輻照度分布影響 .....39
4.2 中間燈單元性能分析 ........42
4.3 偏置燈單元性能分析 ........44
4.4 中間與偏置燈單元同時開啟 .....47
4.5 本章小結 .............51
第 5 章 太陽模擬器性能標定...........53
5.1 焦平面上光斑輻照度檢測 ......53
5.2 氙燈軸向離焦實驗 .........54
5.3 焦平面離焦實驗 ..........55
5.4 中間與偏置燈單元共同開啟 .....59
5.5 太陽模擬器總體性能 ........60
 
第 5 章 太陽模擬器性能標定
 
焦平面上光斑輻照度分布是太陽模擬器性能評價的主要因素,因加工誤差、裝配誤差、模型建立的準確性等因素影響,使得光學軟件不能準確的模擬太陽模擬器所形成光斑的輻照性能,為驗證光學軟件對太陽模擬器性能模擬的準確性及得到太陽模擬器實際性能,需對太陽模擬器光斑輻照度進行采集與分析。因實驗條件限制,目前僅搭建了兩套燈單元,由上述 4.4 節知,燈單元形成光斑的輻照度具有疊加特性,故本章對現有的兩套燈單元進行光斑輻照度測試,以驗證第 4 章軟件模擬結果的正確性,進而得到太陽模擬器實際性能。
 
5.1 焦平面上光斑輻照度檢測
聚焦型太陽模擬器不具備勻光裝置,光斑輻照度峰值常為 104~107個太陽常數,超出現有輻照度檢測設備量程,故對焦平面上光斑輻照度的檢測常采用 CCD 相機+朗伯靶的間接測量方法,其基本原理為:將水冷朗伯靶置于太陽模擬器焦平面位置,開啟太陽模擬器,利用 CCD 相機拍攝朗伯靶上的光斑圖像,通過建立光斑圖像上灰度值與輻射值標定關系,得到太陽模擬器光斑輻照度。因燈單元發出的雜散光、朗伯靶加工精度、自然光在高溫物體存在時偏折率過大等因素影響,使得 CCD 相機不能準確拍攝朗伯靶表面光斑圖像。本文依據現有實驗條件,采用了一種基于紅外熱像儀的光斑輻照度測量方法?;诩t外熱像儀的光斑輻照度測量方法基本原理為:將不透光的溫度測試盤置于焦平面位置,點亮燈單元,溫度測試盤吸收燈單元發出的光輻射達到熱平衡后,運用紅外熱像儀拍攝其溫度圖像,得溫度測試盤表面溫度場分布,計算溫度測試盤熱損失功率,依據熱力學第一定律,從而得到焦平面上光斑輻射功率,即焦平面上光斑總輻照度。本文設計溫度測試盤材料為紫銅,高為 350 mm,寬為 200 mm,厚度為 2 mm 的長方體,溫度測試盤紅外圖像如圖 5-1 所示。
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結 論
 
本文針對現有聚焦型太陽模擬器不能根據實驗需求進行光斑聚焦形式變化的缺點,設計了一種多功能太陽模擬器,可實現光斑聚焦形式變化;針對多光源太陽模擬器光斑位置數據采集不易,手工對焦困難情況,設計一種光斑自動對焦系統;采用軟件模擬方法獲得了光斑在光源離焦、焦平面離焦、燈單元偏轉角度等因素單獨或共同作用時輻照度變化數據,分析了光斑輻照度變化趨勢;采用了一種基于紅外熱像儀的光斑輻照度間接檢測方法,實驗驗證了軟件模擬結果,完成了太陽模擬器性能標定。本文主要研究工作如下:
1) 依據實驗要求和輻照度設計指標,對比分析了現有光源的光譜分布和發光特點,選擇了光源類型和數量;對比分析了現有氙燈的建模形式,選擇最佳氙燈建模形式;采用基于蒙特卡洛方法的光學軟件對橢球鏡進行設計與參數優化;針對光斑聚焦形式變化要求,設計了太陽模擬器總體機械結構,最終搭建了太陽模擬器光機系統。
2) 針對多光源太陽模擬器光斑對焦困難,設計了一種光斑自動對焦系統。依據高溫物體機器視覺測量特性,選擇了基于紅外相機的標定方法,并設計了紅外標定板;通過二值化、邊緣檢測、最小二乘法擬合等一系列圖像處理獲得了光斑中心位置數據;將太陽模擬器簡化為串聯機器人,并建立其運動學模型,獲得了光斑在目標位置時燈單元反向運動學解析解表達式;進而完成光斑自動對焦系統設計。
3)模擬研究了聚焦光斑在光源離焦、焦平面離焦、燈單元偏轉角度單獨或共同作用時輻照度分布數據,并且研究了中間和偏置燈單元共同作用時對光斑輻照度分布的影響,分析了光斑輻照度變化趨勢。
4) 實驗驗證了光源離焦、焦平面離焦、燈單元偏轉角度、燈單元開啟數量等因素單獨或共同作用時對光斑輻照度分布影響,對比分析了實驗與模擬結果的異同,給出了太陽模擬器燈單元總輻照性能指標,完成了太陽模擬器性能標定。
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參考文獻(略)

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