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近日，南方科技大學機械與能源工程系助理教授林蒙團隊獨立研發了具有現存最高峰值聚光比的太陽模擬器（人造太陽）系統。其最高可模擬4萬倍太陽輻射，展現出優異的聚光特性以及靈活的可調性，可廣泛用于從極端到均勻能流分布的聚光太陽能能量轉換領域的研究。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”發表在能源領域著名期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews。

近年來(lai)，用于生產(chan)清潔燃料(liao)和太(tai)陽(yang)能發(fa)電(dian)的(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)太(tai)陽(yang)熱利(li)用技術在解決當(dang)前和未(wei)來(lai)的(de)能源(yuan)問題中發(fa)揮了(le)重要的(de)作用。太(tai)陽(yang)能的(de)有效熱利(li)用必須在高(gao)(gao)溫(wen)(wen)條(tiao)件(jian)下進行，因此需要獲(huo)得(de)高(gao)(gao)能流(liu)密度的(de)太(tai)陽(yang)能。通常，室外聚光(guang)(guang)(guang)設備（如碟式、塔(ta)式或(huo)槽式聚光(guang)(guang)(guang)器(qi)）可以提供(gong)高(gao)(gao)聚光(guang)(guang)(guang)比的(de)能流(liu)密度，將太(tai)陽(yang)能轉(zhuan)化為高(gao)(gao)溫(wen)(wen)熱能、電(dian)能或(huo)者(zhe)化學能。但是(shi)自然(ran)太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)的(de)不(bu)穩定性(xing)和不(bu)連(lian)續性(xing)增加(jia)了(le)實驗的(de)難度和成本，同(tong)時降低了(le)實驗結果的(de)可重復性(xing)。

為此，研(yan)究團(tuan)隊開發的40千瓦高能(neng)流密(mi)度太(tai)陽(yang)模擬器(qi)可(ke)提供在強(qiang)度和(he)光譜上接近(jin)自(zi)然陽(yang)光的聚光輻射環(huan)境，在尺寸、成(cheng)本(ben)、操(cao)作靈活性、天氣獨立性和(he)穩(wen)定(ding)性方面(mian)具(ju)有不可(ke)替代的優勢(shi)。該極端能(neng)流密(mi)度太(tai)陽(yang)模擬器(qi)可(ke)以(yi)實現對能(neng)流矢量的控(kong)制(zhi)和(he)精確調節，從而為各種轉換和(he)儲存太(tai)陽(yang)能(neng)的方法研(yan)究以(yi)及材料合成(cheng)或熱測試(shi)提供穩(wen)定(ding)持續且(qie)不受時間、天氣和(he)地(di)域(yu)等(deng)條件制(zhi)約的穩(wen)定(ding)可(ke)控(kong)的實驗環(huan)境。

圖1現存典型太陽模擬器的峰值能流密度(du)對比圖

圖(tu)2高能流密度(du)太陽模擬器(qi)系統實(shi)物(wu)(wu)圖(tu)以及(ji)勻光器(qi)的(de)設計和實(shi)物(wu)(wu)圖(tu)

研究團隊設計的(de)(de)(de)(de)高能(neng)流密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)太陽模(mo)(mo)擬器(qi)系統(tong)該系統(tong)主要(yao)由(you)4個(ge)(ge)輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)模(mo)(mo)組組成，每(mei)個(ge)(ge)模(mo)(mo)組由(you)一個(ge)(ge)10千瓦氙燈(deng)(deng)和一個(ge)(ge)截斷橢球反射(she)(she)(she)器(qi)組成，從氙燈(deng)(deng)發出(chu)的(de)(de)(de)(de)光線經截斷橢球反射(she)(she)(she)器(qi)反射(she)(she)(she)后會聚到同一焦點上。經間接法標定，該系統(tong)可實(shi)現突破現有文獻紀錄的(de)(de)(de)(de)峰(feng)(feng)值能(neng)流密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)（41.43 MW m-2），在(zai)50 mm半徑光斑范圍內的(de)(de)(de)(de)接收功率為(wei)17.57 kW。中心輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)模(mo)(mo)組可以實(shi)現14.86 MW m-2的(de)(de)(de)(de)峰(feng)(feng)值能(neng)流密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)，其(qi)余三個(ge)(ge)輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)模(mo)(mo)組的(de)(de)(de)(de)峰(feng)(feng)值能(neng)流密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)分(fen)別為(wei)11.8 MW m-2、12.07 MW m-2以及(ji)8.23 MW m-2。四(si)個(ge)(ge)輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)模(mo)(mo)組均可單獨(du)或耦合運(yun)行，可根據應用需求控制(zhi)靶面的(de)(de)(de)(de)物理(li)位置以及(ji)不(bu)同輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)模(mo)(mo)塊(kuai)運(yun)行功率進行靈活精(jing)確的(de)(de)(de)(de)調(diao)節。

圖3高(gao)能(neng)(neng)流密度太陽模(mo)擬器全功(gong)率運(yun)行時能(neng)(neng)流密度分布及(ji)性能(neng)(neng)參(can)數

由于入射(she)角的(de)隨機(ji)性，光(guang)(guang)線(xian)在反應(ying)(ying)器(qi)/接收器(qi)內傳播之后容易產生局(ju)部熱點進(jin)而損壞器(qi)件。為了更(geng)好(hao)地模擬真(zhen)實(shi)(shi)太(tai)陽能聚(ju)(ju)光(guang)(guang)器(qi)的(de)性能以及拓(tuo)展太(tai)陽模擬器(qi)的(de)應(ying)(ying)用范圍，團(tuan)隊(dui)設計和制造了一個柱形勻(yun)光(guang)(guang)器(qi)對光(guang)(guang)線(xian)進(jin)行二次調(diao)節，實(shi)(shi)現光(guang)(guang)斑(ban)總均(jun)(jun)勻(yun)度提高達(da)300%。接收表面存在1 cm2高度均(jun)(jun)勻(yun)區域(yu)，其平(ping)均(jun)(jun)能流(liu)密度為0.55 MW m-2，空間不均(jun)(jun)勻(yun)度僅為1.76%，達(da)到ASTM標準(zhun)A級(ji)（<2%），可以應(ying)(ying)用于聚(ju)(ju)光(guang)(guang)太(tai)陽能光(guang)(guang)伏(fu)和光(guang)(guang)電(dian)化學等領域(yu)的(de)研究。

圖4勻光器運行工況(kuang)下的能流(liu)分布以及均(jun)勻性分析(xi)圖

該論文第(di)一(yi)作者(zhe)為(wei)南(nan)(nan)(nan)方科(ke)技大(da)學(xue)(xue)機械(xie)與能源工(gong)程系碩士研究(jiu)生黎杰揚，第(di)二作者(zhe)為(wei)碩士研究(jiu)生胡錦(jin)鵬(peng)，通訊作者(zhe)為(wei)林蒙，南(nan)(nan)(nan)科(ke)大(da)是(shi)論文第(di)一(yi)單位(wei)。該研究(jiu)得(de)到國家(jia)自然科(ke)學(xue)(xue)基金(jin)以及麻省理(li)工(gong)學(xue)(xue)院和(he)南(nan)(nan)(nan)方科(ke)技大(da)學(xue)(xue)機械(xie)工(gong)程研究(jiu)與教育中(zhong)心的(de)支持(chi)。

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