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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，用于生產清潔(jie)燃料和(he)(he)太陽能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)發(fa)電的(de)(de)(de)高(gao)溫太陽熱利用技術(shu)在解決當(dang)前(qian)和(he)(he)未來的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)源問題中發(fa)揮了(le)重要(yao)的(de)(de)(de)作用。太陽能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)有效熱利用必須在高(gao)溫條(tiao)件(jian)下進行，因此需(xu)要(yao)獲得高(gao)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)流密度(du)的(de)(de)(de)太陽能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)。通(tong)常，室外聚(ju)光設備（如碟式、塔式或(huo)槽式聚(ju)光器）可以提供高(gao)聚(ju)光比的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)流密度(du)，將太陽能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)轉化為(wei)高(gao)溫熱能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)、電能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)或(huo)者化學能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)。但是自(zi)然太陽光的(de)(de)(de)不(bu)穩(wen)定性和(he)(he)不(bu)連續性增加了(le)實(shi)驗的(de)(de)(de)難(nan)度(du)和(he)(he)成本，同時(shi)降低了(le)實(shi)驗結果的(de)(de)(de)可重復性。

為此，研究團隊開發(fa)的(de)40千瓦高(gao)能(neng)(neng)流(liu)密度(du)太陽(yang)模擬器可(ke)提(ti)供(gong)在強度(du)和(he)光(guang)(guang)譜上接近自然陽(yang)光(guang)(guang)的(de)聚光(guang)(guang)輻射環(huan)境，在尺寸、成本、操作靈(ling)活性、天(tian)氣獨立性和(he)穩定(ding)性方面具有不(bu)可(ke)替代(dai)的(de)優勢。該(gai)極端能(neng)(neng)流(liu)密度(du)太陽(yang)模擬器可(ke)以實(shi)現對能(neng)(neng)流(liu)矢量的(de)控制(zhi)和(he)精確調節，從(cong)而為各(ge)種轉換(huan)和(he)儲(chu)存太陽(yang)能(neng)(neng)的(de)方法研究以及材料合成或(huo)熱(re)測試提(ti)供(gong)穩定(ding)持續且不(bu)受時(shi)間、天(tian)氣和(he)地域等條(tiao)件制(zhi)約的(de)穩定(ding)可(ke)控的(de)實(shi)驗環(huan)境。

圖(tu)1現存(cun)典型太陽模擬器的峰值能(neng)流密度對比圖(tu)

圖(tu)2高能(neng)流密度太陽模擬(ni)器(qi)系統實物(wu)(wu)圖(tu)以及勻光器(qi)的設計和(he)實物(wu)(wu)圖(tu)

研究團隊設計的(de)高(gao)能(neng)(neng)流(liu)密(mi)度太(tai)陽模(mo)(mo)(mo)擬器(qi)系統(tong)該(gai)系統(tong)主(zhu)要由4個(ge)輻射(she)(she)(she)模(mo)(mo)(mo)組(zu)組(zu)成，每(mei)個(ge)模(mo)(mo)(mo)組(zu)由一個(ge)10千瓦氙燈和一個(ge)截斷橢(tuo)球反射(she)(she)(she)器(qi)組(zu)成，從氙燈發出的(de)光(guang)線經截斷橢(tuo)球反射(she)(she)(she)器(qi)反射(she)(she)(she)后會聚到同(tong)一焦(jiao)點上。經間接法標定，該(gai)系統(tong)可(ke)(ke)實(shi)現突破現有(you)文(wen)獻紀錄的(de)峰值能(neng)(neng)流(liu)密(mi)度（41.43 MW m-2），在50 mm半徑光(guang)斑(ban)范圍內的(de)接收功(gong)率為17.57 kW。中心(xin)輻射(she)(she)(she)模(mo)(mo)(mo)組(zu)可(ke)(ke)以實(shi)現14.86 MW m-2的(de)峰值能(neng)(neng)流(liu)密(mi)度，其余三個(ge)輻射(she)(she)(she)模(mo)(mo)(mo)組(zu)的(de)峰值能(neng)(neng)流(liu)密(mi)度分別為11.8 MW m-2、12.07 MW m-2以及(ji)8.23 MW m-2。四個(ge)輻射(she)(she)(she)模(mo)(mo)(mo)組(zu)均(jun)可(ke)(ke)單獨或(huo)耦合運(yun)行(xing)，可(ke)(ke)根據應用需求控(kong)制靶面的(de)物理位置以及(ji)不同(tong)輻射(she)(she)(she)模(mo)(mo)(mo)塊運(yun)行(xing)功(gong)率進行(xing)靈活精確的(de)調(diao)節。

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(can)數

由于入(ru)射角的隨機性(xing)，光線(xian)在(zai)反應(ying)器(qi)/接收器(qi)內(nei)傳播(bo)之(zhi)后容易產生局部熱點進(jin)而損(sun)壞器(qi)件。為(wei)了更好(hao)地(di)模擬真實太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)聚光器(qi)的性(xing)能(neng)(neng)以及拓展太陽(yang)(yang)模擬器(qi)的應(ying)用范圍，團隊設計和(he)(he)制造了一個柱形勻光器(qi)對光線(xian)進(jin)行二次調(diao)節，實現光斑總(zong)均(jun)(jun)(jun)勻度(du)(du)提高達(da)300%。接收表(biao)面(mian)存在(zai)1 cm2高度(du)(du)均(jun)(jun)(jun)勻區(qu)域，其平均(jun)(jun)(jun)能(neng)(neng)流密度(du)(du)為(wei)0.55 MW m-2，空間不均(jun)(jun)(jun)勻度(du)(du)僅為(wei)1.76%，達(da)到ASTM標(biao)準A級(ji)（<2%），可(ke)以應(ying)用于聚光太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)光伏和(he)(he)光電化學(xue)等(deng)領域的研(yan)究。

圖4勻(yun)光器運(yun)行工況下的(de)能(neng)流分(fen)布以及均勻(yun)性分(fen)析圖

該(gai)論文(wen)第一作者(zhe)為南方科(ke)技(ji)大學機械(xie)與能源工(gong)程系(xi)碩士研(yan)究生黎杰揚，第二作者(zhe)為碩士研(yan)究生胡錦鵬，通(tong)訊作者(zhe)為林蒙(meng)，南科(ke)大是(shi)論文(wen)第一單位(wei)。該(gai)研(yan)究得到國(guo)家自然(ran)科(ke)學基(ji)金以(yi)及麻省理(li)工(gong)學院和南方科(ke)技(ji)大學機械(xie)工(gong)程研(yan)究與教(jiao)育中心的支持。

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