近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授林蒙团队独立研发了具有现存最高峰值聚光比的太阳模拟器（人造太阳）系统。其最高可模拟4万倍太阳辐射，展现出优异的聚光特性以及灵活的可调性，可广泛用于从极端到均匀能流分布的聚光太阳能能量转换领域的研究。这项研究由南科大团队独立完成，研究成果以题为“A flexibly controllable high-flux solar simulator for concentrated solar energy research from extreme magnitudes to uniform distributions”发表在能源领域著名期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews。

近年来，用于生产清洁燃料和太阳能发电的高温太阳热利用技术在解决当前和未来的能源问题中发挥了重要的作用。太阳能的有效热利用必须在高温条件下进行，因此需要获得高能流密度的太阳能。通常，室外聚光设备（如碟式、塔式或槽式聚光器）可以提供高聚光比的能流密度，将太阳能转化为高温热能、电能或者化学能。但是自然太阳光的不稳定性和不连续性增加了实验的难度和成本，同时降低了实验结果的可重复性。

为此，研究团队开发的40千瓦高能流密度太阳模拟器可提供在强度和光谱上接近自然阳光的聚光辐射环境，在尺寸、成本、操作灵活性、天气独立性和稳定性方面具有不可替代的优势。该极端能流密度太阳模拟器可以实现对能流矢量的控制和精确调节，从而为各种转换和储存太阳能的方法研究以及材料合成或热测试提供稳定持续且不受时间、天气和地域等条件制约的稳定可控的实验环境。

图1 现存典型太阳模拟器的峰值能流密度对比图

图2 高能流密度太阳模拟器系统实物图以及匀光器的设计和实物图

研究团队设计的高能流密度太阳模拟器系统该系统主要由4个辐射模组组成，每个模组由一个10千瓦氙灯和一个截断椭球反射器组成，从氙灯发出的光线经截断椭球反射器反射后会聚到同一焦点上。经间接法标定，该系统可实现破突破现有文献纪录的峰值能流密度（41.43 MW m^-2），在50 mm半径光斑范围内的接收功率为17.57 kW。中心辐射模组可以实现14.86 MW m^-2 的峰值能流密度，其余三个辐射模组的峰值能流密度分别为11.8 MW m^-2、12.07  MW m^-2以及8.23 MW m^-2。四个辐射模组均可单独或耦合运行，可根据应用需求控制靶面的物理位置以及不同辐射模块运行功率进行灵活精确的调节。

图3 高能流密度太阳模拟器全功率运行时能流密度分布及性能参数

由于入射角的随机性，光线在反应器/接收器内传播之后容易产生局部热点进而损坏器件。为了更好地模拟真实太阳能聚光器的性能以及拓展太阳模拟器的应用范围，团队设计和制造了一个柱形匀光器对光线进行二次调节，实现光斑总均匀度提高达300%。接收表面存在1 cm²高度均匀区域，其平均能流密度为0.55 MW m^-2，空间不均匀度仅为 1.76%，达到ASTM标准A级（< 2%），可以应用于聚光太阳能光伏和光电化学等领域的研究。

图4 匀光器运行工况下的能流分布以及均匀性分析图

该论文第一作者为南方科技大学机械与能源工程系硕士研究生黎杰扬，第二作者为硕士研究生胡锦鹏，通讯作者为林蒙，南科大是论文第一单位。该研究得到国家自然科学基金以及和麻省理工学院和南方科技大学机械工程研究与教育中心的支持。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032122000144

供稿：机械与能源工程系