CN102589855A - 太阳反射镜聚光度微缩模拟测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳反射镜聚光度微缩模拟测试系统，包括用于模拟太阳的人工光源、按几何比例缩小制成的若干个微缩模拟反射镜，通过人工光源及微缩模拟反射镜设计的光路结构来模拟真实的太阳光反射聚焦过程；微缩模拟反射镜与反射镜实物的形状、光学特性一致，其满足光学性能为：θ1=θ2，λ1/D1=λ2/D2，其中，θ1为太阳对反射镜实物中心形成的张角，λ1为太阳实测聚光光波波长；θ2为人工光源对微缩模拟反射镜中心形成的张角，λ2为人工光源模拟测量光光波波长。本发明微缩模型测试系统，既模拟整个镜场系统，又可尽量接近实际情况，同时也可作为展览、示范样机得到多方面的应用，具有结构小、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳反射镜聚光度模拟测试系统，尤其是一种几何及波长微缩模拟测试系统。
背景技术
目前的光热发电尚属初级开发阶段业，而对于前期的设计和理性及相关指标的验证只能采取计算机仿真或单个实物原型测量，用于模拟最常见的塔式、槽式、碟式光热聚焦收集过程。可以看出：计算机仿真可模拟整个系统工作是没问题的，但必定是理想化虚拟实验，实际误差是无法模拟的；而单个实物原型测量虽然真实性强，但无法模拟整个镜场系统，而且试验设备庞大操作相对麻烦。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种既模拟整个镜场系统，又可尽量接近实际情况的太阳反射镜聚光度微缩模拟测试系统。
为实现上述目的，本发明太阳反射镜聚光度微缩模拟测试系统，包括用于模拟太阳的人工光源、按几何比例缩小制成的若干个微缩模拟反射镜，通过人工光源及微缩模拟反射镜设计的光路结构来模拟真实的太阳光反射聚焦过程；微缩模拟反射镜与反射镜实物的形状、光学特性一致，其满足光学性能为：θ1＝θ2,λ1/D1＝λ2/D2，其中，θ1为太阳对反射镜实物中心形成的张角，λ1为太阳实测聚光光波波长；θ2为人工光源对微缩模拟反射镜中心形成的张角，λ2为人工光源模拟测量光光波波长。
进一步，所述光路结构为塔式光热聚焦结构、槽式光热聚焦结构或碟式光热聚焦结构。
进一步，所述模拟测试系统包括模拟光源部分，该模拟光源部分包括所述人工光源和光源移动支架，所述人工光源设置在光源移动支架上，通过调整光源移动支架的位置，模拟太阳随时间的具体位置、大小变化。
进一步，所述模拟测试系统包括跟踪反射部分，该跟踪反射部分包括若干个所述微缩模拟反射镜和模拟跟踪装置，该模拟跟踪装置驱动所述微缩模拟反射镜跟踪所述人工光源。
进一步，所述模拟测试系统还包括聚光塔部分，该聚光塔部分包括模拟塔架和模拟塔上装置，所述微缩模拟反射镜将所述人工光源的模拟测量光反射至模拟塔上装置上，形成聚焦光斑。
进一步，所述模拟塔上装置上设置有光频率及功率传感器，该光频率及功率传感器用于检测聚焦光斑的数据，并将采集数据上传到分析系统。
进一步，所述人工光源的发光孔径可以变化，来调节自身的光源大小，通过控制所述人工光源的大小来模拟所述太阳移动中大小的变化。
进一步，所述人工光源通过调整发光孔径的大小，保持对不同距离的所述微缩模拟反射镜的张角θ2恒定。
本发明微缩模型测试系统，既模拟整个镜场系统，又可尽量接近实际情况，同时也可作为展览、示范样机得到多方面的应用，具有结构小、成本低等优点。
附图说明
图1为槽式聚光反射结构示意图；
图2为塔式聚光反射结构示意图；
图3为太阳光源的张角模拟原理示意图；
图4为微缩模拟的人工光源的张角模拟原理示意图；
图5为反射镜实物波速宽度与波长、反射镜直径关系模拟示意图；
图6为微缩模拟样品波速宽度与波长、反射镜直径关系模拟示意图；
图7为塔式结构太阳反射镜聚光度模拟测试系统示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
本发明从以下三个方面模拟真实的太阳光反射聚焦过程：
一：对于太阳能聚光反射镜，要具有汇聚作用，其口径应是被反射波的波长，一般是波长的十倍以上，本案以十倍为例进行讨论，即微缩模拟时选择的波长为微缩模拟反射镜口径尺寸的十分之一。
二：在一定传播的距离上，不同波长具有不同的发散程度；其发散的角度等于波长与口径的比值再乘以一个系数，此系数与反射镜形状、制造误差、光学特性有关，而与波长和口径无关。微缩模拟时应保持发散的角度不变。即天线口径缩小几倍，被测波波长也要随之缩小几倍，两者比值保持不变。
三：太阳不是一点发光，作为光源对反射镜有一定张角。从反射镜看太阳，作为光源发光的太阳有圆形轮廓线，对反射镜中心形成一个张角。为得到按比例的微缩效果，就必须保持此张角不变，而微缩模拟装置的人工光源通过发光孔径的调整，保持对不同距离的微缩模拟反射镜的这个张角恒定。
本发明原理为：
1、反射聚焦的效率：
对于光热发电聚光使用的反射镜，关键在于聚光的焦斑尺寸与焦距的长度之比，其值越小越好，聚焦的质量越高。对于一定波长的光乃至电磁波，反射镜口径越大或被反射光波长越短，其反射聚焦效果越好；聚焦的效率和一个比值成正比，此比值为口径尺寸与波长的比。进而，当波长长度大于口径尺寸的十分之一时，聚焦效果开始随波长的增长迅速变差。
2、波速宽度与波长、反射镜直径：
这里设：α-波束宽度[°]、λ-波长[米]、D-反射镜直径[米]。根据光的传播和散射特性得到关系如下：
α＝1.22λ/D
可见，描述光的传播和散射特性的波速宽度与波长成正比、与反射镜直径成反比。相同形状而尺寸不同的反射镜在满足Kλ1＝D1，Kλ2＝D2后，(其中K为常数)有以下关系：
α1＝α2＝1.22/K；λ1/D1＝λ2/D2；λ1/λ2＝D1/D2
λ1、λ2分别表示太阳与微缩模拟的人工光源之波长，D1、D2分别表示实物与微缩模拟反射镜的直径。其意义是要保持波速宽度不变，就要保证太阳与微缩模拟的人工光源波长之比等于实物与微缩模拟反射镜直径之比，即上述所列的λ1/λ2＝D1/D2。
3、太阳光源的张角模拟
至于肉眼感觉中午与早晚、冬天与夏天太阳的大小不同，主要有两方面原因，其一是大气折射造成的太阳影像失真，另一方面则是日地的距离，同样也影响太阳的大小。在微缩模拟方法中可以通过控制人工光源的发光孔径来调节光源自身的大小，此举可以达到控制人工光源15大小以达到模拟太阳移动中大小的变化的目的。
如图1所示，槽式聚光反射结构示意图。包括槽式太阳能反射镜1，集热管2，小光斑3所围区域为短波长光线的汇聚区域，大光斑5所围区域为长波长光线汇聚区域，箭头4表示反射汇聚的光线。此处显示波长与聚焦效率成反比的关系。
如图2所示，塔式聚光反射结构示意图；包括塔架6、塔上装置7，若干用于塔式聚光的反射镜实物16。反射汇聚光线9汇聚于固定区域，在其中第二小光斑10所围区域为短波长光线的汇聚区域，第二大光斑11所围区域为长波长光线汇聚区域，此处亦显示波长与聚焦效率成反比的关系。
如图3所示，太阳光源的张角模拟原理示意图，太阳12不是一点发光，作为光源发光的太阳有圆形轮廓线，对反射镜实物16中心形成的一个张角θ1。如图4所示，微缩模拟的人工光源的张角模拟原理示意图，为得到按比例的微缩效果，需保证人工光源15保持对微缩模拟反射镜17中心形成的相应的张角θ2与实物一样，即θ1＝θ2。因此，这就要求微缩模拟装置的人工光源15通过发光孔径的调整满足上述条件。
如图5、图6所示，分别为反射镜实物及微缩模拟样品的波速宽度与波长、反射镜直径关系模拟示意图。要想模拟这一关系，首先需保证反射镜实物16与微缩模拟反射镜17的形状、光学特性一致，而制造误差尺寸也与缩小比例呈正比。此外，要求以下两个比值相等：α1=α2，其中α1为实测聚光光波波长λ1与反射镜实物16直径D1的比值，α2为微缩模拟测量光光波波长λ2与微缩模拟反射镜直径D2的比值。
如图7所示，以塔式为例的太阳反射镜聚光度微缩模拟测试系统结构示意图。整个装置设置于平台上，共包括三部分：按几何比例缩小并制成微缩模拟反射镜17，由人工光源15、光源移动支架18组成模拟光源部分；由模拟塔架26和模拟塔上装置27组成聚光塔部分；由若干个微缩模拟反射镜17和模拟跟踪装置(图中未示)组成跟踪反射部分。其中：模拟塔上装置27上设置有若干光频率及功率传感器(图中未示)，分布在区域P2内。
具体步骤为：首先通过人工光源15发光孔径、频率调整，以及光源移动支架18位置的变化，模拟太阳随时间的具体位置、大小变化。随后，若干个微缩模拟反射镜17在模拟跟踪装置(图中未示)的驱动下跟踪人工光源15，并将其光线反射至安装于模拟塔架26上的模拟塔上装置27上，所聚焦光线形成光斑区域P1，落在区域P2内，区域P2内设置光频率及功率传感器(图中未示)来采集数据、上传。本模拟装置通过人工光源15在张角θ2时发出波长为λ2的光，以及形成的光斑区域P1，来模拟实际太阳在张角θ1、实际太阳光波长λ1和实物反光镜所聚焦的第二大光斑11或第二小光斑10(图2所示)。
本发明中，通过人工光源15及微缩模拟反射镜17设计的光路结构来模拟真实的太阳光反射聚焦过程，该光路结构可为塔式光热聚焦结构、槽式光热聚焦结构或碟式光热聚焦结构，图7中即为塔式结构太阳反射镜聚光度模拟测试系统示意图，槽式光热聚焦结构或碟式光热聚焦结构均可根据图7所示来进行转换，本发明的微缩模拟测试系统均是以塔式光热聚焦结构、槽式光热聚焦结构或碟式光热聚焦结构为原型，按几何比例缩小制成，其只要满足光学性能：θ1＝θ2，λ1/D1＝λ2/D2即可。
Claims (8)
1.太阳反射镜聚光度微缩模拟测试系统，其特征在于，该微缩模拟测试系统包括用于模拟太阳的人工光源、按几何比例缩小制成的若干个微缩模拟反射镜，通过人工光源及微缩模拟反射镜设计的光路结构来模拟真实的太阳光反射聚焦过程；微缩模拟反射镜与反射镜实物的形状、光学特性一致，其满足光学性能为：θ1＝θ2，λ1/D1＝λ2/D2，其中，θ1为太阳对反射镜实物中心形成的张角，λ1为太阳实测聚光光波波长；θ2为人工光源对微缩模拟反射镜中心形成的张角，λ2为人工光源模拟测量光光波波长。
2.如权利要求1所述的微缩模拟测试系统，其特征在于，所述光路结构为塔式光热聚焦结构、槽式光热聚焦结构或碟式光热聚焦结构。
3.如权利要求2所述的微缩模拟测试系统，其特征在于，所述微缩模拟测试系统包括模拟光源部分，该模拟光源部分包括所述人工光源和光源移动支架，所述人工光源设置在光源移动支架上，通过调整光源移动支架的位置，模拟太阳随时间的具体位置、大小变化。
4.如权利要求2所述的微缩模拟测试系统，其特征在于，所述微缩模拟测试系统包括跟踪反射部分，该跟踪反射部分包括若干个所述微缩模拟反射镜和模拟跟踪装置，该模拟跟踪装置驱动所述微缩模拟反射镜跟踪所述人工光源。
5.如权利要求2所述的微缩模拟测试系统，其特征在于，所述微缩模拟测试系统还包括聚光塔部分，该聚光塔部分包括模拟塔架和模拟塔上装置，所述微缩模拟反射镜将所述人工光源的模拟测量光反射至模拟塔上装置上，形成聚焦光斑。
6.如权利要求5所述的微缩模拟测试系统，其特征在于，所述模拟塔上装置上设置有光频率及功率传感器，该光频率及功率传感器用于检测聚焦光斑的数据，并将采集数据上传到分析系统。
7.如权利要求2所述的微缩模拟测试系统，其特征在于，所述人工光源的发光孔径可以变化，来调节自身的光源大小，通过控制所述人工光源的大小来模拟所述太阳移动中大小的变化。
8.如权利要求2所述的微缩模拟测试系统，其特征在于，所述人工光源通过调整发光孔径的大小，保持对不同距离的所述微缩模拟反射镜的张角θ2恒定。
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