CN103486470B - 一种高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备系统，采用大功率高压短弧氙灯来模拟太阳光；在垂直于中间灯轴线平面上，周围均布六个灯，且其光轴与中间灯光轴成15°角；每个灯都配有一个椭球状反射式聚光镜，调节氙灯亮点位于聚光镜的第一焦点，七个灯发出的光线经聚光镜反射，全部汇聚于第二焦点处。本发明所采用的氙灯功率大，光学对称性好，可以通过调节亮灯的个数、灯的工作电流以及各灯到工作面的距离，来实现不同辐照面积下不同的辐照度。本发明能较好地模拟各种汇聚后的真实太阳辐照、为各种太阳能高品位利用研究提供可灵活操作的平台。
Description
技术领域
本发明新能源技术领域，具体涉及一种高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备。
背景技术
为解决日益严重的环境和能源短缺问题，需要积极地开发利用可再生能源技术，太阳能就是支撑我国国民经济可持续发展的前瞻性、战略性能源。太阳能比较分散，属于低品位能源，而高效汇聚后的太阳能是太阳能的高品位利用。受时间、气象及地域等条件限制，太阳能利用的研究也受到了限制。高参数、大功率的太阳模拟器亟待研究。
发明内容
本发明为解决现在技术中的问题，提供一种高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备。它结构合理、性能优越、参数高、功率大，能实现不同辐照面积下不同的辐照度。
本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明一种高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备，它包括光学系统、机械系统和冷却系统，所述冷却系统与光学系统连接，所述光学系统又与机械系统连接。
所述光学系统包括七个相同的灯单元和相配的氙灯调节装置，所述七个灯单元布置采用在垂直于中间灯单元的轴线平面上，周围六个灯60°弧度均布，形成均布的梅花瓣状。
所述每个灯单元包括一个氙灯和相配的聚光镜，每个氙灯通过自身阴极端卡装在氙灯调节装置的前端。
所述聚光镜为椭球状反射式，其尾部通过螺纹连接在氙灯调节装置的尾部端上，所述氙灯调节装置的前端又通过螺栓连接固定在支撑台上，所述支撑台通过槽道以及螺栓固定在可移动的支架上，所述支架与滑轨通过滑轨的槽道连接在一起，滑轨固定在支撑架上，支撑架固定在托架上，托架固定在底座上。
所述七个灯单元分别装配有七个分风机，并相邻于相应的氙灯调节装置的尾部，所述每个分风机上有五个出风口，通过软管分别与氙灯调节装置以及四个冷却风管连接，四个冷却风管两两相对，布置在聚光镜的近镜口周边，冷却风管通过冷却风管支架上的圆孔固定在近镜口周边；所述分风机固定在分风机支架上，分风机支架通过螺栓固定在支架上。
所述机械系统主要包括电缆支架、冷却风管支架、支架、滑轨以及托架；所述电缆支架通过凹槽使用螺栓连接卡在聚光镜的近镜口边缘上，并与电源连接，七个支架分别与七个滑轨通过滑轨内的槽道连接，每个灯单元、分风机以及氙灯调节装置作为一个整体可以在各自的滑轨上稳定移动；周边七个滑轨通过螺栓以与中间滑轨夹角均为15°的角度固定在托架上。
所述风冷系统包括分风机、氙灯调节装置以及冷却风管，所述分风机总共有七个，进风口一端与从风室出来的七个风道连接，其五个出风口分别与灯单元的五个进风口连接，灯单元的五个进风口位于四个冷却风管以及氙灯调节装置上。
所述氙灯为大功率的高压短弧氙灯。
所述氙灯亮点位于聚光镜的第一焦点处，七个灯发出的光线经聚光镜精确高效反射，全部高效汇聚于聚光镜的第二焦点处。
所述周围的六个灯其光轴与中间灯光轴成15°角；每个灯均可沿光轴方向移动。
本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：
本发明的光学设备，采用七只高压短弧氙灯，七只灯高效汇聚于一点，而且，光学对称性好，可通过调节亮灯的个数、灯的工作电流以及各灯到工作面的距离，来实现不同辐照面积下不同的辐照度。
附图说明
图1为本发明装置的结构主视图。
图2为本发明装置的结构右视图。
图3为大功率的高压短弧氙灯结构示意图
图4风冷系统原理图。
图5灯阵布置原理示意图
图中各部件说明：
1、氙灯；2、冷却风管；3、冷却风管支架；4、聚光镜；5、电缆支架；6、支撑台；7、氙灯调节装置；8、分风机；9、分风机支架；10、支架；11、滑轨；12、支撑架；13、托架；14、底座；15、泡壳；16、阳极；17、阴极；18、氙气。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1～图5。
本发明一种高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备，它包括光学系统、机械系统和冷却系统，所述冷却系统与光学系统连接，所述光学系统又与机械系统连接。
所述光学系统包括七个相同的灯单元和相配的氙灯调节装置7，所述七个灯单元布置采用在垂直于中间灯单元的轴线平面上，周围六个灯60°弧度均布，形成均布的梅花瓣状。
所述每个灯单元包括一个氙灯1和相配的聚光镜4，每个氙灯通过自身阴极端卡装在氙灯调节装置7的前端。
所述聚光镜4为椭球状反射式，其尾部通过螺纹连接在氙灯调节装置7的尾部端上，所述氙灯调节装置7的前端又通过螺栓连接固定在支撑台6上，所述支撑台6通过槽道以及螺栓固定在可移动的支架10上，所述支架10与滑轨11通过滑轨11的槽道连接在一起，滑轨11固定在支撑架12上，支撑架12固定在托架13上，托架13固定在底座14上。
所述七个灯单元分别装配有七个分风机8，并相邻于相应的氙灯调节装置7的尾部，所述每个分风机8上有五个出风口，通过软管分别与氙灯调节装置7以及四个冷却风管2连接，四个冷却风管两两相对，布置在聚光镜的近镜口周边，冷却风管2通过冷却风管支架3上的圆孔固定在近镜口周边；所述分风机8固定在分风机支架9上，分风机支架9通过螺栓固定在支架10上。
所述机械系统主要包括电缆支架5、冷却风管支架9、支架10、滑轨11以及托架13；所述电缆支架5通过凹槽使用螺栓连接卡在聚光镜4的近镜口边缘上，并与电源连接，七个支架10分别与七个滑轨11通过滑轨内的槽道连接，每个灯单元、分风机8以及氙灯调节装置7作为一个整体可以在各自的滑轨上稳定移动；周边七个滑轨通过螺栓以与中间滑轨夹角均为15°的角度固定在托架13上。
所述风冷系统包括分风机8、氙灯调节装置7以及冷却风管2，所述分风机8总共有七个，进风口一端与从风室出来的七个风道连接，其五个出风口分别与灯单元的五个进风口连接，灯单元的五个进风口位于四个冷却风管2以及氙灯调节装置7上。
所述氙灯1为大功率的高压短弧氙灯。
所述氙灯亮点位于聚光镜的第一焦点处，七个灯发出的光线经聚光镜精确高效反射，全部高效汇聚于聚光镜的第二焦点处。
所述周围的六个灯其光轴与中间灯光轴成15°角；每个灯均可沿光轴方向移动。
本发明具体由光学系统、冷却系统、机械系统和电控系统组成结构组成：(1)光学系统由灯单元及其辅助机械结构组成。灯单元主要由氙灯、聚光镜、氙灯调节结构以及冷却设备组成,它是灯室乃至整个太阳模拟器中的关键部件之一。(2)风冷系统由空气过滤器、风量调节阀、风机和通风管道组成。(3)机械系统包括灯阵的安装工作台、底座、灯单元移动部件等组成。
各系统功能简介：
光学系统：主要由氙灯1、聚光镜4、氙灯调节装置7、分风机8和冷却风管2组成；氙灯1的结构，如图3，它主要包括阳极16、阴极17、泡壳15以及氙气18，所述阳极16、阴极17在泡壳内，导线及其保护套在泡壳外；聚光镜4采用椭球反射式镜，通过氙灯调节装置7使氙灯光轴与聚光镜光轴重合，并且使氙灯发光中心位于在聚光镜的第一焦点处，同时实现氙灯1和聚光镜4的支撑；氙灯的冷却包括两部分:氙灯阴阳极和氙灯泡壳，均采用风冷，分风机8在分风机支架9上，然后固定在支架10上，每个分风机8上有五个出风口，通过软管分别与氙灯调节装置7以及四个冷却风管2连接，进入氙灯调节装置7的风用来冷却氙灯的阴极，四个冷却风管中两对相对风管分别用来冷却灯的阳极和泡壳。
冷却系统：冷却系统是太阳模拟器的一个重要分系统，主要用于太阳模拟设备氙灯1、聚光镜4以及试验环境等的冷却。在风机的作用下，一部分空气经风机经过干燥除尘进入风室，在风室，与适量的回风混合以达到所需冷却空气的温度，之后通过七个风道分别进入分风机8对灯单元进行冷却，最后由风机将热风从试验设备排风口抽出并排出室外，为了保证冷却空气的温度在灯的安全要求范围内，采用回风来控制风室空气温度；还有另外一部分空气经过过滤后从风室外壳直接进入风室，对聚光镜外部以及灯室外壳进行冷却，最后由风机同上部分热风一起从试验设备排风口抽出并排出室外，如图4。
机械系统：机械系统用于灯单元阵列的空间安装和排布，以及灯单元沿轴线的定向移动。氙灯电源电缆全部通过所述电缆支架4与电源连接，冷却风管支架3与电缆支架5为一体，电缆支架5与聚光镜4连接，支架10与滑轨11通过滑轨内的槽道连接，因此各个灯单元、分风机8以及氙灯调节装置7作为一个整体可以在各自的滑轨11上稳定移动，从而保证灯单元沿轴线的定向移动；七个滑轨按照灯的布置要求以不同角度固定在托架13上，从而实现七个灯灯阵的准确布置，如图5。
电控系统可以使用现有技术中的控制方法，主要包括灯单元运动控制、冷却系统控制、电源控制等。灯单元运动控制由计算机图形界面来设定模拟器灯单元的方位及平移运动的速度与位移大小，此指令发送给运动控制器后，控制器控制选定的电机按照设定方式进行运动，从而控制灯单元的位移和速度；冷却系统控制是直接从氙灯阳极采集温度作为反馈信号来控制风机的送风流量，从而控制进入灯单元的冷却风量，来满足氙灯的冷却要求。电源控制是根据不同实验要求来控制各灯单元的开启、关闭以及电流变化。
本发明装置的工作过程：
电源接通后，高压氙气18在阳极16和阴极17产生的高电压的触发下发出类似于太阳光谱的光线，通过氙灯调节装置7调节氙灯1的发光亮点位于高精度椭球反射式聚光镜4的第一焦点，这样氙灯发出的光被高效汇聚于聚光镜的第二焦点，七个灯单元以梅花瓣状形成排成阵列，周围六个灯与中间灯轴线之间的夹角均为15°，并且各灯光轴连线均通过聚光镜的第二焦点，因此各灯的光线在聚光镜的第二焦点处进行均匀的叠加，从而形成高辐照度面积确定的圆形光斑，通过调节亮灯的个数以及灯的电流来实现不同的辐照度。固定在支架10上的灯单元沿滑轨11进行轴向移动，通过灯单元在阵列中位置的变化来实现在聚光镜的第二焦点形成辐照面积、辐照度均可改变的圆形光斑。氙灯1、聚光镜4加工难度高、精密度高，并且氙灯在发光时发热量非常大，同时聚光镜的精度对温度、杂质十分敏感，因此采用通过高效除湿过滤后的合适温度的空气通过分风机6进入氙灯调节装置7以及冷却风管2，分别对灯阴阳极、泡壳15以及聚光镜4进行冷却，七个灯单元分别冷却，然后再通过对灯阵列工作环境的冷却，便可保证氙灯、聚光镜长时间高精度稳定安全运行。
Claims (4)
1.一种高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备，其特征是，它包括光学系统、机械系统和冷却系统，所述冷却系统与光学系统连接，所述光学系统又与机械系统连接；
所述光学系统包括七个相同的灯单元和相配的氙灯调节装置(7)，所述七个灯单元布置采用在垂直于中间灯单元的轴线平面上，周围六个灯60°弧度均布，形成均布的梅花瓣状；
所述每个灯单元包括一个氙灯(1)和相配的聚光镜(4)，每个氙灯通过自身阴极端卡装在氙灯调节装置(7)的前端；
所述聚光镜(4)为椭球状反射式，其尾部通过螺纹连接在氙灯调节装置(7)的尾部端上，所述氙灯调节装置(7)的前端又通过螺栓连接固定在支撑台(6)上，所述支撑台(6)通过槽道以及螺栓固定在可移动的支架(10)上，所述支架(10)与滑轨(11)通过滑轨(11)的槽道连接在一起，滑轨(11)固定在支撑架(12)上，支撑架(12)固定在托架(13)上，托架(13)固定在底座(14)上；
所述七个灯单元分别装配有七个分风机(8)，并相邻于相应的氙灯调节装置(7)的尾部，所述每个分风机(8)上有五个出风口，通过软管分别与氙灯调节装置(7)以及四个冷却风管(2)连接，四个冷却风管两两相对，布置在聚光镜的近镜口周边，冷却风管(2)通过冷却风管支架(3)上的圆孔固定在近镜口周边；所述分风机(8)固定在分风机支架(9)上，分风机支架(9)通过螺栓固定在支架(10)上；
所述机械系统主要包括电缆支架(5)、冷却风管支架(9)、支架(10)、滑轨(11)以及托架(13)；所述电缆支架(5)通过凹槽使用螺栓连接卡在聚光镜(4)的近镜口边缘上，并与电源连接，七个支架(10)分别与七个滑轨(11)通过滑轨内的槽道连接，每个灯单元、分风机(8)以及氙灯调节装置(7)作为一个整体可以在各自的滑轨上稳定移动；周边七个滑轨通过螺栓以与中间滑轨夹角均为15°的角度固定在托架(13)上；
所述风冷系统包括分风机(8)、氙灯调节装置(7)以及冷却风管(2)，所述分风机(8)总共有七个，进风口一端与从风室出来的七个风道连接，其五个出风口分别与灯单元的五个进风口连接，灯单元的五个进风口位于四个冷却风管(2)以及氙灯调节装置(7)上。
2.如权利要求1所述的高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备系统，其特征是，所述氙灯(1)为大功率的高压短弧氙灯。
3.如权利要求1所述的高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备系统，其特征是，所述氙灯亮点位于聚光镜(4)的第一焦点处，七个灯发出的光线经聚光镜(4)精确高效反射，全部高效汇聚于聚光镜的第二焦点处。
4.如权利要求1所述的高度汇聚的大功率可调太阳模拟设备系统，其特征是，所述周围的六个灯其光轴与中间灯光轴成15°角；每个灯均可沿光轴方向移动。
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