近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系助理教授林蒙團(tuán)隊(duì)獨(dú)立研發(fā)了具有現(xiàn)存最高峰值聚光比的太陽模擬器（人造太陽）系統(tǒng)。其最高可模擬4萬倍太陽輻射，展現(xiàn)出優(yōu)異的聚光特性以及靈活的可調(diào)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(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究。這項(xiàng)研究由南科大團(tuán)隊(duì)獨(dú)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(fā)表在能源領(lǐng)域著名期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews。

近年來，用于生產(chǎn)清潔燃料和太陽能發(fā)電的高溫太陽熱利用技術(shù)在解決當(dāng)前和未來的能源問題中發(fā)揮了重要的作用。太陽能的有效熱利用必須在高溫條件下進(jìn)行，因此需要獲得高能流密度的太陽能。通常，室外聚光設(shè)備（如碟式、塔式或槽式聚光器）可以提供高聚光比的能流密度，將太陽能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮堋㈦娔芑蛘呋瘜W(xué)能。但是自然太陽光的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性增加了實(shí)驗(yàn)的難度和成本，同時(shí)降低了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的40千瓦高能流密度太陽模擬器可提供在強(qiáng)度和光譜上接近自然陽光的聚光輻射環(huán)境，在尺寸、成本、操作靈活性、天氣獨(dú)立性和穩(wěn)定性方面具有不可替代的優(yōu)勢。該極端能流密度太陽模擬器可以實(shí)現(xiàn)對能流矢量的控制和精確調(diào)節(jié)，從而為各種轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存太陽能的方法研究以及材料合成或熱測試提供穩(wěn)定持續(xù)且不受時(shí)間、天氣和地域等條件制約的穩(wěn)定可控的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖1現(xiàn)存典型太陽模擬器的峰值能流密度對比圖

圖2高能流密度太陽模擬器系統(tǒng)實(shí)物圖以及勻光器的設(shè)計(jì)和實(shí)物圖

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的高能流密度太陽模擬器系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由4個(gè)輻射模組組成，每個(gè)模組由一個(gè)10千瓦氙燈和一個(gè)截?cái)鄼E球反射器組成，從氙燈發(fā)出的光線經(jīng)截?cái)鄼E球反射器反射后會(huì)聚到同一焦點(diǎn)上。經(jīng)間接法標(biāo)定，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)突破現(xiàn)有文獻(xiàn)紀(jì)錄的峰值能流密度（41.43 MW m-2），在50 mm半徑光斑范圍內(nèi)的接收功率為17.57 kW。中心輻射模組可以實(shí)現(xiàn)14.86 MW m-2的峰值能流密度，其余三個(gè)輻射模組的峰值能流密度分別為11.8 MW m-2、12.07 MW m-2以及8.23 MW m-2。四個(gè)輻射模組均可單獨(dú)或耦合運(yùn)行，可根據(jù)應(yīng)用需求控制靶面的物理位置以及不同輻射模塊運(yùn)行功率進(jìn)行靈活精確的調(diào)節(jié)。

圖3高能流密度太陽模擬器全功率運(yùn)行時(shí)能流密度分布及性能參數(shù)

由于入射角的隨機(jī)性，光線在反應(yīng)器/接收器內(nèi)傳播之后容易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)進(jìn)而損壞器件。為了更好地模擬真實(shí)太陽能聚光器的性能以及拓展太陽模擬器的應(yīng)用范圍，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)柱形勻光器對光線進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)光斑總均勻度提高達(dá)300%。接收表面存在1 cm2高度均勻區(qū)域，其平均能流密度為0.55 MW m-2，空間不均勻度僅為1.76%，達(dá)到ASTM標(biāo)準(zhǔn)A級（<2%），可以應(yīng)用于聚光太陽能光伏和光電化學(xué)等領(lǐng)域的研究。

圖4勻光器運(yùn)行工況下的能流分布以及均勻性分析圖

該論文第一作者為南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系碩士研究生黎杰揚(yáng)，第二作者為碩士研究生胡錦鵬，通訊作者為林蒙，南科大是論文第一單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金以及麻省理工學(xué)院和南方科技大學(xué)機(jī)械工程研究與教育中心的支持。

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