一種高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備，采用大功率高壓短弧氙燈來模擬太陽光；在垂直于中間燈軸線平面上，周圍均布六個燈，且其光軸與中間燈光軸成15°角；每個燈都配有一個橢球狀反射式聚光鏡，調(diào)節(jié)氙燈亮點位于聚光鏡的第一焦點，七個燈發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡反射，全部匯聚于第二焦點處。本實用新型所采用的氙燈功率大，光學(xué)對稱性好，可以通過調(diào)節(jié)亮燈的個數(shù)、燈的工作電流以及各燈到工作面的距離，來實現(xiàn)不同輻照面積下不同的輻照度。本實用新型能較好地模擬各種匯聚后的真實太陽輻照、為各種太陽能高品位利用研究提供可靈活操作的平臺。
【專利說明】一種高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型新能源【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]為解決日益嚴重的環(huán)境和能源短缺問題，需要積極地開發(fā)利用可再生能源技術(shù)，太陽能就是支撐我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的前瞻性、戰(zhàn)略性能源。太陽能比較分散，屬于低品位能源，而高效匯聚后的太陽能是太陽能的高品位利用。受時間、氣象及地域等條件限制，太陽能利用的研究也受到了限制。高參數(shù)、大功率的太陽模擬器亟待研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型為解決現(xiàn)在技術(shù)中的問題，提供一種高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備。它結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越、參數(shù)高、功率大，能實現(xiàn)不同輻照面積下不同的輻照度。
[0004]本實用新型采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0005]本實用新型一種高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備，它包括光學(xué)系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)連接，所述光學(xué)系統(tǒng)又與機械系統(tǒng)連接。
[0006]所述光學(xué)系統(tǒng)包括七個相同的燈單元和相配的氙燈調(diào)節(jié)裝置，所述七個燈單元布置采用在垂直于中間燈單元的軸線平面上，周圍六個燈60°弧度均布，形成均布的梅花瓣狀。
[0007]所述每個燈單元包括一個氙燈和相配的聚光鏡，每個氙燈通過自身陰極端卡裝在氣燈調(diào)節(jié)裝置的前端。
[0008]所述聚光鏡為橢球狀反射式，其尾部通過螺紋連接在氙燈調(diào)節(jié)裝置的尾部端上，所述氙燈調(diào)節(jié)裝置的前端又通過螺栓連接固定在支撐臺上，所述支撐臺通過槽道以及螺栓固定在可移動的支架上，所述支架與滑軌通過滑軌的槽道連接在一起，滑軌固定在支撐架上，支撐架固定在托架上，托架固定在底座上。
[0009]所述七個燈單元分別裝配有七個分風(fēng)機，并相鄰于相應(yīng)的氙燈調(diào)節(jié)裝置的尾部，所述每個分風(fēng)機上有五個出風(fēng)口，通過軟管分別與氙燈調(diào)節(jié)裝置以及四個冷卻風(fēng)管連接，四個冷卻風(fēng)管兩兩相對，布置在聚光鏡的近鏡口周邊，冷卻風(fēng)管通過冷卻風(fēng)管支架上的圓孔固定在近鏡口周邊；所述分風(fēng)機固定在分風(fēng)機支架上，分風(fēng)機支架通過螺栓固定在支架上。
[0010]所述機械系統(tǒng)主要包括電纜支架、冷卻風(fēng)管支架、支架、滑軌以及托架；所述電纜支架通過凹槽使用螺栓連接卡在聚光鏡的近鏡口邊緣上，并與電源連接，七個支架分別與七個滑軌通過滑軌內(nèi)的槽道連接，每個燈單元、分風(fēng)機以及氙燈調(diào)節(jié)裝置作為一個整體可以在各自的滑軌上穩(wěn)定移動；周邊七個滑軌通過螺栓以與中間滑軌夾角均為15°的角度固定在托架上。
[0011]所述冷卻系統(tǒng)包括分風(fēng)機、氙燈調(diào)節(jié)裝置以及冷卻風(fēng)管，所述分風(fēng)機總共有七個，進風(fēng)口 一端與從風(fēng)室出來的七個風(fēng)道連接，其五個出風(fēng)口分別與燈單元的五個進風(fēng)口連接，燈單元的五個進風(fēng)口位于四個冷卻風(fēng)管以及氙燈調(diào)節(jié)裝置上。
[0012]所述大功率氙燈為大功率的高壓短弧氙燈。
[0013]所述氙燈亮點位于橢球聚光鏡的第一焦點處，七個燈發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡精確高效反射，全部高效匯聚于聚光鏡的第二焦點處。
[0014]所述周圍的六個燈其光軸與中間燈光軸成15°角；每個燈均可沿光軸方向移動。
[0015]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下顯著的優(yōu)點:
[0016]本實用新型的光學(xué)設(shè)備，采用七只高壓短弧氙燈，七只燈高效匯聚于一點，而且，光學(xué)對稱性好，可通過調(diào)節(jié)亮燈的個數(shù)、燈的工作電流以及各燈到工作面的距離，來實現(xiàn)不同輻照面積下不同的輻照度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型裝置的結(jié)構(gòu)主視圖。
[0018]圖2為本實用新型裝置的結(jié)構(gòu)右視圖。
[0019]圖3為大功率的高壓短弧氙燈結(jié)構(gòu)示意圖
[0020]圖4冷卻系統(tǒng)原理圖。
[0021]圖5燈陣布置原理示意圖
[0022]圖中各部件說明:
[0023]1、大功率氙燈；2、冷卻風(fēng)管；3、冷卻風(fēng)管支架；4、聚光鏡；5、電纜支架；6、支撐臺；
7、氙燈調(diào)節(jié)裝置；8、分風(fēng)機；9、分風(fēng)機支架；10、支架；11、滑軌；12、支撐架；13、托架；14、底座；15、泡殼；16、陽極；17、陰極；18、氙氣。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0025]參見圖1?圖5。
[0026]本實用新型一種高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備，它包括光學(xué)系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)連接，所述光學(xué)系統(tǒng)又與機械系統(tǒng)連接。
[0027]所述光學(xué)系統(tǒng)包括七個相同的燈單元和相配的氙燈調(diào)節(jié)裝置7，所述七個燈單元布置采用在垂直于中間燈單元的軸線平面上，周圍六個燈60°弧度均布，形成均布的梅花瓣狀。
[0028]所述每個燈單元包括一個氙燈I和相配的聚光鏡4，每個氙燈通過自身陰極端卡裝在氙燈調(diào)節(jié)裝置7的前端。
[0029]所述聚光鏡4為橢球狀反射式，其尾部通過螺紋連接在氙燈調(diào)節(jié)裝置7的尾部端上，所述氙燈調(diào)節(jié)裝置7的前端又通過螺栓連接固定在支撐臺6上，所述支撐臺6通過槽道以及螺栓固定在可移動的支架10上，所述支架10與滑軌11通過滑軌11的槽道連接在一起，滑軌11固定在支撐架12上，支撐架12固定在托架13上，托架13固定在底座14上。
[0030]所述七個燈單元分別裝配有七個分風(fēng)機8，并相鄰于相應(yīng)的氙燈調(diào)節(jié)裝置7的尾部，所述每個分風(fēng)機8上有五個出風(fēng)口，通過軟管分別與氙燈調(diào)節(jié)裝置7以及四個冷卻風(fēng)管2連接，四個冷卻風(fēng)管兩兩相對，布置在聚光鏡的近鏡口周邊，冷卻風(fēng)管2通過冷卻風(fēng)管支架3上的圓孔固定在近鏡口周邊；所述分風(fēng)機8固定在分風(fēng)機支架9上，分風(fēng)機支架9通過螺栓固定在支架10上。
[0031]所述機械系統(tǒng)主要包括電纜支架5、冷卻風(fēng)管支架3、支架10、滑軌11以及托架13 ;所述電纜支架5通過凹槽使用螺栓連接卡在聚光鏡4的近鏡口邊緣上，并與電源連接，七個支架10分別與七個滑軌11通過滑軌內(nèi)的槽道連接，每個燈單元、分風(fēng)機8以及氙燈調(diào)節(jié)裝置7作為一個整體可以在各自的滑軌上穩(wěn)定移動；周邊七個滑軌通過螺栓以與中間滑軌夾角均為15°的角度固定在托架13上。
[0032]所述冷卻系統(tǒng)包括分風(fēng)機8、氙燈調(diào)節(jié)裝置7以及冷卻風(fēng)管2，所述分風(fēng)機8總共有七個，進風(fēng)口 一端與從風(fēng)室出來的七個風(fēng)道連接，其五個出風(fēng)口分別與燈單元的五個進風(fēng)口連接，燈單元的五個進風(fēng)口位于四個冷卻風(fēng)管2以及氙燈調(diào)節(jié)裝置7上。
[0033]所述氙燈2為大功率的高壓短弧氙燈。
[0034]所述氙燈亮點位于橢球聚光鏡的第一焦點處，七個燈發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡精確高效反射，全部高效匯聚于聚光鏡的第二焦點處。
[0035]所述周圍的六個燈其光軸與中間燈光軸成15°角；每個燈均可沿光軸方向移動。
[0036]本實用新型具體由光學(xué)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)組成:(I)光學(xué)系統(tǒng)由燈單元及其輔助機械結(jié)構(gòu)組成。燈單元主要由大功率氙燈、聚光鏡、氙燈調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)以及冷卻設(shè)備組成，它是燈室乃至整個太陽模擬器中的關(guān)鍵部件之一。(2)冷卻系統(tǒng)由空氣過濾器、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、風(fēng)機和通風(fēng)管道組成。(3)機械系統(tǒng)包括燈陣的安裝工作臺、底座、燈單元移動部件等組成。
[0037]各系統(tǒng)功能簡介:
[0038]光學(xué)系統(tǒng):主要由大功率氙燈1、聚光鏡4、氙燈調(diào)節(jié)裝置7、分風(fēng)機8和冷卻風(fēng)管2組成；大功率氙燈I的結(jié)構(gòu)，如圖3，它主要包括陽極16、陰極17、泡殼15以及氙氣18，所述陽極16、陰極17在泡殼內(nèi)，導(dǎo)線及其保護套在泡殼外；聚光鏡4采用橢球反射式鏡，通過氙燈調(diào)節(jié)裝置7使氙燈光軸與聚光鏡光軸重合，并且使氙燈發(fā)光中心位于在聚光鏡的第一焦點處，同時實現(xiàn)大功率氙燈I和聚光鏡4的支撐；氙燈的冷卻包括兩部分:氙燈陰陽極和氙燈泡殼，均采用風(fēng)冷，分風(fēng)機8在分風(fēng)機支架9上，然后固定在支架10上，每個分風(fēng)機8上有五個出風(fēng)口，通過軟管分別與氙燈調(diào)節(jié)裝置7以及四個冷卻風(fēng)管2連接，進入氙燈調(diào)節(jié)裝置7的風(fēng)用來冷卻氙燈的陰極，四個冷卻風(fēng)管中兩對相對風(fēng)管分別用來冷卻燈的陽極和泡殼。
[0039]冷卻系統(tǒng):冷卻系統(tǒng)是太陽模擬器的一個重要分系統(tǒng)，主要用于太陽模擬設(shè)備大功率氙燈1、聚光鏡4以及試驗環(huán)境等的冷卻。在風(fēng)機的作用下，一部分空氣經(jīng)風(fēng)機經(jīng)過干燥除塵進入風(fēng)室，在風(fēng)室，與適量的回風(fēng)混合以達到所需冷卻空氣的溫度，之后通過七個風(fēng)道分別進入分風(fēng)機8對燈單元進行冷卻，最后由風(fēng)機將熱風(fēng)從試驗設(shè)備排風(fēng)口抽出并排出室外，為了保證冷卻空氣的溫度在燈的安全要求范圍內(nèi)，采用回風(fēng)來控制風(fēng)室空氣溫度；還有另外一部分空氣經(jīng)過過濾后從風(fēng)室外殼直接進入風(fēng)室，對聚光鏡外部以及燈室外殼進行冷卻，最后由風(fēng)機同上部分熱風(fēng)一起從試驗設(shè)備排風(fēng)口抽出并排出室外，如圖4。
[0040]機械系統(tǒng):機械系統(tǒng)用于燈單元陣列的空間安裝和排布，以及燈單元沿軸線的定向移動。氙燈電源電纜全部通過所述電纜支架4與電源連接，冷卻風(fēng)管支架3與電纜支架5為一體，電纜支架5與聚光鏡4連接，支架10與滑軌11通過滑軌內(nèi)的槽道連接，因此各個燈單元、分風(fēng)機8以及氙燈調(diào)節(jié)裝置7作為一個整體可以在各自的滑軌11上穩(wěn)定移動，從而保證燈單元沿軸線的定向移動；七個滑軌按照燈的布置要求以不同角度固定在托架13上，從而實現(xiàn)七個燈燈陣的準(zhǔn)確布置，如圖5。
[0041]電控系統(tǒng)可以使用現(xiàn)有技術(shù)中的控制方法，主要包括燈單元運動控制、冷卻系統(tǒng)控制、電源控制等。燈單元運動控制由計算機圖形界面來設(shè)定模擬器燈單元的方位及平移運動的速度與位移大小，此指令發(fā)送給運動控制器后，控制器控制選定的電機按照設(shè)定方式進行運動，從而控制燈單元的位移和速度；冷卻系統(tǒng)控制是直接從氙燈陽極采集溫度作為反饋信號來控制風(fēng)機的送風(fēng)流量，從而控制進入燈單元的冷卻風(fēng)量，來滿足氙燈的冷卻要求。電源控制是根據(jù)不同實驗要求來控制各燈單元的開啟、關(guān)閉以及電流變化。
[0042]本實用新型裝置的工作過程:
[0043]電源接通后，高壓氙氣18在陽極16和陰極17產(chǎn)生的高電壓的觸發(fā)下發(fā)出類似于太陽光譜的光線，通過氙燈調(diào)節(jié)裝置7調(diào)節(jié)大功率氙燈I的發(fā)光亮點位于高精度橢球反射式聚光鏡4的第一焦點，這樣氙燈發(fā)出的光被高效匯聚于聚光鏡的第二焦點，七個燈單元以梅花瓣狀形成排成陣列，周圍六個燈與中間燈軸線之間的夾角均為15°，并且各燈光軸連線均通過聚光鏡的第二焦點，因此各燈的光線在聚光鏡的第二焦點處進行均勻的疊加，從而形成高輻照度面積確定的圓形光斑，通過調(diào)節(jié)亮燈的個數(shù)以及燈的電流來實現(xiàn)不同的輻照度。固定在支架10上的燈單元沿滑軌11進行軸向移動，通過燈單元在陣列中位置的變化來實現(xiàn)在聚光鏡的第二焦點形成輻照面積、輻照度均可改變的圓形光斑。大功率氙燈
1、聚光鏡4加工難度高、精密度高，并且氙燈在發(fā)光時發(fā)熱量非常大，同時聚光鏡的精度對溫度、雜質(zhì)十分敏感，因此采用通過高效除濕過濾后的合適溫度的空氣通過分風(fēng)機6進入氙燈調(diào)節(jié)裝置7以及冷卻風(fēng)管2，分別對燈陰陽極、泡殼15以及聚光鏡4進行冷卻，七個燈單元分別冷卻，然后再通過對燈陣列工作環(huán)境的冷卻，便可保證氙燈、聚光鏡長時間高精度穩(wěn)定安全運行。
【權(quán)利要求】
1.一種高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備，其特征是，它包括光學(xué)系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)連接，所述光學(xué)系統(tǒng)又與機械系統(tǒng)連接； 所述光學(xué)系統(tǒng)包括七個相同的燈單元和相配的氙燈調(diào)節(jié)裝置(7)，所述七個燈單元布置采用在垂直于中間燈單元的軸線平面上，周圍六個燈60°弧度均布，形成均布的梅花瓣狀； 所述每個燈單元包括一個大功率氙燈(I)和相配的聚光鏡(4)，每個氙燈通過自身陰極端卡裝在氣燈調(diào)節(jié)裝置(7)的前端。 所述聚光鏡(4)為橢球狀反射式，其尾部通過螺紋連接在氙燈調(diào)節(jié)裝置(7)的尾部端上，所述氙燈調(diào)節(jié)裝置(7)的前端又通過螺栓連接固定在支撐臺(6)上，所述支撐臺(6)通過槽道以及螺栓固定在可移動的支架(10)上，所述支架(10)與滑軌(11)通過滑軌(11)的槽道連接在一起，滑軌(11)固定在支撐架(12)上，支撐架(12)固定在托架(13)上，托架(13)固定在底座(14)上； 所述七個燈單元分別裝配有七個分風(fēng)機(8)，并相鄰于相應(yīng)的氙燈調(diào)節(jié)裝置(7)的尾部，所述每個分風(fēng)機(8)上有五個出風(fēng)口，通過軟管分別與氙燈調(diào)節(jié)裝置(7)以及四個冷卻風(fēng)管(2)連接，四個冷卻風(fēng)管兩兩相對，布置在聚光鏡的近鏡口周邊，冷卻風(fēng)管(2)通過冷卻風(fēng)管支架(3)上的圓孔固定在近鏡口周邊；所述分風(fēng)機(8)固定在分風(fēng)機支架(9)上，分風(fēng)機支架(9)通過螺栓固定在支架(10)上； 所述機械系統(tǒng)主要包括電纜支架(5)、冷卻風(fēng)管支架(3)、支架(10)、滑軌(11)以及托架(13);所述電纜支架(5)通過凹槽使用螺栓連接卡在聚光鏡(4)的近鏡口邊緣上，并與電源連接，七個支架(10 )分別與七個滑軌(11)通過滑軌內(nèi)的槽道連接，每個燈單元、分風(fēng)機(8)以及氙燈調(diào)節(jié)裝置(7)作為一個整體可以在各自的滑軌上穩(wěn)定移動；周邊七個滑軌通過螺栓以與中間滑軌夾角均為15°的角度固定在托架(13)上。 所述冷卻系統(tǒng)包括分風(fēng)機(8)、氙燈調(diào)節(jié)裝置(7)以及冷卻風(fēng)管(2)，所述分風(fēng)機(8)總共有七個，進風(fēng)口一端與從風(fēng)室出來的七個風(fēng)道連接，其五個出風(fēng)口分別與燈單元的五個進風(fēng)口連接，燈單元的五個進風(fēng)口位于四個冷卻風(fēng)管(2)以及氙燈調(diào)節(jié)裝置(7)上。
2.如權(quán)利要求1所述的高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備系統(tǒng)，其特征是，所述大功率氙燈(I)為大功率的高壓短弧氙燈。
3.如權(quán)利要求1所述的高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備系統(tǒng)，其特征是，所述氙燈亮點位于橢球聚光鏡的第一焦點處，七個燈發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡精確高效反射，全部高效匯聚于聚光鏡的第二焦點處。
4.如權(quán)利要求1所述的高度匯聚的大功率可調(diào)太陽模擬設(shè)備系統(tǒng)，其特征是，所述周圍的六個燈其光軸與中間燈光軸成15°角；每個燈均可沿光軸方向移動。
【文檔編號】F21V14/04GK203585846SQ201320576642
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】郭麗霞, 李海華 申請人:河北科技大學(xué)