塔式太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度的检测方法

提出了一种新型的基于间接测量原理的塔式太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度的检测方法。该方法不需要使用量热计或能流密度探测器,使测量过程得以简化。利用同一部相机,在完全相同的相机参数设置下,拍摄太阳和聚焦光斑的图像,根据当前的太阳直射辐射值,标定相机的像素灰度值与聚焦光斑能流密度值的比例因子,进而得出聚焦光斑的能流密度分布。详细阐述了该方法的测量原理,搭建了实验平台,并测量了一面小定日镜聚焦光斑的能流密度分布,验证了该方法的正确性和可行性。实验结果表明,该方法测得的峰值能流的相对误差小于5%,而系统的重复性误差约为1%。     

强激光远场光束质量参数的测试

 提出漫射红外成像-多点标校测量方法,用于测量强激光远场光束质量参数。在激光远场距离处设置漫反射靶板,用成像探测器摄取经靶面漫射的脉冲强激光光斑图像;在靶面中心处挖小孔,孔后放置能量探测器实时测量激光脉宽和峰值功率。同时对整个激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场脉冲强激光的实际空间能量/功率分布、总能量,以及相应的光束质量参数。应用该测量方法,对高能TEA CO₂激光进行测量研究,测得其远场光束截面半径为80.2 mm,发散角为1.55 mrad。     

探测器点阵法测量激光光斑参数的仿真

 仿真分析了用均匀分布的探测器点阵测量激光光斑方法中,探测器灵敏度的线性工作动态范围,灵敏度的一致性差异,点阵间距等参数和光斑质心位置的测量误差,光束总能量的测量误差,以及光斑的分布等。仿真结果表明,当探测器灵敏度的一致性差异小于10％,线性工作范围的动态范围大于30dB,点阵间距小于光斑直径的1/5时,光束总能量的误差小于6％,光斑质心位置的测量误差小于光斑直径的2％,拟合的光斑分布和实际光斑分布比较接近。     

旋转抛物面聚光器焦面能流分布的有限元分析

提出一种计算太阳能聚光器聚光焦斑能流密度分布的新方法。在考虑太阳形状、聚光器表面形状误差、跟踪误差、接收器位置误差、漫反射及接收器遮挡作用等各项光学误差和影响因素的基础上,结合旋转抛物面聚光器的光学特性,采用有限元法对焦面能流密度分布进行计算,并与文献中的结果进行比较,证明了该方法的正确性和可行性。同时又对半球形接收器和圆柱形接收器进行了实例计算,结果表明该方法不受聚光器或接收器面型的限制,算法简单,通用性也较强,从而为系统的优化设计和能流密度的测量奠定基础。     

波带片离焦量和非单色光对光斑的影响

考虑了波带片在离焦和非单色光照明条件下的光斑特性，通过数值计算，得到了在不同离焦量时光强分布曲线、光斑大小、以及特定范围内总能量随离焦量的变化；同时得到不同带宽的光强分布曲线、光斑半径随带的变化曲线。并研究了用于软Ｘ光扫描显微镜的聚焦波带片允许的离焦误差以及光斑半径与带宽的关系。     

正交光楔激光远场焦斑测量方法

为验证正交光楔激光远场焦斑测量方法在提取光斑高频组分、扩展CCD测量动态范围和减小光束质量测量误差等诸方面的有效性,以常用的光束质量因子作为衡量新方法有效性的指标,建立离焦光斑强度分布理论模型并搭建相应的实验平台进行实验验证。验证结果表明:新方法与传统远场测量方案相比,使实验所用CCD的测量动态范围拓展了约9倍,实际光斑远离中心主核区域的大量高频旁瓣分布特征从CCD背景噪声起伏中凸显出来,光束质量因子的测量平均相对误差也有约16%的精度改善。     

太阳能塔式电站轮胎面定日镜的设计及性能分析

为了提高定日镜的聚光性能,研究了可校正离轴象散的轮胎面定日镜.通过计算聚光场四个典型位置的定日镜与吸热器的间距和阳光在镜面上的全年入射角变化范围,确定定日镜的焦距和视场,使用ZEMAX软件设计出轮胎面定日镜,并分析其聚光性能.与球面定日镜相比,轮胎面定日镜的聚光性能有很大提高：不仅光斑面积变小,而且可将光斑最小点从视场边缘移至视场中心附近.提出了轮胎面定日镜的制作方法,实践证明了该方法的可行性.     

激光光斑照度的散射成像测量方法

微透镜阵列法是实现光束匀化的主要途径之一,通过改变成像透镜的光焦度,可在焦平面处得到大面积的均匀光斑。基于理论和实验分析了散射成像法的可行性,为了准确测量焦平面处光斑的照度,在考虑漫射板反射率及相机离轴角等影响因素的基础下,从张正友相机标定法出发,建立了图像灰度值与目标面光斑照度的数学关系;在实验中标定了漫反射板的双向漫反射分布函数,针对两种焦距的主积分透镜,测量了焦平面及附近位置处匀化光斑的照度分布。实验结果表明:当积分透镜焦距分别为300 mm和500 mm时,目标面处的激光通量基本一致,光斑大小与理论值基本接近;分别比较了两种情况下观察面离焦时光斑分布的变异系数,得到光束经微透镜后匀化效果最佳的位置。     

一种大聚光比聚集太阳能流密度分布的红外反射测量法

为测量大聚光比聚集太阳能流密度分布,提出了一种基于红外热像仪和水冷朗伯靶的红外反射测量方法,并设计、研制了测量装置。在十六碟聚集器平台上,用该方法获得了清晰的聚集太阳能流分布红外图像。然后考虑太阳光锥、跟踪误差和面型误差,采用蒙特卡罗射线踪迹法对该十六碟聚集器的聚集能流密度进行数值模拟。通过对比实验结果与数值结果,明确该十六碟聚集器的面型误差为2.5mrad。为测量大聚光比聚集能流密度分布和评价聚集器面型误差参数提供参考依据。     

聚光器聚焦光斑能流密度分布的测量与分析

采用基于CCD相机和朗伯靶的间接测量方法,对旋转抛物面聚光器焦平面和多个离焦面的能流密度分布进行了测量。研究了系统的标定方法,并对每个面内的光斑特性进行分析。结果表明：通过对各个接收面光斑特性的比较,可以判断聚光器真实焦点的位置;随着接收面离焦量的增大,光斑直径变大,能流密度峰值减小,形状越来越不规则。这项研究为聚光系统的热利用和接收器的设计提供了依据。     

氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器设计方法

针对应用于太阳模拟器辐照衰减器设计上的不足,提出一种新的衰减器设计方法,旨在提高其辐照均匀性。基于光学扩展量计算衰减器上的网孔面积,对会聚光路的辐射通量进行调制;利用聚光镜环带法,理论上分析衰减器上的辐射分布;利用网孔非均匀分布的结构对会聚光路的辐射分布进行调制,给出具体设计参数;对比分析了网孔均匀分布和非均匀分布对辐射调制效果和辐照均匀性的影响。实验表明:安装网孔非均匀分布的衰减器,调节氙灯功率,能够连续输出0.1~1.0个太阳常数的辐照度;基于网孔非均匀分布的衰减器对辐射分布调制后,光斑内辐照不均匀度降低率最高为48.7%,低辐照不均匀度下可以实现辐照度的大范围调整,对提高太阳模拟器的使用性能具有一定的借鉴意义。     

非共轴椭球面聚光阵列式高焦比太阳模拟器

为使太阳模拟器的接收靶得到高能流高均匀度光斑,需要对聚光系统进行优化设计。提出利用非共轴椭球面聚光镜优化光斑质量的方法,使光斑的能流分布均匀度有明显改善。利用蒙特-卡罗光线追迹方法,设计了聚集型高焦比太阳模拟器。在第二焦面处,80mm直径的接收靶面上可接收10kW的辐射光能,光斑对称性和均匀性好,系统的传递效率为23.81%,80mm直径靶面内的平均能流密度为2MW/m2,50mm直径靶面内平均能流密度达到3.64MW/m2,对应的理论色温超过2800K。采用非共轴椭球面聚光镜,成功研制了由电源控制系统、冷却系统、氙灯光源和聚光系统构成的太阳能模拟器。经实验测试,太阳模拟器的聚光光斑与光学仿真软件TracePro模拟光斑符合得很好。     

自动寻日的太阳辐照绝对辐射计

为了准确测量太阳总量辐射,研制了具备自动跟踪能力的太阳辐照绝对辐射计SIAR-3a.介绍了SIAR-3a的原理,提出了双轴太阳跟踪的控制方法.SIAR-3a采用电来标定待测量的太阳总量辐射,可以在测量太阳总量辐射的同时较为准确地跟踪太阳.标定实验中,SIAR-3a在3σ范围内的相对均方根误差是0.06%,已经标定到了保...     

大面积准直型太阳模拟器的设计与研制

设计并研制了一种大面积准直型太阳模拟器,其有效辐照面直径达到1 100 mm,平均辐照度达到1.3个太阳常数（AM0）,光束准直角为±1.59°。首先给出了太阳模拟器的光学系统,分别从光源选择和布局,椭球镜设计和准直镜设计进行了阐述;介绍了太阳模拟器的光机结构;进行了系统的仿真和实现。实验表明,太阳模拟器的平均辐照度达到1 760 W/m²,辐照不均匀度达到±4.6%,辐照体不均匀度达到±5.96%,辐照不稳定度达到±1.36%,光谱匹配在300~1 400 nm波长范围内满足ASTM E927-10中AM0 B级要求,为航天有效载荷的热真空试验和热平衡试验提供了一个准确可靠的平台。     

Comment on "Strong signature of the active Sun in 100 years of terrestrial insolation data" by W. Weber

An analysis of ground-based observations of solar irradiance was recently published in this journal, reporting an apparent increase of solar irradiance on the ground of the order of 1% between solar minima and maxima [1]. Since the corresponding variations in total solar irradiance on top of the atmosphere are accurately determined from satellite observations to be of the order of 0.1% only [2], the one order of magnitude stronger effect in the terrestrial insolation data was interpreted as evidence for cosmic-ray induced aerosol formation in the atmosphere. In my opinion, however, this result does not reflect reality. Using the energy budget of Earth's surface, I show that changes of ground-based insolation with the solar cycle of the order of 1% between solar minima and maxima would result in large surface air temperature variations which are inconsistent with the instrumental record. It would appear that the strong variations of terrestrial irradiance found by [1] are due to the uncorrected effects of volcanic or local aerosols and seasonal variations. Taking these effects into account, I find a variation of terrestrial insolation with solar activity which is of the same order as the one measured from space, bringing the surface energy budget into agreement with the solar signal detected in temperature data.     

Theoretical and Practical Progress of New Heliostat by Chen et al.

Recently, Chen and his team were active in the theoretical and practical study of a new heliostat for the use of solar energy. This work represents the first innovation in the area of heliostats after many years of little progress. The mathematical development of the tracking and concentration optics principles, and the practical implementation and demonstration of the technology, are both very interesting advances in this field. Many applications are possible for this technology such as generation of solar electricity and solar industrial process heat.     

可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究

为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求,对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪,开展了辐射定标方法的研究。使用光谱辐照度标准灯在400 nm～1 050 nm光谱范围内对仪器进行相对定标,对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标,在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度。在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验,仪器观测结果和MODTRAN4.0模型的理论模拟结果一致,和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5%以内,验证了该定标方法的合理性。     

卫星上绝对辐射计观测太阳时与太空的辐射交换

分析了卫星上用宽视场绝对辐射计（常温300K）观测太阳时与其视场内太空冷背景（4K）的辐射交换,它实际上是辐射计的接收腔向太空发射辐射,相当于辐射计接收了“负辐射”。视场宽时太空背景的这一“负辐射”量是不能忽略的,由于观测太阳（其视角很小为32’）的同时接收了充满其视场的太空“负辐射”,因此直接测得的数据比实际太阳辐射量值要小,需要加上这一“负辐射”量才能得到真正太阳辐射量值。研究出了用电功率补偿三步测量工作流程同时测量这一“负辐射”量和太阳辐照度的方法。在神州三号飞船轨道舱太阳常数监测器上的宽视场绝对辐射计采用这种工作流程测量了太阳辐照度,测得太空背景的“负辐射”值同计算值相同。     

自动寻日的太阳辐照绝对辐射计(英文)

为了准确测量太阳总量辐射,研制了具备自动跟踪能力的太阳辐照绝对辐射计SIAR-3a。介绍了SIAR-3a的原理,提出了双轴太阳跟踪的控制方法。SIAR-3a采用电来标定待测量的太阳总量辐射,可以在测量太阳总量辐射的同时较为准确地跟踪太阳。标定实验中,SIAR-3a在3σ范围内的相对均方根误差是0.06%,已经标定到了保存在瑞士达沃斯世界辐射中心的世界辐射基准。太阳辐照实验结果表明,SIAR-3a工作可靠,测量结果准确。