近日，南方科技大學機械與能源工程系助理教授林蒙團隊獨立研發了具有現存最高峰值聚光比的太陽模擬器（人造太陽）系統。其最高可模擬4萬倍太陽輻射，展現出優異的聚光特性以及靈活的可調性，可廣泛用於從極端到均勻能流分佈的聚光太陽能能量轉換領域的研究。這項研究由南科大團隊獨立完成，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”發表在能源領域著名期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews。
近年來，用於生產清潔燃料和太陽能發電的高溫太陽熱利用技術在解決當前和未來的能源問題中發揮了重要的作用。太陽能的有效熱利用必須在高溫條件下進行，因此需要獲得高能流密度的太陽能。通常，室外聚光裝置（如碟式、塔式或槽式聚光器）可以提供高聚光比的能流密度，將太陽能轉化為高溫熱能、電能或者化學能。但是自然太陽光的不穩定性和不連續性增加了實驗的難度和成本，同時降低了實驗結果的可重複性。
為此，研究團隊開發的40千瓦高能流密度太陽模擬器可提供在強度和光譜上接近自然陽光的聚光輻射環境，在尺寸、成本、操作靈活性、天氣獨立性和穩定性方面具有不可替代的優勢。該極端能流密度太陽模擬器可以實現對能流向量的控制和精確調節，從而為各種轉換和儲存太陽能的方法研究以及材料合成或熱測試提供穩定持續且不受時間、天氣和地域等條件制約的穩定可控的實驗環境。
圖1 現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實物圖以及勻光器的設計和實物圖
研究團隊設計的高能流密度太陽模擬器系統該系統主要由4個輻射模組組成，每個模組由一個10千瓦氙燈和一個截斷橢球反射器組成，從氙燈發出的光線經截斷橢球反射器反射後會聚到同一焦點上。經間接法標定，該系統可實現突破現有文獻紀錄的峰值能流密度（41.43 MW m-2），在50 mm半徑光斑範圍內的接收功率為17.57 kW。中心輻射模組可以實現14.86 MW m-2 的峰值能流密度，其餘三個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。四個輻射模組均可單獨或耦合執行，可根據應用需求控制靶面的物理位置以及不同輻射模組執行功率進行靈活精確的調節。
圖3 高能流密度太陽模擬器全功率執行時能流密度分佈及效能引數
由於入射角的隨機性，光線在反應器/接收器內傳播之後容易產生區域性熱點進而損壞器件。為了更好地模擬真實太陽能聚光器的效能以及拓展太陽模擬器的應用範圍，團隊設計和製造了一個柱形勻光器對光線進行二次調節，實現光斑總均勻度提高達300%。接收表面存在1 cm2高度均勻區域，其平均能流密度為0.55 MW m-2，空間不均勻度僅為 1.76%，達到ASTM標準A級（< 2%），可以應用於聚光太陽能光伏和光電化學等領域的研究。
圖4 勻光器執行工況下的能流分佈以及均勻性分析圖
該論文第一作者為南方科技大學機械與能源工程系碩士研究生黎傑揚，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基金以及麻省理工學院和南方科技大學機械工程研究與教育中心的支援。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032122000144
供稿：機械與能源工程系
