[發明專利]一種高通量平面光源產生的裝置及方法

有效

• 申請號: 201310479767.2
• 申請日: 2013-10-14
• 公開（公告）號: CN103533732A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 夏維東;王城;胡芃;夏維珞
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H05H1/24
• 分類號: H05H1/24;H05H1/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明屬于氣體放電光源的技術領域，具體涉及一種高通量平面光源產生的裝置及方法，用于產生高通量連續輻照光，作為高通量平面光輻照和高通量太陽模擬器的光源。

背景技術

高通量光源通過直接輻照器件表面產生高溫，在各種不同環境、氣氛下創造極端高溫條件，是材料高溫性能研究、熱化學和光化學研究、太陽能光熱/光電高效利用研究等領域的重要科學儀器，并且在許多特種材料（如納米材料、耐高溫材料等）的生產領域有特殊作用。目前，產生連續高通量輻照光的主要途徑有：直接在戶外通過太陽跟蹤聚焦系統將太陽光聚焦，采用組成陣列的人工光源聚焦。后者大都以高壓短弧氙燈為光源。

太陽光聚焦的太陽爐光通量及光斑面積都可以很大。如歐盟太陽能熱發電實驗基地（PSA）建立的太陽爐系統[參見文獻1：J.Fernández-Reche,I.M.Sánchez,J.Ballestrín,L.Yebra,R.Monterreal,J.Rodrígueza,G.García,M.Alonso?and?F.Chenlo.PSA?Solar?furnace:A?facility?for?testing?PV?cells?under?concentrated?solar?radiation,Solar?Energy?Materials?&Solar?Cells,2006,90:2480–2488]，光斑直徑20cm，能流密度達3000kW/m²（3000個太陽輻照度）。但該系統過于龐大復雜，僅反射鏡面積就達140m²，難以推廣應用。采用小型的碟式、槽式或菲涅爾透鏡式聚光器，也可獲得小面積的高輻照度。但是以自然界陽光為光源受環境影響大，穩定性差，光譜特性因地域、天氣、季節、時間等多種因素而異，輻照均勻性及可調性差，使用極為不便，也不能成為測試標準光源。

光譜分布接近太陽光譜輻射的高通量光源可以作為高通量太陽模擬器，是研究聚光太陽能的重要實驗儀器，它可以提供穩定、可靠、方便的標準太陽能人工光源，且可成為太陽能應用產品的標準檢測設備。短弧氙燈目前是最符合太陽光譜分布的人工高亮光源，部分紅外譜段強于太陽輻射。現有的低通量太陽模擬器產品（低于40個太陽輻照度）多使用高壓短弧氙燈為光源，經過對部分紅外光譜段的過濾調整，使其符合太陽光譜分布，同時經過積分器和準直鏡使輻照光斑均勻和準直，已有標準產品[參見文獻2：Qing?Long,Meng?Yuan,Wang?Linhua,Zhang.Irradiance?characteristics?and?optimization?design?of?a?large-scale?solar?simulator.Solar?Energy.Volume85.Issue92011，參見文獻3：US2010/0027236A1，參見文獻4：US2006/0175973A1]。

連續輻射的高通量太陽模擬器幾乎都是采用短弧氙燈聚焦陣列直接模擬太陽光[參見文獻5：Krueger,K.R.Davidson,J.H.Lipinski,W.Design?of?a?New45kW（e）High-Flux?Solar?Simulator?for?High-Temperature?Solar?Thermal?and?Thermochemical?Research.Journal?of?Solar?Energy?Engineering-Transactions?of?the?Asme.Volume133.Issue1.2011]，不經光譜調整、輻照光斑均勻處理以及光線準直處理。如瑞士PSI（Paul?Scherrer?Institute）[參見文獻6：Petrasch,J.Steinfeld,A.Asme,A?novel?high-flux?solar?simulator?based?on?an?array?of?xenon?arc?lamps:Optimization?of?the?ellipsoidal?reflector?and?optical?configuration?Solar?Engineering2005.Page175-180]，采用10個15kW氙燈組成聚焦陣列，單個反射聚焦鏡面直徑大約1m，經光學聚焦后輸出光斑直徑為60mm，峰值11000kW/m²，平均能流密度6800kW/m²的光束，輻照物品表面理論最高溫度（滯止溫度）可以達到3300K。