模拟太阳光

模拟太阳光（通用9篇）

模拟太阳光 篇1

靠灯光的变化，人们如今在家里也能感受到清晨、正午、傍晚的太阳光。台湾科技大学研发的日光LED灯泡，只要将家中的灯泡更换为日光LED灯泡，就能打造符合生理的智慧照明，还可利用“日光疗法”治疗忧郁症病患，对于老人睡眠效果也有正面疗效。

据台湾东森新闻报道，台科大台湾建筑科技中心今日发表研究成果，打造兼具娱乐、能源节约、安全照护、通讯便捷的智能建筑。其中包含通信息网络平台、照明色彩整合、安全管理与系统应用、居家照护等先进技术与专利。

其中较受瞩目的，就是由台科大电子系教授胡能忠所研发的日光LED灯泡。胡能忠说，他有一次在研究室工作一整天，一抬头才发现天都黑了，但研究室里仍相当明亮，所以他以此为灵感，打造符合生理的智慧照明，模拟清晨、正午、傍晚的太阳光。

胡能忠指出，使用模拟日光的LED灯泡，未来不用出门就能在家享受人造太阳，不只造福一般民众，更提供行动不便的老人在家享受日光浴的最佳方式;而利用日光疗法对忧郁症及老人睡眠效果，也有正面疗效。

胡能忠说，因自己也是银发族，所以研发适合老人视觉的LED灯具，使家中照明系统设计可更符合老人视觉与生活;像是家中老人晚间上厕所时，不眩光的自动开关灯浴室灯具的设计，让银发族半夜上厕所不刺眼、又安全。此发明目前已在申请专利，未来可能投入批量生产、上市。

模拟太阳光 篇2

详细内容介绍表

一、大赛简介：

随着我国经济的发展，旅游业在第三产业中的位置也越发举足轻重。但旅游业的发展仍远远不能满足人们对其的需求，这也迫切要求了旅游方面的服务、人才、专业技能等将会亟需提升到更高的标准。据专家调查反映：大学中学生和老师等出游队伍已经逐步形成了一种趋势，市场开发潜力也越来越大，为我院举办模拟导游大赛提供契机。

当今社会，旅游专业人才的需求仍有很大缺口，专业的旅游服务仍然是众多旅游爱好者中反映强烈的一个重要方面之一。模拟导游大赛的举办，有利于加深我院同学对旅游知识的了解，培养同学们的导游兴趣，扩大同学们的旅游视野，与此同时，模拟导游大赛将会大大地促进同学们对导游工作的了解以及为师生提供了一个很好地了解旅游文化的平台，也让老师同学们能够了解到更多的旅游景点及地方文化特色。通过此次活动，同学们可丰富自己的知识，提高自己的综合能力，有利于同学们在日后能在旅游业方向奠定更扎实的基础。

经过寒假到4月初两个月的精心筹划与准备，从活动策划书的不断完善到赞助方案逐步落实，在院团委以及社团联合会的大力支持，以及管理系的领导下，广州大学华软软件学院旅游协会本着服务学生的宗旨承办了首届模拟导游大赛。由广东羊城之旅国际旅行社有限公司阳光假期冠名赞助的“阳光假期杯”第一届模拟导游大赛正在火热进行中！

免费旅游，千元大奖等着您，赶快参与报名吧！

二、大赛详细流程介绍：

1.初赛：景点解说（地点：课室）——4月12日 要求：

a)初赛的时候，选手需按照安排好的顺序进行比赛，每位选手有不超过3分钟的比赛时间。(顺序号在报名结束后,在本群上公布)b)比赛的形式为景点解说，景点自选，参赛者可以自备解说资料（如PPT等），也可口头解说。

c)初赛将选出20位选手晋级复赛。

d）初赛的评审由专业导游,旅游专业老师及承办方工作人员组成，得分最高的20名选手将晋级复赛。

2.公布晋级复赛的选手名单——4月14日前

晋级复赛的选手需在初赛结束后第二天上交各自所属的智囊团名单。智囊团只具备协助选手参与并完成复赛和总决赛的职能，不具备正式参赛资格，每位选手的智囊团人数最多允许5个人。

3.复赛：同台竞技（地点：阳江闸坡东方银滩）——4月16日

环节待定，需进一步与阳江闸坡东方银滩官方商量确定，4月12日公布具体比赛方案。4.总决赛赛前培训 5.总决赛：才艺比拼（初定以下环节，若有相应改变会及时与各参赛者公布）——4月28日（初定）

环节一：自我介绍

环节二：导游讲解 环节三：才艺展示 环节四：情景模拟

环节五：各选手自我总结拉票 环节六：观众投票

环节七：评委团代表总结

三、大赛奖品及事项介绍：

特大惊喜：1）凡是报名并参加初赛的前100名同学即可获得20元旅游券 2）凡是进入复赛的20名选手即可享受阳江闸坡东方银免费旅游

总决赛奖项设置：

冠军1名：冠军证书+价值600元旅游+羊城之旅阳光假期颁发的导游聘书

亚军1名：亚军证书+价值500元旅游+羊城之旅阳光假期颁发的导游聘书

季军1名：季军证书+价值300元旅游+羊城之旅阳光假期颁发的导游聘书

最佳人气奖1名：证书+价值200元旅游

优秀智囊团1个：价值100元旅游或价值100元精美礼品 备注： 优秀智囊团的获得者为冠军选手隶属的智囊团 报名时间：4月6日——4月8日 活动对象：全院学生 报名地点：男生第一饭堂 模拟导游大赛交流群：123180252 工作人员联系方式：欧文捷（619309）

主办：管理系

承办：旅游协会

赞助单位：羊城之旅阳光假期

高能高准直性太阳模拟器设计 篇3

收稿日期： 20131107

摘要： 设计一种能够同时满足辐照面辐照度达到一个太阳常数和32′张角的太阳模拟器。利用理论计算和光学软件仿真相结合的设计方式,对聚光系统、积分器和准直系统分别进行设计与优化,并提出一种新的氙灯建模方式,最后利用lighttools对整体光学系统进行仿真分析,获得了各部件在光学系统中的最佳位置,使整个光学系统达到较高的能量利用率和辐照均匀性。

关键词： 太阳模拟器; 组合椭球镜; 光学积分器; 准直镜; 仿真

中图分类号： TH 745文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.010

The design of high energy collimated solar simulator

WANG Pengwei1, ZHANG Guoyu1,2, WANG Guoming1, YANG Siwen1

(1.School of OptoElectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;

2.Jilin Engineering Research Center of Photoelectric Measurement and Control Instruments, Changchun 130022, China)

Abstract： Design a solar simulator which can simultaneously achieve a full solar constant irradiance and 32′ angle. With the design of theoretical calculations and optical simulation software, we design and optimize the condenser system, system integrator and the collimator, and put forward a new modeling method xenon lamp. And finally, with lighttools we have a simulation and analysis of the overall optical systemand obtain the best position of each component in the optical system from the simulation process, and make the entire optical system achieve high energy efficiency and uniformity of irradiation.

Key words： solar simulator; combination condenser lens; optical integrator; collimating lens; simulation

引言作为一种重要的太阳敏感期地面标定设备,太阳模拟器能够模拟太阳辐照特性和精确的太阳张角。从目前公开的资料看,用于地面标定的太阳模拟器受系统各参数的相互制约,无法同时满足辐照面达到一个太阳常数,太阳张角32′±0.5′的要求,只能根据实际要求牺牲其中的一个指标。本文在传统太阳模拟器设计的基础上,以提高能量利用率为首要任务,提出了一种新型太阳模拟器光学系统设计方案,在保证太阳光谱和辐照均匀性要求的基础上,成功解决了无法同时满足真实太阳张角和真实太阳辐照度的技术难题,达到所需的技术指标。1太阳模拟器的总体设计太阳模拟器的光学系统主要由氙灯、聚光系统、积分器、视场光阑和准直镜组成［1］,如图1所示。

图1太阳模拟器总体设计

Fig.1Overall design of a solar simulator

氙灯主要提供足够的辐照能量,并配合滤光片获得满足要求的太阳光谱。聚光系统主要提高聚光效率,获得较高的能量利用率。积分器作为主要的匀光器件,是光学系统获得高均匀性辐照面的主要部分。视场光阑与准直镜提供满足要求的准直光束。将氙灯置于聚光系统中椭球聚光镜的第一焦点处,聚光系统由椭球聚光镜和球面聚光镜组成,光线经一次或二次反射会聚于椭球镜第二焦面处,即积分器场镜组表面,积分器将会聚光先分割再会聚并经准直镜成像于最佳像面处,视场光阑则位于准直镜的焦面,精确限定出射光的准直角,在最佳辐照面处可模拟获得真实的太阳辐照度和张角。光学仪器第36卷

第2期王鹏伟，等：高能高准直性太阳模拟器设计

2氙灯的设计与建模根据光谱特性和发光效率,选取氙灯作为太阳模拟器的光源。光源辐照能量通过光学系统各部分后,其光学传递效率为［2］τ=τe•τc•τa•τn1r•τt•τl•τn2o(1)其中:τe为氙灯光电转换效率,取值0.45;τc为椭球聚光镜聚光效率,取值0.75;τa为光学积分器孔径利用率,取值0.4;τr为镜面反射率,取值0.85;n1为镜面反射次数,取值2;τt为光学积分器(场镜、投影镜)透过率,取值0.9;τl为光学滤光片的透过率,取值0.6;τo为准直镜的透过率,取值0.9;n2为透过次数,取值4。辐照面内的辐照度为E=P•τ4πD2o(2)则氙灯功率为P=πD2o•E4τ(3)选取欧司朗10 000 W氙灯,经过计算,得到图2的氙灯配光曲线,根据给定的发光特性进行氙灯建模,如图3所示。根据厂家提供的技术指标,10 000 W氙灯的灯弧发光区域宽度2.4 mm,长度10 mm,阴极斑大约为1 mm,占总辐射能量的70％左右。由氙灯的光电转换效率45％知,实际利用氙灯功率为4 500 W,故核心区功率分配3 150 W,非核心区非配能量为1 350 W,实际建模参数如表1所示。图4为氙灯模型图,图5为氙灯模拟配光曲线图,由图5可见,所建氙灯模型的配光曲线与给定的曲线基本一致,并且能量在灯弧中的分布也更加合理。

图2氙灯配光曲线

Fig.2Xenon light distribution curve

图3氙灯建模原理图

Fig.3Xenon modeling schematics

表1氙灯建模参数表

Tab.1Xenon modeling parameter table

区域体积类型体积大小/mm3能量/W能量比例/％核心区球体13 15070非核心区圆柱体45.241 35030

图4氙灯模型图

Fig.4Xenon model diagram图5氙灯模拟配光曲线

Fig.5Light distribution curve simulation

3聚光系统设计传统太阳模拟器采用椭球聚光镜来提高光能利用率,但是限于椭球镜的包容角的限制,只能达到约40％左右,故在新的光学系统中采用新型组合式聚光系统。组合式聚光系统由一个椭球聚光镜和一个球面聚光镜组成,球面聚光镜的圆心位于椭球镜的第一焦点处,如图6和图7所示。由氙灯配光曲线知,氙灯的发光角度基本上位于10°～140°之间,要保证光能的最大利用率则需要聚光系统的包容角也能达到约130°的要求,传统的椭球聚光镜由于加工难度与经济型的制约仅为90°左右,组合式聚光镜的包容角能达到110°～120°,使聚光效率达到80％左右。利用光学软件lighttools,获得在第二焦面处30 mm×30 mm范围的辐照情况,并与椭球镜相比较能量利用率提高了83.07%,比较参数如表2所示。

nlc202309040401

图6组合聚光镜的原理图

Fig.6Combination condenser schematic

图7组合式聚光系统的仿真

Fig.7Modular condenser system simulation

表2两种结构比较

Tab.2Comparison of two structures

类型辐通量/W光线数量辐照度最大值/(W•mm-2)能量利用率/％组合聚光镜3 484.895922 96811.78477.44椭球镜1 904.057494 3556.67042.30

4积分器的设计与优化

4.1积分器的设计原理积分器是太阳模拟器光学系统中匀光器件的核心。积分器主要由两块附加镜(附加镜Ⅰ、附加镜Ⅱ)和两组复眼透镜阵列组成。如图8所示即为积分器的理想模型成像关系,主要有两个成像关系,其一是光源经附加镜Ⅰ和前组复眼透镜分割成多个像并分别成像于后复眼透镜面上;其二是前复眼透镜组作为视场光阑,其各元素透镜经对应的后复眼透镜和附加镜Ⅱ叠加成像于辐照面上。通过将光源能量分割再叠加以及对称补偿的方式实现辐照面的均匀性［34］。

图8积分器设计原理图

Fig.8Integrator design principles

4.2积分器的设计优化积分器的优化主要根据其成像关系中像差的影响以及积分器设计中各位置的关系影响,利用Zemax的序列来优化像差的影响,利用Zemax的非序列功能来仿真优化位置关系的影响。主要优化以下方面:(1)由成像关系可知,后附加镜的球差将会影响叠加像的位置,这会影响对称位置的对称补偿的作用,且会使边缘成像模糊,均匀性下降,所以采用非球面的透镜。(2)由设计的公式知,后附加镜与后复眼透镜阵列的间距会影响光束发散角,即会影响光能利用率,故需通过序列优化来获得最佳间距。(3)复眼透镜最佳间距的优化,又称最佳离焦量的优化,由于像差及孔径的原因,理论计算的两组复眼透镜位置并不是最佳位置,通过非序列的建模仿真,可以得到一个最佳的间距。图9为积分器的非序列模型,图10分别为优化前后的辐照图。

图9积分器的非序列模型

Fig.9Nonseries model integrator

图10优化前后的辐照图

Fig.10Irradiation of before optimization and Optimized irradiation

5准直镜的设计与仿真一般照明光学系统对像差的要求不严格,但是在精确准直式太阳模拟器中,由于有严格的视场角误差要求,所以须对像差进行相应的优化［57］。由于准直系统是小视场系统,对出射准直光束不平行度影响最大的是球差和色差,所以采取正负双分离的透镜组合进行校正。轴外像差对于准直角的影响较大,但是由于准直系统是小视场系统,双透镜组足以得到较好像差,图11为准直镜的优化设计图。

图11准直镜的优化设计

Fig.11Optimal design of the collimating lens

6太阳模拟器的总体仿真优化利用光学软件lighttools,对太阳模拟器进行总体建模,获得如图12所示模型。使用蒙特卡罗追击法对太阳模拟器进行仿真优化。主要优化以下几个方面：(1)氙灯灯弧长约10 mm,通过光学仿真的方式获得一个最佳的位置,同时也给机械设计调节装置提供了依据。(2)积分器作为整体在光学系统中的位置也需要通过仿真给出最佳位置。

图12太阳模拟器的模型图

Fig.12Solar simulator model diagram

图13辐照面均匀性

Fig.13Irradiation nonuniformity results通过仿真可以看出,原始设计光路位置在实际的光学系统中并不一定是最佳位置。根据仿真分析的结果,选取氙灯及积分器的最佳位置,再次进行光学仿真,根据

σ=±Emax－EminEmax+Emin×100%(16)

可得到辐照面的均匀性。最终辐照面的辐照度和均匀性如图13和表3所示。

表3辐照面的能量与均匀性

Tab.3The energy and uniformity on irradiation surface

直径/mmΦ100Φ200Φ260Φ300辐照度最大值/(W•m-2)2 5592 5592 5592 559辐照度最小值/(W•m-2)2 4912 4762 4072 375均匀性/%1.21.63.063.73

7结论本文设计了一种能够同时满足模拟真实太阳福照度和太阳张角的太阳模拟器光学系统,利用光路计算和软件仿真相结合的方式来不断优化设计。提出了新的氙灯建模方式,新的高聚光效率的聚光系统,并提出了利用Zemax序列与非序列相结合积分器优化方式,最终利用lighttools的仿真来优化氙灯与积分器在光路中的最佳位置。通过仿真结果可以看出,辐照面的辐照度超过一个太阳常数(1 353 W/m2),并且辐照面Φ300 mm内不均匀性低于3.73％,达到较高的设计指标。

参考文献：

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［3］VOELKEL R,WEIBLE K J.Laser beam homogenizing:limitations and constraints［J］.Proceedings of SPIE,2008,7102:71020J.

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［6］王素平,凌健博,刘立伟,等.一种应用于太阳仿真器的照明系统设计［J］.光电工程,2006,33(9):3234.

［7］张以谟.应用光学［M］.3版.北京:电子工业出版社,2008.

［8］张国玉,吕文华,贺晓雷,等.太阳模拟器辐照均匀性分析［J］.中国光学与应用光学,2009,2(1):4145.

［9］王瑜,沈永财,李湘宁,等.一种适用于CPV的太阳模拟器的光学结构与分析［J］.光学仪器,2013,35(3):40

模拟太阳光 篇4

关键词：2-氯萘,光降解,土壤,影响因素

多氯萘是一类萘环上氢原子被氯原子取代的化合物, 具有类二心哑英毒性、生物累积性、难降解性, 可通过大气在全球范围内传输和分布, 是一类典型POPs, 已被欧盟提议列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》的候选名单中[1]。目前, 人们已经在大气、水、土壤和生物体中检测到了多氯萘的存在[1,2], 但对于其在环境介质中的迁移转化研究极少[3]。

土壤是污染物重要的汇, 排放到环境中的多氯萘会沉积在土壤中, 光降解是其在土壤中迁移转化的重要途径, 研究多氯萘在土壤中的光降解行为, 对于充分认识其环境行为及生态风险具有重要的理论和实际意义。2-氯萘是只含有一个氯原子的多氯萘, 属于优先控制污染物。因此本实验以2-氯萘为研究对象, 研究其在模拟太阳光作用下在土壤中的光降解, 并考察了相关环境影响因素。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2-氯萘, 腐殖酸, 硫酸, 氢氧化钠, 均为分析纯;正己烷 (色谱纯) 。

80 W高压汞灯 (上海飞利浦有限公司) , p HS-3C型精密酸度计 (上海雷磁仪器厂) , 超声波细胞破碎仪 (宁波新芝生物科技股份有限公司) , TG16K-Ⅱ高速离心机 (东旺仪器) 。

1.2 实验方法

1.2.1 土壤样品的采集与制备

供试土壤采自长春市郊区空地0~10 cm表层部分, 去除杂物, 阴凉风干后研磨, 将其筛分为三种粒径范围:0.1~0.25 mm、0.25~1 mm和1~2 mm, 分别滴加适量的2-氯萘的正己烷溶液, 混合均匀, 在通风橱内使溶剂自然挥发, 使土壤中2-氯萘的含量为50 mg/kg。除粒径影响实验外, 其他实验所用土壤粒径均为0.25~1 mm, 在考察相关影响因素时, 分别向含有2-氯萘的土壤中添加腐殖酸或用氢氧化钠/硫酸调节p H值。

1.2.2 光照实验方法

称取2.0 g所制得的污染土壤样品均匀铺在直径为6 cm的培养皿底部, 厚度为0.5 mm, 在考察土壤厚度影响时, 分别称取不同质量的污染土样于培养皿中, 所铺土壤厚度由土壤容重和培养皿面积推算。用高压汞灯作为光源, 光强为20 000 Lx, 置于培养皿上方20 cm处, 用特制玻璃板盖住培养皿。玻璃板一方面能过滤掉波长小于280 nm的光, 以此来模拟太阳光, 另一方面能防止反应过程中2-氯萘的挥发。反应温度为 (25±2) ℃。每组样品有3个平行样, 于一定时间后取出样品进行分析, 暗反应实验置于暗处对照进行。

1.3 分析方法

将光照后的土样与10 mL正己烷混合, 用超声波细胞破碎仪萃取, 萃取液采用气相色谱法分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤理化性质

按照NY/T 1121—2006土壤检测系列标准测定土壤的基本理化性质。实验结果显示, 所用黑土p H为7.02, 呈中性, 含水率为3.5%, 容重为1.4g·cm-3, 有机质含量为2.2%, 属于矿质土壤, 颗粒间隙较大, 便于入射光的照射。

2.2 2-氯萘在土壤中的直接光降解

从图1可以看出, 在暗处对照反应中2-氯萘的浓度没有发生变化, 说明本实验条件下2-氯萘的挥发或者生物降解作用均可以忽略不计。光照24 h后, 2-氯萘的降解率达到了14.87%, 说明2-氯萘能吸收光发生直接光降解。当光照时间延长至36 h时2-氯萘的降解率为16.35%, 仅比24 h提高了1.48%, 因此, 在考察土壤中其他因素对2-氯萘光降解影响时, 将光照时间设定为24 h。

将2-氯萘在土壤中光降解的数据按照一级动力学方程拟合, 发现其符合一级动力学模型, 反应速率常数为0.006 7 h-1, 半衰期为103.43 h, R2=0.984 6。

2.3 2-氯萘在土壤中光降解的影响因素

2.3.1 土壤粒径

由图2可知, 2-氯萘在土壤中的光降解率随土壤粒径的增大而增大。这是因为土壤粒径越大, 2-氯萘在土壤中的迁移速率越快, 同时土壤颗粒间的缝隙就越大, 其通气性和光透性就越好[4], 越有利于光降解。

2.3.2 土壤厚度

由图3可知, 2-氯萘在土壤中的光降解率随着土壤厚度的增加而减少。这是由于土壤颗粒具有屏蔽作用, 使得入射光不能渗透到很深的土壤中, Frank等[5]研究了不同土壤厚度0.5~4 mm氙灯的穿透情况, 结果表明0.5 mm厚的土壤可以阻挡95%的光射入, 仅有很少的光能穿过1.5 mm或更深的土层。因此土壤越厚, 射入的光越少, 2-氯萘的降解率越低。

2.3.3 土壤p H

由图4可知, 酸性条件促进了2-氯萘的光降解, 而碱性条件基本无影响。这是由于含水分和有机物的土壤经光照后产生水合电子[6], 它会与土壤中的氧气迅速反应形成O2-·, 在酸性条件下, O2-·会与H+反应形成H2O2, H2O2光解产生氧化性极强的活性中间体·OH, 因此促进了2-氯萘的光降解。

2.3.4 腐殖酸

土壤有机质是土壤对污染物分配、吸附、络合等作用的活性物质, 腐殖质是土壤有机质的主要组成部分, 占土壤有机质总量的70%~80%[7]。腐殖质是影响土壤中有机污染物光化学反应的一个重要因素[8,9]。本实验研究了腐殖质的重要组分腐殖酸对2-氯萘光降解的影响 (图5) 。

如图5所示, 当土壤中加入腐殖酸后, 2-氯萘的光降解率降低, 且随着腐殖酸加入量的增大, 降解率不断减少。据文献报道, 腐殖酸是一种光敏剂, 含有大量苯环和羧基等发色团, 会吸收光子产生1O2、·OH等活性物质, 可以促进有机污染物的光降解, 但腐殖酸也会与污染物竞争吸收光子而产生光屏蔽效应, 或通过疏水分配等作用而抑制污染物的光降解[9]。根据实验结果可以推断, 在本实验条件下腐殖酸的抑制作用大于促进作用, 且随着腐殖酸含量的增加, 抑制作用增强。

参考文献

[1] 郭丽, 巴特, 郑明辉.多氯萘的研究.化学进展, 2009;21 (2/3 ) :377—388Guo Li, Ba Te, Zheng Minghui.Study of sources and distribution characteristics of polychlorinated naphthalenes.Progress in Chemistry, 2009;21 (2/3) :377—388

[2] 刘芷彤, 刘国瑞, 郑明辉, 等.多氯萘的来源及环境污染特征研究.中国科学:化学, 2013;43 (3) :279—290Liu Zhitong, Liu Guorui, Zheng Minghui, et al.Progress in the studies associated with environmental distribution and characterization of polychlorinated naphthalenes.Scientia Sinica Chimica, 2013;43 (3) :279 —290

[3] 吴小莉.1, 4-二氯萘、2, 6-二氯萘的微生物降解实验研究.长沙:湖南大学, 2008Wu Xiaoli.The research on microbial degradation of 1, 4-dichloronaphthalene, 2, 6-dichloronaphthalene.Changsha:Hunan University, 2008

[4] Romero E, Dios G, Mingorance M D, et al.Photodegradation of mecoprop and dichlorprop on dry, moist and amended soil surfaces exposed to sunlight.Chemosphere, 1998;37 (3) :577—589

[5] Frank M P, Graebing P G, Chib J S.Effect of soil moisture and sample depth on pesticide photolysis.Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2002;50 (9) :2607—2614

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模拟太阳光 篇5

随着光电技术的发展, 发光二极管 (LED) 发光效率不断提高, 其体积小、寿命长、使用直流电、发热量低和控制灵活等特点, 使LED光源在植物栽培领域的研究受到关注, 利用LED光源来模拟太阳光也已成为研究的热点。所谓太阳光模拟系统, 就是利用不同峰值波长的LED, 通过不同组合去逼近照射到地球表面太阳光的光谱分布 (SD, spectral power distribution) 情况。实验表明, 虽然所获得的照射强度比太阳光辐射度小, 但光谱辐射束组成与太阳光相似。又因为不同波长的光在不同植物的各个生长时期有不同的促进作用, 因此笔者在利用LED模拟光源的基础上, 通过脉宽调制 (PWM) 的方法调节某一特定波长的LED光照强度, 进一步研制了一种能够调节波长范围的照射光强度的模拟太阳光光源。

1 LED模拟太阳光系统的构成

LED模拟太阳光光源系统主要由光源部分、控制系统和混光器等3部分组成, 如图1所示。

1.1 光源部分

1.1.1 试验用LED的选取

整个系统放置在暗室中, 为近似模拟太阳光, 光源部分选取峰值的波长范围为400～800nm的16种炮弹型LED。LED直径为3mm, 型号如表1所示。

1.1.2 LED的排列方案

为了决定在电路板上各峰值波长LED的放置个数, 首先测量LED各峰值波长在供给10mA (标准电流的1/2以下) 时的照射光谱辐射束;然后, 参考所要模拟地区 (本实验参考长春市朝阳区的晴朗时中午的太阳光) 的光谱辐照度 (SI, spectral irradiance) 的平滑后SD曲线形状, 做出安装所有LED的照射光光谱辐射束总和的曲线形状 (如图2所示) 。使其近似相同, 从而决定了各峰值波长LED的设置个数比。同时, 模拟光源系统近似的波长范围在400～800nm之间。把1个设置个数比值最小峰值波长LED放在电路板的中心处, 剩余的LED按对称位置摆成方阵, 一个方阵上共均布361个LED , 面积为100mm×100mm的电路板为一个基本模型, 如图3所示。本系统用4个这样的LED基本模型组成光源 (200mm×200mm) 部分。同时, 为了保持光源周围环境温度的恒定, 光源放置在设定温度为18℃的恒温箱内。

1.控制系统 2.光源部分 3.混光器

1.2 控制系统

本光源系统主要由计算机、总控制器 (1台) 和直流电源调控器 (16台) 组成, 如图4所示。通过对直流电源装置的电源变化、负载变化、LED的最大允许量的电压与电流参数的比较, 采用电压控制方式, 可以使LED受外界影响达到最小。通过对光源部分出光口的SI要求, 预先决定各峰值波长LED的输入电压值。控制信号首先由计算机的串行口传送至总控制器, 再分别送至各个直流电源调控器, 如图5所示。直流电源调控器采用脉宽调制方法独立控制每种峰值波长LED的输入电压, 从而可以针对不同需要将某种特定波长的LED光谱辐照度增强或减小, 使其能够调节任意波长范围的照射光强度。

1.3 混光器

由于模拟光源是将峰值波长相异的LED以一定的比例排列在电路板上, 而相邻LED之间存在距离, 要将各波长的LED光度充分混合就需要在光线输出部分安装一个圆锥型的混光器, 如图6所示。这样, 来自光源的照射光通过聚光从发射口发出很大的SI。

2 光谱分布的模拟方法

LED模拟太阳光光源系统是利用不同的LED按波长比例组合来逼近太阳光谱, 这里以光谱分布的模拟方法为例来说明其原理。

要得出以太阳光为根据的任意光谱的分布, 就要适当确定各峰值波长的LED输入电压, 其顺序如下:首先, 以各峰值波长LED的最小发光电压为最小值, 以测量的标准额定电压为最大值, 将其间平均分为8等级, 测定出对应光源照射光SI的输入电压。光源照射光SI在测量时, 将LED放置在光源单元混光器的光照射口分光计受光部分, 使光不漏到外部, 以保证测量的准确;然后, 将上述8等级的输入电压值各分8等份插值计算。因此, 对于全部峰值波长的LED, 可共获得57段的输入电压, 对应57段光源照射光SI, 将其全部存储到存储器中。这个数据库可以通过各峰值波长的LED输入电压而推定光源照射光SI, 称为预置SI;当给定一个太阳光谱分布后, 能够测量出输出的光源照射光SI, 称为目标SI。计算目标SI与预置SI最为接近值所对应的各峰值波长LED的输入电压, 分别对LED施加相应的电压, 这样就能得出与目标SI最为接近的光源照射光, 也就是利用LED模拟出了相应光谱分布的太阳光。

确定目标SI最接近预置SI, 在400～800nm范围内计算每个目标SI和预置SI的差 (1nm之间的辐照度) 的二乘和, 称其为计算机累计误差。最小的累计误差所对应的预置值就是预置最近SI, 也就是最接近目标SI的预置SI。从短波长的峰值波长LED开始, 依次进行这个操作, 对于16种LED反复操作, 直到本次累计误差与上次累计误差相等的时候结束, 把此时得到的预置SI作为预置最近SI。这些均在软件上进行, 利用VB软件制作程序计算, 一般计算机计算时间在10s左右。

3 实验

实验表明, 本模拟光源系统照射幅度为太阳光的1/25的SI, 如图7所示。将照射幅度约为太阳光1/25光谱照度的浅蓝色光 (400～500nm) 照射幅度增加30%, 红色光 (600～700nm) 照射幅度增加25%, 如图8所示。图7和图8表明, 光源照射光SI和预置最近SI之间有所不同, 但光源照射光SI与各自目标SI相当接近。其不同是由于在SI数据库中的内插计算伴随的误差及各峰值波长LED的光源照射SI测量时和光源系统实验时的LED温度不同所引起的。

同时, 本光源系统可以在1s以上任意的时间间隔内, 动态地控制光源照射光SI。如果连续做出所有的目标SI, 必须预先计算各自的预置SI, 以确定各峰值波长LED的输入电压。

4 结论

1) 介绍了一种利用多种相异峰值波长的LED模拟太阳光光源系统。

根据太阳光光谱的分布情况排列LED, 同时由于采用的直流电源调控器利用脉宽调制的方法调节不同峰值波长的LED的输入电压, 使其模拟光源照射光SI逼近真实太阳光, 还可以针对不同需要将某种特定波长的LED光谱辐照度进行调节。

2) 进一步介绍了任意光谱分布的模拟方法。

实验表明, 该系统能够较好地模拟从可见光到近红外光范围照射波长的太阳光光源, 同时能够调节任意波长范围的照射光强度。

5 展望

为确保充分的辐照度, 可在400～800nm的波长范围采用多个本光源聚光。同时, 可根据植物生长的需要, 实时将最优匹配的光谱信息输入到计算机系统, 指导动态, 循环输出, 达到优于太阳光的目的。此外, 本系统仅采用16种炮弹型峰值波长的LED进行模拟, 而当前LED种类繁多, 可采用更多种类和功率更大的LED来模拟, 种类越多模拟效果会越好。

参考文献

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[2]张行周, 王浚.汽车空调整车环境模拟试验室[J].汽车技术, 2002 (10) :21-23.

[3]刘洪波.太阳模拟技术[J].光学精密工程, 2001 (4) :177-181.

[4]张林华, 王元, 孟庆龙.沙漠环境人工气候室温度模拟研究[J].山东建筑大学学报, 2006 (5) :425-429.

[5]黄本诚.空间环境工程学[M].北京:宇航出版社, 1993.

太阳能模拟电加热器的研究 篇6

可再生能源的利用程度反映了一个国家能源利用水平的高低。碟式斯特林太阳热发电技术是目前被广泛关注的研究方向,美国及欧洲一些发达国家已经将该项技术投入了实际的应用。我国在上个世纪的八十年代已经开始了碟式斯特林热发电技术的研究,由于许多关键技术问题需要解决,目前仍处于探索研究阶段。

碟式斯特林太阳热发电系统中,抛物面聚光镜反射汇聚入射的太阳光能驱动斯特林发动机带动发电机发电。太阳能斯特林发动机的吸热器是将聚焦后的太阳光能量收集、转化并提供给发动机的部件,在整个热发电系统中起关键作用。碟式太阳能热发电的两大技术问题是双轴跟踪聚光镜和斯特林发动机,为了独立地研究斯特林发动机,而不受限于双轴跟踪聚光镜,研制了太阳能模拟电加热器,采用太阳模拟装置代替实际太阳光,以便在实验室内进行斯特林发动机的研究。

2 温升的计算

为了模拟碟式太阳能热发电系统吸热器的工作情况,达到在实验室有限条件下替代太阳能热源的目的,采用电加热的模式制作了太阳能模拟电加热器(以下简称太阳能模拟器),如图1所示,为斯特林发动机提供热源。

热流量与温升的关系为:

式中:Q为热流量,λ为导热系数,δ为两导热表面间的距离,F为导热面积。

2.1 计算钢板温升

钢导热系数λ为40w/m·℃,δ为6mm,导热圆面半径为11mm,钢板温升与热流量的关系为:

如表1所示,当热流量从1k W上升到3k W时,钢板的温度也从3.9℃以0.0039的斜率线性上升到11.8℃。如图2所示为温升与热流量的关系。

2.2 计算水泥温升

水泥导热系数λ为1.5w/m·℃,δ为20mm,导热圆面半径为11mm,水泥温升与热流量的关系为:

如表2所示,当热流量从1k W上升到3k W时,水泥的温度也从350.9℃以0.3509的斜率线性上升到1052.8℃。图3所示为水泥温升与热流量的关系。

3 太阳能模拟电加热器电路

3.1 电路

太阳能模拟电加热器的电路实物图、电路图,分别如图4、5所示。

3.2 计算电压

输出电压与输出功率的关系为:

式中:额定功率Pe=3k W,额定电压Ue=220V,P1为输出功率,U1为输出电压。

3.3 实验数据

实验数据如表3、4所示。

4 保温绝热

在太阳能模拟电加热器的内表面与里面的交接处填充了硅酸铝绝热板进行绝热保温。该产品是用加有粘结剂的硅酸铝棉制成的具有一定刚度的平面制品。具体技术参数如表5所示。规格为600mm×400mm×40mm,执行标准是GB/T16400-2003。

5 最小二乘法确定热惯性时间常数

定义Ti,i=1,2,……n,为模拟器实测温升,模拟器估计值T赞:

模拟器实测值与估计值误差为:

定义判据:

其中:εT=[ε1,ε2,……,εn]。由式(5)与(6)可得:

上式为实测温升与估计值之差的平方和,对τ求导求得τ为54.80时,导数为0,J取得最小值。

6 结束语

从温升计算到电路模拟及实验论证,显示出该模拟器充分模拟了碟式太阳能热发电系统吸热器的工作情况,设计合理,具有较好的吸热效果,达到了在实验室有限条件下替代太阳能热源的目的。

摘要：吸热器是碟式太阳能热发电系统的重要部分,它决定着控制系统及发电机输出电能的性能。为了在实验室条件下模拟碟式太阳能热发电系统吸热器的工作情况,综合采用碟式太阳能热发电原理和吸热器技术,设计加工了一种太阳能模拟电加热器,并对其进行了实验研究。

关键词：碟式太阳能热发电系统,电加热器,太阳能模拟

参考文献

[1]刘志刚,张春平,赵耀华,唐大伟.一种新型腔式吸热器的设计与实验研究[J].太阳能学报,2005,6,26(3):332-337.

[2]杜景龙,唐大伟,李铁,苏国萍.碟式太阳热发电系统太阳模拟器的设计与实验研究[J].工程热物理学报,2010,11,31(11):1883-1885.

[3]夏天长.系统辨识[M].北京:清华大学出版社,1983,10:73-84.

模拟太阳光 篇7

我国太阳能资源十分丰富,年日照时数在2 200 h以上地区约占国土面积的2/3以上,太阳辐射总量大于每平方米5 000 MJ,而我国目前还没有把太阳能完全应用到建筑设计理念中,我国对太阳能的利用远远没有达到多元化。居民采暖中热水的消耗在所有能源使用中占有很大比例。如果太阳能供热系统可以高效率地生产热水,则可明显地减少化石能源的使用[1]。在过去的20年内,CFD可以对各种热传递和流动问题进行合理精度的模拟,已经成为用来替代过去高额费用的实验研究的一个强大的模拟手段,但是CFD却很少用于太阳能供热系统的研究[2]。

本项研究主要对强制对流闭式循环进行模拟,所建模型中太阳能集热板是平板,并为研究太阳能供热系统的多项参数及制作材料提供优化指导[3—8]。

1 模型建立

1.1 物理模型的建立

强制循环闭式太阳能供热系统没有水的流入和流出,假设其为一个密闭的系统。泵的位置位于储水箱下面与集热板相连接的管道上,为便于模拟假设模型为一段断开的管道,管道的上下口分别定义为泵的进出口,其结构示意如图1所示,模型尺寸图2。图中各数值单位为mm。

1.2 数学模型的建立

由于太阳能供热系统中管道直径较小,为了便于分析采用k-ε模型,控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及k、ε方程。

连续性方程:

动量守恒方程:

式中:η—流体的动力黏度;λ—流体的第二分子黏度。

能量守恒方程:

式(5)中:λ—导热系数;Sh—流体的内热源;Φ—为由于黏度作用机械能转换为热能的部分,称为耗散函数。

湍流动能输运方程(k方程):

湍流动能耗散输运方程(ε方程):

式(7)中:Gk—表示由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb—是由浮力产生的湍流动能;YM—由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动;C1,C2,C3,—是常量;σk、σe—是k方程和e方程的湍流Prandtl数;Sk和Se—是用户定义的数值。

1.3 模型的边界条件

1.3.1 集热板平面的热流密度q,W/m2

1.3.2 管道

锥形区域、储水箱和集热板底部及外侧绝热。

1.3.3 模拟泵

产生的动力的位置在储水箱的下面的管道上。

2 数值模拟及结果分析

分别在雷诺数为1 500、1 000和500三种情况下进行1.5 h模拟,主要研究从7:00开始经过1.5 h后的模拟结果。其中泵为系统提供动力,雷诺数为1 500、1 000、500。

2.1 雷诺数为1 500时的模拟结果

强制对流闭式太阳能供热系统经过1.5 h后的模拟结果如图3,由图3可知:水从集热板获得热量,局部水温升高,密度降低,在集热板和储水箱之间产生密度差,再加上泵提供的外部动力,使得水沿集热板向上流,当水进入储水箱中并与温度相对较低的冷水混合,这种混合造成明显的分层现象。流经集热板的水有一个连续的升温过程,温度成层分布,温度最高的水处在集热板的最顶部。因为泵从开始就为系统提供动力,而且还有密度差产生的动力,在上部锥形区域形成的涡流使得在此位置温度较低。从温度分布图中可以看出温度较高的热水最终处于储水箱的顶部,相对较冷的水处于下部,以至于储水箱中出现了明显的分层现象。

2.2 雷诺数为1 000时的模拟结果

雷诺数为1 000时太阳能热水器经过实际时间1.5 h模拟的温度分布如图4所示。从温度分布图可以看出在雷诺数值为1 000的最大温度312 K比雷诺数为1 500时模拟的结果310 K要大,这是因为在系统中温度最高的位置位于集热板上,因此水温的高低取决于集热板内的流速的大小。

由于雷诺数为1 000时比雷诺数为1 500时相集热板里的水的停留时间相对来说是比较长的。因此雷诺数为1 000时的系统要比为1 500时最高温度要高。可以看到在这种情况下太阳能集热板中温度差5 k比雷诺数值为1 500时的3 k要大。也就是说相同时间内雷诺数为1 000时集热板内的水相比于雷诺数值为1 500情况下升温要快一些,并且可以观察到在储水箱里,水是以比较高的温度进入的,温度较高的热水和周围的冷水进行混合。

2.3 雷诺数为500时的模拟结果

雷诺数为500时强制对流闭式太阳能供热系统经过1.5 h模拟后系统的温度分布如图5所示。可以观察到系统在这种情况下最大温度317 K比雷诺数为1 000和雷诺数为1 500时的最高温度309 K和312 K都要大,相比于另外两种情况下的温度差也是较大,并且可以观察到在太阳能集热板中的局部水温比雷诺数为1 000和1 500两种情况下要升高更快,而且在上部锥形区域水形成的涡流更加明显[2],储水箱上部分层明显。强制循环太阳能供热系统经过1.5 h后,可以得到在强制对流系统随着雷诺数值的降低,供热系统最高温度却在上升。

3 结论

(1)在模拟强制循环闭式太阳能供热系统中,雷诺数和光照时间对系统影响较大。

(2)在雷诺数为1 500、1 000、500时,经过实际1.5 h的模拟后系统内的最高温度分别为310 K、312 K、317 K。随着雷诺数值的降低,温度在上升,但随着强制闭式循环系统的雷诺数降低,系统中的水获得的热量升高。

(3)系统中集热板和储水箱中的水温成层分布,温度高的水处于上部,温度低的处于下部。相对于自然循环系统,在相同时间和相同热流密度下强制循环系统的平均水温较高。

参考文献

[1]刘凯波.太阳能供热系统工程计算机辅助设计系统研究开发.昆明:昆明理工大学,2003:85—100

[2]Hamdam M.Simulation and experimental analysis of built in solar wa-ter.International Journal of Solar Energy Engineering,1995;9(3):56—57

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[4]王永磊,张克峰.强制循环太阳热水系统设计中几个问题的探讨.能源与环境,2005;7(3):64—71

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[6]吴子牛.计算流体力学基本原理.北京:科学出版社,2001;9(3):23—32

[7]黄飞,陶进庆.太阳能热水器节能效益和环境效益浅析.新能源,2000;6(2):35—40

模拟太阳光 篇8

1 项目概况

华中地区某高层办公楼建筑由一座圆柱形主楼和四周五座与主楼脱开的三层裙房组成, 主楼与裙房之间由位于二层的连廊连接, 如图1所示。这些连廊均采用了清透澄澈的全玻璃立面。建筑地处中纬度地区, 太阳辐射季节性差别大, 光照充足, 年平均日照达到1 843 h, 夏季酷热, 因此业主方提出玻璃连廊不利于节能, 建议加装外遮阳系统。设计单位提出了固定外遮阳的设计方案, 遮阳设计公司提出了全可调节外遮阳的设计方案, 业主方认为按照项目经验固定外遮阳适应度差, 综合效果不佳, 但连廊朝向不一, 无需全部采用可调节外遮阳, 提出南向部分外立面采用可调节外遮阳, 其余连廊外立面采用固定外遮阳。综合各方面意见, 认为均不完善, 全部使用固定或可调节外遮阳固然从效果或经济性上有所不妥, 但连廊存在主楼主体、主楼上部悬挑的装饰性构件和裙房的日照自遮阳效果, 且连廊本身随裙房位置布置, 无一处于正朝向, 再者当地东西侧日照也很强烈, 不能简单判定仅建筑南侧立面需要安装可调节外遮阳, 最终决定采用模拟分析空调季太阳辐射得热量, 来确定遮阳方案。

2 太阳辐射得热模拟分析

为了获得连廊立面遮阳系统的最优方案, 计划分别模拟不设置遮阳系统和设置固定外遮阳条件工况下的立面表面太阳辐射得热情况, 用以分析采用固定外遮阳的遮阳率, 对于固定外遮阳不能满足遮阳要求的立面采用可调节外遮阳。

为方便表述, 将连廊各立面编号如图1所示。使用模拟软件夏季外表面太阳得热量进行模拟分析。

2.1 无遮阳系统

在不设置遮阳系统的工况下, 各立面的夏季太阳辐射平均量自40 022 Wh/m2~88 529 Wh/m2不等, 最高量在52 358 Wh/m2~101 081 Wh/m2不等, 如图2所示。由于建筑体型复杂, 主楼南侧又有悬挑很大的装饰性构件, 自遮挡情况很难准确判断。和事先估计的完全不同, 太阳辐射总量较大的为立面1, 2, 5, 6, 8这几个接近东西向的立面, 而非南向的立面。

2.2 固定外遮阳系统1

在了解各立面夏季太阳辐射量的基础上, 继续模拟采用固定外遮阳条件下的夏季太阳辐射量, 分析固定外遮阳的遮阳效果。出于立面效果的考虑, 采用了挑出立面300 mm的铝质遮阳板, 垂直间距600 mm。经模拟发现综合遮阳率较低, 夏季太阳辐射平均量仍有22 578 Wh/m2~51 346 Wh/m2不等, 最高量在44 115 Wh/m2~89 194 Wh/m2不等, 遮阳率大多在40%左右。遮阳率最高的立面8为56%, 但是立面8的夏季太阳辐射平均量基础值较大, 即使遮阳率较高, 仍不能满足遮阳要求。遮阳率最低的立面9仅有27%, 立面4为31%, 这是由于这两个立面偏北, 本身得到的夏季太阳辐射已经是在太阳高度角较低的情况下获得的, 这种垂直密度的固定外遮阳对其起不到太大的遮挡作用。综合来看, 采用这一遮阳方式的整体遮阳效果不佳, 究其原因是由于遮阳板垂直间距过大, 而建筑处于中纬度地区, 夏季太阳高度角并不很大, 因此较为稀疏的遮阳板不能有效遮挡阳光。

2.3 固定外遮阳系统2

事实证明, 仅从立面效果角度出发设置遮阳板不能满足实际需要, 因此随后又模拟了采用挑出立面300 mm垂直间距300 mm的遮阳板的情况, 这样的遮阳形式与立面其他构件的模数关系一致, 不破坏立面效果, 同时能够达到更为有效的遮阳效果, 是各方面都能够接受的遮阳形式。经过模拟分析, 采用垂直间距300 mm的遮阳板后, 各立面夏季太阳辐射平均量在18 720 Wh/m2~40 449 Wh/m2之间, 最高量在36 243 Wh/m2~80 919 Wh/m2之间, 遮阳率大多在50%左右。遮阳率最高的立面8达到67%, 使其夏季太阳辐射量平均量从采用垂直间距600 mm的遮阳板时的31 177 Wh/m2降低到23 331 Wh/m2, 已经处于可接受的范围内。立面4和立面9的遮阳率仍然明显低于其他立面, 但是也有较大提高, 且立面4和立面9的夏季太阳辐射平均量基础值本身较低, 在采用了垂直间距300 mm的遮阳板后得热量已经较低, 能够满足节能的要求, 如图3所示。

3 外遮阳方案优化

经过模拟, 证明原设计构思中采用挑出立面300 mm垂直间距600 mm的遮阳板不能满足遮阳的需要, 采用挑出立面300 mm垂直间距300 mm的遮阳板后遮阳率有明显提升, 因此固定外遮阳采用后一种方案。

其中立面3, 4, 9, 10在不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量在40 000 Wh/m2左右, 设置固定遮阳后立面3, 4的遮阳效率在50%左右, 立面10的遮阳率达到59%, 夏季太阳辐射量平均量降低到20 000 Wh/m2左右, 立面9虽然遮阳率较低, 但是夏季太阳辐射量平均量约22 000 Wh/m2, 属于可接受范围, 以上立面确定采用固定外遮阳。立面7, 8在不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量分别为56 547 Wh/m2和70 859 Wh/m2, 但是固定外遮阳的遮阳率达到60%和67%, 夏季太阳辐射量平均量降低到23 000 Wh/m2左右, 遮阳效果较好, 因此也拟采用固定外遮阳。

立面1, 2, 5, 6的固定外遮阳遮阳率均在50%左右, 不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量均较高, 最少的立面2也有68 298 Wh/m2, 立面6甚至接近90 000 Wh/m2, 设固定外遮阳后的夏季太阳辐射量平均量还有约30 000 Wh/m2~40 000 Wh/m2, 因此立面1, 2, 5, 6建议采用可调节外遮阳提高遮挡效果, 以进一步减少室内夏季太阳辐射得热 (见表1) 。

Wh/m2

4 结语

在该建筑体型和朝向条件复杂的情况下, 建筑外遮阳的遮阳效果很难进行直观判断, 在设计中, 通过夏季太阳辐射量模拟来分析不同遮阳形式的遮阳效果从而确定遮阳方案, 既保证了节能效果, 又将费用从超过400万元压缩到180万元左右, 避免了资金的盲目投入和浪费, 兼顾了节能率和经济性。由此可见, 太阳辐射模拟是复杂条件下建筑外遮阳优化设计的得力工具。

摘要：为解决在这种复杂建筑体型和朝向条件下的外遮阳优化, 通过夏季太阳辐射量模拟分析了不同遮阳形式的遮阳效果, 指出选择固定外遮阳效果不佳的立面采用可调节外遮阳, 达到了节能率和经济性兼顾的效果。

关键词：太阳辐射,模拟,外遮阳

参考文献

[1]曹毅然, 张小松, 金星, 等.透过遮阳系统的室内太阳辐射得热量实验研究[J].东南大学学报 (自然科学版) , 2009, 39 (6) :1169-1173.

[2]郝睿敏.上海地区公共建筑外遮阳设计探析[J].山西建筑, 2012, 38 (8) :211-212.

模拟太阳光 篇9

我国太阳能资源十分丰富,年日照时数在2 200 h以上地区约占国土面积的2/3以上,太阳辐射总量大于每平方米5 000 MJ。利用太阳能加热系统辅助原有加热系统生产热水,则可明显的减少化石能源的使用[3]。单井储罐太阳能加热装置投入运行后,在保证单井正常拉油的前提下,可以节约电能或化石能源。太阳能加热装置具有安全、热效率高,是解决目前油田单井储油罐加热能耗高问题的方案之一。但是如何合理布置太阳能加热系统,以及其对原油储罐中原油加热过程的影响尚有待于进一步分析。

随着计算机技术的发展,CFD等应用软件已经成为一个强大的模拟手段,可以对各种热传递和流动问题等进行合理精度的模拟,并且已经逐渐替代高额费用的实验研究。本文通过建立太阳能加热原油储罐数学模型,利用FLUENT6.3软件对太阳能加热系统进行模拟,分析不同加热时刻对原油储罐中原油加热过程的影响,为设计原油储罐的太阳能加热系统的参数提供指导[4—7]。

1模型建立

1.1物理模型

原油储罐的太阳能加热系统中流体的循环动力是由流体密度差造成的浮升力作用产生。在太阳能加热过程中,随着时间的推移,水箱中水的温度逐渐升高,密度差增大,水流动起来。本文模拟的集热板1 234尺寸为2 000 mm×2 000 mm,水箱A尺寸为2 000 mm×2 000 mm×300 mm,输水管B截面尺寸为100 mm×100 mm,原油储罐C尺寸为2 000 mm×2 000 mm×5 000 mm。其结构示意如图1所示。

1.2数学模型

由于太阳能加热系统中的输水管直径较小,在加热温差较大,管道中水为湍流状态,为了便于分析采用k-ε模型,控制方括包括连续性方程、动量方程、能量方程及k、ε方程。

1.2.1 连续性方程

undefined (1)

1.2.2 动量守恒方程

undefined

式中:η—流体的动力黏度;undefined—流体的第二分子黏度。

1.2.3 能量守恒方程

undefined

(λgradT)+Φ+Sh。 (5)

式(5)中:λ—导热系数;Sh—流体的内热源;Φ—为由于黏度作用机械能转换为热能的部分,称为耗散函数。

1.2.4 湍流动能输运方程(k方程)

undefined

1.2.5 湍流动能耗散输运方程(ε方程)

undefined

式(7)中:Gk—表示由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb—是由浮力产生的湍流动能;YM—由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动;C1,C2,C3,—是常量;σk、σe—是k方程和e方程的湍流Prandtl数;Sk和Se—是用户定义的数值。

1.3模型的边界条件

(1) 集热板平面的温度t,K:

undefined

(2) 水箱其余表面为绝热。

(3) 原油储罐表面对流换热系数为12 W/(m2·K),大气温度为293 K。

2 数值模拟及结果分析

系统模型从实际时间中午12时开始模拟,分别对经过72、84、144、156 h后的模拟结果进行分析,最终模拟出原油储罐的太阳能加热系统的温度场分布。72、144 h的模拟结果为实际时间中午12时的模拟结果;84、156 h的模拟结果为实际时间凌晨时刻的模拟结果。

2.1太阳能加热系统流场结果分析

原油储罐的太阳能加热系统的流场分布如图2所示。由图2可知,在72 h,最大流速为1.47 m/s;在84 h最大流速为1.61 m/s;在144 h,最大流速为1.47 m/s;在156 h,最大流速为1.52 m/s。同时由于水温分布的不均匀性造成的密度差成为水由水箱流向储罐内输水管进行流动加热原油的动力。输水管内的热水按逆时针流动,水箱内的水在集热板的加热作用下向上运动,同时在水箱的上端口处,经过储罐换热作用的冷水与经过集热板加热作用的热水混合并进行对流换热,使上端口处的热水温度降低,密度变大,同时导致水流向下流动,整个太阳能加热系统内水按逆时针流动。

2.2原油储罐的温度场和流场分析

原油储罐的温度场分布图如图3所示,流场分布图如图4所示。由图可知,在72 h,储罐内最大温度为336 K;在84 h,储罐内最大温度为331 K;在144 h,储罐最大温度为363 K;在156 h,储罐最大温度为339 K。由此可以看出,经过长时间的太阳能加热,原油储罐内的温度有所提升,但白天与黑夜的原油储罐温差逐渐加大,分别为5 K与24 K;同时白天时的原油储罐内的温度分层明显,储罐上部温度明显大于下部温度,但是随着加热时间的增加,高温度原油逐渐占据大部分储罐;夜间的原油储罐内的温度分布均匀,可以说明,原油储罐的太阳能加热系统受太阳辐射影响较大。

在输水管周围,原油流动产生了涡旋,说明输水管影响了储罐内原油的流动方向,并影响了输水管与原油,以及冷热原油间的对流换热效果,同时输水管的布置方式将影响整个太阳能加热系统的加热效率。

3 结论

(1) 由于水温分布的不均匀性造成的密度差成为水由水箱流向储罐内输水管进行流动加热原油的动力。

(2) 经长时间加热,原油储罐内的温度有所提升,但白天与夜间的原油储罐温差逐渐加大,加热第3 d与第6 d温差分别为5 K与24 K。

(3) 输水管及其布置会影响太阳能加热系统的对流换热和冷热原油间的对流换热效果。

参考文献

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