太阳能辐射分布（共8篇）
太阳能辐射分布 篇1
0 引言
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.
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[6]中华人民共和国国家标准.GB/T12637-1990太阳模拟器通用规范[S].北京:中国标准出版社, 1991.
太阳能辐射分布 篇2
三章一节 太阳辐射能 慈溪市范市初中
方梅
教学目标：
1、知道太阳以辐射形式不断释放能量，阳光给地球带来的光和热是太阳辐射能的主要形式，阳光是地球上所有生物的主要能量来源。
2、知道照射到地球表面的太阳光辐射几乎是平行的。
3、知道黑色表面的物体比白色表面的物体能吸收更多的太阳辐射能。
教学重点：太阳是一个巨大能源，阳光给地球带来的光辐射和热辐射是太阳辐射能的主要形式。黑色表面的物体比白色表面的物体能吸收更多的太阳辐射能。教学难点：理解照射到地球表面的太阳光辐射几乎是平行的。教学用具：多媒体、锥形瓶（2只）、温度计（2只）
教学过程：
引入：
1、我们学过有关太阳的知识，回忆一下，太阳是一个怎么样星球？（是一个发光发热的气体星球）
2、太阳给了我们光和热，他是否都给了地球？（只有22亿分之一）新课：
一、太阳是一个巨大的能源
1、太阳是一个巨大的不断燃烧的气体球，他以辐射形式不断地向周围空间释放能量，这种能量叫做辐射能。太阳就是辐射源。
2、辐射能的主要形式：光辐射和热辐射。
【问题】①那其他的恒星是不是辐射源？（是，因为恒星可以自行发光）
②为什么我们感觉不到他的光和热？（因为他们离地球十分遥远，所以地球观察到的恒星只是一个发光点，有的恒星单位时间发出的辐射能比太阳多）
3、地球获得的太阳辐射几乎是平行的。
原因：①地球离太阳很远
②地球远比太阳小
举例：如以1㎝长为半径作一个圆表示地球，若以这样的比例画出日地间的距离，则该段距离约为235m。可以想象，在这一距离的另一端是不到五角硬币那样大的地球，从垂直于太阳表面发出的光，经过很大的距离，到达地球表面的光束，应该可以认为平行光。
4、地球表面垂直于阳光的单位面积上，在单位时间内得到的太阳辐射能几乎是
相同的。
【阅读】 点光源
点光源发出的光辐射到达被照面单位面积上的光辐射量是随距离增大而迅速减小的。
【阅读】太阳能飞机
二、太阳的热辐射
【活动】探究表面颜色不同的物体与吸热的关系
结论：白色物体不易吸收太阳热辐射，黑色物体易吸收太阳热辐射。【阅读】 辐射计
【思考与讨论】
1、图3.1.7是一位旅行家拍摄的一幅照片，他报告说在阳光照射下沙漠中砂子被晒得很烫，许多黑色的 石头简直烫得不能用手碰。是什么道理？
答案：因为黑色表面的物体更容易吸收太阳辐射而使温度升高。
2、图3.1.8是贮存天然气的球形柜，这些贮球柜为什么都漆成白色的？
答案：因为天然气是一种可燃气体，为了贮存安全，要尽可能减少球行柜吸收的太阳热辐射，不致使它的温度升得太高。
【阅读】新世纪首次日全食光临非洲 思考：
1、日全食发生的原理？
2、月球比地球还小，怎么会遮挡住巨大的太阳？
板书：§3.1
太阳辐射能
一、太阳是一个巨大的能源
1、太阳是一个巨大的不断燃烧的气体球，他以辐射形式不断地向周围空间释放能量，这种能量叫做辐射能。太阳就是辐射源。
2、辐射能的主要形式：光辐射和热辐射。
3、地球获得的太阳辐射几乎是平行的。
4、地球表面垂直于阳光的单位面积上，在单位时间内得到的太阳辐射能几乎是
相同的。
二、太阳的热辐射
结论：白色物体不易吸收太阳热辐射，黑色物体易吸收太阳热辐射。
小结：太阳是一个巨大能源，阳光给地球带来的光辐射和热辐射是太阳辐射能的主要形式。
太阳能辐射特性 篇3
太阳辐射 (solar radiation) 是指太阳向周围空间发射的电磁波和粒子流, 地球所接收到的太阳辐射能量仅是总能量的二十亿分之一。狭义地讲, 太阳辐射是指来自太阳的太阳光辐射到物体表面, 特别是地球表面等。太阳释放出的能量可认为是一定的, 而地球表面接收到的能量却随时间和空间变化, 其影响原因包括天文学和气象学因素。其中天文学因素, 是指地球围绕太阳公转的同时, 地球自身也绕地轴自转等有规则的运动。气象学因素, 是指在大气圈内发生的各种各样的不规则大气现象。
工业料位计辐射场剂量分布研究 篇4
关键词：工业料位计,辐射场,剂量分布,测量
核技术在近年来在医疗、农业、工业等多个领域都得到了较为广泛的应用, 为国民经济的发展提供了有效的技术支持, 工业料位计就是核技术应用的典型例子。工业料位计具有在线控制、在线分析、在线检测等显著的特点而被日益增多的工业企业所选用。其基本工作原理是利用对射线强度进行测量来将原料厚度准确地计算出来, 计算精度较高, 在水泥厂机立窑的料位自动控制中应用价值较高。但是由于工业料位计在使用过程中有可能会出现泄露的现象, 那么就会在其附近出现辐射剂量异常区, 会直接危害到相关的工作人员及周围环境, 因此, 很有必要对工业料位计辐射场剂量分布进行研究。
1 工业料位计的组成及辐射场形成机理
工业料位计是由后续控制电子电路、电离室γ射线探测器、防护铅罐、γ辐射源等多个部件组成, 137CS源是工业料位计最为常用的放射源, 所释放出来的γ射线能量可以达到0.661Mev。137CS放射源衰变之后就会产生β射线和γ射线, 而β射线的射程只有几厘米, 辐射范围极为有限, 基本不会影响到周围环境, 由此可见, γ射线才是最为主要的污染源。物质与γ射线在一起作用, 会产生电子对效应、康普顿散射、光电效应三种形式。这三种形式的发生率往往直接与作用物质的原子序数、射线能量存在着较为密切的关联, 电子对效应主要是物质与高能量光子相互作用的形式, 康普顿散射主要是物质与中等能量光子相互作用的形式, 光电效应则主要是物质与低能量光子相互作用的形式。
因此, 物质对射线的散射是工业料位计辐射场的形成基础, 射线与料封管中的物质发生康普顿散射效应, 料封管成为射线路径中的散射物, 它对料位计的辐射剂量分布会产生影响。
2 工业料位计辐射场剂量分布的测量
2.1 测量仪器
选用X-γ辐射检测仪 (型号为AT1123型) 来测量工业料位计的辐射场剂量分布, X-γ辐射检测仪探测器类型塑料闪烁体, 该仪器响应的能量响应为60ke V-3Me V, 时间响应大于30ms, 仪器量程范围50n Sv/h-10Sv/h, 测量固有误差±15%, 各项性能参数完全符合现场测量要求。
2.2 测量方法
首先, 关闭放射源准直孔, 对环境辐射剂量本底值进行有效地测量;其次, 将放射源准直孔打开来进行逐点测量。单次测量时间为10s, 每个测点测量次数为5次, 测量结果则为5次测量的平均值。
2.3 测量结果
(1) A企业料位计剂量分布。基于现场的实际环境条件来将平面布点图绘制成如图1所示, 料位计辐射剂量分布测量结果如表1所示。由表1可以看出, 剂量较大的异常区出现在工业料位计的放射源一侧, 同时由于附近建筑物的影响, 个别区域还出现了剂量削弱或者剂量叠加的现象。本次测量的最大值出现在5号测点, 距源3m范围内, 由于剂量已经达到了354.94×10-8Sv/h, 那么应该要重点关注。而工业料位计探测器的另外一侧辐射剂量很小, 基本不会对工作人员身心健康造成影响, 因此, 可在这一侧进行相应的操作。
(2) B企业料位计剂量分布。基于现场的实际环境条件来将平面布点图绘制成如图2所示, 料位计辐射剂量分布测量结果如表2所示。由表2可以看出, 剂量较大的异常区出现在工业料位计的放射源一侧, 同时由于附近建筑物的影响, 个别区域还出现了剂量削弱或者剂量叠加的现象。本次测量的最大值出现在9号测点, 距源3m范围内, 由于剂量已经达到了259.33×10-8Sv/h, 那么应该要重点关注。而工业料位计探测器的另外一侧辐射剂量很小, 基本不会对工作人员身心健康造成影响, 因此, 可在这一侧进行相应的操作。
3 结语
总之, 对A企业和B企业的料位计辐射剂量分布测量结果进行综合发现:剂量较大的异常区都出现在工业料位计的放射源一侧;料封管中的物质、放射源活度与异常区的剂量强度、辐射半径都存在着较为密切的关系;与放射源后方相比, 放射源两侧的辐射场剂量都较大, 呈现出较为明显的“双峰”状。而工业料位计探测器的另外一侧辐射剂量很小, 基本不会对工作人员身心健康造成影响, 因此, 可在这一侧进行相应的操作。
参考文献
[1]高起发, 高秀玉.吕振祥秦山核电站首炉燃料组件生产对辐射环境影响的初步分析[J].辐射防护, 2011, 17 (01) :144-145.
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[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中华人民共和国国家标准—建筑材料放射性核素限量[S], 2001.
太阳能辐射分布 篇5
采用自然通风的目的是在某些地区、某些气候条件下、一年某些季节或某些时间代替 (或部分代替) 制冷空调系统。太阳能烟囱是一种采用一定的构造来利用太阳能加热烟囱内空气造成热压来驱动空气流动的构造。20世纪50年代, 法国科学家特隆泊最早发起对太阳能烟囱的研究。国内外研究者对太阳能烟囱进行了大量实验和数值模拟研究, 并提出了各种各样的太阳能烟囱结构形式。研究较多的烟囱形式主要有3种:Trombe墙体式结构, 竖直集热板屋顶式结构和倾斜集热板屋顶式结构[1]。在太阳能烟囱构造对其通风量影响研究方面, 不论是实验室研究还是数值模拟研究方面, 都取得了大量成果[2,3,4,5]。然而这些研究中所采用的实验模型或者数值物理模型几何参数比实际应用中的太阳能烟囱要小得多, 在指导实际应用方面有欠缺。
重庆地区夏季太阳能最丰富, 春季和秋季次之, 冬季最小仅占约10%。太阳能光热、太阳能通风降温等技术具有很大的建筑应用潜力, 夏季太阳能辅助通风, 室内通风速度可提高14%~40%[6], 明显改善室内热湿环境和空气品质。
本研究期望通过对重庆城区过渡季节气象要素分析, 使用数值模拟的手段研究2种构造形式的太阳能烟囱通风性能随太阳辐射强度的变化规律, 得出相关结论, 以指导太阳能烟囱在重庆地区过渡季节自然通风设计中的合理应用。
1 太阳能烟囱的基本原理
太阳能烟囱内被太阳辐射加热了的空气因其密度小而上升, 较冷而密度略大的空气不断补充。其通风效果依赖于室外气候条件、烟囱的结构尺寸和材料构造。前者包括太阳辐射、室外温度、风速, 而后者包括烟囱的高度、进出口面积、烟囱通道宽度、烟囱材质等因素。
在热压造成的自然通风中, 使用质量流量M表示通风量来评价热压通风的效果, 文献[3]中给出了质量流量计算公式, 见式 (1) 。
式中:M———质量流量, kg/s
CD———流量系数, 一般取0.6;
ρa———室外空气密度, g/cm3;
ρ0———出口空气密度, g/cm3;
ρ———室内空气平均密度, g/cm3;
g———重力加速度
H———进出口高差, m。
ρi———入口空气密度, g/cm3;
Ai———入口面积, m2;
A0———出口面积m2。
从式 (1) 可以看出, 太阳能烟囱的通风量与进出口高差, 进出口面积均成正比关系, 因此, 在设计中应尽可能地扩大进出风口面积, 在允许范围内把烟囱尽量做高。
2 太阳辐射强度对太阳能烟囱通风量的影响
2.1 研究方法
从太阳能烟囱的原理可知, 影响其应用效果的因素较多, 本研究只考虑太阳辐射强度对烟囱性能的影响情况, 使用airpak软件通过设计工况来单独考察太阳辐射强度对烟囱通风效果的影响, 使用通风量进行评价。
2.2 物理模型和数值模拟条件设置
考虑到太阳能烟囱应用的情况, 选取2种形式的太阳能烟囱模型均为常规的长方体, 下部从室内进风, 形式一顶部向室外排风, 形式二上部侧面向室外排风, 排风口面积均与进风口面积相等。进风口长度、出风口长度和烟囱风道长度L均为1 m, 进风口高度h1为0.6 m, 风道宽度B为0.6 m, 风道高度H (自进风口中心到出风口中心高度) 为6 m, 形式二的出风口高度h2为0.6 m, 烟囱模型如图1所示。进风口一侧的墙壁为涂黑墙壁, 与之相对的一面为透光玻璃其余两侧墙假设对烟囱的得失热没有影响, 设为一般墙体。
为了使太阳能烟囱更适宜于重庆地区, 本研究对重庆主城区过渡季节室外空气温度、相对湿度和太阳总辐射强度进行了统计分析, 见表1。
注:统计对象为《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[7]中重庆市沙坪坝区的逐时气象数据, 选取过渡季节 (3月~6月, 9月~11月) 的上班时间 (9:00~18:00) 数据统计分析。
从表1可以看出, 除北向辐射强度较小外, 其它各朝向各月平均值在100 W/m2左右, 因此, 过渡季节重庆主城区的太阳能资源可以加以合理利用, 以改善室内舒适状况, 节约能耗。
2.3 模拟工况和结果分析
使用airpak软件对烟囱通风量进行模拟分析, 边界条件设置如下:
(1) 玻璃吸光率为0.06, 透光率为0.85, 黑色涂料墙壁吸热率为0.95, 太阳辐射强度取50、100、200、300、400、500、600、700 W/m2共8个工况, 此8个工况在过渡季节太阳辐射强度范围内, 相应涂黑的墙体和玻璃的热流密度见表, 其余墙体设置为绝热;
(2) 室内外气温取过渡季节各月平均值的最大值26.7℃ (考虑最不利[8]水平, 该值为6月平均值) , 相对湿度取过渡季节平均水平73.9%, 大气压为标准大气压;
(3) 进风口和出风口均设置为opening;
(4) 烟囱内气体为牛顿流体, 引用Boussinesq假设, 流体流动为稳态紊流。
计算网格划分使用的有限容积法, 在划分时疏密适当, 在进出风口处加密网格, 保证壁面处网格尽量密集。计算时湍流模型选择RNG模型, 辐射模型选用S2S模型, 数值差分格式中压力选用Body Force Weighted, 其它参数选用二阶迎风格式, 压力-速度耦合求解选用SIMPLE算法[9], 迭代次数设置为1500次。模拟结果见表2和图2、图3。
从表2和图2、图3可以看出, 通风量随太阳辐射强度的变化趋势为二项式分布, 得到的辐射强度越大, 通风量也越大, 但是变化幅度并不明显。从热压通风的原理上来看, 太阳辐射造成了空气密度的变化, 获得的热量越多造成的热压相应越大, 然而这里还受到烟囱构造的影响, 使得效果受到限制。从表2还可以看出, 形式一的开口形式通风效果明显优于形式二, 且形式一随太阳辐射量变化比形式二敏感, 更利于合理利用太阳能强化自然通风。
在实际设计中, 可以尽量选择吸热性能较好的材料来做集热墙体, 选择辐射强度较高的朝向, 尽可能使太阳能烟囱的集热墙获得尽量多的太阳辐射热, 但在集热材料的选择上不必过于要求, 其对烟囱的通风性能改善程度影响并不大。相比较而言, 出风口的形式变化则影响更为显著, 采用形式一明显优于形式二。
3 结论
本研究通过结合重庆市气象参数, 使用理论分析和数值模拟的方法重点研究了太阳辐射强度对2种形式太阳能烟囱通风性能的影响, 得到以下结论:
(1) 太阳能烟囱的通风量与进出口高差、进出口面积均成正比关系, 因此, 在设计中应尽可能地扩大进出风口面积, 在允许范围内把烟囱尽量做高;
(2) 重庆城区在过渡季节的太阳能资源可以加以合理利用, 节约能耗;
(3) 在材料热工性能一定的情况下, 通风量随太阳辐射强度的变化趋势在一定范围内为二项式分布, 得到的辐射强度越大, 通风量也越大, 但是变化幅度并不明显;
(4) 出口布置在烟囱顶部比布置在侧面能更有效利用太阳辐射加强自然通风。
参考文献
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太阳散射辐射测量装置的设计 篇6
针对太阳能利用方式的不同,需要对太阳能直接辐射和散射辐射资源的储量和分布进行精确的分类观测与评估。在全自动太阳跟踪器上安装遮光装置,能够对散射辐射进行自动测量,避免人工调整和计算散射时的遮光系数的修正[1],实现太阳散射辐射的自动测量。
1 太阳散射辐射测量装置工作原理
为了测量太阳的散射辐射,须在全自动太阳跟踪装置上安装遮光装置,借助于该装置将太阳直接辐射从传感器上遮去。要使遮光球时时遮住总辐射表被遮光面[2],遮光球必须以总辐射表被遮光面中心为球心,跟随太阳位置的变动绕该中心旋转,为此采用与全自动太阳跟踪装置联动的平行四边形机构,如图1所示。平行四边形具有这样一个特点,即以任意两条邻边的节点为轴改变平行四边形的形状,其两条平行边始终保持平行。
遮光球在两个方向的运动都必须以总辐射表的被遮光面的中心为转动轴心。在太阳跟踪装置的设计中,总辐射表安装在全自动太阳跟踪装置赤纬轴驱动箱的箱顶平台上,该平台可以提供满足要求的时角轴方向的转动。为了实现实时对太阳的遮光,采用平行四边形机构来解决的是赤纬轴方向的转动。
2 太阳散射辐射测量装置的设计
根据遮光原理图1。遮光装置设计如下:
a) 铰链A为固定铰链,即与机架相连;
b) BE(即遮光杆)为一个构件;
c) 各长度关系:AB=EF,BE=AF,由此可知ABCD组成一个平行四边形机构;
d) 由于A为固定铰链,所以B点绕着A转动,这时BE杆作围绕D点的转动。
e) 根据平行四边形机构的特点可知,如果测量仪表F的位置安放在全自动太阳跟踪器箱体上面,并且遮光球E的位置确定必须满足BE=AF的长度要求;理论上保证E点永远围绕F点转动。也即是说A、F分别是B、E点运动的圆心;
f) 由于AB、EF永远是平行的,且永远保证与太阳的光线平行,所以遮光板永远能够保证遮挡住玻璃罩。
根据对称原理,设计得到遮光装置如图2所示。
2.1 遮光球的大小
由上面的遮光原理可知,在跟踪太阳的运动中,无论太阳处于什么位置,都要求遮光球能准确地遮住直射到仪表上的阳光。阳光理论上永远是与遮光球支撑杆(遮光杆)平行的。由于太阳的光线是平行光,所以理论上只要遮光球的直径等于最大的测量仪表的直径即可。
图3例举了太阳跟踪器在运行15°、30°、45°、58°、75°时,阳光被遮光球遮挡,仪表上得到遮光球影子后投影的不同情况。
从图3可以看出,若保证测量仪表上均是遮光球的影子,没有阳光,只要使遮光球的最外圈与测量仪表的最外圈是相切关系就可以达到。也就是照射到仪表最里面的阳光与测量仪表的外表面保持相切。根据平行四边形机构的特点,只要仪表的位置确定了,遮光球的位置便随之确定。遮光仪表与遮光球的中心点之间必须保证与平行四边形的一边长度相等并且平行。因为这时在原有平行四边形机构的控制下,在四杆机构的运动中,能够永远保证是平行四边形的状态。
2.2 遮光杆的设计
遮光球是遮光机构的附件之一,遮光球大小的计算与测量仪表的几何关系如图4。图4中R—遮光球的半径; r—测量仪表的半径; L—遮光杆长度; a—敞开角; b—斜角;
根据图4(a)可以得到:
世界气象组织规定5°≤a≤11°,因此
预使遮光球最大可能的遮住直射阳光,世界气象组织规定b≤1°,由图4(a)可知
r的大小由测量仪表本身确定,对于一般总辐射表,r=30 mm。因此
由式(4)可知R≤0.017L+30,即30≤R≤0.017L+30。
由于太阳的光线是平行光,所以理论上只要遮光球的直径等于最大的玻璃罩的直径即可。但是由于安装制造过程中误差是不可避免的,所以根据安装制造的精度,必须使得遮光球的直径大于玻璃罩的直径[3],制造精度越低则应该选取的遮光球的直径就越大。取R的最大值0.017L+30,经过计算式(3)。
1 144.78≤L≤380.50。
在L和R的选取中,应考虑材料的强度,所以应首先选取L,原则是保证材料不发生明显颤动。选取L=580 mm,经验算满足各项要求。
2.3 齿形带设计
齿形带传动属于啮合型带传动,工作时带与带轮之间不会产生相对滑动,能够获得准确的传动比,因此它兼有带传动和齿轮啮合传动的特性和优点[4]。为便于测量仪表的安放,经过减速的赤纬轴输出设计为齿形带轴(如图5),通过该轴带动主动齿形带轮转动,遮光杆用稳定可调的方式固定在齿形带的从动轮上。由此遮光杆的回转中心既是从动带轮的回转中心,又因为所有测量仪表的中心都与两个齿形带从动轮的回转轴线重合,所以遮光球能实时遮住测量仪表。
2.3.1 确定计算功率,选取带型
Pd=KAP=0.06 kW。
选取齿形带的带型为L。
2.3.2 确定齿数z,节圆直径dp1
查表得到带轮的齿数为12。
带轮节圆直径
2.3.3 确定轴间距a,带的节线长度Lp及齿数Zb
初定轴间距a0:1.4dp1≤a0≤4dp1 即50.93≤a0≤145.52;
初定节线长度Lp0=2a0+πdp1;
查表得到Lp=314.33; Zb=33。
3 太阳散射辐射测量装置的整体建模与仿真
用于测量太阳散射辐射的遮光装置,主要由箱体1,底板2,传动机构3,遮光框架4、遮光球5和总辐射表6组成,其中箱体1内部是全自动太阳跟踪装置的系统结构7,如图6所示。
将经过减速的赤纬轴71输出设计为齿形带轴31,通过该轴带动主动齿形带轮32转动,遮光杆用稳定可调的方式固定在齿形带的从动轮33上,从而将全自动太阳跟踪装置的赤纬轴运动转换为遮光装置的赤纬轴运动。将总辐射表6安装在遮光机构的底板2上面,而遮光机构的底板2安装在由赤纬轴驱动的箱体1上面,这样来实现遮光机构的时角轴方向的转动。测量太阳散射辐射的遮光装置是在安装全自动太阳跟踪装置上的,利用遮光装置将太阳的直接辐射从传感器上遮去,从而进行太阳散射辐射的测量。遮光球5的运动必须分解为跟踪太阳的赤纬轴运动和时角轴运动,这两个方向的运动都必须以总辐射表6的被遮光面的中心为转动轴心。将总辐射表6固定在全自动太阳跟踪装置的箱体1上,而全自动太阳跟踪装置的箱体1可以提供满足要求的时角轴方向的运动,从而实现遮光装置的时角轴运动。遮光机构的赤纬轴31转动则是通过传动机构3将直接辐射表赤纬轴71的转动转换而得到的。遮光杆41的回转中心是从动带轮33的回转中心,而所有总辐射表6的中心都与两个齿形带从动轮33的回转轴线重合,这样保证遮光杆指向太阳,则就能保证遮光球5遮住总辐射表6。利用Pro/E的机构仿真得到遮光球的运动轨迹如图7所示,基本符合太阳的运动轨迹。
4 结论
一种简单方便的测量太阳散射辐射的遮光装置,可与全自动太阳跟踪器连接在一起,能够代替现有的遮光环装置,实现太阳散射辐射的自动测量。通过利用直接辐射表赤纬轴的转动来实现遮光装置赤纬轴的转动,整个遮光装置放置在全自动太阳跟踪器外壳上,从而实现光装置时角轴的转动。测量太阳散射辐射遮光装置采用齿形带传动在实现平行四边形结够的同时也更好地保证了精度。
摘要：为实现太阳散射辐射的自动测量,设计一种简单方便的测量装置。该装置可与全自动太阳跟踪器连接在一起,代替现有的遮光环装置。太阳散射辐射测量装置通过利用直接辐射表赤纬轴的转动来实现遮光装置赤纬轴的转动,整个遮光装置放置在全自动太阳跟踪器外壳上,实现遮装置时角轴的转动。整个装置采用齿形带传动,在利用平行四边形结构的同时也更好地保证了精度。
关键词：散射辐婶,测量,设计,齿形带
参考文献
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[4]倪森寿.机械基础.北京:高等教育出版社,2000
[5]Pro/ENGINEER野火版自学手册.北京:人民邮电出版社,2008
太阳能辐射分布 篇7
对1530 nm光通信传输窗口来说, 掺铒波导放大器 (EDWA) 可与其他无源和有源光电子器件在同一衬底上单片集成, 具有体积小、增益高、损耗低等优点, 已受到越来越多的关注。在描述EDWA的理论时, 常采用速率–传输方程组。因为方程组中含有较多的非线性方程, 所以只能作数值求解。用980nm波段的光泵浦时, EDWA一般采用三能级系统结构。由于铒离子在能级3的寿命远小于能级2的寿命, 能级3上的粒子数常被近似为零, 可以用二能级粒子与双波长相互作用来描述EDWA[1,2,3], 这样在求解方程时变得较简单。
本文采用四能级系统结构, 没有把铒离子能级3与能级4上的粒子数忽略掉, 对速率–传输方程组进行了求解。在前向泵浦和反向泵浦二种方式下, 通过数值求解对能级粒子数分布与放大自发辐射进行了分析, 用仿真曲线的分布解释了能级3与能级4上的粒子数为什么可以近似为零, 并得出一些其它结论, 为评价器件的性能打下良好的基础。
1 理论模型
图1给出了铒离子的能级结构模型。其中涉及到亚稳态能级4I13/2与基态能级4I15/2之间的受激吸收和受激发射, 亚稳态能级4I13/2与能级4I9/2、4I15/2间的合作上转换、亚稳态能级4I13/2与能级4I9/2、4I15/2间的交叉弛豫, 能级4I9/2与4I11/2、4I11/2与4I13/2间的非辐射弛豫以及能级4I13/2、4I15/2间的放大自发辐射 (ASE) 。
令N1、N2、N3、N4分别为能级4I15/2、4I13/2、4I11/2、4I9/2上铒离子的粒子数浓度, NEr为铒离子的总粒子数浓度;在稳态情况下, 系统的速率方程可表示为[4,5,6]:
式中, 分别为泵浦光、信号光及ASE沿z方向的传输功率, 其中“+”“-”分别代表正反二个方向;Гp、Гs、ГASE分别为泵浦光、信号光和ASE的光功率限制因子;Ac为波导芯的横截面面积;h为Plank常数;Aij=1/τij为铒离子的自发辐射概率或非辐射弛豫概率;M为离散信号光吸收与发射截面谱的条样数目;vj为每个条样的中心频率;其余参数的含义见表1。
在稳态情况下, 泵浦光功率Pp、信号光功率Ps和ASE光功率满足的传输方程可表示为[4,5,6]:
式中, αp、αs分别为泵浦光、信号光的背景损耗系数。
对于长度为L波导, 在前向泵浦与反向泵浦情况下, 泵浦光功率Pp、信号光功率Ps和ASE光功率满足下列边界条件
2 数值分析
下面以前向和反向二种泵浦方式对波导内部的能级粒子数分布与放大自发辐射的影响进行数值分析, 相关参数见表1[7,8]。计算步骤如下:1根据边界条件, 确定单模条件下波导的芯宽度、芯厚度及传播常数, 并求出泵浦光和信号光的功率限制因子;2对长度为L的波导进行离散, 将其分成N段, 每段都独立对应着正反两个方向的传输方程;3计算第i-1段波导中能级粒子数N1、N2、N3、N4, 第i段波导中泵浦光功率Pp、信号光功率PS和ASE光功率, 如此迭代直到波导末端。
图2显示了各能级粒子数浓度Ni (i=1, 2, 3, 4) 随波导内部坐标z的变化曲线。由图2 (a) 可以看出, 在前向泵浦方式下, N1随着传输距离L-z的增大而增大, N2随着传输距离z的增大而减少, N2与N1基本形成对称分布。在反向泵浦方式下, N1随着传输距离增大而增大, N2随着传输距离L-z的增大而减少, N2与N1基本上也形成对称分布。N2与N1的曲线成对称分布, 说明了能级4I15/2、4I13/2上铒离子的粒子数在总的粒子数目中占主导地位, 并且能级4I15/2上的粒子数主要是由能级4I13/2上的粒子受激跃迁所致。由图2 (b) 可以看出, 在前向泵浦方式下, N3与N4随着传输距离z的增大而减少。在反向泵浦方式下, N3与N4随着传输距离L-z的增大而减少。由于能级4I9/2上的粒子是通过无辐射的弛豫到能级4I13/2上, 所以无论在何种泵浦方式下, N4在数值上均比N3要小。还可看出, N3, 4比N1, 2小5个数量级左右, 所以在粗略求解能级粒子数分布时, 能级4I11/2和4I9/2上的粒子数可以忽略掉。
3 结论
S从上面的分析中可以看出, 由于铒离子能级能级4I11/2、4I9/2上的粒子数量比4I15/2、4I13/2上的小几个数量级, 在粗略求解能级粒子数分布时, 前者可以忽略掉;能级4I15/2上的粒子数主要由能级4I13/2上的粒子受激跃迁, 导致了无论在前向泵浦还是反向泵浦方式下, 粒子数浓度N2与N1基本上成对称分布;在波导前端z=0处, 前向泵浦方式的比反向泵浦方式的大, 在波导后端z=L处, 反向泵浦方式的比前向泵浦方式的大。这些有益的结论, 为评价器件的性能起着指导作用。
摘要：根据速率方程和光传输方程, 在975nm泵浦光和1533nm信号光的作用下, 对10cm长掺铒波导放大器, 数值分析了前向和反向二种泵浦方式对波导内部的能级粒子数分布与放大自发辐射的影响, 为评价器件的增益与噪声性能起着指导作用。
关键词：掺铒波导,粒子数分布,放大自发辐射
参考文献
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太阳能辐射分布 篇8
太阳能因其清洁、节能、环保的突出特点而成为引人注目的可再生能源。在以人类生活舒适为目标的的建筑中, 室内空气温度设计值通常要求在20℃以下, 理论上来说, 高于20℃的热水就可以用来采暖[1]。针对低温热水采暖系统而言, 水的温度越低, 其品位就越低, 通过毛细管末端低温热水采暖装置就可以利用这种低品位能源以达到节约高品位能源的目的, 不仅能够节省化石燃料, 也可减少二氧化碳排放量。
太阳能热水-毛细管直供采暖系统的优势主要有:1) 毛细管末端属于一种高效节能型的末端形式;2) 低温辐射的热舒适性较好;3) 墙体蓄热有利于室温的稳定, 同时在一定程度上代替了蓄热水箱。
天津地处我国北部, 年辐射量为5768.782MJ/ (m2.a) [2], 属于太阳能丰富的地区。因此, 利用太阳能进行采暖具有一定的可行性。本文通过实验对太阳能热水毛细管辐射采暖特性进行了具体研究, 验证系统在晴天工况下能否满足房间的供暖需求, 实验结果为天津地区低能耗建筑应用该系统的可行性提供了参考。
1 实验系统
实验房间的基本尺寸为5.57m×5.51m×3.3m (长×宽×高) , 房间模型图如图1所示。房间的北面墙壁和吊顶铺设毛细管网, 毛细管外径3.4mm, 壁厚0.55mm, 间距10mm。由于实验室条件的限制, 该实验测试房间的吊顶只布置了15m2的毛细管格栅, 布置图如图2所示。
集热系统采用HP-16型号热管式真空管太阳能集热器, 由16根长度为1800m、外径为58mm的真空玻璃管组成, 集热器阵列布置图如图3所示。本实验共用到9台此类型集热器, 采光面积共为14.58m2, 总面积21.06m2。本集热器放置实验楼前南北向排列, 由于集热器为秋分到春分间使用, 太阳能集热器安装角度应该在当地纬度上增加10°, 太阳集热器实际安装角度为50° (天津地区冬季最佳倾角) 。
此套供暖系统的蓄热水箱安装在室内, 白天集热系统吸收太阳辐射并加热水, 将热量贮存在蓄热水箱中, 以用于当关闭太阳能集热系统后仍为实验房间提供热量。蓄热水箱容量的大小与集热器面积以及集热温度有关。若集热温度较高 (60℃) , 则应采用较小的蓄热水箱, 若集热温度较低 (30~35℃) , 则应采用较大的蓄热水箱。一般来说, 1m2集热器所需的蓄热水箱容积大约为50~100L。此次试验中的蓄热水箱贮存水量为756L, 水箱采用玻璃衬里钢板制成, 保温厚度为100mm左右, 如图4所示。太阳能直供毛细管辐射采暖系统原理图如图5所示。
为了得到舒适性房间毛细管的辐射供暖特性, 故将实验室测试房间假定为卧室, 属于舒适性空调范畴。考虑到实验目的及其实际使用功能, 选取距离地面中心0.1m、1.1m、1.70m、3m处室内空气温度测点, 其0.1m为人体脚踝处高度, 1.1m为人体坐下时头顶的高度, 1.70m为人体站立时头顶的高度, 3m为测量靠近吊顶辐射面的空气温度[3]。此外, 为了测得侧壁和吊顶毛细管表面的平均温度、最低温度和最高温度, 按照对角线划分原理, 将毛细管侧壁和吊顶壁面测点布置为9个点, 如图6所示。
实验室中所用的测量仪器如表1所示。
实验研究太阳能集热器吸收太阳能能否满足房间的供暖要求, 考虑到早晨和晚上太阳辐射强度偏低, 故太阳能集热循环泵的运行时间为7∶30~16∶30。采暖循环泵从早晨7∶30运行至转天早晨7∶30。集热水箱中的水始终未采用辅助电加热器加热。
2 测试结果分析
2.1 室外温度与太阳辐射值
此套系统进行了多次运行实验, 选取具有代表性的实验数据, 分析系统效率与室内热环境。该日天气状况为晴天, 图7所示为当天室外气温与太阳辐射量随时间的变化曲线。
测试时间从早晨7∶30至次日早上7∶30, 采用温湿度自记仪和太阳辐射仪自动记录数据。从变化曲线可以看出, 太阳辐射强度最大值出现在中午12∶30左右, 此时太阳辐射值为909.23W/m2, 全天平均值为591.75 W/m2, 日总辐射量18.82MJ/m2。早上7∶30室外气温最低至-0.3℃, 最大值出现在15∶30为12.6℃, 而日平均气温较低为6℃左右, 全天温度波动较大, 最大温差达11℃。
2.2 蓄热箱水温与太阳能集热器瞬时效率变化
蓄热箱水温与太阳能集热器瞬时效率变化曲线如图8所示。
太阳能集热器瞬时效率指在稳态条件下, 特定时间间隔内由传热工质从一特定的集热器面积上带走的能量与同一时间间隔内入射在该集热器面积上的太阳能之比, 亦即集热器实际获得的有用功率与集热器接收的太阳辐射功率之比。因此, 根据测试的温度、流量、太阳辐照度、面积等参数绘制出此变化曲线。由变化曲线可以看出, 日出后, 太阳能集热器开始吸收太阳辐射的能量, 10∶30~14∶30, 太阳辐射值较高, 蓄热箱中的水也是升温最快的时段, 最高值达37.5℃。此段时间过后, 水箱中的水处于保温状态。在水温达到22℃之前, 瞬时集热效率不断增加, 最高至51%, 这是由于水温低, 蓄热水箱中的水与外界温差小, 热损失小, 集热器有较高的效率。随着集热器进水温度的升高, 集热器的瞬时效率不断下降, 当水温达到最高值37.5℃时, 集热器瞬时效率仅为31%, 16∶00之后集热系统集热量小于热损失, 集热效率逐步降低趋于0, 关闭太阳能集热循环泵。经分析, 日平均集热效率为30%。
2.3 毛细管席供热能力分析
由实验测出毛细管末端的供回水温度、流量、可以得出瞬时供热功率, 绘制出曲线如图9所示。
由图9可以看出, 单位面积毛细管供热最大功率为91W/m2, 全天平均供热功率为35W/m2;太阳能集热系统所负担的只是建筑物在采暖期的平均采暖负荷, 不是建筑物的最大采暖负荷, 根据计算, 实验室的平均采暖热负荷为33.4W/m2[4], 故此系统能够基本满足该房间的供暖需求。在16∶30关闭太阳能集热循环泵3h后, 供热功率为29W/m2, 直到凌晨2∶30, 供热功率降至0, 此时依靠房间的围护结构的蓄热维持房间的温度。
2.4 毛细管席壁面温度响应特性
采暖循环子系统运行时, 当蓄热箱中的热水输送到毛细管网时, 毛细管网加热层开始蓄热升温。图10对比了铺设有毛细管席的北墙侧壁、吊顶和没有铺设毛细管席的吊顶壁面温度变化趋势。
由图10可以看出, 铺设有毛细管席的吊顶壁面在10∶30~14∶30, 由25.7℃上升至35.2℃, 温升9.5℃, 说明毛细管席壁面温度响应快, 壁面日平均温度25℃。而没有铺设毛细管席的吊顶壁面温度波动不大, 平均温度仅16.3℃。这体现出热水流经毛细管席为墙体蓄热的明显优势。
2.5 室内温度响应特性
此次实验测试了距离地面中心0.1m、1.1m、1.70m、3m处室内空气温度测点, 其0.1m为人体脚踝处高度, 1.1m为人体坐下时头顶的高度, 1.70m为人体站立时头顶的高度, 3m为测量靠近吊顶辐射面的空气温度。还测试了非采暖房间的室内平均温度进行对比分析, 温度变化曲线如图11所示。
由图11可以看出:1.1m高度处空气平均温度19.64℃和3m高度空气平均温度19.12℃仅相差0.52℃, 两者温差不大, 温度场分布均匀性较好。但0.1m高度处空气平均温度仅为17.17℃, 表明毛细管辐射采暖时, 室内空气温度在垂直方向上是存在温度梯度的。1.1m处平均温度高于3m处空气平均温度, 是因为此区域是工作人员的主要活动区域, 人体的散热干扰了此区域的温度场。全天实验房间平均空气温度19.22℃比非采暖房间空气平均空气温度14.66℃高4.5℃, 经Swema 3000测试, 人体普通着装静坐工作时, 平均PMV指标为0.14, PPD指标为5.31, 热舒适性良好, 体现出此系统的优良性。
3 结论
通过典型工况的太阳能直供毛细管末端辐射供暖系统实验研究, 可以得到下列结论:
1) 太阳能保证率是太阳能热利用系统的重要评价指标之一, 指系统中由太阳能提供的负荷与总负荷之比。天津地区晴天工况时, 当集热面积与采暖面积比值为1∶2时, 系统的太阳能保证率在93%左右, 能够基本满足此房间的供暖需求。 (太阳能集热效率为30%, 房间平均采暖热负荷为33.4W/m2) 。
2) 铺设有毛细管席的吊顶壁面在太阳辐照强度最大时的4h内上升了9℃, 壁面温度响应快。
3) 毛细管辐射采暖时, 室内空气温度在垂直方向上是存在温度梯度的, 但是在工作区内由于人员的活动干扰了局部的温度场。
4) 太阳能直供毛细管末端辐射供暖系统可以提高太阳能热利用率, 若将其应用到低能耗建筑中定能发挥巨大作用。
参考文献
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