匀光器、匀光系统及太阳模拟系统的制作方法

1.本技术涉及太阳模拟技术领域，尤其涉及一种匀光器、匀光系统及太阳模拟系统。


背景技术：

2.在相关技术中，通过太阳模拟器对太阳光照进行模拟，以为高温太阳能系统提供稳定且可控的实验环境。
3.一般的太阳模拟器的将发射的辐射热流聚集在一个较小的焦点目标区域上，当目标区域对应于接收器的孔径时，即可捕获、利用入射辐射。然而，通过反应器/接收器对入射辐射进行直接接收时，容易导致接收器表面产生局部热点并使得热应力增加，进而导致反应器/接收器发生故障或损坏。此外，一般的光学匀光器件(例如，光学积分器)无法承受太阳模拟器所产生的高温高热流。


技术实现要素：

4.本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种匀光器、匀光系统及太阳模拟系统。本技术所提供的匀光器通过对辐射光线进行光路重构，使得辐射光线分布更加均匀，从而避免辐射光线聚合形成的光斑具有局部热点。
5.本技术实施例第一方面提供一种匀光器，包括：透明圆柱管，所述透明圆柱管设有中空通道；其中，所述透明圆柱管包括内周面、与所述内周面相对应的外周面；反射层，设置于所述外周面上；第一金属层，设置于所述反射层远离所述透明圆柱管一侧的表面上；水冷管，设置于所述第一金属层远离所述反射层一侧；第二金属层，设置于所述水冷管远离所述第一金属层一侧。
6.本技术实施例中匀光器包括如下技术效果：在经过反射层多次反射后的辐射光线分布的均匀度逐渐增加，并使得反应器/接收器接收到的入射辐射或辐射光斑无局部热点，进而避免反应器/接收器由于受热不均匀而导致故障或损坏。
7.例如，太阳模拟器中的反射镜对氙灯所产生的辐射光线进行第一次调节，以使得辐射光线汇聚于反射镜的焦平面上。且焦平面上的辐射光线传输至匀光器中，匀光器对入射的辐射光线进行二次调节，以重构传输光路，从而使得入射辐射或辐射光斑无局部热点。
8.在一些实施例中，所述匀光器还包括：导热硅脂层，所述导热硅脂层设置于所述第一金属层远离所述反射层一侧，并与所述水冷管同层设置。
9.在一些实施例中，所述水冷管为螺旋状，且所述水冷管缠绕于所述第一金属层的表面；其中，水冷管包括水冷入口、水冷出口。
10.在一些实施例中，所述透明圆柱管为石英圆柱管。
11.在一些实施例中，所述匀光器还包括第一间隙层、第二间隙层；其中，所述第一间隙层设置于所述第一金属层与所述水冷管之间，所述第二间隙层设置于所述第二金属层与所述水冷管之间。
12.本技术实施例第二方面提供一种匀光系统，包括上述任一实施例中的匀光器；水
冷机，所述水冷机包括输入端、输出端；其中，所述水冷机的所述输出端与所述水冷管的所述水冷入口连接，所述水冷机的输入端与所述水冷出口连接。
13.在一些实施例中，所述匀光系统还包括：承载支架，所述承载支架用于承载所述匀光器、所述水冷机。
14.在一些实施例中，所述匀光系统包括：浮子式流量计，设置于所述水冷机的所述输出端，用于测量所述水冷机的输出流量。
15.在一些实施例中，所述匀光系统包括：热电偶温度计，所述热电偶温度计的一端与所述反射层连接，用于测量所述反射层的温度。
16.本技术实施例第三方面提供一种太阳模拟系统，包括上述任一实施例中的匀光器或上述任一实施例中的匀光系统。
17.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本技术做进一步的说明，其中：
19.图1为本技术一实施例一种匀光器的剖视图；
20.图2为本技术一实施例一种匀光器的结构示意图；
21.图3为本技术又一实施例的匀光器的工作状态示意图。
22.附图标记：100、匀光器；110、透明圆柱管；120、反射层；130、第一金属层；140、水冷管；150、第二金属层；161、水冷入口；162、水冷出口；170、导热硅脂层。
具体实施方式
23.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
24.在本技术的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
25.在本技术的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
26.本技术的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
27.在相关技术中，在反应器/接收器对聚光型太阳模拟器所提供辐射光线进行直接
接收时，辐射光线将聚集于焦点处并形成高热流密度的光斑，若反应器/接收器直接对光斑进行接收，容易导致接收器表面产生局部热点、受到的热应力增加，进而导致反应器/接收器发生故障或损坏。
28.基于上述存在的技术问题之一，本技术提供一种匀光器，以对反应器/接收器所接收的辐射光线进行光路重构，使得辐射光线分布更加均匀，从而避免接收器表面产生局部热点。
29.请参照图1、图2，本技术提供一种匀光器100，包括：透明圆柱管110，透明圆柱管110设有中空通道；其中，透明圆柱管110包括内周面、与内周面相对应的外周面；反射层120，设置于外周面上；第一金属层130，设置于反射层120远离透明圆柱管110一侧的表面上；水冷管140，设置于第一金属层130远离反射层120一侧；第二金属层150，设置于水冷管140远离第一金属层130一侧的表面上。
30.例如，透明圆柱管110为圆柱形，中空通道的入口直径与太阳模拟器输出的辐射光线所形成的光斑直径相适配，以减少由于辐射光线未进入匀光器100或辐射光线被吸收所导致的能量损失。例如，若透明圆柱管110的入口直径大于出口直径，则部分辐射光线容易在匀光器100的内周面的表面发生反射，并经由入口出射，从而导致能量损失；若透明圆柱管110的入口直径小于出口直径，则部分辐射光线容易在匀光器100的内周面的表面发生反射，并使得辐射光线所形成的光斑直径减小，使得辐射光线聚集并形成局部热点。因此，为了保证匀光效果，透明圆柱管110优选为圆柱形，且中空通道的直径。根据太阳模拟器产生的辐射光线所形成的光斑直径对中空通道的直径进行适应性调节，以减少辐射光线在内周面反射所造成的能量耗损，或由于辐射光线的光路过长而导致的沿程损耗。
31.进一步地，根据辐射光线的入射角度分布状态、目标光斑均匀度对透明圆柱管110的长度进行适应性调节，以调节辐射光线在透明圆柱管110内周面的反射次数。若辐射光线在内周面的反射次数过多，则使得辐射光线产生过多能量损耗；若辐射光线在内周面的反射次数过少，则得到的光斑无法达到需要的均匀度。
32.其中，设置于透明圆柱管110外周面的反射层120为镀银层。例如通过喷涂或者真空蒸镀的方式在透明圆柱管110外周面上设置镀银层，以对在透明圆柱管110表面传播的辐射光线进行再反射。此外，由于镀银层对辐射光线具有较高的反射率，可减少能量的损失。
33.进一步地，为了避免反射层120由于裸露而被氧化或者与其他器件发生碰撞而导致破损，通过在反射层120远离透明圆柱管110一侧的表面上设置第一金属层130，以对反射层120进行保护。
34.由于太阳模拟器的氙灯所生成的辐射光线具有较大能量，且辐射光线聚焦形成具有极高能量的光斑，聚焦焦点位于匀光器100的输入端处。因此，位于焦平面上焦点处具有较大的热流密度及较高的温度。在匀光器100对辐射光线进行反射的过程中，反射层120(镀银层)会吸收部分能量，以使得匀光器100的温度上升。
35.为了避免由于匀光器100的本体温度过高，而导致器件因受热而损坏。通过在反射层120远离所述第一金属层130一侧设置水冷管140，以通过在水冷管140内部流动的工作介质实现热量传递，从而对匀光器100进行整体降温。
36.通过在水冷管140远离第一金属层130一侧的表面上设置第二金属层150，以避免水冷管140由于长期与外界空气接触，而导致水冷管140表面发生氧化。此外，若水冷管140
的表面发生破裂，则水冷管140内的工作介质将发生泄漏，第二金属层150可避免工作介质泄露至外部环境。
37.在一些实施例中，匀光器100还包括：导热硅脂层170，设置于第一金属层130远离反射层120一侧，并与水冷管140同层设置。在水冷管140的同一层级中设置导热硅脂层170，以间接增加水冷管140与反射层120的接触面积。
38.可以理解地，第一金属层130远离反射层120一侧设有导热硅脂层170，导热硅脂层170中设有中空腔体，中空腔体用于容纳水冷管140。
39.在一些实施例中，水冷管140为螺旋状，且水冷管140缠绕于第一金属层130的表面；其中，水冷管140包括水冷入口161、水冷出口162。螺旋状的水冷管140缠绕于第一金属层130的表面，以间接地与反射层120进行接触，从而进行热量交换。根据具体的散热性能需求，以对水冷管140的匝数进行设置。
40.通过水冷管140及时带走匀光器100中的热量，以使得匀光器100可承受更高的温度。且通过喷镀所得到的反射层120为反射率高于97％的镀银层，从而有效减少辐射光线在传播过程中所产生的能量损耗。通过水冷管对匀光器进行散热，以使得匀光器的温度保持在合理范围内，从而使得匀光器可持续工作及增长器件的使用寿命。
41.请参照图1、图2、图3，在一些实施例中，透明圆柱管110为石英圆柱管。辐射光线经由石英圆柱管的壁体传播至反射层120表面，并再次传输至透明圆柱管110的中空通道内。由于在反射层120表面反射的辐射光线为随机反射，因此，在经过多次反射后的辐射光线分布的均匀度逐渐增加，并使得反应器/接收器接收到的入射辐射无局部热点，进而避免反应器/接收器发生故障或损坏。
42.如图3所示，太阳模拟器至少包括一组辐射组件，且每一组辐射组件由一个氙灯光源和一个椭球面结构的反光杯组成。匀光器100设置于太阳模拟器及反应器/接收器之间，太阳模拟器的焦平面位于反应器/接收器的输入端面，且辐射光线的焦点f2位于匀光器100的中心轴。当太阳模拟器所产生的辐射光线传输至匀光器100的输入端面时，由于辐射光线汇聚以形成中心位置具有极高热流密度的光斑，光斑所对应的辐射光线在中空通道内传播中，并在反射层的表面发生多次反射以进行光路重构，从而使得辐射光线分布更加均匀。
43.可以理解地，通过匀光器100对太阳模拟器所提供的光斑进行匀光，以使得反应器/接收器的表面无局部热点。
44.在一些实施例中，匀光器100还包括第一间隙层、第二间隙层；其中，第一间隙层设置于第一金属层130与水冷管140之间，第二间隙层设置于第二金属层150与水冷管140之间。通过设置第一间隙层、第二间隙层，以增加水冷管140与第一金属层130、第二金属层150的接触面积，从而优化散热效果。此外，水冷管140为紫铜水冷管140，第一金属层130、第二金属层150为铜箔金属层。
45.第一间隙层、第二间隙层的制作材料为导热硅脂。例如，在第一金属层130远离反射层120一侧设置第一间隙层。在设置完第一间隙层后，使用水冷管140对设有反射层120、第一金属层130的透明圆柱管110进行缠绕，并通过一体成型的方式制作导热硅脂层、第二间隙层，以固定水冷管140的相对位置。
46.可以理解地，上述的匀光器100可对有限辐射面内的聚光光斑进行匀光，以满足接收器或反应器对辐射光线的聚光需求、匀光需求，从而避免由于接收光斑的界面存在局部
热点而损坏接收器或反应器。
47.此外，本技术实施例的匀光器100可对太阳模拟器所生成的光斑进行均匀化。相对于其他匀光器件，太阳模拟器所产生光斑经由本技术实施例的匀光器100内的中空通道传输后，为非准直出射。例如，光斑经由一般的匀光器件调制后，会使得准直出射至接收器或反应器的辐射光线的热流密度降低，而导致无法满足模拟系统对高热流密度的需求。
48.本技术提供一种匀光系统，该太阳模拟系统包括上述任一实施例中的匀光器。通过将匀光器应用于实际的太阳模拟系统中，以对太阳模拟器所输出的光斑进行匀光处理，以避免接收器\反应器所接收到的光斑具有局部热点。
49.在一些实施例中，匀光系统还包括：水冷机，水冷机包括输入端、输出端；其中，水冷机的输出端与水冷管的水冷入口连接，水冷机的输入端与水冷出口连接。
50.用于散热的工作介质经过水冷机的输出端流入水冷管的水冷入口，并经过水冷出口、水冷机的输入端再次回流至水冷机中，从而形成循环回路。
51.在一些实施例中，匀光系统包括：浮子式流量计，设置于水冷机的输出端，用于测量水冷机的输出流量。
52.例如，水冷机的工作介质由输出端流出，并经过浮子式流量计，从匀光器上端水冷入口流入匀光器的水冷管中。工作介质通过水冷管与反射面(热表面)进行热量交换，以吸收匀光器的热量。吸收热量后的工作介质经由水冷出口、水冷机的输入端口，再次回到水冷机中，以实现内循环。水冷机对吸收热量后的工作介质进行降温，并重新输送至水冷管中。
53.在一些实施例中，匀光系统还包括：承载支架(图未出示)，承载支架用于承载匀光器、水冷机。
54.可以理解地，通过设置承载支架以固定匀光器、水冷机的相对位置，并可通过移动承载支架以调节匀光器及太阳模拟器的相对位置。
55.在一些实施例中，匀光系统包括：热电偶温度计，热电偶温度计的一端与反射层连接，用于测量反射层的温度。
56.通过热电偶温度计的一端与反射层连接，以对反射层的温度进行检测，从而对匀光器的温度进行实时检测，避免由于温度过高而导致匀光器受损。此外，根据测量到的温度结果对水冷机中工作介质的流速、流量进行调节，以对匀光器进行及时降温。
57.本技术提供一种太阳模拟系统，包括上述任一实施例中的匀光器或上述任一实施例中的的匀光系统。
58.上面结合附图对本技术实施例作了详细说明，但是本技术不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本技术宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。