太陽模擬器光源離焦對(duì)光斑的影響分析

張嘉鈺，竇建秦，?；⒗?，常 笑

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

太陽模擬器分為準(zhǔn)直型太陽模擬器和聚焦型太陽模擬器［1-3］。前者的特征是在較大輻照面積內(nèi)提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準(zhǔn)直穩(wěn)定的太陽光輻照，主要用來測試太陽電池光伏特性和收集太陽光能；后者的特征是在較小輻照面積內(nèi)獲取極高的輻射通量，主要應(yīng)用于測試部件材料的高熱特性和熱化學(xué)特性［4-8］。

太陽模擬器的輻照光斑參數(shù)是評(píng)價(jià)設(shè)備性能的重要依據(jù)，而光源的離焦量又對(duì)輻照光斑的能量分布有著重要影響［9］，實(shí)際情況中人們無法將光源精確安裝在聚光鏡的焦點(diǎn)位置，所以進(jìn)行光源離焦量對(duì)光斑參數(shù)影響的分析對(duì)太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要的參考價(jià)值。本文正是基于以上原理，通過對(duì)某型號(hào)聚焦型太陽模擬器光源離焦量與光斑參數(shù)的關(guān)系開展了研究，利用TracePro光學(xué)仿真軟件對(duì)光源三維方向的離焦量進(jìn)行模擬，及其對(duì)應(yīng)的輻照光斑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為太陽模擬器調(diào)焦系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)提供理論上的數(shù)據(jù)參考。

1 太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)組成及其工作原理

聚焦型太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)采用光譜能量分布和太陽光譜相近，具有較高的發(fā)光效率的短弧氙燈作為光源［10-13］；通常采用橢球面聚光鏡作為聚光單元，因?yàn)樗哂袑⑽挥跈E球聚光鏡第一焦點(diǎn)F1處的光源發(fā)出的光束匯聚到橢球面聚光鏡第二焦點(diǎn)F2處的特點(diǎn)，滿足高精度匯聚光斑的要求［14-18］。

圖1表示氙燈光源經(jīng)過橢球聚光鏡反射匯聚至第二焦點(diǎn)的示意圖。該光學(xué)系統(tǒng)采用1 000 W的短弧氙燈作為光源，水平安裝［19］。橢球面聚光鏡f1=33.78 mm，焦距f2=541.78 mm，前開口直徑224 mm，后開口直徑50 mm。

圖1 聚光原理示意圖Fig.1 Condensing schematic

2 光源離焦對(duì)光斑的影響

2.1 光源的簡化

表1為光源具體參數(shù)，氙燈極間距為5 mm，根據(jù)短弧氙燈的發(fā)光特點(diǎn)可知（圖2），短弧氙燈光弧位于兩極之間，光弧長度為兩極間距，弧光中心位于陰極附近，能量主要集中在陰極斑附近，長度約為2 mm，直徑約為1.5 mm。

表1 光源參數(shù)Tab.1 Light source

圖2 氙燈能量分布圖Fig.2 Xenon lamp energy distribution

圖3 氙燈配光曲線Fig.3 Light distribution curve

圖3為短弧氙燈配光曲線圖，該圖表示了氙燈陰、陽極軸線所在平面內(nèi)的能量分布情況，原點(diǎn)位置為陰極端點(diǎn)，0°，180°極軸為陰、陽極所在軸線，180°方向?yàn)殛帢O，0°方向?yàn)殛枠O。由圖3可知，135°到225°和330°到30°范圍內(nèi)基本沒有光線發(fā)出，因此，在計(jì)算模型中氙燈光弧可簡化為直徑1.5 mm、長度2 mm、以兩極軸線為中心的圓柱體，圓柱體兩端面不發(fā)射光線，側(cè)面發(fā)射光線［20］。

2.2 模型的構(gòu)建

目前光學(xué)系統(tǒng)分析軟件主要有TracePro，Light Tools，在研究過程中，采用以蒙特卡洛光線追跡法為理念的TracePro對(duì)光源的發(fā)光效果進(jìn)行模擬［21-22］。首先在軟件中以計(jì)算好的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，然后對(duì)光源的發(fā)光參數(shù)和反光表面的材料屬性進(jìn)行設(shè)定，最后利用軟件自身的光線追跡便可在指定距離處的聚光屏上得到如圖4所示的光斑能量圖。從圖4中可以看出，在不考慮光源離焦的情況下，光斑的能量分布梯度均勻，光斑能量主要分布在直徑為32 mm的圓內(nèi)，輻照度最大值為2.1×106W／m2，平均值為3.0×105W／m2。

圖4 輻照度分布圖Fig.4 Irradiance distribution

實(shí)際情況中，由于各種誤差因素的存在，無法將氙燈光源準(zhǔn)確安裝在理論焦點(diǎn)位置，或多或少都會(huì)有所偏離，很難達(dá)到圖4軟件模擬出的效果，本文模擬光源離焦量對(duì)光斑的影響，為太陽模擬器光學(xué)調(diào)焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

2.3 模擬測試

在模擬計(jì)算中將簡化的圓柱光源中心放置在橢球聚光鏡第一焦點(diǎn)F1，作為安裝的初始位置，位移為0。由于安裝誤差的不確定因素，不可能將所有方向誤差因素都進(jìn)行模擬，選取軸向和徑向離焦對(duì)光斑的影響進(jìn)行分析，假設(shè)沿軸向的聚光方向?yàn)檎?，反之為?fù)向。利用TracePro模擬光源偏離聚光鏡焦點(diǎn)對(duì)光斑進(jìn)行分析。

根據(jù)幾組模擬出的數(shù)據(jù)對(duì)比，本文對(duì)于軸向光源離焦數(shù)據(jù)的模擬設(shè)定聚光屏為50 mm的正方形面，聚光屏正好處于第二焦點(diǎn)F2，設(shè)定光源離焦量為±2 mm。

由圖5和圖6可知：正向離焦時(shí)，聚光屏輻照度最大值起始平穩(wěn)，0.6 mm離焦量后會(huì)平滑下降；輻照度平均值會(huì)有微量的下降；光斑直徑呈現(xiàn)增大趨勢，離焦1.4 mm以后直徑?jīng)]有變化。這是由于光源離焦導(dǎo)致光線分散使得聚光屏接收入射光線分散帶來的變化；當(dāng)負(fù)向離焦時(shí)，聚光屏輻照度最大值會(huì)快速下降，而輻照度平均值幾乎沒有變化，光斑直徑穩(wěn)定增加，在聚光屏上會(huì)形成一個(gè)中心與外側(cè)輻照度低，中間呈環(huán)狀的高輻照度區(qū)域，如圖7所示（依次選取-0.4，-0.8，-1.2，-1.6，-2.0 mm離焦量），這種輻照光斑的變化在正向離焦過程中并沒有產(chǎn)生，要防止這種情況的發(fā)生，也可以利用微小負(fù)向離焦產(chǎn)生頂端輻照度均勻良好的現(xiàn)象（例如-0.8 mm離焦量處輻照度峰值曲線平穩(wěn)）來進(jìn)行合適的實(shí)驗(yàn)測試。

對(duì)于徑向光源離焦數(shù)據(jù)的模擬，同樣設(shè)定聚光屏為50 mm的正方形面，由于徑向離焦光斑的對(duì)稱性變化，只選取一側(cè)2 mm離焦量進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。

圖5 光斑輻照度與離焦量關(guān)系Fig.5 Irradiance relationships with off-focus

圖6 光斑直徑與離焦量關(guān)系Fig.6 Spot diameter relationships with off-focus

圖7 負(fù)向離焦對(duì)光斑影響Fig.7 Negative off-focus impact on the spot

由圖8徑向離焦量與光斑關(guān)系圖可以看出，在離焦量0～0.4 mm的范圍內(nèi)輻照度最大值沒有變化，隨著光斑離焦量的增大，在離焦量0.8～2.0 mm的范圍內(nèi)輻照度最大值呈平穩(wěn)下降趨勢，而輻照度平均值在整個(gè)離焦量范圍內(nèi)幾乎沒有變化。由圖9（依次選取徑向0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 mm 離焦量）可以觀察出隨著離焦量的增大光斑呈橢圓、變大趨勢發(fā)展，水平方向光斑焦點(diǎn)整體向離焦的相反方向平移5 mm。

圖8 輻照度與離焦量的關(guān)系Fig.8 Irradiance relationships with off-focus

圖9 徑向離焦量對(duì)光斑影響Fig.9 Radial off-focus impact on the spot

3 結(jié) 論

本文依據(jù)聚焦型太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的組成及其工作原理，在光學(xué)模擬軟件TracePro中進(jìn)行了光源離焦對(duì)光斑參數(shù)的影響模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，光源軸向離焦時(shí)，光源離焦量對(duì)光斑幅照度平均值幾乎沒有影響，但是光斑幅照度最大值隨著離焦量的增大而快速減小，特別是在負(fù)向離焦時(shí)，會(huì)形成環(huán)狀高幅照度光斑；另外，在軸向離焦量增加的過程中，光斑直徑會(huì)平緩增加。光源在徑向離焦時(shí)，隨著離焦量的增加，光斑幅照度平均值幾乎沒有變化，光斑幅照度最大值會(huì)隨著離焦量的增加而減少，而在整個(gè)過程中，光斑呈橢圓、變大的趨勢發(fā)展。綜合以上分析結(jié)論可知，光源的準(zhǔn)確安裝是確保光學(xué)系統(tǒng)性能的重要因素，文中的一些模擬數(shù)據(jù)及分析可為光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論上的參考。

／References：

［1］ 任蘭旭，魏秀東，牛文達(dá)，等.非共軸橢球面聚光陣列式高焦比太陽模擬器［J］.光學(xué)技術(shù)，2012，32（10）：1022002-1-1022002-6.REN Lanxu，WEI Xiudong，NIU Wenda，et al.A high flux solar simulator based on an array of non-coaxial ellipsoidal reflector［J］.Acta Optica Sinica，2012，32（10）：1022002-1-1022002-6.

［2］ PETRASCH J，CORAY P S，MEIER A，et al.A novel 50 k W 11000 suns high-flux solar simulator based on an array of xenon arc lamps［J］.Journal of Solar Engineering，2007，129（4）：405-411.

［3］ 顧國超，王麗，劉洪波，等.瞬態(tài)熱量標(biāo)定系統(tǒng)的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國光學(xué)，2012，5（6）：630-638.GU Guochao，WANG Li，LIU Hongbo，et al.Optical design of solar simulator used for transient calorimeter calibration system［J］.Chinese Optics，2012，5（6）：630-638.

［4］ 王志明，龔振邦，魏光譜，等.用于太陽電池測試的太陽模擬技術(shù)［J］.光學(xué)精密工程，2009，17（7）：1542-1547.WANG Zhiming，GONG Zhenbang，WEI Guangpu，et al.Solar simulation technique for solar cell measurement［J］.Optics and Precision Engineering，2009，17（7）：1542-1547.

［5］ 蘇拾，張國玉，付蕓，等.太陽模擬器的新發(fā)展［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012（7）：070003-1-070003-8.SU Shi，ZHANG Guoyu，F(xiàn)U Yun，et al.New development of solar simulator［J］.Laser &Optoelectronics Progress，2012（7）：070003-1-070003-8.

［6］ 劉洪波，高雁，王麗，等.高倍聚光太陽模擬器的設(shè)計(jì)［J］.中國光學(xué)，2011，4（6）：594-599.LIU Hongbo，GAO Yan，WANG Li，et al.Design of high-flux solar simulator［J］.Chinese Journal of Optics，2011，4（6）：594-599.

［7］ 胡云巖，張瑞英，王軍.中國太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（1）：69-72.HU Yunyan，ZHANG Ruiying，WANG Jun.Development status and prospect of solar photovoltaic power generation in China［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（1）：69-72.

［8］ 崔海亭，孫坤坤，李寧.太陽能熱發(fā)電用高溫相變蓄熱器的數(shù)值模擬［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（2）：219-224.CUI Haiting，SUN Kunkun，LI Ning.Numerical simulation of high-temperature phase transition thermal energy storage container for solar thermal power generation applications［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（2）：219-224.

［9］ 呂濤，張景旭，付東輝，等.可提高太陽模擬器均勻性的變形橢球面聚光鏡［J］.光學(xué)技術(shù)，2013，33（12）：1223001-1-1223001-5.LYU Tao，ZHANG Jingxu，F(xiàn)U Donghui，et al.A deformed ellipsoid condenser beneficial to the uniformity of the solar simulator［J］.Acta Optica Sinica，2013，33（12）：1223001-1-1223001-5.

［10］ 向艷紅，張容，黃本誠.KFTA 太陽模擬器輻照均勻性仿真［J］.航天器環(huán)境工程，2006，23（5）：288-292.XIANG Yanhong，ZHANG Rong，HUANG Bencheng.Irradiation uniformity simulation of KFTA solar simulator［J］.Spacecraft Environment Engineering，2006，23（5）：288-292.

［11］ 高玲，張國玉，蘇拾，等.基于全光譜輸出太陽模擬器氙燈光源的研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，35（2）：82-84.GAO Ling，ZHANG Guoyu，SU Shi，et al.Study on xe-lamp sources of full spectrum solar simulators［J］.Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition），2012，35（2）：82-84.

［12］ 杜景龍，唐大偉，李鐵.5 k W聚光型太陽模擬器加熱特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2012，33（4）：625-629.DU Jinglong，TANG Dawei，LI Tie.Experiment study of the heating characteristics of 5 k W focused solar simulator［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2012，33（4）：625-629.

［13］ 高雁，劉洪波，王麗，等.AAA級(jí)太陽模擬器的設(shè)計(jì)與研制［J］.中國光學(xué)，2013，6（4）：570-576.GAO Yan，LIU Hongbo，WANG Li，et al.Design and development of a class AAA solar simulator［J］.Chinese Optics，2013，6（4）：570-576.

［14］ 高雁，劉洪波，王麗，等.大面積準(zhǔn)直型太陽模擬器的設(shè)計(jì)與研制［J］.中國光學(xué)，2014，7（4）：657-663.GAO Yan，LIU Hongbo，WANG Li，et al.Design and manufacture of a large-area collimation solar simulator［J］.Chinese Optics，2014，7（4）：657-663.

［15］ 劉石，張國玉，孫高飛，等.具有一個(gè)太陽常量的高準(zhǔn)直太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光子學(xué)報(bào)，2014，43（11）：1122005-1-1122005-6.LIU Shi，ZHANG Guoyu，SUN Gaofei，et al.Design of optical system for the high-collimatiing solar simulator with one solar constant［J］.Acta Photonica Sinica，2014，43（11）：1122005-1-1122005-6.

［16］ 呂濤，張景旭，付東輝，等.太陽模擬器中橢球面聚光鏡參數(shù)的確定［J］.應(yīng)用光學(xué)，2014，35（1）：43-47.LYU Tao，ZHANG Jingxu，F(xiàn)U Donghui，et al.Determination of ellipsoid condenser parameters in solar simulator［J］.Journal of Applied Optics，2014，35（1）：43-47.

［17］ 高雁，劉洪波，王麗.太陽模擬技術(shù)［J］.中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2010，3（2）：104-111.GAO Yan，LIU Hongbo，WANG Li.Solar simulation technology［J］.Chinese Journal of Optics and Applied Optics，2010，3（2）：104-111.

［18］ 劉石，張國玉，孫高飛，等.氣象輻射標(biāo)定系統(tǒng)中太陽模擬器的設(shè)計(jì)［J］.紅外與激光工程，2013，42（5）：1345-1349.LIU Shi，ZHANG Guoyu，SUN Gaofei，et al.Design of solar simulator in the meteorological radiation calibration system［J］.Infrared and Laser Engineering，2013，42（5）：1345-1349.

［19］ 向艷紅，張容，于江.氙燈水平點(diǎn)燃太陽模擬器燈單元設(shè)計(jì)［J］.航天器環(huán)境工程，2009，26（1）：60-62.XIANG Yanhong，ZHANG Rong，YU Jiang.Design of lamp module of solar simulator with xenon lamp ignited horizon-tally［J］.Spacecraft Environment Engineering，2009，26（1）：60-62.

［20］ 李子衿.高輻照度太陽能模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2014.LI Zijin.Design and Experiment Research on High Flux Solar Simulator［D］.Beijing：North China Electric Power University，2014.

［21］ LUQINSLAND F，STEINMETZ J，ZAHLER C，et al.An innovative solar simulator for research and development of solar thermal collectors［C］／／29th ISES Biennial Solar World Congress.NY：Fraunhofer ISE，2009：831-837.

［22］ 張嘉鈺，李金超，?；⒗?光源位置偏差對(duì)光斑的影響分析［J］.光學(xué)技術(shù)，2015，41（2）：111-114.ZHANG Jiayu，LI Jinchao，NIU Huli.Analysis of the influence on the light source position deviation to the spot［J］.Optical Technique，2015，41（2）：111-114.