太陽光模擬器的解析、應(yīng)用及其發(fā)展

北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過程

■ 藺佳 桑麗霞* 張靜 趙陽博

節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

太陽光模擬器是一種模擬太陽光的人造光源裝置，是可提供一定光強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)儀器，更是太陽能轉(zhuǎn)換利用研究的重要儀器。目前在教學(xué)和科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用，是實(shí)驗(yàn)室必備的常用儀器設(shè)備之一，正確選擇太陽光模擬器在其應(yīng)用中非常重要。

20世紀(jì)60年代初，國外就開始了太陽光模擬器的研究。美國最初建造了一套同軸太陽光模擬器，之后蘇聯(lián)、法國、德國相繼制定了日光輻射試驗(yàn)方法及研制相應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備[1]。我國從1965年才開始研制太陽光模擬器，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所是國內(nèi)最早開展研制大型太陽光模擬器KM2的單位[2]。繼1980年上海機(jī)械學(xué)院太陽能研究所研制的由25只功率為1 kW的高色溫鹵鎢燈組成的太陽光模擬器之后[3]，1981年，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的趙吉林等人研制的TM-3000A1太陽光模擬器[4，5]測(cè)試數(shù)據(jù)可靠，光學(xué)積分器結(jié)構(gòu)和加工工藝自有其特色，它的研制成功填補(bǔ)了國內(nèi)小型太陽光模擬器的空白，其輻照均勻度超過了日本牛尾公司70年代后期生產(chǎn)的同類儀器水平。1984年王素素等[6]研制了TM200A、TM140、TM150等精確準(zhǔn)直型太陽光模擬器。1986年劉國新等[7]研制的金屬鹵化物鏑燈太陽光模擬器同太陽色溫一致，平均壽命為500 h，廣泛用于模擬平板集熱器的室外試驗(yàn)和其他非聚光型試驗(yàn)裝置的模擬測(cè)試。1987年KM4大型空間環(huán)境模擬器可以模擬各種型號(hào)衛(wèi)星做真空試驗(yàn)[8]。2002年國內(nèi)研制的KM6載人航天器空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備是國際上5大典型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備之一，有9個(gè)分系統(tǒng)，模擬室由三艙組合，主模擬室直徑12 m、高22.4 m，極限真空度4.5×10-6Pa、熱沉溫度100 K，主要性能達(dá)到國際先進(jìn)水平[9，10]。2009年北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所在KFTA熱真空環(huán)境模擬設(shè)備上成功研制了一臺(tái)光線水平入射的離軸準(zhǔn)直型太陽光模擬器，其離軸角為25°，輻照面的直徑為600 mm。該太陽光模擬器可用于航天器部組件的熱真空試驗(yàn)，包括輻照效應(yīng)試驗(yàn)和熱平衡試驗(yàn)[11]。2014年8月，國內(nèi)最大的真空太陽光模擬器由中國航天科工集團(tuán)207研究所成功交付并投入使用，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

1982年王德錄等[12]研制的高聚光度點(diǎn)聚焦和線聚焦太陽光模擬器可用來測(cè)試反光材料和吸收材料的物理參數(shù)和供聚光型集熱管的試驗(yàn)研究，太陽光模擬器應(yīng)用范圍開始不僅局限于航空領(lǐng)域。1984年中國科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所綜合廠生產(chǎn)的高精度小型太陽光模擬器TM-3000A、TM-400A、TM-500B可用于太陽電池等有關(guān)元器件或材料的檢測(cè)與標(biāo)定，也可作半導(dǎo)體光刻技術(shù)中的均勻照明設(shè)備。1999年王一紅等[13]利用TM-3000型太陽光模擬器研究了在模擬太陽光和高壓汞燈作用下，不同濃度的光催化劑和紫外光輻射強(qiáng)度對(duì)孔雀綠廢液的光催化降解反應(yīng)。2001年呂文華等[14]利用TM-500F太陽光模擬器對(duì)太陽輻射測(cè)量?jī)x器進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，誤差在±0.6%之內(nèi)。如今，太陽光模擬器廣泛應(yīng)用于光電材料性能測(cè)試、航空、航天、汽車空調(diào)等領(lǐng)域[15-18]。

本文對(duì)太陽光模擬器的基本組成、參數(shù)、等級(jí)劃分、分類、命名及太陽光模擬器的國內(nèi)外生產(chǎn)廠家等進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于教學(xué)科研院所及應(yīng)用行業(yè)深入了解和選購太陽光模擬器具有一定的參考價(jià)值。

1 太陽光模擬器的基本組成與原理

1.1 太陽光模擬器的基本組成

太陽光模擬器主要由光學(xué)積分鏡、橢球形反射器、快門、濾光片、準(zhǔn)直透鏡、燈源等部件組成。圖1為以氙燈太陽光模擬器為例的橫截面示意圖。其工作原理是：氙燈位于太陽光模擬器的中心位置，發(fā)射出的光線經(jīng)過第一個(gè)45°的平面鏡翻轉(zhuǎn)90°，落在置于橢球焦點(diǎn)的積分鏡上，使光分散均勻，然后光束經(jīng)過濾光片，將該波段多余的紅外輻射濾除；再經(jīng)過第二個(gè)45°的平面鏡翻轉(zhuǎn)90°；最后落到準(zhǔn)直透鏡上。一般太陽光模擬器會(huì)設(shè)定系統(tǒng)所需的光學(xué)參數(shù)，進(jìn)行光的收集、光束均勻化、過濾和準(zhǔn)直。太陽光模擬器通過準(zhǔn)直透鏡后以平行光的形式輸出[19]。

圖1 太陽光模擬器的截面示意圖[20]

1.2 光源

光源是太陽光模擬器最基本的組成部分，常用的燈源有氙燈、鹵光燈。

1.2.1 氙燈

氙燈即利用氙氣放電而發(fā)光的電光源。其色溫約為6000 K，在使用中使N2氣體流經(jīng)過散熱器和排風(fēng)管道對(duì)氙燈進(jìn)行冷卻。氙燈具有很高的內(nèi)部壓力，即使不操作，燈的內(nèi)部壓力也會(huì)超過1.01 MPa。

氙燈輻射與太陽輻射的比較如圖2所示?？梢钥闯?，其光譜分布與太陽光譜比較接近，在氙燈的紅外光譜區(qū)中0.8～1.0 μm處有幾個(gè)突起的高峰，如采用水冷或紅外濾光玻璃，可消去這些高峰，使其更接近太陽光譜。故在實(shí)際的太陽光模擬裝置中往往都采用氙燈作為光源。

圖2 氙燈光譜與太陽光譜的比較[3]

Newport公司生產(chǎn)的96000 型太陽光模擬器，其燈源為型號(hào)6255的無臭氧氙燈。如需260 nm以下的光束輸出，可使用6254 型紫外增強(qiáng)型替換這種氙燈。

1.2.2 鹵光燈

金屬鹵光燈又叫高強(qiáng)紫外鹵素?zé)?，屬金屬鹵化物燈的一種，它之所以會(huì)發(fā)出高效能的光，是因?yàn)榻饘冫u化物在參與整個(gè)發(fā)光過程中，絕大部分能量被轉(zhuǎn)化為可見光，僅有很小部分的能量轉(zhuǎn)換為了熱量。雖然鹵光燈的可見光光強(qiáng)比氙燈弱了非常多，但由于其價(jià)格低廉，也常作為太陽光模擬器備用光源之一。

冷光燈，也是鹵光燈的一種，色溫可達(dá)3400 K，光源輻射光譜范圍覆蓋300～2600 nm。冷光燈是一種小功率鹵光燈，功率在25～50 W之間，裝配反光罩朝一定方向照明，發(fā)白光。如日本原裝進(jìn)口EYE鹵素?zé)襞軯CD100V150WL/G1S。

1.3 濾光片

太陽光模擬器濾光片為大氣質(zhì)量濾光片(Air Mass濾波片)，其作用是修改光譜輻照度分布，從而模擬在不同環(huán)境下的太陽光譜近似分布。

其一般可分為AM 0和AM 1.5等不同型號(hào)。當(dāng)太陽光入射角與地面夾角為θ時(shí)，大氣質(zhì)量為AM=1/cosθ；當(dāng)θ=0.482時(shí)，大氣質(zhì)量為AM 1.5，是指典型晴天時(shí)太陽光照射到一般地面的情況。國際標(biāo)準(zhǔn)組織將AM 1.5的輻照度定義為1000 W/m2，常作為太陽電池和組件效率測(cè)試時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。地球表面的標(biāo)準(zhǔn)光譜稱為AM 1.5G(G代表總的輻射，包括直接的和分散的輻射)或AM 1.5D(只包含直接的輻射)。

濾光后輻射與太陽輻射的比較如圖3所示。從圖上可以看出，加入濾波片后輻射與太陽光輻射匹配度提高。

圖3 在AM 0或AM 1.5條件下的太陽光譜與氙燈模擬光譜的比較[19]

Newport的光學(xué)濾光片及復(fù)制鏡面產(chǎn)品目前正應(yīng)用在世界上許多的實(shí)驗(yàn)室中，幫助人們?cè)诨A(chǔ)科學(xué)及應(yīng)用領(lǐng)域的探索。該公司生產(chǎn)AM 0或AM 1.5過濾片減少氙燈與太陽光譜之間的偏差，還可提供一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，包括：系列帶通濾光片，帶寬從1～70 nm的范圍；長(zhǎng)波通及短波通截止型濾光片；中性灰光密度濾光片；有色光學(xué)玻璃濾光片；分光濾光片及熒光濾光片等，并可以提供25.4 mm直徑或50.8 mm正方形的標(biāo)準(zhǔn)尺寸以供選擇。

1.4 產(chǎn)品舉例

太陽光模擬器廣泛應(yīng)用于單晶硅、多晶硅、非晶薄膜、染料敏化等各種不同類型的太陽電池性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。以Newport的兩款太陽光模擬器為例。

1) 96000型的150 W低成本太陽光模擬器是一款低功率的太陽光模擬器。其內(nèi)部使用150 W的氙燈，可產(chǎn)生1.3 英寸的平行輸出光斑來模擬太陽光的光譜。

它的特點(diǎn)是：①適合低功率應(yīng)用的低成本替代方案；②極小的光弧能保證用戶將圖像聚焦到光纖或流晶光導(dǎo)管上；③可選用大氣質(zhì)量濾光片、雙色鏡和帶通濾光片改變輸出光譜的形狀；④安裝AM 1.5G濾光片后產(chǎn)生的輸出功率相當(dāng)于約1.3個(gè)太陽常數(shù)的輸出。

2)91160型150 ～300 W太陽光模擬器，光的準(zhǔn)直度 ＜ ±10%；光的均勻度 ＞ ±5%。

它的特點(diǎn)是：①輕松互換濾光片，改變輸出光束的形狀；②91160型產(chǎn)生的光束的輻射強(qiáng)度相當(dāng)于2個(gè)太陽常數(shù)。

2 太陽光模擬器的參數(shù)及等級(jí)劃分

太陽光譜匹配性、輻射空間不均勻性、輻射時(shí)間穩(wěn)定性等參數(shù)都是太陽光模擬器的重要參數(shù)。

2.1 太陽光譜匹配性

在室內(nèi)測(cè)量時(shí)，太陽光模擬器用來模擬太陽電池光電轉(zhuǎn)換特性測(cè)試，并在測(cè)量太陽電池量子效率時(shí)，需將太陽光模擬器作為偏置光源照射在太陽電池上，因此，必須確定太陽光模擬器的光譜照度分布與真實(shí)太陽的差別，才能準(zhǔn)確分析太陽電池的光電轉(zhuǎn)換特性。

和IEC 60904-3所給出的AM 1.5的參照光譜輻射值的偏差就是太陽光模擬器的光譜匹配度。脈沖式太陽光模擬器的光譜匹配度會(huì)隨著脈沖的改變而改變。因此，光譜輻射測(cè)定實(shí)驗(yàn)應(yīng)在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，并需定期檢查其數(shù)值。

依據(jù)穩(wěn)態(tài)陽光模擬光源在幾個(gè)光譜段與真實(shí)陽光的差異進(jìn)行劃分等級(jí)：0.75～1.25內(nèi)為A級(jí)；0.6～1.4內(nèi)為B級(jí)；0.4～2.0內(nèi)為C級(jí)。

2.2 輻射空間不均勻性

輻照不均勻，會(huì)造成太陽電池組件上各電池片接收到的光輻射不同，從而使太陽電池效率和功率評(píng)定產(chǎn)生偏差。輻照不均勻度就是在有效幅照面的整個(gè)范圍內(nèi)，輻照度隨位置變化的最大偏差。

假設(shè)測(cè)試平面內(nèi)各點(diǎn)的輻照度G不隨時(shí)間變化，則平面的輻照不均勻度為：

式中，輻照度是指輻照到面上的輻射通量與該面的面積之比。

在測(cè)定光伏組件的太陽光模擬器的輻射的非均勻性主要取決于測(cè)試室或測(cè)試裝置內(nèi)部的反射條件。因此，非均勻性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來進(jìn)行評(píng)估的。

依據(jù)IEC 60904-9-2007標(biāo)準(zhǔn)劃分等級(jí)：2%以內(nèi)為A級(jí)；5%以內(nèi)為B級(jí)；10%以內(nèi)為C級(jí)。

2.3 輻射時(shí)間不穩(wěn)定性(輻照不均勻度、輻照不重復(fù)度)

輻射時(shí)間不穩(wěn)定性是指在有效輻照面內(nèi)任意給定位置上，在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，輻照度隨時(shí)間變化的最大相對(duì)偏差。

假設(shè)測(cè)試平面內(nèi)輻照不均勻性不變，則多次測(cè)量中輻照時(shí)間穩(wěn)定性為：

輻射時(shí)間不穩(wěn)定性由STI(短期不穩(wěn)定性)和LTI(長(zhǎng)期不穩(wěn)定性)共同決定。

STI與I-U性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的收集時(shí)間相關(guān)。在I-U曲線上，STI的數(shù)值一直變化。在I-U性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，LTI取I-U實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間；在輻射暴露測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，LTI取輻射暴露總時(shí)間。

3 太陽光模擬器的分類及級(jí)別劃分

3.1 太陽光模擬器分類

太陽光模擬器根據(jù)模擬器的光源是否連續(xù)發(fā)光，分為穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器的和脈沖太陽光模擬器。

穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器優(yōu)點(diǎn)是輸出的都是穩(wěn)態(tài)的模擬連續(xù)陽光光譜，缺點(diǎn)是光源供電設(shè)備龐大。故只適用于設(shè)計(jì)小光照面積的太陽光模擬器。目前，市場(chǎng)上有北京中教金源科技有限公司代理的穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器等。

脈沖太陽光模擬器的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短，一般都是毫秒級(jí)，消耗能量并不大。但其缺點(diǎn)是一切測(cè)量數(shù)據(jù)需采用工控機(jī)和數(shù)采裝置來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理。目前，大面積光伏組件電特性的測(cè)量都是采用脈沖太陽光模擬器。市場(chǎng)上有Newport公司的94123A太陽光模擬器等。

3.2 太陽光模擬器級(jí)別

太陽光模擬器的級(jí)別由其各個(gè)單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的最低級(jí)別確定，劃分為A、B、C 3個(gè)級(jí)別，見表1[21]。

表1 太陽光模擬器的級(jí)別

如果3項(xiàng)均為A級(jí)，則為3A級(jí)太陽光模擬器，其推薦的產(chǎn)品有：德國LOT AAA太陽光模擬器、Oriel Sol3A Class AAA Solar Simulators。

4 太陽光模擬器的應(yīng)用

近幾年，除了在光伏行業(yè)，太陽光模擬器還廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、建筑行業(yè)及航空航天等領(lǐng)域。

在光伏行業(yè)方面，太陽光模擬器作為光源提供標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，通過電子負(fù)載、數(shù)據(jù)采集和計(jì)算等設(shè)備測(cè)試太陽電池片、太陽電池組件等光伏器件的產(chǎn)品參數(shù)，如短路電流、開路電壓、填充因子及電流電壓特性曲線等。在科研方面，除了用于太陽電池研究的光源，也常用于光催化分解水制氫、污染物光催化降解等太陽能轉(zhuǎn)換與利用研究實(shí)驗(yàn)的光源。以光催化分解水為例，為了更好地評(píng)價(jià)和比較分解水產(chǎn)氫效率，很多研究已從利用集成式氙燈[22-26]轉(zhuǎn)為利用可提供標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)并更接近于太陽光譜的太陽光模擬器為光源[27-32]。

在航空航天方面，太陽光模擬器是航天技術(shù)衛(wèi)星空間環(huán)境模擬的主要組成部分。即可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的太陽敏感器地面模擬試驗(yàn)與標(biāo)定，又可用于地球資源衛(wèi)星多光譜掃描儀太陽光譜輻照響應(yīng)的地面定標(biāo)。

在建筑行業(yè)方面，主要是受遮陽系數(shù)和得熱系數(shù)兩方面影響。建筑門窗遮陽性能是影響室內(nèi)熱環(huán)境的重要指標(biāo)，遮陽系數(shù)是反映遮陽性能的重要參數(shù)。用太陽光模擬器模擬光源，可得到穩(wěn)定可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行遮陽性能和節(jié)能效果的評(píng)價(jià)[33]。得熱系數(shù)是通過門窗或幕墻構(gòu)件成為室內(nèi)得熱量的太陽輻射與投射到門窗或幕墻構(gòu)件上的太陽輻射的比值。這一指標(biāo)是計(jì)算室內(nèi)采暖能耗和制冷能耗重要因素。

在應(yīng)用中，可選用的國內(nèi)外太陽光模擬器品牌及產(chǎn)品如表2所示。

由于太陽光模擬器品種較多，選擇儀器前可查閱實(shí)驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)，也可直接咨詢儀器廠家，大致了解所需要的光譜范圍、光照面積和光功率(也稱為光強(qiáng))，以便選擇更適合的太陽光模擬器。

5 太陽光模擬器的發(fā)展

太陽光模擬器的研究及生產(chǎn)已有數(shù)十年的歷史。隨著光學(xué)積分器及橢球聚光鏡等的發(fā)展，以及組合聚光鏡、多通道光學(xué)積分器、準(zhǔn)直聚光鏡和建模仿真分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用，太陽光模擬器的性能指標(biāo)不斷提高并向智能化、高效化等方向發(fā)展。

1)在儀器構(gòu)型方面。長(zhǎng)春理工大學(xué)的李光云[34]設(shè)計(jì)了一種聚光效果很好的橢球聚光鏡，并且根據(jù)太陽光模擬器對(duì)于工作面上照度分布的要求，設(shè)計(jì)了一種具有勻光作用的光學(xué)積分器，最后通過視場(chǎng)光闌與準(zhǔn)直物鏡控制出射光線的出射角度。中國科學(xué)院研究生院的呂濤[35]研究了太陽光模擬器的光學(xué)系統(tǒng)，針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中的橢球面聚光鏡研究了其光學(xué)參數(shù)確定的依據(jù)及聚光特性，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了一種變形橢球面聚光鏡。這種物鏡具有短的后截距，非常適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊的太陽光模擬器光學(xué)系統(tǒng)。

2) 在建模仿真分析方面。長(zhǎng)春理工大學(xué)的付明[36]研究了大型發(fā)散式太陽光模擬器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用組合聚光鏡、多通道光學(xué)積分器、準(zhǔn)直聚光鏡和照明軟件Lighttools對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性。隨著光纖技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的日益成熟，光纖太陽光模擬器已成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)，最具代表性的是上海載德半導(dǎo)體技術(shù)有限公司代理的光纖式太陽光模擬器。

表2 各種太陽光模擬器產(chǎn)品及特點(diǎn)

3)在光源方面。從鹵光燈、氙燈向LED燈發(fā)展。LED燈的使用壽命更加長(zhǎng)久且性能更穩(wěn)定，受到儀器用戶的青睞。最具代表性的是Newport的是VeraSol-2 LED Class AAA Solar Simulator。

太陽光模擬器雖然是一類有很長(zhǎng)歷史的儀器，但每一次吸收新的技術(shù)成果都會(huì)使它煥發(fā)出新的活力。光纖作為一項(xiàng)重要技術(shù)，已使太陽光模擬器的使用變得更方便，同時(shí)使太陽光模擬器的光源變得更加精確校準(zhǔn)。光源方面，相比于傳統(tǒng)的鹵鎢燈，氙燈無疑是當(dāng)前太陽光模擬器的主流光源。而且氙燈是一款優(yōu)秀的脈沖光源，由于脈沖模擬器對(duì)穩(wěn)態(tài)模擬器替代效應(yīng)的出現(xiàn)，基于脈沖氙燈的太陽光模擬器必然有越來越多的市場(chǎng)。當(dāng)然，隨著無極燈、LED 燈等新型光源的出現(xiàn)，可能一些廠家也會(huì)嘗試使用這些光源走出一條特殊的發(fā)展之路[37]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的影響將更為增進(jìn)，太陽光模擬器的小型化、智能化是其中一方面；另一方面，照明軟件Lighttools已在一定程度上使實(shí)在的儀器接近了虛擬的程序，網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的結(jié)合可能帶來進(jìn)一步的影響。

6 結(jié)論

本文基于太陽光模擬器的基本組成與原理，介紹了太陽光模擬器的參數(shù)與分類。太陽光模擬器現(xiàn)正朝小型化與智能化方向發(fā)展[38，39]，且有待于進(jìn)一步改進(jìn)，提高其光譜匹配性，使性能更加穩(wěn)定，輻射空間更加均勻。基于當(dāng)前的發(fā)展和應(yīng)用，介紹了太陽光模擬器的主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品，為教學(xué)科研院所及應(yīng)用行業(yè)提供信息指引。

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