摘要： 太陽模擬器是聚光光伏（CPV）領(lǐng)域內(nèi)對電池片、組件及系統(tǒng)進(jìn)行在線檢測的一種必不可少的光源設(shè)備，其要求輻照度大于800 W/m2，準(zhǔn)直角度小，輻照度均勻，光譜接近AM1.5。要同時達(dá)到這些指標(biāo)有一定的難度。通過分析實現(xiàn)既輻照均勻又輻照準(zhǔn)直的太陽模擬器需要克服的因素，提出了一種太陽模擬器結(jié)構(gòu)方案以滿足上述要求。同時，配比不同焦距的準(zhǔn)直透鏡還可實現(xiàn)輻照面積可調(diào)。利用ZEMAX軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，驗證了該方案的實現(xiàn)效果。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)用光學(xué)； 太陽模擬器； 均勻照明； 準(zhǔn)直

引言太陽模擬器在太陽能光伏行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)是一種十分重要的光學(xué)檢測設(shè)備，能對電池片、組件以及系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)在線檢測，在室外進(jìn)行測試也不需要依賴天氣。同時，太陽模擬器的穩(wěn)定性高于隨時間變化的實際太陽，它不僅能大大提高生產(chǎn)效率，也更加科學(xué)的對系統(tǒng)性能進(jìn)行了標(biāo)定。太陽能光伏從第一代晶體硅發(fā)展到現(xiàn)今第三代聚光光伏（CPV），其對太陽模擬器的性能要求也隨之變化。對于傳統(tǒng)的光伏（PV）組件，太陽光直接照射電池片。太陽模擬器只需在電池片上提供與實際太陽相近的輻射光譜、強(qiáng)度以及均勻度，并無對照射角度有要求。而對于CPV，太陽光并不直接照射電池片，而是經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后被電池片接收，太陽模擬器必須提供與實際太陽相近的準(zhǔn)直照射，才能確保聚光鏡的正確聚焦，從而對組件進(jìn)行有效測試。目前在《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)太陽模擬器通用規(guī)范》GB/T 12637-90中[1]，對太陽模擬器進(jìn)行了如表1的等級的劃分，其中并無照射角度的指標(biāo)，并不能完全滿足CPV的需求。因此，應(yīng)用于CPV的太陽模擬器具有更高的技術(shù)要求，而其實現(xiàn)也更具有難度。

本文從理論角度分析了實現(xiàn)輻照度均勻且同時具有小角度準(zhǔn)直的太陽模擬器的設(shè)計難點(diǎn)，提出了一種可使輻射角度減小的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)還可以采用拼接的方法增大輻照面積。文章將該方案通過軟件仿真進(jìn)行了分析，并計算了其輻照不均勻度與準(zhǔn)直角度。

1太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)主要組成部分及其作用太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)主要由光源、勻光系統(tǒng)和準(zhǔn)直系統(tǒng)三大部分組成。目前，國內(nèi)外主要太陽模擬器的光源采用氙燈或與其他鹵素?zé)舻慕M合光源，氙燈因其光譜接近太陽光譜，通過適當(dāng)?shù)臑V光片即可得到AM1.5的光譜分布[23]，同樣也可以利用各單波長LED的組合配比成接近AM1.5的太陽光譜[45]。對于勻光系統(tǒng)，主要采用復(fù)眼透鏡積分器或積分光棒[68]。用于將光源發(fā)出的不均勻光變?yōu)榫鶆蚬馐?。?zhǔn)直系統(tǒng)用于將太陽模擬器的光束投射出去，獲得所需的照射面積和照射角度，準(zhǔn)直系統(tǒng)可以分為折射式和反射式。前者適用于輻照面較小的太陽模擬器，而后者適合大面積照射的太陽模擬器[9]。2影響輻照均勻度及準(zhǔn)直角度的因素

2.1均勻度分析復(fù)眼透鏡是一種用于勻光的光學(xué)器件，當(dāng)不均勻的光照射在復(fù)眼透鏡上時，陣列透鏡把光束分割成多個單元，每個單元局部可認(rèn)為是均勻光束，通過后續(xù)透鏡的作用將陣列透鏡的每一單元成像，并在照射面上進(jìn)行疊加，從而實現(xiàn)照射面的均勻。由于陣列透鏡按空間排列分布，將它們成像并疊加在同一面積上時，光束將來自不同的角度，因此不易獲得準(zhǔn)直照射。導(dǎo)光管也是一種勻光器件，它將入射在入口一端的不均勻光斑經(jīng)過其內(nèi)部的多次反射，在出射端形成均勻光斑，但柱狀的導(dǎo)光管不改變?nèi)肷涔饩€的角度，因此也不能獲得準(zhǔn)直照射。均勻發(fā)光的理想點(diǎn)光源置于透鏡的焦點(diǎn)處，一般來說，可以獲得準(zhǔn)直的光束，但是點(diǎn)光源的準(zhǔn)直光是否均勻？根據(jù)光的可逆原理，將一均勻的平行光束，經(jīng)透鏡聚焦，設(shè)透鏡為理想透鏡，以橫坐標(biāo)表示光源發(fā)光角度，縱坐標(biāo)表示光源輻射強(qiáng)度，如圖2所示，在焦點(diǎn)處考察點(diǎn)光源的強(qiáng)度分布。圖2（b）所示的結(jié)果表明，點(diǎn)光源均勻發(fā)光并不能獲得均勻的準(zhǔn)直光，這是由于照度與距離的平方成反比。由于邊緣光的距離長，因此點(diǎn)光源發(fā)出的大角度光束邊緣角度必須比中間的近軸光有更高的光強(qiáng)，才能獲得準(zhǔn)直的均勻光束。

2.2準(zhǔn)直度分析理想的點(diǎn)光源位于透鏡的焦點(diǎn)，可以獲得準(zhǔn)直的平行光出射。一般來說，光源尺寸越小，光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直起來越容易。若尺寸為A的光源位于孔徑為D的透鏡的焦平面處，其出射角度與A和f相關(guān)，如圖3所示綜上所述，若對單光源而言，既做到準(zhǔn)直出射又要輻照均勻，需要滿足兩點(diǎn)：（1）光源尺寸與準(zhǔn)直透鏡焦距比例越小，準(zhǔn)直性越高；（2）光源強(qiáng)度分布，隨角度增大而變大。準(zhǔn)直光束的獲得還可以通過采用擴(kuò)束系統(tǒng)，太陽模擬器屬于照明系統(tǒng)，符合擴(kuò)展度守恒，在擴(kuò)展度一定時，角度與輻照度互相制約，角度越小，輻照面積變大，擴(kuò)束系統(tǒng)將小面積的光束擴(kuò)束為大面積的光束，在擴(kuò)大面積的同時也就實現(xiàn)了準(zhǔn)直。同時根據(jù)能量守恒定律，隨面積增大，輻照度值也將變小。3太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的方案本文提出了一種太陽模擬器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。它對均勻度和準(zhǔn)直度進(jìn)行了綜合考慮。本文采用氙燈作為太陽模擬器的主要光源，其光譜分布接近太陽光譜[10]，球形氙燈的光強(qiáng)分布見圖4。為了提高光能利用率，氙燈將配合橢球反射面使用，把有一定體積的氙燈放置在橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)處，在橢球反射面的第二焦點(diǎn)處形成一會聚光斑。光束的會聚角度主要由反射鏡的兩焦距f反1、f反2及其孔徑D決定[11]，其焦斑處的強(qiáng)度分布隨角度的增大而減?。槐疚牟捎玫膭蚬馄骷閷?dǎo)光管積分棒，其入口在橢球反射鏡的第二光斑處，端面大小為光斑的外接正方形，導(dǎo)光管對光斑進(jìn)行多次反射，設(shè)計其長度使得在出射面形成均勻的輻照面；本文采用的準(zhǔn)直系統(tǒng)為倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，距導(dǎo)光管出射端距離為其前會聚透鏡的焦距f1，后準(zhǔn)直透鏡與前會聚透鏡的距離為兩焦距值之和，組成一倒置望遠(yuǎn)系統(tǒng)。設(shè)導(dǎo)光管出射端面面積為A1，輻照出射面積為A2，導(dǎo)光管出射光半角度為θ1，準(zhǔn)直透鏡出射光半角度為θ2，由于擴(kuò)展度守恒，n1A1sin2θ1=n2A2sin2θ2，其中n1為入射進(jìn)會聚透鏡空間折射率， n2為準(zhǔn)直透鏡出射方空間折射率。通過選用不同焦距f1、f2的透鏡對光束進(jìn)行不同比例A2/A1的擴(kuò)束，同時使其出射準(zhǔn)直角度θ2改變。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

4.3.2準(zhǔn)直度狀況準(zhǔn)直度與入射角有關(guān)，首先需選擇合理的入射角。假設(shè)在1 000 W光源出射后，經(jīng)過全部理想透鏡的情況下，接受面的能量為610 W，其光學(xué)利用率為60%，主要的能量損失是一部分光并沒有入射進(jìn)導(dǎo)光管。對于同一孔徑D和f反1的反光碗，f反2越大，其匯聚的角度也就越?。淳匦螌?dǎo)光管的出射角），然而θ1太小的話，為了保證反射次數(shù)以滿足均勻性要求，其導(dǎo)光管的長度勢必增長，不利于結(jié)構(gòu)的緊湊性。因此，合理權(quán)衡選擇θ1的最小值，可以得到具有更好準(zhǔn)直性的出射光，也將縮小后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸。這里，選擇的入射角為18°。在軟件的仿真結(jié)果中，通過輻射強(qiáng)度圖得到了探測器接受到的光強(qiáng)隨角度變化的曲線。透鏡的焦距比f2/f1=4，入射角18°，因而理論角度為4.5°，從圖9（a）中得到體現(xiàn)。圖9（b）中，80%的光能輻射在接收器內(nèi)角度小于4°，最大的角度為6°。比理論的4.5°大些，這是由實際透鏡的球差、準(zhǔn)直透鏡前焦平面的軸外像差以及系統(tǒng)瞳窗尺寸未匹配等因素導(dǎo)致。

5結(jié)論本文首先從太陽模擬器光學(xué)性能指標(biāo)的理論分析著手，找到設(shè)計其光學(xué)系統(tǒng)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并以此為理論依據(jù)，用導(dǎo)光管對光源進(jìn)行勻光處理，用擴(kuò)束系統(tǒng)將光束進(jìn)行準(zhǔn)直。通過選配不同大小焦距與孔徑的透鏡使輻照面面積可調(diào)，均勻度高，出射角度小。由于受擴(kuò)展度守恒的制約，準(zhǔn)直性越高，其輻照度值越低。所以，這種透射式結(jié)構(gòu)的太陽模擬器其整體光學(xué)結(jié)構(gòu)橫截面尺寸小于出射輻照面尺寸，它不僅能對單個小面積的CPV聚光系統(tǒng)中的單個電池片或聚光透鏡進(jìn)行檢測，也可以通過排列組合的方式拓寬其輻照面。結(jié)合以上兩種方法，可獲取任意大小面積及滿足輻照度大小的太陽模擬器，且其準(zhǔn)直角度小，適合于CPV領(lǐng)域內(nèi)對多種不同場合下的檢測。

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