一种小型太阳模拟器光学系统的设计与仿真

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 3.79MB 92 页 15积分
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摘 要
随着太阳能的开发和利用，太阳能电池的应用也越来越广，作为其光电性能
检测的主要仪器——太阳模拟器的需求也日益增加。本论文针对应用于实验室环
境的小型太阳模拟器的研究，正是顺应了这样的需求趋势。
太阳模拟器主要模拟太阳辐射的光谱能量分布和均匀辐照。光谱能量分布主
要由光源的选取和滤光片的校正获得，而均匀的辐照主要依赖于太阳模拟器的光
学系统实现。本论文根据委托方的太阳模拟器的技术要求，设计其光学系统的整
体结构和主要参数，并在 ZEMAX 光学软件中进行仿真，根据对仿真数据处理结
果，判断设计方案的可行性。
太阳模拟器的光学系统主要包括：光源、滤光片、椭球面聚光器、光学积分
器、准直系统和转向系统。因此本论文主要讨论了太阳模拟器光学系统的原理，
根据技术要求提出设计方案；对其中的光源、滤光片、椭球面聚光器、光学积分
器、准直系统和转向系统等各器件的进行设计与建模，仿真计算其辐照面光照效
果及能量利用率，并对其进行结构输出和数据处理。在光学系统设计时，重点强
调了降低幅照面的不均匀度和提高光源的能量利用率。
本论文的光学系统在结构上采用光瞳衔接、光学积分器采用正六边形阵列、
完全对称结构等一系列措施，对降低不均匀度和提高能量利用率起到了很好的作
用，仿真的结果也充分表明了这些，使得太阳模拟器的光学系统符合委托方的技
术要求。
关键词：太阳模拟器 椭球面聚光器 光学积分器 幅照不均匀度
能量利用率
ABSTRACT
With the development of solar cells, solar simulator is growing as the main
instruments of its photoelectric detection. The research of small solar simulator used in
a laboratory environment precisely conforms to the need.
Solar Simulator simulates spectral energy distribution and uniform irradiation of
solar radiation. Spectral energy distribution is determined by source selection and filter
correction. And uniform irradiation mainly relies on the optical systems of solar
simulator. In this paper, the whole structure and the main parameters of the optical
system are designed, based on solar simulator technical requirements. The optical
systems are simulated in Optical software ZEMAX. The feasibility of the design is
judged by the result of data processing, which comes from the zemax file.
The optical system of Solar Simulator including: light source, filter, ellipsoid
concentrators, optical integrator, collimator system and steering system. So the working
principle and programmes discussion of the optical system are discussed; Light source,
filter, ellipsoid concentrators, optical integrator, collimator system and steering system
are designed and modelinged in ZEMAX, and their energy utilization are calculated.
And then structure is outputed and data is processed.
When we design the syetem, we must follow two principles: reduce the irradiation
uneven and improve the utilization of light energy. So a series of measures are used, for
example, the structure of the optical system uses pupil join, optical integrator is a
hexagonal array, completely symmetrical structure, etc. Result shows that these
measures have played a good role in reducing unevenness and improving energy
utilization, and makes the optical system access the technical requirements of solar
simulator.
Key words: Solar simulator, Ellipsoid concentrators, Optical integrator,
Unevenness of the irradiated, Utilization of light energy.
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第1章 第一章 绪 论 ............................................................................................. 1
§1.1 课题来源及意义 ...............................................................................................1
§1.2 太阳模拟器的发展水平 ...................................................................................1
§1.3 太阳模拟器的技术要求 ...................................................................................2
§1.3.1 太阳光谱总辐照 .....................................................................................2
§1.3.2 太阳模拟器通用规范 .............................................................................3
§1.3.3 小型太阳模拟器的设计要求 .................................................................5
§1.4 本论文的主要内容 ...........................................................................................6
第2章 第二章 太阳模拟器光学系统的方案比较 ................................................. 7
§2.1 光学系统的结构和原理 ...................................................................................7
§2.2 抛物面型准直结构的优缺点 .........................................................................10
§2.3 椭球面离焦结构的优缺点 .............................................................................14
§2.4 方案比较结果 .................................................................................................16
第3章 第三章 光源与滤光片 ............................................................................... 17
§3.1 光源 .................................................................................................................17
§3.1.1 氙灯结构 ...............................................................................................17
§3.1.2 氙灯光谱 ...............................................................................................18
§3.2 光源建模 .........................................................................................................19
§3.3 光谱滤光片的设计 .........................................................................................20
§3.4 滤光片的能量利用率 .....................................................................................22
第4章 第四章 椭球面聚光器 ................................................................................. 23
§4.1 聚光器结构 .....................................................................................................23
§4.2 聚光器设计与建模 .........................................................................................25
§4.2.1 设计 .......................................................................................................25
§4.2.2 建模 .......................................................................................................30
§4.3 聚光器的光源利用率 .....................................................................................30
第5章 第五章 光学积分器 ..................................................................................... 33
§5.1 光学积分器结构及原理 .................................................................................33
§5.2 影响辐照均匀的因素 .....................................................................................34
§5.2.1 光瞳衔接 ...............................................................................................34
§5.2.2 完全对称结构的优点 ...........................................................................35
§5.2.3 元素透镜的阵列分布 ...........................................................................38
§5.2.4 通光孔径 ...............................................................................................40
§5.3 光学积分器设计与建模 .................................................................................41
§5.3.1 元素透镜的设计 ...................................................................................41
§5.3.2 阵列分布坐标 .......................................................................................44
§5.3.3 在ZEMAX 中建模复杂光阑 .............................................................. 44
§5.3.4 建模 .......................................................................................................47
§5.4 光学积分器的光源利用率 .............................................................................48
第6章 第六章 准直系统和转向系统 ................................................................... 50
§6.1 前准直镜的初始结构设计 .............................................................................50
§6.2 前准直镜的建模 .............................................................................................53
§6.3 后准直透镜的设计与建模 .............................................................................55
§6.4 转向系统 .........................................................................................................56
§6.5 准直和转向系统的光源利用率 .....................................................................57
第7章 第七章 结构输出与数据处理 ................................................................... 58
§7.1 光源功率与型号选择 .....................................................................................58
§7.2 太阳模拟器仿真输出 .....................................................................................59
§7.3 光谱失配率误差 .............................................................................................63
§7.4 不均匀度计算 .................................................................................................65
§7.5 能量利用率 .....................................................................................................72
第8章 第八章 论文工作总结 ............................................................................... 73
附 录 .............................................................................................................................75
附录 1：滤光片的透过率程序如下： ...................................................................75
附录 2：滤光片的光源利用率计算程序如下： ...................................................77
附录 3：建立 5.3.3 节光阑的 MATLAB 程序： .................................................. 78
附录 4：5.3.3 建立的光阑的 uda 文件内容如下（分栏）： ................................79
附录 5：各个波段内的能量占总能量的百分比计算的 MATLAB 程序： ........ 81
附录 5：不均匀度计算的 MATLAB 的程序如下： ............................................ 84
参考文献 .........................................................................................................................87
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................88
一、发表论文 ..........................................................................................................88
二、科研项目 ..........................................................................................................88
致 谢 ...........................................................................................................................90
第一章 绪 论
1
第1章第一章 绪 论
§1.1 课题来源及意义
世界能源危机正在日益逼近，资源丰富的太阳能成为近年来能源开发的新宠。
小型太阳模拟器作为实验室用于太阳能光电板检测与定标的主要仪器，其需求量
也日益增大。本课题基于对实验室的小型太阳模拟器的设计与研究正是顺应了这
种需求，同时也希望对原有的太阳模拟器技术有所继承和创新。
除了上述提到的光伏行业，利用太阳模拟器的光源光谱和强度特性可以模拟
各种情况下的太阳光谱，借此测定太阳能电池的光谱、I-V 等特性。太阳模拟器也
广泛地应用于其它各个领域。
在航空航天技术中，大型太阳模拟器是卫星空间地面环境模拟的主要组成部
分。如：中国空间技术研究院北京卫星环境工程研究所研制的 KM6[1,2,3]太阳模拟
器是载人空间工程所需要的地面环模设备的关键系统之一。中小型太阳模拟器用
于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验、地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光
谱辐照响应的地面定标。
在农业科学中，太阳模拟器可用于研究植物的发育和培养良种。通过太阳模
拟器的发出的光照与太阳光照几乎相同，可模拟植物在自然光照下的生长环境。
在建材行业中，太阳模拟器又可用于材料的耐辐照老化实验[4]。材料在太阳模
拟器模拟的各种“太阳光”中进行耐辐射老化，特别是某些太空仪器的材料，可
在地面实行检测，有效加速实验进度，减少实验费用成本。
近年来，太阳模拟器也用于人体健康保健，比如那些常年从事不见天日工作
的人员，太阳模拟器可以改善工作环境，补充人体对阳光的需求[5]。
……
对太阳模拟器的研究和开发，除了能使其已有的技术更加完善和成熟外，也
有助于推进太阳模拟器在各个领域的应用，满足各种需求，造福人类。
§1.2 太阳模拟器的发展水平
近年来，国内外太阳模拟器的发展水平都有了很大的提高，实现了一定程度
的商业化和产业化。
Sprie 和Oriel 是生产太阳模拟器最著名的两家公司，Spire 的3500 和4600 系
列均达到了 A级太阳模拟器的标准，即有效辐照面特征尺寸的百分比≥90%，辐
一种小型太阳模拟器光学系统的设计与仿真
2
照不均匀度≤±2%，辐照不稳定度≤±1%，光谱失配误差≤±20%，采用多闪或
者单一长脉冲的氙管，产生与太阳光谱十分匹配的辐照。Oriel 从2005 年开始也提
供科研和生产用的 A级的太阳光模拟器。相比于 Spire 而言，Oriel 仅提供光学系
统，没有电学部分，而 Spire 却是集成电学系统的。无论是 Spire 还是 Oriel，太阳
模拟器的价格都是十分昂贵的。
从60 年代长春光机所研制的国内第一台太阳模拟器开始，经过多年努力，国
内航空航天的大型太阳模拟器水平已与国际先进水平同步，比如长春光机所的
KM4、中国空间技术研究院北京卫星环境工程研究所研制的 KM6 大型太阳模拟
器。同时也推动了实验室的小型太阳模拟器的研究，国内商业化生产小型太阳模
拟器比较著名的是北京畅拓，技术上虽没有 Spire 和Oriel 成熟，但相对成本价格
比较低。
§1.3 太阳模拟器的技术要求
太阳模拟技术是研究模拟太阳光辐照特性的一门技术。其中包括不同的大气
质量下的太阳的光谱特性、太阳光总辐照度、太阳光准直角、辐照不均匀度、辐
照不稳定度等。太阳模拟器是基于太阳模拟技术而开发研制的一种模拟太阳光辐
照特性的仪器。
在提出本论文所要设计的太阳模拟器的技术要求前，先介绍一下太阳模拟器
所涉及的一些的基本概念及通用规范[6]。
§1.3.1 太阳光谱总辐照
太阳模拟器模拟的是太阳辐照，所以首先认识一下太阳光谱总辐照。
太阳光谱总辐照分为 AM0 标准太阳光谱总辐照和 AM1.5 标准太阳光谱总辐
照。大气质量（AM）指实际观察者与太阳之间路径中的空气质量，与假设观察者
位于海平面上（标准大气压下）太阳正位于头顶时可能存在的空气质量之比。
AM0 标准太阳光谱总辐照是指日地平均距离处，地球大气层外，垂直于太阳
光线的 1平方厘米的面积上，在 1分钟内所接受的太阳辐射能量，单位为瓦/平方
米（W/m2），或卡/平方厘米/分钟（cal/cm2/min)，此时称之为“一个太阳常数”，
根据 1976 年，美国宇航局高空平台的观测结果，其值为 1353(±21)W/m2[7]。因此，
太阳常数是一个表征太阳辐射能量的物理量。当然，远日点和近日点的太阳辐射
强度与太阳常数就有一定差异。在近日点垂直于大气上界的太阳辐射强度比太阳
第一章 绪 论
3
常数大 3.4％；而在远日点则小 3.5％。
太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等
对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和
辐射的光谱分布。因此，AM1.5 标准太阳光谱总辐照分为半球向日辐照度和法向
直接日射辐照度如图 1-1 所示[8]。本论文中只需采用 AM1.5 直接日射辐照度，总
辐照度 1000 W/m2[9]。
AM0 和AM1.5 在不同接收情况下的标准太阳光谱分布如下：
图1-1 AM0 和AM1.5 在不同接收情况下的标准太阳光谱分布
由上图可以看到，太阳光谱 99％以上分布在 150～4000nm 之间，在这个波段
范围内可分为三个区域：150～400nm 之间为紫外光区，约占太阳辐射总能量的
7％；400～760nm 之间为可见光区，约占太阳辐射总能量的 50％；760～4000nm
之间为红外区，约占太阳辐射总能量的 43％，并在 480nm 处最高，约为 2092W/m2
以上。
通常情况下，用于航天航空的太阳模拟器与 AM0 标准太阳光谱匹配，用于地
面的太阳模拟器与 AM1.5 标准太阳光谱匹配。
§1.3.2 太阳模拟器通用规范
在《中华人民共和国国家标准太阳模拟器通用规范》GB/T12637－90 中[7]，规
定了 AM0 和AM1.5 太阳光谱辐照度分布的太阳模拟器的通用技术要求及其级别
和类别的划分。并提供了各种技术指标的具体计算。
太阳模拟器的级别由它的各个单项技术指标的最低级别确定，划分为 A、B、
C三个级别，见表 1-1。所有技术要求均须在温度为 5～35°C，相对湿度小于 75%，
无腐蚀性气体的环境中，在电源电压波动不超过±10%的条件下检测。
一种小型太阳模拟器光学系统的设计与仿真
4
表1-1 太阳模拟器的级别划分
A
B
C
有效辐照面特征尺寸的百分比
≥90
≥80
≥70
辐照不均匀度
≤±2
≤±5
≤±10
辐照不稳定度
≤±1
≤±2
≤±5
光谱失配误差
（表 1-2 中规定的百分比的偏离范围）
≤±20
≤±35
≤±50
表1-2 标准光谱幅照度相对分布
波长间隔
（um）
占有效波段内总辐射照度的百分比
0.3～0.4
0.4～0.5
0.5～0.6
0.6～0.7
0.7～0.8
0.8～0.9
0.9～1.1
各技术要求的具体计算公式如下：
1、总辐照度
AM0 条件下，太阳模拟器的总辐照度应在 0.8～1.2 个太阳常数的范围内可调。
AM1.5 条件下，太阳模拟器的总辐照度应在 800～1200W/m2的范围内可调。
2、光谱辐照度分布
测试航天用太阳电池的太阳模拟器，输出的光谱辐照度分布应与 AM0 太阳光
谱辐照度分布相匹配。
测试地面用太阳电池的太阳模拟器，输出的光谱辐照度分布应与 AM1.5 太阳
光谱辐照度分布相匹配。匹配的失配误差应符合表 1-1 和表 1-2 中的规定。
3、有效辐照面特征尺寸的百分比
在整个辐照面内，辐照度均匀分布的辐照范围只是其中的一部分，这部分均
匀辐照范围用有效辐照面的特征尺寸表示。有效辐照面的特征尺寸：圆形有效辐
级
别
技
术
指
标
技
术
要
求
第一章 绪 论
5
照面用它的直径表示；正六边形有效辐照面用它的内切圆直径表示；矩形有效辐
照面用它的对角线表示。
有效辐照面特征尺寸的百分比用有效辐照而后的特征尺寸占整个辐照面对应
尺寸的百分比表示。
4、辐照不均匀度
辐照不均匀度表示在有效辐照面的整个范围内，辐照度随位置变化的最大相
对偏差。用式(1-1)计算：
max min
max min
100%
E E
E E
 
(1-1)
式中：
maxE
——有效辐照面范围内测得的最大辐照度，W/m2；
minE
——有效辐照面范围内测得的最小辐照度，W/m2；
在光束输出方向上，到有效辐照面±10mm 的距离范围内，垂直于光束输出方
向的每个辐照面上的辐照不均匀度，都应符合表 1-1 的规定。
5、辐照不稳定度
辐照不稳定度表示在有效辐照面内任意给定位置上，在规定的时间间隔内，
辐照度随时间变化的最大相对偏差，并应符合表 1-1 的规定。用式（1-2）计算：
max min
max min
' ' 100%
' '
E E
E E
 
(1-2)
式中：
max'E
——在有效辐照面的给定的位置上，在规定的时间间隔内测得的
最大辐照度，W/m2；
min'E
——在有效辐照面的给定的位置上，在规定的时间间隔内测得的最小辐
照度，W/m2；
§1.3.3 小型太阳模拟器的设计要求
本论文中设计的太阳模拟器为小型太阳模拟器，委托方提出的技术要求如下：
1. 有效辐照面积：φ＝180mm。
2. 光谱总辐照度 1个太阳常数左右。
3. 辐照不均匀度≤±10%。
4. 辐照不稳定度≤±3%。
5. 功率不大于 3KW。
6. 模拟器光轴与水平安装面平行，与地面的距离为 1.2 米。
使用条件：实验室条件，即 20℃±5℃
根据上述设计要求，和《太阳模拟器通用规范》对太阳模拟器的型号和标记
一种小型太阳模拟器光学系统的设计与仿真
6
规范，该太阳模拟器的标记为：TM3C0（1.5），表示：3类C级具有 AM0 和AM1.5
两种太阳光谱辐照度分布的太阳模拟器。
§1.4 本论文的主要内容
本论文主要设计太阳模拟器的光学系统，并在 ZEMAX 中完成对其的仿真，
通过仿真系统输出的数据，评价所设计的光学系统的质量。
太阳模拟器的光学系统是一种复杂的照明系统，一般包括个部分：光源、聚
光系统、光学积分器、准直系统、光谱校正器等。本论文的太阳模拟器主要用于
太阳能电池的的检测，为了保证整个太阳能电池都能获得相同的辐照，所设计的
太阳模拟器必须具有均匀、稳定的辐照面，因此在光学设计中，必须重点把握以
下两个设计原则：
其一，选择合理的光学系统结构、优化光学设计参数，尽可能地降低实验空
间的辐照不均匀度。
其二，尽可能提高光源能量的利用率。
并适当地做一些像差校正、以提高辐照均匀。其中，光学积分器是整个设计
的关键，是实现辐照均匀化最重要的器件，它的结构、外形、阵列分布和通光孔
径对辐照的均匀起决定作用，与此同时对能量的利用率也有很大的影响。
同时本论文也涉及一定的光谱特性匹配研究，主要是其光谱的透射率对于能
量利用率有一定的影响。
因此主要内容如下：
太阳模拟器的方案比较
光源与光谱滤光片
椭球面聚光器
光学积分器
准直系统与转向系统
结构输出与数据处理
摘要：

摘要随着太阳能的开发和利用，太阳能电池的应用也越来越广，作为其光电性能检测的主要仪器——太阳模拟器的需求也日益增加。本论文针对应用于实验室环境的小型太阳模拟器的研究，正是顺应了这样的需求趋势。太阳模拟器主要模拟太阳辐射的光谱能量分布和均匀辐照。光谱能量分布主要由光源的选取和滤光片的校正获得，而均匀的辐照主要依赖于太阳模拟器的光学系统实现。本论文根据委托方的太阳模拟器的技术要求，设计其光学系统的整体结构和主要参数，并在ZEMAX光学软件中进行仿真，根据对仿真数据处理结果，判断设计方案的可行性。太阳模拟器的光学系统主要包括：光源、滤光片、椭球面聚光器、光学积分器、准直系统和转向系统。因此本论文主要...

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