太阳模拟器光源离焦对光斑的影响分析

张嘉钰，窦建秦，牛虎利，常 笑

（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018）

太阳模拟器分为准直型太阳模拟器和聚焦型太阳模拟器［1-3］。前者的特征是在较大辐照面积内提供与太阳光谱分布相匹配的、均匀的、准直稳定的太阳光辐照，主要用来测试太阳电池光伏特性和收集太阳光能；后者的特征是在较小辐照面积内获取极高的辐射通量，主要应用于测试部件材料的高热特性和热化学特性［4-8］。

太阳模拟器的辐照光斑参数是评价设备性能的重要依据，而光源的离焦量又对辐照光斑的能量分布有着重要影响［9］，实际情况中人们无法将光源精确安装在聚光镜的焦点位置，所以进行光源离焦量对光斑参数影响的分析对太阳模拟器光学系统的设计有着重要的参考价值。本文正是基于以上原理，通过对某型号聚焦型太阳模拟器光源离焦量与光斑参数的关系开展了研究，利用TracePro光学仿真软件对光源三维方向的离焦量进行模拟，及其对应的辐照光斑数据进行分析，为太阳模拟器调焦系统方面的设计提供理论上的数据参考。

1 太阳模拟器光学系统组成及其工作原理

聚焦型太阳模拟器光学系统采用光谱能量分布和太阳光谱相近，具有较高的发光效率的短弧氙灯作为光源［10-13］；通常采用椭球面聚光镜作为聚光单元，因为它具有将位于椭球聚光镜第一焦点F1处的光源发出的光束汇聚到椭球面聚光镜第二焦点F2处的特点，满足高精度汇聚光斑的要求［14-18］。

图1表示氙灯光源经过椭球聚光镜反射汇聚至第二焦点的示意图。该光学系统采用1 000 W的短弧氙灯作为光源，水平安装［19］。椭球面聚光镜f1=33.78 mm，焦距f2=541.78 mm，前开口直径224 mm，后开口直径50 mm。

图1 聚光原理示意图Fig.1 Condensing schematic

2 光源离焦对光斑的影响

2.1 光源的简化

表1为光源具体参数，氙灯极间距为5 mm，根据短弧氙灯的发光特点可知（图2），短弧氙灯光弧位于两极之间，光弧长度为两极间距，弧光中心位于阴极附近，能量主要集中在阴极斑附近，长度约为2 mm，直径约为1.5 mm。

表1 光源参数Tab.1 Light source

图2 氙灯能量分布图Fig.2 Xenon lamp energy distribution

图3 氙灯配光曲线Fig.3 Light distribution curve

图3为短弧氙灯配光曲线图，该图表示了氙灯阴、阳极轴线所在平面内的能量分布情况，原点位置为阴极端点，0°，180°极轴为阴、阳极所在轴线，180°方向为阴极，0°方向为阳极。由图3可知，135°到225°和330°到30°范围内基本没有光线发出，因此，在计算模型中氙灯光弧可简化为直径1.5 mm、长度2 mm、以两极轴线为中心的圆柱体，圆柱体两端面不发射光线，侧面发射光线［20］。

2.2 模型的构建

目前光学系统分析软件主要有TracePro，Light Tools，在研究过程中，采用以蒙特卡洛光线追迹法为理念的TracePro对光源的发光效果进行模拟［21-22］。首先在软件中以计算好的模型数据进行建模，然后对光源的发光参数和反光表面的材料属性进行设定，最后利用软件自身的光线追迹便可在指定距离处的聚光屏上得到如图4所示的光斑能量图。从图4中可以看出，在不考虑光源离焦的情况下，光斑的能量分布梯度均匀，光斑能量主要分布在直径为32 mm的圆内，辐照度最大值为2.1×106W／m2，平均值为3.0×105W／m2。

图4 辐照度分布图Fig.4 Irradiance distribution

实际情况中，由于各种误差因素的存在，无法将氙灯光源准确安装在理论焦点位置，或多或少都会有所偏离，很难达到图4软件模拟出的效果，本文模拟光源离焦量对光斑的影响，为太阳模拟器光学调焦系统的设计提供数据参考。

2.3 模拟测试

在模拟计算中将简化的圆柱光源中心放置在椭球聚光镜第一焦点F1，作为安装的初始位置，位移为0。由于安装误差的不确定因素，不可能将所有方向误差因素都进行模拟，选取轴向和径向离焦对光斑的影响进行分析，假设沿轴向的聚光方向为正向，反之为负向。利用TracePro模拟光源偏离聚光镜焦点对光斑进行分析。

根据几组模拟出的数据对比，本文对于轴向光源离焦数据的模拟设定聚光屏为50 mm的正方形面，聚光屏正好处于第二焦点F2，设定光源离焦量为±2 mm。

由图5和图6可知：正向离焦时，聚光屏辐照度最大值起始平稳，0.6 mm离焦量后会平滑下降；辐照度平均值会有微量的下降；光斑直径呈现增大趋势，离焦1.4 mm以后直径没有变化。这是由于光源离焦导致光线分散使得聚光屏接收入射光线分散带来的变化；当负向离焦时，聚光屏辐照度最大值会快速下降，而辐照度平均值几乎没有变化，光斑直径稳定增加，在聚光屏上会形成一个中心与外侧辐照度低，中间呈环状的高辐照度区域，如图7所示（依次选取-0.4，-0.8，-1.2，-1.6，-2.0 mm离焦量），这种辐照光斑的变化在正向离焦过程中并没有产生，要防止这种情况的发生，也可以利用微小负向离焦产生顶端辐照度均匀良好的现象（例如-0.8 mm离焦量处辐照度峰值曲线平稳）来进行合适的实验测试。

对于径向光源离焦数据的模拟，同样设定聚光屏为50 mm的正方形面，由于径向离焦光斑的对称性变化，只选取一侧2 mm离焦量进行数据模拟。

图5 光斑辐照度与离焦量关系Fig.5 Irradiance relationships with off-focus

图6 光斑直径与离焦量关系Fig.6 Spot diameter relationships with off-focus

图7 负向离焦对光斑影响Fig.7 Negative off-focus impact on the spot

由图8径向离焦量与光斑关系图可以看出，在离焦量0～0.4 mm的范围内辐照度最大值没有变化，随着光斑离焦量的增大，在离焦量0.8～2.0 mm的范围内辐照度最大值呈平稳下降趋势，而辐照度平均值在整个离焦量范围内几乎没有变化。由图9（依次选取径向0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 mm 离焦量）可以观察出随着离焦量的增大光斑呈椭圆、变大趋势发展，水平方向光斑焦点整体向离焦的相反方向平移5 mm。

图8 辐照度与离焦量的关系Fig.8 Irradiance relationships with off-focus

图9 径向离焦量对光斑影响Fig.9 Radial off-focus impact on the spot

3 结 论

本文依据聚焦型太阳模拟器光学系统的组成及其工作原理，在光学模拟软件TracePro中进行了光源离焦对光斑参数的影响模拟，并对模拟结果进行了分析。分析结果表明，光源轴向离焦时，光源离焦量对光斑幅照度平均值几乎没有影响，但是光斑幅照度最大值随着离焦量的增大而快速减小，特别是在负向离焦时，会形成环状高幅照度光斑；另外，在轴向离焦量增加的过程中，光斑直径会平缓增加。光源在径向离焦时，随着离焦量的增加，光斑幅照度平均值几乎没有变化，光斑幅照度最大值会随着离焦量的增加而减少，而在整个过程中，光斑呈椭圆、变大的趋势发展。综合以上分析结论可知，光源的准确安装是确保光学系统性能的重要因素，文中的一些模拟数据及分析可为光学系统调焦机构的设计提供理论上的参考。

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