一种大口径离轴反射式太阳模拟系统设计

李新华，杨忠明，高志山，袁 群，王新星，窦健泰

引言

太阳模拟系统是一种可控的模拟太阳光辐射的测试设备，为光敏材料或设备提供室内太阳辐射测试环境［1］。太阳模拟系统一般主要包含3个部分：1）光源，用以提供近似太阳辐照的光谱分布以及辐照强度；2）光学系统，保证光的均匀准直输出；3）机械支撑及冷却系统，保证系统能够稳定运行［2］。

近几十年，国内外在空间技术和太阳能应用技术上取得了很大进展，同时也推动了太阳模拟技术的进步，使太阳模拟系统在众多领域都发挥了巨大的作用。在航天器的研制过程中，太阳模拟系统在地面上模拟出真空环境下的太阳光辐射，为航天器的相关性能测试提供空间试验环境［3］；在光伏工程领域，利用太阳模拟系统模拟地面太阳光辐照，对光伏组件的性能进行检测，对其技术参数进行标定［4］；在太阳能光热领域中，太阳模拟系统用于太阳能集热器的性能测试和太阳能热水器的检测［5］。对于不同技术领域所使用的太阳模拟系统，所要求的输出光的辐照特点也不尽相同，因此，要根据太阳模拟系统的具体应用要求来设计系统结构。

图1 太阳模拟系统Fig.1 System of solar simulator

20世纪60年代初，在美国国家航空宇航局（NASA）的资助下，开展了一系列关于太阳模拟系统的研究项目，用于热真空环境的模拟［6］。1983年，欧洲航天局（ESA）为了满足空间计划的发展需求，启动大型空间环境模拟（LSS）项目并构建了一套大型的太阳模拟系统［7］。我国的太阳模拟系统的研制始于真空冷黑环境模拟，北京卫星环境工程研究所的黄本诚等人同长春光机所合作，成功研制了KM1和KM2太阳模拟系统，是国内最早的卫星地面测试环境模拟设备［8］。其后，我国又陆续建成了KM3、KM4、KM5以及KM6太阳模拟系统［9］。近几年，上海大学的王志明等人研制了一种新型的太阳模拟系统，将二次反馈光路思想引入了太阳模拟系统的控制器中，有效地提高了辐照均匀性。在气象探测领域，长春理工大学的张国玉、苏拾等人于2012年成功研制了一台气象探测用太阳模拟系统，有效辐照面直径达到200mm［10］。

本文研究的太阳模拟系统是空间全谱段光谱成像仪辐射定标的重要组成部分和必备的测试设备。该太阳模拟系统能够提供0.4μm～2.5μm光谱范围内的太阳辐照，最大辐照度达到1.17个太阳常数。采用离轴抛物面准直系统，光束发散角小于±0.75°，有效辐照面直径达到400mm。首次采用镜像的“4”字形光路，保证氙灯垂直放置和光束水平出射，结构紧凑、稳定可靠。在实验室环境下，系统采用强制风冷的散热方式，能够长时间安全稳定运行。

1 光学系统设计与仿真

本文研究的太阳模拟系统是空间全谱段光谱成像仪的定标与检测的地面测试设备，主要由氙灯电源、光学系统、机械支撑及调节系统、风冷系统等部分组成，如图1所示。

光学系统采用离轴准直光路结构，由短弧氙灯、椭球反射镜、对称式光学积分器、滤光片、离轴抛物面准直镜以及两块折转平面反射镜构成，如图2所示。短弧氙灯作为光源，提供近似于太阳的辐射光谱，短弧氙灯发光点位于椭球反射镜的第一焦点处，出射光束经椭球镜反射后会聚在椭球反射镜的第二焦点；光学积分器位于椭球反射镜的第二焦点处，出射光束经椭球镜反射后在积分器表面形成对称分布的高斯型辐照分布；经过积分器前后两组透镜阵列分割和叠加完成光束的均匀过程，然后通过滤光片进行光谱修正；修正光谱后的光束经离轴抛物准直镜反射后均匀出射。在系统光路中，利用两块平面反射镜实现光路的折转，形成镜像的“4”字形光路结构，缩短了系统光路轴向尺寸。在光学系统中，椭球反射镜、光学积分器以及离轴抛物面准直镜的设计满足光瞳衔接原理，从而达到对光源能量的有效利用。

图2 光学系统结构Fig.2 Layout of optical system

短弧氙灯具有输出功率高、输出状态稳定、光谱分布近似自然阳光以及使用寿命长等优点，因此选择短弧氙灯作为太阳模拟系统的光源。系统中短弧氙灯垂直点燃，发出的光具有良好的稳定性，从而规避了氙弧的飘移。根据系统的光学系统结构和光能在各光学元件上的损失得到系统的光能传递效率：

式中：Ke为短弧氙灯光电转换效率，取值为0.3；Kc为椭球聚光镜聚光效率，取值为0.75；Kr为平面反射镜的反射率，取值为0.9；n1为镜面反射次数，取值为2；Ka为光学积分器的孔径利用率，取值为0.4；Kt为光学积分器透过率，取值为0.85；Kl为光学滤光片的透过率，取值为0.6；Ko为准直物镜的反射率，取值为0.85。

辐照面上照度E为

式中：P为短弧氙灯的功率；D 为有效辐照面直径。

短弧氙灯的功率为

式中：E＝1 353W／m2；D＝0.4m。

由（3）式得短弧氙灯功率为P＝5 380.1W。由于短弧氙灯无法在满功率的条件下长时间稳定工作，系统需要预留出足够的功率余量，故功率选用7 000W。

太阳模拟系统要求出射光的光谱在0.4μm～1.1μm谱段，达到国家B级标准，即光谱失配误差≤±35%，在1.1μm～2.5μm谱段范围内，与标准太阳光谱辐亮度的标称值偏差≤±20%。系统选用的7kW短弧氙灯的光谱曲线如图3所示。

图3 氙灯光谱分布曲线Fig.3 Xenon－lamp spectrum

根据7kW短弧氙灯光谱分布，参考标准太阳光谱，得到0.3μm～2.5μm波段内滤光片的理论透过率，光谱透过率要求如表1所示。

3 000 85波长／nm 透过率／%780 85 800～1 000 34 930 30 半宽度为200nm 1 020～1 080 70 1 100～备注300～

太阳模拟系统中采用的短弧氙灯的发光点可以近似为点光源，光学系统的目的是使测试区域的能量均匀分布。光学聚光镜作为一个集光器，收集光源发出的各种方向的光辐射，投影到光学积分器入瞳处，聚光镜的设计和加工对太阳模拟系统出射光的辐照度和辐照均匀性等有很大的影响［11］。系统采用椭球反射镜作为聚光镜。椭球反射镜具有2个焦点，当点光源位于一个焦点时，其发出的光辐射经过镜面反射后会聚到另外一个焦点上，且光传播过程中不产生球差。采用图4所示坐标系，椭球面反射镜描述方程如（4）式所示：

图4 椭球反射镜光学参数Fig.4 Optical parameters of ellipsoidal reflector

式中：e为椭球曲线的偏心率；R0为椭球反射镜顶点处曲率半径。图4中f1、f2分别为椭球反射镜第一和第二焦距；αm－α0为椭球面反射镜的最大包容角；a、b为椭球反射镜的半长轴和半短轴；H 为椭球反射镜的深度；D′为椭球反射镜的有效口径；A为椭球反射镜的相对孔径；M0为椭球反射镜的近轴成像放大倍率。各参数之间关系为

结合系统中7kW短弧氙灯的散热需求，根据目前椭球反射镜的加工技术水平，选取第一焦距为60mm，两焦距之间的距离2 740mm，依据光瞳衔接原理，开口尺寸选为400mm，其详细参数如表2所示。

太阳模拟系统采用对称结构的光学积分器作为均匀光器件。对称式结构的光学积分器由两组对称的透镜阵列组成，分别为场镜和投影镜。两组透镜阵列拥有一致的光学结构，都是由多片正六边形的元素透镜在基板上紧密拼接形成，如图5所示。

表2 椭球反射镜具体参数Table 2 Optical parameters of ellipsoidal reflector

图5 光学积分器结构图Fig.5 Structure diagram of optical integrator

光学积分器场镜中每一元素透镜将接收到的光辐照进行分割，并成像到对应的投影镜组元素透镜上；投影镜中每一元素透镜接收被分割后的光辐照，并将其成像到系统的辐照面上。经过场镜和投影镜组元素透镜对应成像后，每一部分被分割的光辐照再经过抛物面准直镜准直，在系统的出射辐照面上叠加，形成所需的均匀辐照。每组透镜阵列中，参与拼接的元素透镜越多，系统出射光的辐照均匀性就越好［12］。系统选用37个元素透镜，每个元素透镜内切圆直径为15.6mm，焦距为103.2mm，材料选用红外光学石英玻璃JGS3，元素透镜凸面曲率半径为47.1mm。光学积分器的透镜阵列和基板通过光胶方式胶合，且均不镀膜。

太阳模拟系统选用离轴抛物面反射镜作为准直镜，将光学积分器后组透镜阵列放置在离轴抛物面准直镜焦点处，椭球反射镜会聚的光经过积分器匀化后从后组透镜阵列出射，到达离轴抛物准直镜表面，经过离轴抛物面准直镜后准直出射。光学系统中，视场光阑位于抛物面准直镜的物方焦面处，视场光阑经离轴抛物准直镜成像到出射辐照面，成像关系如图6所示。如图7所示。

图6 视场光阑位置Fig.6 Field stop position

图6中，D为准直镜口径；D′为有效辐照面直径；L为有效辐照面的工作距离；θ0为准直半角。太阳模拟系统的有效辐照面口径为400mm，工作距离为2 500mm，半准直角为0.75°。离轴抛物面准直镜相对孔径为0.15，口径为465mm，焦距为3 100mm。

根据系统的光学系统以及各光学元件的参数，利用Lighttools软件对光学系统辐照均匀性进行仿真，利用蒙特卡罗光线追迹法对其光线进行追迹。根据仿真结果不断优化光学元件设计参数，从而得到系统最优设计参数，系统的仿真模型

图7 光学系统仿真模型Fig.7 Simulation model of optical system

系统中各光学元件参数优化后，对系统追迹2×107万条光线，根据光线追迹的结果，分析系统出射光的辐照度以及辐照均匀性。在系统的出射光辐照面上设置接收器，根据出射光束直径为400mm，将接收面积划分为20×20个网格，照度分布曲线以及照度分布情况如图8所示。根据仿真结果可以知道，在有效辐照面积Φ200mm范围内，辐照不均匀性为±1.65%，在Φ400mm范围内，辐照不均匀性为±3.2%。

图8 辐照度分布仿真图Fig.8 Simulation diagram of irradiance distribution

2 散热系统设计与仿真

太阳模拟系统光源的光电转换效率不高，且各光学元件存在一定的光能有效利用率，因此在系统内部存在较高的能量损失，在太阳模拟系统内部形成高温环境，从而影响系统的安全稳定工作，因此太阳模拟系统的设计中必须要考虑冷却问题。在太阳模拟系统中，能量主要集中在聚光光路部分，在准直光路中能量较为分散。各部分的热负荷，如（7）～（13）式所示。

短弧氙灯电极热负荷Pe：

椭球反射镜镜热负荷Pc：

上平面反射镜热负荷Pr1：

光学积分器镜筒热负荷Pt：

光学滤光片热负荷Pl：

下平面反射镜热负荷Pr2：

离轴抛物面准直镜热负荷Pz：

以上公式中：P为短弧氙灯功率；Ke为短弧氙灯的发光效率；Kc为椭球反射镜的反射效率；Kr1为上反射镜的反射效率；Kα为光学积分器的孔径利用率；Kt为光学积分器的透过效率；Kl为光学滤光片的透过效率；Kr2为下反射镜的反射效率；Kz为离轴抛物面准直镜的反射效率。经计算可得到太阳模拟系统各部分的热负荷，计算结果如表3所示。

表3 太阳模拟系统各部分热负荷Table 3 Thermal load distribution of solar simulator

模拟系统采用强制风冷的散热方式在密闭的仪器内部形成散热风道，将多余热量从仪器的出风口带走。光学系统中各元件的位置排布相对分散，系统中热负荷较高的灯室组件、上平面反射镜以及积分器彼此之间距离较远，无法实现集中散热，故采用各自强制风冷的散热方式进行冷却。仪器整体采用框架式机械支撑结构，仪器内部空间较大，热量分布相对分散。基于太阳模拟系统的热量分布，采用如下的风道设计方案：在灯室椭球反射镜罩筒支架侧边、上平面反射镜上方外壳以及积分器组件侧边外壳处各设计有一个进风口，在距离三者位置均比较适中的离轴抛物准直镜上方的外壳上设计有出风口，每个进风口分别同出风口组合形成一条风道。这样在系统内部形成3条散热风道，具体的风道走向如图9所示。经由这3条风道，利用3组鼓风风机分别从3个进风口向仪器内部吹入冷气流，带走灯室、上平面反射镜和积分器组件上的多余热量，最终在出风口处合流，经由抽风风机将热空气排到外部空气中，从而实现系统内部主要热源的散热。同时，3个进风口近似均匀地分布在系统外壁上，所以系统内部空气的对流能够有效地带走环境中的热量，实现其他元件的散热。

图9 风道设计Fig.9 Air duct design

在太阳模拟系统内部，主要的热源是灯室组件、上平面反射镜以及积分器组件。结合系统的风道设计，根据太阳模拟系统的外形设计尺寸、系统内各具体元件的几何形状和尺寸及其热负荷，在ICEPAK软件中建立其几何模型，对其进行热分析，建立系统的传热数值分析模型，选择系统的控制方程，确定流场的算法，采用单元映射法进行网格划分。根据仿真结果不断优化风机风量等参数，从而得到系统最优设计参数，如表4所示。系统内部温度场稳定后，各热源温度分布情况如表5所示。图10（a）和10（b）为其系统中心截面的温度场云图及流场矢量图。

表4 风机参数Table 4 Parameters of fan

表5 系统各部件温度分布Table 5 Temperature distribution of system elements

图10 系统温度场分布仿真结果Fig.10 Simulation results of temperature field distribution

3 参数测试

太阳模拟系统的具体待测技术参数主要有：最大辐照度、辐照度均匀性等。对于辐照度相关的测试，在工作距离处的有效辐照面上采用标准光电池来完成，如图11所示。

在相关的辐射计量机构对标准光电池进行标定后，将标准光电池的短路电流转化成太阳常数。在太阳模拟系统稳定工作时，将工作电流调至最大，将标准光电池放在接收屏上的光斑中心处，每隔10分钟测量一次，并记录相应的太阳常数，测试结果如图12所示。从测试结果可以看出，太阳模拟系统最大辐照度可达1.17个太阳常数。

图11 技术指标测试Fig.11 Testing of technical parameters

图12 最大辐照度测试Fig.12 Testing of maximum irradiance

太阳模拟系统进行辐照度不均匀性测试时，在接收屏上设计采样点。根据出射光束直径为400mm，以40mm为间距，用11×11的网格来划分辐照面，每一网格的中心点作为辐照度测试采样点。11×11的网格中，不在光斑范围内的网格作为无效网格，实际测试时不作为采样点，如图13所示。在太阳模拟系统稳定工作后，在工作距离处，垂直于光束出射方向上放置接收屏，根据测量数据，计算辐照面上的辐照度不均匀性，如（14）式所示。辐照面上的辐照度分布如图13所示。

图13 辐照不均匀性测试原理Fig.13 Testing principle of irradiation non－uniformity

式中：Imax和Imin分别为辐照面上最大和最小辐照强度。

计算辐照度不均匀性时，将整个辐照面划分为 Φ120mm 、Φ200mm、Φ280mm、Φ360mm、Φ4 000mm 5个区域。根据测量结果可知，辐照不均匀度在 Φ200mm 范围内为 ±1.61%，在Φ400mm范围内为±3.28%。

表6 辐照不均匀性测量结果Table 6 Testing results of irradiation non－uniformity

4 结论

本文设计和研制了一种大口径反射式太阳模拟系统，阐述了太阳模拟系统的光机系统设计。给出了光学系统的设计方案以及各光学元件的参数，并运用Lighttools软件对光学系统进行建模和仿真。系统首次采用镜像“4”式的光路结构，保证了短弧氙灯的垂直放置和光束的水平准直出射。依据光学系统的布局，设计了太阳模拟系统的冷却系统，并运用ICEPAK软件模拟验证了系统稳定工作时的热负荷分布，保证了系统的安全稳定运行。测试结果表明：太阳模拟系统最大辐照度可达1.17个太阳常数；辐照不均匀度在辐照面Φ200mm范围内为1.61%，在辐照面Φ400mm范围内为±3.28%。

［1］ Domínguez C，Antón I，Sala G，et al.Characterization of a new solar simulator for concentrator PV modules［C］／／Proc.of the 4th International Conference on Solar Concentrators for the Generation of E－lectricity or Hydrogen，EI Escorial，Spain，2007.［S.I］，2007.

［2］ ASTM.Standard specification for solar simulation for photovoltaic testing：ASTM standard，E927－05［S］.USA：ASTM，2005.

［3］ Li Gang，Zhou Yanping.Solar simulator and earth simulator for satellite simulation test design［J］.Infrared Technology，2007，29（5）：283－287.

李刚，周彦平.卫星仿真测试用太阳模拟器和地球模拟器设计［J］.红外技术，2007，29（5）：283－287.

［4］ Petrasch J˜A，Coray P，Meier A，et al.A novel 50 kW 11，000suns high－flux solar simulator based on an array of xenon arc lamps［J］.Journal of Solar Energy Engineering，2007，129（4）：405－411.

［5］ Su Shi，Zhang Guoyu，Fu Yun，et al.New development of solar simulator［J］.Laser ＆ Optoelectronics Progress，2012，49（7）：17－24.

苏拾，张国玉，付芸，等.太阳模拟器的新发展［J］.激光与光电子学进展，2012，49（7）：17－24.

［6］ Olson R A，Parker J H.Carbon arc solar simulator［J］.Applied Optics，1991，30（10）：1290－1293.

［7］ Nuss H E.Vacuum system for a space simulation facility［J］.Vacuum，1988，38（8）：617－620.

［8］ Han Jixiang.Theory and practice of power supply used in solar simulator［J］.Spacecraft Environment Engineering，2003，20（3）：7－18.

韩吉祥.关于太阳模拟器电源的理论和实践［J］.航天器环境工程，2003，20（3）：7－18.

［9］ Huang Bencheng，Pang Hewei，Zang Youzhu，et al.The development and progress of KM6solar simulator［J］.Spacecraft Environment Engineering，2003，20（1）：1－3.

黄本诚，庞贺伟，臧友竹，等.KM6太阳模拟器的研制方案与进展［J］.航天器环境工程，2003，20（1）：1－3.

［10］Su Shi.The research of testing system of meteorological solar radiometer［D］.Changchun：Changchun University of Science and Technology，2012.

苏拾.气象用太阳辐射计量仪表检定系统研究［D］.长春：长春理工大学，2012.

［11］Lu Tao，Zhang Jingxu，Fu Donghui，et al.Determination of ellipsoid condener parameters in solar simulator［J］.Journal of Applied Optics，2014，35（1）：43－47.

吕涛，张景旭，付东辉，等.太阳模拟器中椭球面聚光镜参数的确定［J］.应用光学，2014，35（1）：43－47.

［12］Li Guangyun，Zhang Guoyu，Fu Ming，et al.Design and analysis of square intergrator in solar simulator［J］.Journal of Applied Optics，2014，35（1）：48－52.

李光云，张国玉，付明，等.太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析［J］.应用光学，2014，35（1）：48－52.