太阳光模拟器的解析、应用及其发展

北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程

■ 蔺佳 桑丽霞* 张静 赵阳博

节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室

0 引言

太阳光模拟器是一种模拟太阳光的人造光源装置，是可提供一定光强的实验仪器，更是太阳能转换利用研究的重要仪器。目前在教学和科学研究中得到广泛应用，是实验室必备的常用仪器设备之一，正确选择太阳光模拟器在其应用中非常重要。

20世纪60年代初，国外就开始了太阳光模拟器的研究。美国最初建造了一套同轴太阳光模拟器，之后苏联、法国、德国相继制定了日光辐射试验方法及研制相应试验设备[1]。我国从1965年才开始研制太阳光模拟器，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所是国内最早开展研制大型太阳光模拟器KM2的单位[2]。继1980年上海机械学院太阳能研究所研制的由25只功率为1 kW的高色温卤钨灯组成的太阳光模拟器之后[3]，1981年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的赵吉林等人研制的TM-3000A1太阳光模拟器[4，5]测试数据可靠，光学积分器结构和加工工艺自有其特色，它的研制成功填补了国内小型太阳光模拟器的空白，其辐照均匀度超过了日本牛尾公司70年代后期生产的同类仪器水平。1984年王素素等[6]研制了TM200A、TM140、TM150等精确准直型太阳光模拟器。1986年刘国新等[7]研制的金属卤化物镝灯太阳光模拟器同太阳色温一致，平均寿命为500 h，广泛用于模拟平板集热器的室外试验和其他非聚光型试验装置的模拟测试。1987年KM4大型空间环境模拟器可以模拟各种型号卫星做真空试验[8]。2002年国内研制的KM6载人航天器空间环境试验设备是国际上5大典型空间环境试验设备之一，有9个分系统，模拟室由三舱组合，主模拟室直径12 m、高22.4 m，极限真空度4.5×10-6Pa、热沉温度100 K，主要性能达到国际先进水平[9，10]。2009年北京卫星环境工程研究所在KFTA热真空环境模拟设备上成功研制了一台光线水平入射的离轴准直型太阳光模拟器，其离轴角为25°，辐照面的直径为600 mm。该太阳光模拟器可用于航天器部组件的热真空试验，包括辐照效应试验和热平衡试验[11]。2014年8月，国内最大的真空太阳光模拟器由中国航天科工集团207研究所成功交付并投入使用，其各项技术指标已经达到国内领先水平。

1982年王德录等[12]研制的高聚光度点聚焦和线聚焦太阳光模拟器可用来测试反光材料和吸收材料的物理参数和供聚光型集热管的试验研究，太阳光模拟器应用范围开始不仅局限于航空领域。1984年中国科学院长春光机所综合厂生产的高精度小型太阳光模拟器TM-3000A、TM-400A、TM-500B可用于太阳电池等有关元器件或材料的检测与标定，也可作半导体光刻技术中的均匀照明设备。1999年王一红等[13]利用TM-3000型太阳光模拟器研究了在模拟太阳光和高压汞灯作用下，不同浓度的光催化剂和紫外光辐射强度对孔雀绿废液的光催化降解反应。2001年吕文华等[14]利用TM-500F太阳光模拟器对太阳辐射测量仪器进行灵敏度校准，误差在±0.6%之内。如今，太阳光模拟器广泛应用于光电材料性能测试、航空、航天、汽车空调等领域[15-18]。

本文对太阳光模拟器的基本组成、参数、等级划分、分类、命名及太阳光模拟器的国内外生产厂家等进行总结，对于教学科研院所及应用行业深入了解和选购太阳光模拟器具有一定的参考价值。

1 太阳光模拟器的基本组成与原理

1.1 太阳光模拟器的基本组成

太阳光模拟器主要由光学积分镜、椭球形反射器、快门、滤光片、准直透镜、灯源等部件组成。图1为以氙灯太阳光模拟器为例的横截面示意图。其工作原理是：氙灯位于太阳光模拟器的中心位置，发射出的光线经过第一个45°的平面镜翻转90°，落在置于椭球焦点的积分镜上，使光分散均匀，然后光束经过滤光片，将该波段多余的红外辐射滤除；再经过第二个45°的平面镜翻转90°；最后落到准直透镜上。一般太阳光模拟器会设定系统所需的光学参数，进行光的收集、光束均匀化、过滤和准直。太阳光模拟器通过准直透镜后以平行光的形式输出[19]。

图1 太阳光模拟器的截面示意图[20]

1.2 光源

光源是太阳光模拟器最基本的组成部分，常用的灯源有氙灯、卤光灯。

1.2.1 氙灯

氙灯即利用氙气放电而发光的电光源。其色温约为6000 K，在使用中使N2气体流经过散热器和排风管道对氙灯进行冷却。氙灯具有很高的内部压力，即使不操作，灯的内部压力也会超过1.01 MPa。

氙灯辐射与太阳辐射的比较如图2所示。可以看出，其光谱分布与太阳光谱比较接近，在氙灯的红外光谱区中0.8～1.0 μm处有几个突起的高峰，如采用水冷或红外滤光玻璃，可消去这些高峰，使其更接近太阳光谱。故在实际的太阳光模拟装置中往往都采用氙灯作为光源。

图2 氙灯光谱与太阳光谱的比较[3]

Newport公司生产的96000 型太阳光模拟器，其灯源为型号6255的无臭氧氙灯。如需260 nm以下的光束输出，可使用6254 型紫外增强型替换这种氙灯。

1.2.2 卤光灯

金属卤光灯又叫高强紫外卤素灯，属金属卤化物灯的一种，它之所以会发出高效能的光，是因为金属卤化物在参与整个发光过程中，绝大部分能量被转化为可见光，仅有很小部分的能量转换为了热量。虽然卤光灯的可见光光强比氙灯弱了非常多，但由于其价格低廉，也常作为太阳光模拟器备用光源之一。

冷光灯，也是卤光灯的一种，色温可达3400 K，光源辐射光谱范围覆盖300～2600 nm。冷光灯是一种小功率卤光灯，功率在25～50 W之间，装配反光罩朝一定方向照明，发白光。如日本原装进口EYE卤素灯泡JCD100V150WL/G1S。

1.3 滤光片

太阳光模拟器滤光片为大气质量滤光片(Air Mass滤波片)，其作用是修改光谱辐照度分布，从而模拟在不同环境下的太阳光谱近似分布。

其一般可分为AM 0和AM 1.5等不同型号。当太阳光入射角与地面夹角为θ时，大气质量为AM=1/cosθ；当θ=0.482时，大气质量为AM 1.5，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况。国际标准组织将AM 1.5的辐照度定义为1000 W/m2，常作为太阳电池和组件效率测试时的标准。地球表面的标准光谱称为AM 1.5G(G代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射)或AM 1.5D(只包含直接的辐射)。

滤光后辐射与太阳辐射的比较如图3所示。从图上可以看出，加入滤波片后辐射与太阳光辐射匹配度提高。

图3 在AM 0或AM 1.5条件下的太阳光谱与氙灯模拟光谱的比较[19]

Newport的光学滤光片及复制镜面产品目前正应用在世界上许多的实验室中，帮助人们在基础科学及应用领域的探索。该公司生产AM 0或AM 1.5过滤片减少氙灯与太阳光谱之间的偏差，还可提供一系列标准产品，包括：系列带通滤光片，带宽从1～70 nm的范围；长波通及短波通截止型滤光片；中性灰光密度滤光片；有色光学玻璃滤光片；分光滤光片及荧光滤光片等，并可以提供25.4 mm直径或50.8 mm正方形的标准尺寸以供选择。

1.4 产品举例

太阳光模拟器广泛应用于单晶硅、多晶硅、非晶薄膜、染料敏化等各种不同类型的太阳电池性能测试实验。以Newport的两款太阳光模拟器为例。

1) 96000型的150 W低成本太阳光模拟器是一款低功率的太阳光模拟器。其内部使用150 W的氙灯，可产生1.3 英寸的平行输出光斑来模拟太阳光的光谱。

它的特点是：①适合低功率应用的低成本替代方案；②极小的光弧能保证用户将图像聚焦到光纤或流晶光导管上；③可选用大气质量滤光片、双色镜和带通滤光片改变输出光谱的形状；④安装AM 1.5G滤光片后产生的输出功率相当于约1.3个太阳常数的输出。

2)91160型150 ～300 W太阳光模拟器，光的准直度 ＜ ±10%；光的均匀度 ＞ ±5%。

它的特点是：①轻松互换滤光片，改变输出光束的形状；②91160型产生的光束的辐射强度相当于2个太阳常数。

2 太阳光模拟器的参数及等级划分

太阳光谱匹配性、辐射空间不均匀性、辐射时间稳定性等参数都是太阳光模拟器的重要参数。

2.1 太阳光谱匹配性

在室内测量时，太阳光模拟器用来模拟太阳电池光电转换特性测试，并在测量太阳电池量子效率时，需将太阳光模拟器作为偏置光源照射在太阳电池上，因此，必须确定太阳光模拟器的光谱照度分布与真实太阳的差别，才能准确分析太阳电池的光电转换特性。

和IEC 60904-3所给出的AM 1.5的参照光谱辐射值的偏差就是太阳光模拟器的光谱匹配度。脉冲式太阳光模拟器的光谱匹配度会随着脉冲的改变而改变。因此，光谱辐射测定实验应在一定时间内进行，并需定期检查其数值。

依据稳态阳光模拟光源在几个光谱段与真实阳光的差异进行划分等级：0.75～1.25内为A级；0.6～1.4内为B级；0.4～2.0内为C级。

2.2 辐射空间不均匀性

辐照不均匀，会造成太阳电池组件上各电池片接收到的光辐射不同，从而使太阳电池效率和功率评定产生偏差。辐照不均匀度就是在有效幅照面的整个范围内，辐照度随位置变化的最大偏差。

假设测试平面内各点的辐照度G不随时间变化，则平面的辐照不均匀度为：

式中，辐照度是指辐照到面上的辐射通量与该面的面积之比。

在测定光伏组件的太阳光模拟器的辐射的非均匀性主要取决于测试室或测试装置内部的反射条件。因此，非均匀性对整个系统来进行评估的。

依据IEC 60904-9-2007标准划分等级：2%以内为A级；5%以内为B级；10%以内为C级。

2.3 辐射时间不稳定性(辐照不均匀度、辐照不重复度)

辐射时间不稳定性是指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。

假设测试平面内辐照不均匀性不变，则多次测量中辐照时间稳定性为：

辐射时间不稳定性由STI(短期不稳定性)和LTI(长期不稳定性)共同决定。

STI与I-U性能测试实验中数据的收集时间相关。在I-U曲线上，STI的数值一直变化。在I-U性能测试实验中，LTI取I-U实验结束时间；在辐射暴露测试实验中，LTI取辐射暴露总时间。

3 太阳光模拟器的分类及级别划分

3.1 太阳光模拟器分类

太阳光模拟器根据模拟器的光源是否连续发光，分为稳态太阳光模拟器的和脉冲太阳光模拟器。

稳态太阳光模拟器优点是输出的都是稳态的模拟连续阳光光谱，缺点是光源供电设备庞大。故只适用于设计小光照面积的太阳光模拟器。目前，市场上有北京中教金源科技有限公司代理的稳态太阳光模拟器等。

脉冲太阳光模拟器的优点是时间短，一般都是毫秒级，消耗能量并不大。但其缺点是一切测量数据需采用工控机和数采装置来进行数据的采集、处理。目前，大面积光伏组件电特性的测量都是采用脉冲太阳光模拟器。市场上有Newport公司的94123A太阳光模拟器等。

3.2 太阳光模拟器级别

太阳光模拟器的级别由其各个单项技术指标的最低级别确定，划分为A、B、C 3个级别，见表1[21]。

表1 太阳光模拟器的级别

如果3项均为A级，则为3A级太阳光模拟器，其推荐的产品有：德国LOT AAA太阳光模拟器、Oriel Sol3A Class AAA Solar Simulators。

4 太阳光模拟器的应用

近几年，除了在光伏行业，太阳光模拟器还广泛应用于汽车行业、建筑行业及航空航天等领域。

在光伏行业方面，太阳光模拟器作为光源提供标准光强，通过电子负载、数据采集和计算等设备测试太阳电池片、太阳电池组件等光伏器件的产品参数，如短路电流、开路电压、填充因子及电流电压特性曲线等。在科研方面，除了用于太阳电池研究的光源，也常用于光催化分解水制氢、污染物光催化降解等太阳能转换与利用研究实验的光源。以光催化分解水为例，为了更好地评价和比较分解水产氢效率，很多研究已从利用集成式氙灯[22-26]转为利用可提供标准光强并更接近于太阳光谱的太阳光模拟器为光源[27-32]。

在航空航天方面，太阳光模拟器是航天技术卫星空间环境模拟的主要组成部分。即可用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定，又可用于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。

在建筑行业方面，主要是受遮阳系数和得热系数两方面影响。建筑门窗遮阳性能是影响室内热环境的重要指标，遮阳系数是反映遮阳性能的重要参数。用太阳光模拟器模拟光源，可得到稳定可靠的实验数据，准确对产品进行遮阳性能和节能效果的评价[33]。得热系数是通过门窗或幕墙构件成为室内得热量的太阳辐射与投射到门窗或幕墙构件上的太阳辐射的比值。这一指标是计算室内采暖能耗和制冷能耗重要因素。

在应用中，可选用的国内外太阳光模拟器品牌及产品如表2所示。

由于太阳光模拟器品种较多，选择仪器前可查阅实验相关文献，也可直接咨询仪器厂家，大致了解所需要的光谱范围、光照面积和光功率(也称为光强)，以便选择更适合的太阳光模拟器。

5 太阳光模拟器的发展

太阳光模拟器的研究及生产已有数十年的历史。随着光学积分器及椭球聚光镜等的发展，以及组合聚光镜、多通道光学积分器、准直聚光镜和建模仿真分析技术的广泛应用，太阳光模拟器的性能指标不断提高并向智能化、高效化等方向发展。

1)在仪器构型方面。长春理工大学的李光云[34]设计了一种聚光效果很好的椭球聚光镜，并且根据太阳光模拟器对于工作面上照度分布的要求，设计了一种具有匀光作用的光学积分器，最后通过视场光阑与准直物镜控制出射光线的出射角度。中国科学院研究生院的吕涛[35]研究了太阳光模拟器的光学系统，针对光学系统中的椭球面聚光镜研究了其光学参数确定的依据及聚光特性，并在此基础上创新性地提出了一种变形椭球面聚光镜。这种物镜具有短的后截距，非常适用于要求结构紧凑的太阳光模拟器光学系统。

2) 在建模仿真分析方面。长春理工大学的付明[36]研究了大型发散式太阳光模拟器的光学系统设计。采用组合聚光镜、多通道光学积分器、准直聚光镜和照明软件Lighttools对系统进行了建模与仿真分析，验证了所设计系统的正确性。随着光纤技术及产业的日益成熟，光纤太阳光模拟器已成为研究开发的热点，最具代表性的是上海载德半导体技术有限公司代理的光纤式太阳光模拟器。

表2 各种太阳光模拟器产品及特点

3)在光源方面。从卤光灯、氙灯向LED灯发展。LED灯的使用寿命更加长久且性能更稳定，受到仪器用户的青睐。最具代表性的是Newport的是VeraSol-2 LED Class AAA Solar Simulator。

太阳光模拟器虽然是一类有很长历史的仪器，但每一次吸收新的技术成果都会使它焕发出新的活力。光纤作为一项重要技术，已使太阳光模拟器的使用变得更方便，同时使太阳光模拟器的光源变得更加精确校准。光源方面，相比于传统的卤钨灯，氙灯无疑是当前太阳光模拟器的主流光源。而且氙灯是一款优秀的脉冲光源，由于脉冲模拟器对稳态模拟器替代效应的出现，基于脉冲氙灯的太阳光模拟器必然有越来越多的市场。当然，随着无极灯、LED 灯等新型光源的出现，可能一些厂家也会尝试使用这些光源走出一条特殊的发展之路[37]。计算机技术的影响将更为增进，太阳光模拟器的小型化、智能化是其中一方面；另一方面，照明软件Lighttools已在一定程度上使实在的仪器接近了虚拟的程序，网络和信息技术的结合可能带来进一步的影响。

6 结论

本文基于太阳光模拟器的基本组成与原理，介绍了太阳光模拟器的参数与分类。太阳光模拟器现正朝小型化与智能化方向发展[38，39]，且有待于进一步改进，提高其光谱匹配性，使性能更加稳定，辐射空间更加均匀。基于当前的发展和应用，介绍了太阳光模拟器的主要生产厂家及产品，为教学科研院所及应用行业提供信息指引。

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