一种适用于CPV的太阳模拟器的光学结构与分析

摘要： 太阳模拟器是聚光光伏（CPV）领域内对电池片、组件及系统进行在线检测的一种必不可少的光源设备，其要求辐照度大于800 W/m2，准直角度小，辐照度均匀，光谱接近AM1.5。要同时达到这些指标有一定的难度。通过分析实现既辐照均匀又辐照准直的太阳模拟器需要克服的因素，提出了一种太阳模拟器结构方案以满足上述要求。同时，配比不同焦距的准直透镜还可实现辐照面积可调。利用ZEMAX软件对该结构进行了仿真，验证了该方案的实现效果。

关键词： 应用光学； 太阳模拟器； 均匀照明； 准直

引言太阳模拟器在太阳能光伏行业领域内是一种十分重要的光学检测设备，能对电池片、组件以及系统进行室内在线检测，在室外进行测试也不需要依赖天气。同时，太阳模拟器的稳定性高于随时间变化的实际太阳，它不仅能大大提高生产效率，也更加科学的对系统性能进行了标定。太阳能光伏从第一代晶体硅发展到现今第三代聚光光伏（CPV），其对太阳模拟器的性能要求也随之变化。对于传统的光伏（PV）组件，太阳光直接照射电池片。太阳模拟器只需在电池片上提供与实际太阳相近的辐射光谱、强度以及均匀度，并无对照射角度有要求。而对于CPV，太阳光并不直接照射电池片，而是经光学系统聚焦后被电池片接收，太阳模拟器必须提供与实际太阳相近的准直照射，才能确保聚光镜的正确聚焦，从而对组件进行有效测试。目前在《中华人民共和国国家标准太阳模拟器通用规范》GB/T 12637-90中[1]，对太阳模拟器进行了如表1的等级的划分，其中并无照射角度的指标，并不能完全满足CPV的需求。因此，应用于CPV的太阳模拟器具有更高的技术要求，而其实现也更具有难度。

本文从理论角度分析了实现辐照度均匀且同时具有小角度准直的太阳模拟器的设计难点，提出了一种可使辐射角度减小的系统结构，该结构还可以采用拼接的方法增大辐照面积。文章将该方案通过软件仿真进行了分析，并计算了其辐照不均匀度与准直角度。

1太阳模拟器光学系统主要组成部分及其作用太阳模拟器的光学系统主要由光源、匀光系统和准直系统三大部分组成。目前，国内外主要太阳模拟器的光源采用氙灯或与其他卤素灯的组合光源，氙灯因其光谱接近太阳光谱，通过适当的滤光片即可得到AM1.5的光谱分布[23]，同样也可以利用各单波长LED的组合配比成接近AM1.5的太阳光谱[45]。对于匀光系统，主要采用复眼透镜积分器或积分光棒[68]。用于将光源发出的不均匀光变为均匀光束。准直系统用于将太阳模拟器的光束投射出去，获得所需的照射面积和照射角度，准直系统可以分为折射式和反射式。前者适用于辐照面较小的太阳模拟器，而后者适合大面积照射的太阳模拟器[9]。2影响辐照均匀度及准直角度的因素

2.1均匀度分析复眼透镜是一种用于匀光的光学器件，当不均匀的光照射在复眼透镜上时，阵列透镜把光束分割成多个单元，每个单元局部可认为是均匀光束，通过后续透镜的作用将阵列透镜的每一单元成像，并在照射面上进行叠加，从而实现照射面的均匀。由于阵列透镜按空间排列分布，将它们成像并叠加在同一面积上时，光束将来自不同的角度，因此不易获得准直照射。导光管也是一种匀光器件，它将入射在入口一端的不均匀光斑经过其内部的多次反射，在出射端形成均匀光斑，但柱状的导光管不改变入射光线的角度，因此也不能获得准直照射。均匀发光的理想点光源置于透镜的焦点处，一般来说，可以获得准直的光束，但是点光源的准直光是否均匀？根据光的可逆原理，将一均匀的平行光束，经透镜聚焦，设透镜为理想透镜，以横坐标表示光源发光角度，纵坐标表示光源辐射强度，如图2所示，在焦点处考察点光源的强度分布。图2（b）所示的结果表明，点光源均匀发光并不能获得均匀的准直光，这是由于照度与距离的平方成反比。由于边缘光的距离长，因此点光源发出的大角度光束边缘角度必须比中间的近轴光有更高的光强，才能获得准直的均匀光束。

2.2准直度分析理想的点光源位于透镜的焦点，可以获得准直的平行光出射。一般来说，光源尺寸越小，光学系统准直起来越容易。若尺寸为A的光源位于孔径为D的透镜的焦平面处，其出射角度与A和f相关，如图3所示综上所述，若对单光源而言，既做到准直出射又要辐照均匀，需要满足两点：（1）光源尺寸与准直透镜焦距比例越小，准直性越高；（2）光源强度分布，随角度增大而变大。准直光束的获得还可以通过采用扩束系统，太阳模拟器属于照明系统，符合扩展度守恒，在扩展度一定时，角度与辐照度互相制约，角度越小，辐照面积变大，扩束系统将小面积的光束扩束为大面积的光束，在扩大面积的同时也就实现了准直。同时根据能量守恒定律，随面积增大，辐照度值也将变小。3太阳模拟器光学系统的方案本文提出了一种太阳模拟器结构，如图4所示。它对均匀度和准直度进行了综合考虑。本文采用氙灯作为太阳模拟器的主要光源，其光谱分布接近太阳光谱[10]，球形氙灯的光强分布见图4。为了提高光能利用率，氙灯将配合椭球反射面使用，把有一定体积的氙灯放置在椭球面反射镜的第一焦点处，在椭球反射面的第二焦点处形成一会聚光斑。光束的会聚角度主要由反射镜的两焦距f反1、f反2及其孔径D决定[11]，其焦斑处的强度分布随角度的增大而减小；本文采用的匀光器件为导光管积分棒，其入口在椭球反射镜的第二光斑处，端面大小为光斑的外接正方形，导光管对光斑进行多次反射，设计其长度使得在出射面形成均匀的辐照面；本文采用的准直系统为倒置的望远系统，距导光管出射端距离为其前会聚透镜的焦距f1，后准直透镜与前会聚透镜的距离为两焦距值之和，组成一倒置望远系统。设导光管出射端面面积为A1，辐照出射面积为A2，导光管出射光半角度为θ1，准直透镜出射光半角度为θ2，由于扩展度守恒，n1A1sin2θ1=n2A2sin2θ2，其中n1为入射进会聚透镜空间折射率， n2为准直透镜出射方空间折射率。通过选用不同焦距f1、f2的透镜对光束进行不同比例A2/A1的扩束，同时使其出射准直角度θ2改变。系统结构如图5所示：

4.3.2准直度状况准直度与入射角有关，首先需选择合理的入射角。假设在1 000 W光源出射后，经过全部理想透镜的情况下，接受面的能量为610 W，其光学利用率为60%，主要的能量损失是一部分光并没有入射进导光管。对于同一孔径D和f反1的反光碗，f反2越大，其汇聚的角度也就越小（即矩形导光管的出射角），然而θ1太小的话，为了保证反射次数以满足均匀性要求，其导光管的长度势必增长，不利于结构的紧凑性。因此，合理权衡选择θ1的最小值，可以得到具有更好准直性的出射光，也将缩小后续光学系统的结构尺寸。这里，选择的入射角为18°。在软件的仿真结果中，通过辐射强度图得到了探测器接受到的光强随角度变化的曲线。透镜的焦距比f2/f1=4，入射角18°，因而理论角度为4.5°，从图9（a）中得到体现。图9（b）中，80%的光能辐射在接收器内角度小于4°，最大的角度为6°。比理论的4.5°大些，这是由实际透镜的球差、准直透镜前焦平面的轴外像差以及系统瞳窗尺寸未匹配等因素导致。

5结论本文首先从太阳模拟器光学性能指标的理论分析着手，找到设计其光学系统的重点与难点，并以此为理论依据，用导光管对光源进行匀光处理，用扩束系统将光束进行准直。通过选配不同大小焦距与孔径的透镜使辐照面面积可调，均匀度高，出射角度小。由于受扩展度守恒的制约，准直性越高，其辐照度值越低。所以，这种透射式结构的太阳模拟器其整体光学结构横截面尺寸小于出射辐照面尺寸，它不仅能对单个小面积的cpv聚光系统中的单个电池片或聚光透镜进行检测，也可以通过排列组合的方式拓宽其辐照面。结合以上两种方法，可获取任意大小面积及满足辐照度大小的太阳模拟器，且其准直角度小，适合于CPV领域内对多种不同场合下的检测。

参考文献：

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