袁五輝，丁官元，劉海波，袁 馳，李頌戰(zhàn)

(1. 武漢愛疆科技有限公司，武漢 430070；2. 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；3. 武漢紡織大學(xué)，武漢 430200)

0 引言

光伏科學(xué)與工程、育種、航天衛(wèi)星空間模擬、高溫試驗等領(lǐng)域?qū)Ψ€(wěn)定的高質(zhì)量日照條件存在巨大需求[1-5]。但是，自然太陽光非常容易受到季節(jié)更替、晝夜交替、氣候變化、天氣變化等自然界各種因素的干擾，無法滿足科學(xué)研究人員和產(chǎn)業(yè)界對穩(wěn)定日光的需求。在此情況下，太陽模擬器這種能夠模擬均勻、穩(wěn)定太陽輻射的儀器設(shè)備應(yīng)運而生，并逐步成為現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)療、能源、航空、材料工程與環(huán)境工程等多個領(lǐng)域中不可缺少的重要設(shè)備[6-8]。

行業(yè)通常規(guī)定不同大氣質(zhì)量下的輻照不穩(wěn)定度(irradiation instability)、輻照不均勻度(spatial non-uniformity of irradiance)、光譜匹配度(spectral match)是太陽模擬器的決定性參數(shù)，并根據(jù)不同的參數(shù)范圍劃定了A級、B級、C級太陽模擬器[9]。

在目標(biāo)測試區(qū)域的輻照不均勻度Ni的計算式可表示為：

式中：Imax為目標(biāo)測試區(qū)域的平面任意取一點的輻照度最大值；Imin為目標(biāo)測試區(qū)域的平面任意取一點的輻照度最小值。

輻照不穩(wěn)定度指標(biāo)是要求到達(dá)目標(biāo)測試區(qū)域平面的光線在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定的輻照度，從而保證測試的準(zhǔn)確性。輻照不穩(wěn)定度Ti的計算式可表示為：

式中：Emax為規(guī)定時間內(nèi)在目標(biāo)測試區(qū)域的平面任意取一點的輻照度最大值；Emin為規(guī)定時間內(nèi)在目標(biāo)測試區(qū)域的平面任意取一點的輻照度最小值。

國際電工委員會(IEC)在國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60904-9:2020《Photovoltaic devices——Part 9:Classification of solar simulator characteristics》中又將輻照不穩(wěn)定度細(xì)分為代表整個I-V測試過程中輻照度變化的長期不穩(wěn)定度(longterm instability，LTI)，以及代表I-V測試取點過程中輻照度變化的短期不穩(wěn)定度(short-term instability，STI)。

IEC 60904-3:2019《Photovoltaic devices——Part 3: Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data》[10]定義的AM1.5G光譜輻照度數(shù)據(jù)常用于地面光伏發(fā)電裝置或太陽電池相關(guān)測量領(lǐng)域，其輻照度分布界定了在300～1200 nm光譜波長范圍內(nèi)各波長區(qū)間輻照度對總輻照度的占比，具體如表1所示。

表1 IEC 60904-3: 2019定義的輻照度分布Table 1 Irradiance distribution as defined in IEC 60904-3: 2019

光譜匹配度表征了太陽模擬器與IEC 60904-3:2019給出的300～1200 nm波長范圍內(nèi)輻照度分布的偏差，體現(xiàn)了太陽模擬器的光譜輻照度分布與真實太陽的光譜輻照度分布之間的差別。

IEC 60904-9:2020中給出的太陽模擬器等級分類[11]如表2所示。

表2 IEC 60904-9: 2020中的太陽模擬器等級分類Table 2 Level classification of solar simulators according to IEC 60904-9: 2020

在碳達(dá)峰和碳中和(下文簡稱為“雙碳”)目標(biāo)的驅(qū)動下，太陽電池的應(yīng)用越來越廣泛，需求也越來越大[12]。隨著光伏工業(yè)制造水平的大幅度提升，太陽電池制造商、相關(guān)科研和產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)對更大輻照面積、更小空間占用，以及輻照不穩(wěn)定度、輻照不均勻度、光譜匹配度均達(dá)到A級標(biāo)準(zhǔn)的3A級大型太陽模擬器提出了新的要求與期待[13]。然而，目前市面上符合要求的3A級大型太陽模擬器大多都遭遇了國外知識產(chǎn)權(quán)壁壘，且這些設(shè)備通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂。

基于此，本文在光學(xué)仿真軟件LightTools環(huán)境下，設(shè)計了一種由光源(長弧氙燈)、橢球面矩形反射體、光學(xué)擋光板等部件構(gòu)成的大面積、近距離的3A級大型脈沖式太陽模擬器，利用光學(xué)原理調(diào)整、優(yōu)化了各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并成功研制了輻照不穩(wěn)定度、輻照不均勻度、光譜匹配度3項關(guān)鍵指標(biāo)實測結(jié)果均達(dá)A級的大型脈沖式太陽模擬器原型系統(tǒng)。

1 3A級大型脈沖式太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

經(jīng)典太陽模擬器主要包括由光源和橢球面反射鏡組成的聚光系統(tǒng)、光學(xué)積分器、準(zhǔn)直物鏡等部件。由光源(即氙燈)發(fā)出的光線經(jīng)橢球面反射鏡進(jìn)行聚光后，通過光學(xué)積分器微分再積分，然后再由準(zhǔn)直物鏡反射后變成平行光出射到達(dá)測試面，從而形成均勻的輻照面。經(jīng)典太陽模擬器的光路原理如圖1所示。

圖1 經(jīng)典太陽模擬器的光路原理Fig. 1 Principle of light path of classical solar simulator

由于經(jīng)典太陽模擬器中的光學(xué)積分器存在球差，對太陽模擬器性能的影響較大，并且經(jīng)典太陽模擬器存在設(shè)計難度大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量利用率低等缺點，因此，本文舍棄了光學(xué)積分器和準(zhǔn)直物鏡等部件，設(shè)計了一種由光源、橢球面矩形反射體、光學(xué)擋光板等部件組成的一種結(jié)構(gòu)相對簡單的高精度的3A級大型脈沖式太陽模擬器。該設(shè)備采用分體機(jī)柜式設(shè)計，主體包含暗室、脈沖光源控制器和測試控制柜3個部分。3A級大型脈沖式太陽模擬器的總體方案如圖2所示。

圖2 3A級大型脈沖式太陽模擬器的總體方案Fig. 2 Overall scheme of class 3A large-scale pulse solar simulator

1.1 暗室的結(jié)構(gòu)設(shè)計

暗室是一個內(nèi)部涂有黑色吸光涂層的完全封閉的腔體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。腔體內(nèi)在光路通道上設(shè)置了2個擋光光闌，其形狀如圖4所示，用于攔截大角度的光線，從而在測試面上形成2 m×3 m的光斑。

圖4 擋光光闌的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of structure of light blocking aperture

暗室內(nèi)部和擋光光闌表面的黑色吸光涂層用于吸收300～1800 nm波長范圍內(nèi)的光線，其作用是大幅減弱發(fā)散光線的傳播，使其不能到達(dá)測試面，防止發(fā)散光線對測試面的輻照參數(shù)產(chǎn)生干擾。黑色吸光涂層反射率隨入射光線波長變化的關(guān)系如圖5所示。

圖5 黑色吸光涂層反射率隨入射光線波長的變化關(guān)系Fig. 5 Relationship of change between reflectivity of black absorbing coating and wavelength of incident light

1.2 光源選型和光源模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

光源是太陽模擬器的關(guān)鍵部件之一，其與光學(xué)系統(tǒng)的輻照不穩(wěn)定度、光譜匹配度、輻射功率等參數(shù)緊密相關(guān)。氙燈因具有發(fā)光光譜與太陽光譜匹配度高、隨氣壓波動小、光譜能量排布穩(wěn)定等優(yōu)點，成為了目前太陽模擬器光源的最優(yōu)選擇之一[14]?？紤]到長弧氙燈具有較大的發(fā)光功率、較低的管壓，以及更好的安全性和穩(wěn)定性等優(yōu)點，本文采用新加坡Excelitas公司生產(chǎn)的長弧氙燈作為光源。該長弧氙燈的外形為柱狀結(jié)構(gòu)，其額定輸出的光脈沖寬度為10 ms，最大可以達(dá)到20 ms。在10 ms的脈沖時間內(nèi)平均輸出光功率為150 kW。該長弧氙燈可以以15 s的時間間隔進(jìn)行發(fā)光，正常使用壽命約60000次。

采用上述長弧氙燈構(gòu)建氙燈模塊。氙燈模塊由燈罩、長弧氙燈及底座、濾光片、散熱風(fēng)扇、標(biāo)準(zhǔn)電池(安裝在標(biāo)片盒內(nèi)部)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。氙燈模塊還設(shè)計了獨立的反饋微調(diào)標(biāo)片(同樣置于標(biāo)片盒內(nèi))，每個長弧氙燈都能單獨進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

圖6 單個氙燈模塊的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Structure diagram of a single xenon lamp module

通常情況下，單個氙燈模塊的光學(xué)擴(kuò)展量不足以滿足整個太陽模擬器的總光學(xué)擴(kuò)展量，因此本文采用4個氙燈模塊組合使用的方案，通過氙燈光源能量疊加的方式來滿足太陽模擬器總光學(xué)擴(kuò)展量的要求。然而，4個氙燈模塊的布局會極大影響整個光學(xué)系統(tǒng)的能量利用率和測試面的輻照均勻性，因此，如何合理地設(shè)計氙燈模塊之間的距離、位置、夾角等參數(shù)是整個光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的難點之一。為了達(dá)到輻照面能量利用率盡可能高、輻照不均勻度盡可能低的要求，本文采用了4個氙燈模塊呈正方形空間排列的方式進(jìn)行排布，如圖7所示。

圖7 氙燈模塊的排布位置示意圖Fig. 7 Diagram of layout of xenon lamp module

每個氙燈獨立控制且控制回路相同，降低了設(shè)備的復(fù)雜度，并保證了設(shè)備工作的可靠性。氙燈間的工作協(xié)調(diào)由主控模塊完成，通過光負(fù)反饋系統(tǒng)來實現(xiàn)氙燈的恒定光強(qiáng)控制，即采樣氙燈輸出的光強(qiáng)作為反饋信號來控制氙燈的工作電流，從而實現(xiàn)光強(qiáng)的穩(wěn)定輸出。這一結(jié)構(gòu)屏蔽了整個控制回路中的干擾，從而精準(zhǔn)地控制了氙燈輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性。

此外，為防止氙燈過熱，模組內(nèi)部設(shè)計了2個風(fēng)扇風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)，并且氙燈底座下的安裝板采用高絕緣耐壓耐熱電木板材料，確保了整個光源模塊能夠安全運行。

1.3 光學(xué)擋光板的設(shè)計

在經(jīng)典太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)中，通常采用光學(xué)積分器作為勻光器件的核心組件來實現(xiàn)輻照面較高的輻照均勻度[15]。但是，光學(xué)積分器的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、成本較高，附加鏡的球差會使邊緣成像模糊而導(dǎo)致輻照面的輻照均勻度下降，并且光束發(fā)散角受到附加鏡與透鏡陣列之間距離的影響后會導(dǎo)致能量利用率降低[16]。此外，對于大輻照面積的情況，其散熱問題也難以解決。因此，本文設(shè)計了一種匹配橢球面矩形反射體聚光鏡的光學(xué)擋光板結(jié)構(gòu)，如圖8所示。通過對光學(xué)擋光板進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與位置排布設(shè)計，在不對輻照度產(chǎn)生過大影響的情況下大幅降低了輻照面的輻照不均勻度。

圖8 光學(xué)擋光板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Structure diagram of optical light barrier

2 3A級大型脈沖式太陽模擬器的仿真優(yōu)化和實現(xiàn)

2.1 A級輻照不均勻度的仿真優(yōu)化

為了使大輻照面上的輻照度符合更大輻照面積、更小空間占用的要求，且同時達(dá)到A級輻照不均勻度，必須合理設(shè)計橢球面矩形反射體和光學(xué)擋光板的各個參數(shù)。首先，根據(jù)光學(xué)理論對上述部件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估算，并確定初始值；然后，在光學(xué)仿真軟件LightTools環(huán)境下，對整個太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行蒙特卡洛仿真分析，通過設(shè)定合理的優(yōu)化方案和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真與優(yōu)化，提升光學(xué)系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)。

SolidWorks是基于特征、參數(shù)化和實體建模的設(shè)計軟件平臺，在SolidWorks環(huán)境下對各光學(xué)元件的尺寸和位置進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入到LightTools軟件中。在LightTools軟件中依次設(shè)定各光源的詳細(xì)參數(shù)，包括圓柱形光源的半徑(5 mm)、長度(160 mm)、輻射功率(150 kW)等；設(shè)定不同實體平面的光學(xué)屬性，包括反射體平面的光學(xué)屬性設(shè)為反射、光學(xué)擋光板平面的光學(xué)屬性設(shè)為吸收體、其他實體平面的光學(xué)屬性設(shè)為平滑光學(xué)等。由于生成的隨機(jī)光線數(shù)量越多，仿真分析得到的結(jié)果越準(zhǔn)確，因此本文設(shè)置了1億條光線來進(jìn)行光線追跡。按照輻照不均勻度檢測點的取樣要求，在距離光源4 m的位置設(shè)置接收器；接收器為3 m×2 m的矩形平面，并劃分為10×10的網(wǎng)格；利用接收器輻照度分布二維圖像來顯示輻照度的分布情況。在無光學(xué)擋光板的情況下，4個氙燈模塊的光線追跡情況如圖9所示，接收器平面(即輻照面)上的輻照度分布如圖10所示。

圖9 無光學(xué)擋光板的情況下，4個氙燈模塊的光線追跡情況Fig. 9 Light tracing of four xenon lamp modules without optical light barriers

圖10 無光學(xué)擋光板的情況下，接收器平面上的輻照度分布Fig. 10 Irradiance distribution on the receiver plane without optical light barrier

由圖10的仿真結(jié)果可見：光源在輻照面上形成了中心輻照度強(qiáng)、四角輻照度弱的凸型輻照度分布，此時仿真計算得到的平均輻照度為5.210×103W/m2，輻照面的輻照不均勻度為18.0%，與輻照不均勻度低于2.0%的A級標(biāo)準(zhǔn)要求相去甚遠(yuǎn)。

通過對整個光學(xué)系統(tǒng)的分析可知，影響太陽模擬器輻照不均勻度的參數(shù)主要包括：

1) 4個氙燈模塊之間的相對距離與位置。雖然每個氙燈模塊發(fā)射到輻照面邊緣部分的光線較少，但是呈正方形排列的4個氙燈模塊發(fā)出的光線到達(dá)輻照面后會有部分發(fā)生重合，因此輻照面邊緣的輻照度會隨著4個氙燈模塊之間相對距離和位置的不同而發(fā)生改變。4個氙燈模塊之間的相對距離越遠(yuǎn)，則光線重合部分越少，輻照面中心的輻照度越低，輻照不均勻度會降低，但輻照面整體的輻照度也會降低；4個氙燈模塊之間的相對距離越近，則光線重合部分較多，輻照面中心的輻照度越強(qiáng)，輻照不均勻度會上升，但輻照面整體的輻照度也會上升。

2)橢球面矩形反射體的光學(xué)參數(shù)。光源光線的投射角受橢球面矩形反射體的影響最大，反射體不同的曲面系數(shù)和曲率，會導(dǎo)致由光源出射后經(jīng)橢球面矩形反射體反射的光線的投射角發(fā)生很大改變，從而導(dǎo)致輻照面的輻照不均勻度隨之改變。

3)光學(xué)擋光板的大小、尺寸和位置。光學(xué)擋光板會通過阻擋特定位置和角度的出射光線而對輻照面不同位置的輻照度和整體的輻照不均勻度產(chǎn)生極大地影響。

對太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在各主要光學(xué)元件的參數(shù)初始值確定后，進(jìn)行1億條光線追跡，根據(jù)光線追跡的結(jié)果分析輻照面的輻照不均勻度；然后將光學(xué)擋光板的大小、位置、形狀，以及橢球面矩形反射體的曲面系數(shù)和曲率設(shè)置為優(yōu)化變量，將輻照面的輻照度和輻照不均勻度設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)調(diào)整。

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后，4個氙燈模塊的光線追跡情況如圖11所示，輻照面上的輻照度分布如圖12所示。

圖11 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的4個氙燈模塊的光線追跡情況Fig. 11 Light tracing of four xenon lamp modules after optimization of optical system parameters

圖12 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的輻照面上的輻照度分布Fig. 12 Irradiance distribution on the irradiation surface after optimization of optical system parameters

從圖12可以看出：在距離光源4 m位置的3 m×2 m 輻照面的著色圖中，從藍(lán)色到紅色表示輻照度依次增強(qiáng)，最大輻照度為4.93×103W/m2，最小輻照度為4.74×103W/m2，輻照面的輻照不均勻度為1.93%，達(dá)到了A級標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 太陽模擬器原型系統(tǒng)的建立與測試

2.2.1 原型系統(tǒng)的建立

在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，依據(jù)優(yōu)化后的光源、橢球面矩形反射體，以及光學(xué)擋光板的大小、位置、形狀等所有參數(shù)進(jìn)行精密加工和安裝，完成太陽模擬器原型系統(tǒng)的實物制造。優(yōu)化后的太陽模擬器原型系統(tǒng)的實物結(jié)構(gòu)照片如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的太陽模擬器原型系統(tǒng)的實物結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig. 13 Photo of physical structure of optimized solar simulator prototype system

2.2.2 原型系統(tǒng)的測試

采用光電探測器表征輻照度，根據(jù)光電探測器測得的輻照度結(jié)果對氙燈的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輻照面的平均輻照度在1000±5 W/m2；然后記錄在測試面10×10網(wǎng)格內(nèi)光電探測器的輻照度值，并確定輻照度最大值和輻照度最小值；最后將數(shù)值帶入式(1)，計算得到原型系統(tǒng)輻照不均勻度的實際測試結(jié)果為1.86%，與仿真結(jié)果的一致性良好，滿足IEC 60904-9:2020中A級輻照不均勻度的設(shè)計要求。

本文設(shè)計的太陽模擬器原型系統(tǒng)的實測光譜和AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的對比如圖14所示。

圖14 太陽模擬器原型系統(tǒng)實測光譜和AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的對比Fig. 14 Comparison between measured spectrum of solar simulator prototype system and AM1.5G standard solar spectrum

從圖14可以看出：通過曲線在300～1200 nm波長范圍內(nèi)的積分面積對比，得到該太陽模擬器原型系統(tǒng)的光譜匹配度為0.91～1.08，達(dá)到IEC 60904-9:2020中A級光譜匹配度的設(shè)計要求。

穩(wěn)定的輻照度是太陽模擬器能實現(xiàn)高精度光輸出的保障。實際測試過程中，將光源開啟20 min，選取在每隔10 ms中光源輸出的輻照度，然后根據(jù)式(2)計算得到該太陽模擬器原型系統(tǒng)輻照不穩(wěn)定度的實測結(jié)果為0.289%，達(dá)到IEC 60904-9:2020中A級輻照不穩(wěn)定度的設(shè)計要求。

3 結(jié)論

本文在光學(xué)仿真軟件LightTools環(huán)境下設(shè)計了一種由長弧氙燈、橢球面矩形反射體、光學(xué)擋光板等部件構(gòu)成的大面積、近距離的3A級大型脈沖式太陽模擬器。通過對橢球面矩形反射體的曲面系數(shù)和曲率，以及光學(xué)擋光板的大小、形狀、位置等參數(shù)進(jìn)行研究與優(yōu)化，將太陽模擬器的理論輻照不均勻度由18.00%降低至1.93%；通過光源選型和濾光片實現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的良好匹配；通過光源質(zhì)控、光負(fù)反饋系統(tǒng)及散熱系統(tǒng)的配合，實現(xiàn)了太陽模擬器良好的輻照穩(wěn)定性。

在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，完成了太陽模擬器原型系統(tǒng)的實物制造，并對其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了實測。實測結(jié)果表明：在距離光源4 m位置的輻照面(3 m×2 m)上，平均輻照度在1000±5 W/m2時獲得了低至1.86%的輻照不均勻度及0.289%的輻照不穩(wěn)定度，在300～1200 nm波長范圍內(nèi)的光譜匹配度為0.91～1.08，達(dá)到IEC 60904-9:2020標(biāo)準(zhǔn)中3A級太陽模擬器的要求。

該光學(xué)系統(tǒng)的仿真結(jié)果為太陽模擬器的光學(xué)設(shè)計提供了理論參考，原型系統(tǒng)的成功研制為光伏、育種、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持和實踐經(jīng)驗，為國家“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)提供了助力。