高倍聚光太陽模擬器的設計

劉洪波，高 雁，王 麗，顧國超，馮偉昌

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

太陽模擬器主要用于模擬非集中和集中的太陽光輻射。前者的特征是在較大的輻照面積內提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準直穩定的太陽光輻照，主要用來測試太陽電池光伏特性和收集太陽光能;后者的特征是在小輻照面積內獲取極高且均勻的輻射通量，主要應用于測試部件和材料的高熱特性和熱化學特性。

本設計是一種用來模擬集中太陽光輻射，在目標平面可獲得高度集中且均勻性良好的太陽能模擬系統。由于氙燈的光譜與太陽光譜近似，故高倍聚光太陽模擬器輻射源通常是高功率氙弧燈或氬弧燈，配合適當精度的光學反射鏡來提供連續等強度的熱輻射，具有集中太陽能系統熱輻射的特性。由于配有適當的勻光系統，被照面的輻射強度也較為均勻。例如國外研究機構研制的一種由高功率線性氬弧燈(功率達到200 kW)和一個橢球聚光鏡組成的聚光系統［1］，其焦平面的連續輻射能量達到75 kW，峰值能量達到4 250個太陽常數(AM1.5∶1太陽常數 =1 kW/m2)。短弧氙燈和橢球聚光鏡配合，可以在目標平面上提供軸對稱分布的光斑，這對接收器和反射器為圓形或者軸對稱的幾何形狀時非常有利。通常采用的氙燈最大電功率達20 kW。

本文介紹了高倍聚光太陽模擬器的光學設計、構成和仿真結果;利用蒙特卡洛光線追跡技術，優化設計裝置的最大轉換效率。由氙燈弧發出的一部分光經過橢球鏡反射，然后通過焦平面附近的積分器在目標區域內可形成均勻的高亮度光斑。

2 系統光學設計

高倍聚光太陽模擬器系統采用氙燈作光源，用橢球聚光鏡匯集能量，經由高速快門照在光學積分器上。積分器是一個由精密斜面切片構成的正方形管，管內形成反射面。匯聚的光束通過多次反射后穿過積分器，在出口孔形成均勻的交叉光束。簡單的光學布局如圖1所示。

圖1 光學布局Fig.1 Diagram of optical layout

2.1 聚光鏡設計

聚光鏡設計是為了在焦平面上匯集最高的亮度。橢球鏡焦點是光學變化點，在一個焦點處發出的所有光線通過鏡面反射后必然匯聚到另一個焦點。當光源和目標在兩個焦點上時，橢球鏡提供了很高的轉換效率。然而，由于輻射源是一個有限的區域，它的像通過反射后被放大，但一些光線通過一次或多次反射不能達到目標區域，因此橢球反射鏡輻射效率降低。

圖2 橢圓的成像特性Fig.2 Schematic diagram of elliptical imaging characteristic

回轉橢球鏡如圖2所示，設長半軸為a，短半軸為b，第一焦點為F1，第二焦點為F2，兩個焦點之間的距離為2c，故c= ■a2-b2，離心率為e=c/a。輻射源(氙燈)位于第一焦點F1處，目標是直徑為d2的圓盤，位于第二焦點F2上，垂直于橢球鏡的長軸。橢圓頂點的曲率半徑R=b2/c。α為橢球鏡的半包容角，大開口直徑為d1，長半軸a和短半軸b可以由焦距c，α和d1表示 ：

d1越大，反射的能量越多。

聚光鏡匯聚到第二焦面的輻射通量占氙弧發出的全部輻射通量的比率［3］定義為橢球聚光鏡的轉換效率η。η取決于氙弧輻射強度在不同方向上的相對分布t(α)和聚光鏡匯聚角的范圍，其表達式為：

橢球鏡第二焦面內的理想輻照度分布曲線如圖3所示，近似于正態分布。在橢球聚光鏡設計中，相對于第一焦點的離焦量成像倍率和氙弧峰值亮度點是兩個重要參數［4］。

圖3 橢球鏡第二焦面輻照度分布Fig.3 Radiation distribution on the second focal plane of ellipsoidal mirror

2.2 光學積分器設計

光學積分器主要用于接收焦平面上的高強度輻射，并在出光口提供一個高均勻性光束。目前光學積分器有兩種形式：復眼透鏡式和通道反射式。本文采用通道反射式，光束的均勻性是由光束通過光學積分器經多次反射來實現的。通道的橫截面可以為圓形、方形和三角形，且可以設計成為帶有一定角度以加速光線收斂。本文采用通道為方形并成一定角度的光學積分器。具有一定匯聚角的光線進入光學積分器后，在其內部的反射次數隨入射角度不同而變化，不同角度的光線充分混合，出口目標面上每一點的光強來自光源不同角度光的積分，從而形成較為均勻分布的輻照面。

光學積分器的設計主要考慮長度和截面積兩個參數。長度的選取基于系統對輻照均勻性的要求，通道越長，光線的反射次數越多，也就越均勻;截面積的選擇需要綜合考慮有效輻照面的大小和系統的能量利用率。通常情況下，設計的長度應使聚光鏡邊緣光線在積分器內部反射3次以上。可先根據經驗確定反射次數為3次，然后根據反射次數和入射角度算出長度。

光學積分器的位置取決于焦平面上氙弧像的入瞳孔徑，如圖4所示。假如沒有積分器，能量將交叉照亮一個半徑為R的圓形。積分器的作用是細分該區域為正方形，然后在出光口重合在一起。正方形的數量產生于細分的過程，與內在反射次數相關，其關系式為N=(2F+1)2，其中F是反射次數，3次反射即產生49層區域［5］。

圖4 光學積分器原理圖Fig.4 Principle diagram of optical integrator

均勻度主要取決于積分器的長度和通過裝置時的最終反射次數。兩者并沒有定量關系，反射次數越多均勻性越好。對輸出熱流量要求較高的系統，積分器不再提供必要的均勻性，因能量損失與反射次數相關，因此應該盡量減少反射次數。調節適當的均勻度和輸出高亮度光束是系統調焦的一個重要功能。順光軸的輕微離焦可以增加系統的均勻度，但降低了亮度。

3 系統原理及組成

3.1 系統原理

位于橢球鏡第一焦點附近氙燈氙弧發出的光輻射通量，經橢球聚光鏡內表面反射并以給定的光束包容角匯聚投影到橢球鏡第二焦點上。與匯聚光束形成耦合關系的光學積分器位于聚光鏡第二焦點前給定的距離處。為保證有效輻照面輻照的均勻性，給定匯聚角的光線耦合進入立方錐體光學積分器后，內部光線入射角度不同，反射次數也不同，最后各個角度的光線充分混合，在距立方錐體輸出端給定距離處的有效輻照面上的每一點都將得到不同角度的光束，從而形成均勻分布的輻照面。為保證目標平面的高亮度，應使邊緣光線在積分器內部反射3次，再經整個系統的調試，最終得到滿意的均勻度和輻照度。

3.2 系統組成

高倍聚光太陽模擬器系統結構布局如圖5所示。系統主要由安裝定位基座、橢球聚光鏡支撐定位組件、風冷卻系統、氙燈安裝及調整機構、AM1.5濾光片、水冷高速快門及支撐機構、光學積分器組件支撐機構、光學積分器安裝定位及微調機構等組成。

圖5 系統結構布局Fig.5 Structural layout of system

AM1.5濾光片可以根據試驗內容來確定是否添加，如果系統用來測試太陽能電池的熱化學特性，則需要濾光片來保證輻射光譜與太陽光譜相一致。安裝位置如圖5所示，濾光片基底材料采用耐高溫JGS3石英玻璃，由于膜層不能承受高溫，所以濾光片裝置前必須加水冷快門，避免濾光片被長時間照射，圖中未給出水冷快門的結構;如果用來測試高溫材料的性能，則不需要濾光片。

3.2.1 燈模塊

選用德國歐司朗公司的5 kW的氙燈作為太陽模擬器的光源，根據其能量轉換效率，可以計算出系統的輻照能量。氙燈的大致輪廓如圖6所示，氙燈有一個尖端陰極和一個圓形陽極均設置在一個直徑為dbulb的玻璃泡殼里，電極間距為darc，氙燈通過高壓擊穿燈泡中陰極和陽極之間的氙氣而發光。5 kW氙燈的光輻射通量為200 000 lm，估算光電轉換效率為0.4，即產生的光功率為2 kW。另外還可選用7 kW和10 kW的氙燈以增加目標平面的輻照強度。

圖6 氙燈的大致輪廓Fig.6 Schematic diagram of a Xe-arc lamp

3.2.2 橢球鏡

本文所采用的橢球鏡大開口直徑d1=570 mm，由于口徑較大，采用了與以往制作橢球聚光鏡不同的新方法，即電鑄鎳基底金屬橢球鏡。該技術的突出優點是加工周期短、成本低，在國外已得到廣泛應用。所謂電鑄就是利用金屬的電解沉積原理來精確復制某些復雜或特殊形狀工件的特種加工方法。

電鑄的金屬通常有銅、鎳和鋼3種，有時也用金、銀、鉑鎳-鈷、鈷-鎢等合金，但以鎳的電鑄應用最廣。電鑄層厚度一般為0.02～6 mm，也有厚達25 mm的。采用電鑄技術制作的鎳基底橢球聚光鏡如圖7所示。電鑄橢球聚光鏡電鑄鎳層的厚度選為5 mm，以利于聚光鏡換熱，并確保其機械強度，然后直接鍍鋁膜和二氧化硅保護膜。二氧化硅保護膜用于防止鋁膜氧化并提供一個可以清理的平面。

圖7 電鑄橢球鏡Fig.7 Graph of electroformed elliptical mirror

3.2.3 光學積分器

光學積分器由4個精密的斜面構成，并形成一個正方形的光通道，如圖8(a)所示。4個反射面鍍鎳層，經細磨、拋光后，鍍鋁膜和二氧化硅保護膜。材料選用的是熱傳導性好，內腔中空的立方錐體無氧銅，整個裝置為水冷式，如圖8(b)所示。

圖8 光學積分器Fig.8 Structural diagram of optical integrator

考慮到積分器加工制作工藝的難易程度，采用由4塊分別加工，再拼湊組合成的整體光學積分器。光學積分器通水制冷，每塊設有單獨的進出水接口，使用時可將水路串聯起來，如圖8(b)所示。

3.2.4 快門

曝光快門是系統工作時的有效快門，它由兩層構成，一層是通水制冷快門，另一層是曝光快門。通水制冷快門用于防止穩態聚光太陽模擬器在沒有進行有效曝光工作時匯聚的輻射能量進入曝光快門處燒壞曝光快門。選用無桿汽缸作為快門的驅動機構，由于汽缸的速度很快(4 m/s)，所產生的沖擊力很大，故需考慮對汽缸的固定支撐以及緩沖，以免沖擊力引起整機的震動。

4 蒙特卡洛分析

應用LightTools6.0照明仿真軟件對設計的光學系統進行蒙特卡洛光線追跡計算，該技術主要應用于計算光線的轉移效率。

通過蒙特卡洛分析進行系統優化，系統按照光學系統外形尺寸排布后，對光學元器件的設計參數稍加修改，如光源對于聚光鏡的離焦、積分器的軸向位移等，每次改變參數后進行蒙特卡洛光線追跡計算，從而得出系統的最優設計結果。系統的光路安排如圖9所示。

圖9 光學系統Fig.9 Diagram of optical system

將光學積分到橢球鏡第二焦點的距離作為變量分析系統的結果，每次運行3×105條樣本光線，得到距光學積分器出口6mm處目標平面的輻照度分布圖，目標平面的有效輻照面直徑為20 mm。仿真光線追跡如圖10所示。

圖10 蒙特卡洛光線追跡Fig.10 Diagram of Monte Carlo ray-tracing

最優仿真結果如圖11所示。輻照不均勻度按下式計算［6］：

圖11 目標平面的輻照度分布Fig.11 Radiation distribution curve of target plane

式中：ΔE/Esum為輻照不均勻度，Emax為輻照面上(或體積內)的輻照度最大值，Emin為輻照面上(或體積內)的輻照度最小值。

根據上述公式進行計算，通過積分器孔徑的不均勻度約為±6%。

5 結論

利用蒙特卡洛光線追跡技術，設計了一種高倍聚光高均勻性太陽模擬器。仿真結果顯示，在直徑20 mm的圓形目標區域上，太陽模擬器的平均輻射超過1 000 kW/m2，相應的輻照不均勻度小于6%。該研究裝置模擬了高倍聚光太陽系統的輻射特性，為研究高效率太陽能電池的熱化學過程和測試先進的高溫材料提供了實驗平臺。

［1］ ULMER S，REINALTER W，HELLER P，et al..Beam characterization and improvement with a flux mapping system for dish concentrators［J］.Sol．Energy Eng．，2002，124(2)：182-188.

［2］ KENNEY S，DAVIDSON J.Design of a multiple-lamp large scale solar simulator［J］.Sol．Energy Eng.，1994，116(4)：200-205.

［3］ GARG H，SHUKLA A，INDRAJIT M，et al..Development of a simple low-cost solar simulator for indoor collector testing［J］.Appl．Energy，1985，21(1)：43-54.

［4］ HIRSCH D，v ZEDTWITZ P，OSINGA T，et al..A new 75 kW high-flux solar simulator for high temperature thermal and thermo chemical research［J］.Sol．Energy Eng.，2003，125(1)：117-120.

［5］ 王素平，凌健博，劉立偉，等.一種應用于太陽仿真器的照明系統設計［J］.光電工程，2006，33(9)：32-35.WANG S P，LING J B，LIU L W，et al..Simple lighting system applied to the solar simulation［J］.Opto-Electronic Eng．，2006，33(9)：32-35.(in Chinese)

［6］ 張以謨.應用光學［M］.北京：電子工業出版社，2008.ZHANG Y M.Applied Optics［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2008.(in Chinese)