太陽光模擬器的解析、應用及其發展

北京工業大學環境與能源工程學院傳熱強化與過程

■ 藺佳 桑麗霞* 張靜 趙陽博

節能教育部重點實驗室及傳熱與能源利用北京市重點實驗室

0 引言

太陽光模擬器是一種模擬太陽光的人造光源裝置，是可提供一定光強的實驗儀器，更是太陽能轉換利用研究的重要儀器。目前在教學和科學研究中得到廣泛應用，是實驗室必備的常用儀器設備之一，正確選擇太陽光模擬器在其應用中非常重要。

20世紀60年代初，國外就開始了太陽光模擬器的研究。美國最初建造了一套同軸太陽光模擬器，之后蘇聯、法國、德國相繼制定了日光輻射試驗方法及研制相應試驗設備[1]。我國從1965年才開始研制太陽光模擬器，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所是國內最早開展研制大型太陽光模擬器KM2的單位[2]。繼1980年上海機械學院太陽能研究所研制的由25只功率為1 kW的高色溫鹵鎢燈組成的太陽光模擬器之后[3]，1981年，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的趙吉林等人研制的TM-3000A1太陽光模擬器[4，5]測試數據可靠，光學積分器結構和加工工藝自有其特色，它的研制成功填補了國內小型太陽光模擬器的空白，其輻照均勻度超過了日本牛尾公司70年代后期生產的同類儀器水平。1984年王素素等[6]研制了TM200A、TM140、TM150等精確準直型太陽光模擬器。1986年劉國新等[7]研制的金屬鹵化物鏑燈太陽光模擬器同太陽色溫一致，平均壽命為500 h，廣泛用于模擬平板集熱器的室外試驗和其他非聚光型試驗裝置的模擬測試。1987年KM4大型空間環境模擬器可以模擬各種型號衛星做真空試驗[8]。2002年國內研制的KM6載人航天器空間環境試驗設備是國際上5大典型空間環境試驗設備之一，有9個分系統，模擬室由三艙組合，主模擬室直徑12 m、高22.4 m，極限真空度4.5×10-6Pa、熱沉溫度100 K，主要性能達到國際先進水平[9，10]。2009年北京衛星環境工程研究所在KFTA熱真空環境模擬設備上成功研制了一臺光線水平入射的離軸準直型太陽光模擬器，其離軸角為25°，輻照面的直徑為600 mm。該太陽光模擬器可用于航天器部組件的熱真空試驗，包括輻照效應試驗和熱平衡試驗[11]。2014年8月，國內最大的真空太陽光模擬器由中國航天科工集團207研究所成功交付并投入使用，其各項技術指標已經達到國內領先水平。

1982年王德錄等[12]研制的高聚光度點聚焦和線聚焦太陽光模擬器可用來測試反光材料和吸收材料的物理參數和供聚光型集熱管的試驗研究，太陽光模擬器應用范圍開始不僅局限于航空領域。1984年中國科學院長春光機所綜合廠生產的高精度小型太陽光模擬器TM-3000A、TM-400A、TM-500B可用于太陽電池等有關元器件或材料的檢測與標定，也可作半導體光刻技術中的均勻照明設備。1999年王一紅等[13]利用TM-3000型太陽光模擬器研究了在模擬太陽光和高壓汞燈作用下，不同濃度的光催化劑和紫外光輻射強度對孔雀綠廢液的光催化降解反應。2001年呂文華等[14]利用TM-500F太陽光模擬器對太陽輻射測量儀器進行靈敏度校準，誤差在±0.6%之內。如今，太陽光模擬器廣泛應用于光電材料性能測試、航空、航天、汽車空調等領域[15-18]。

本文對太陽光模擬器的基本組成、參數、等級劃分、分類、命名及太陽光模擬器的國內外生產廠家等進行總結，對于教學科研院所及應用行業深入了解和選購太陽光模擬器具有一定的參考價值。

1 太陽光模擬器的基本組成與原理

1.1 太陽光模擬器的基本組成

太陽光模擬器主要由光學積分鏡、橢球形反射器、快門、濾光片、準直透鏡、燈源等部件組成。圖1為以氙燈太陽光模擬器為例的橫截面示意圖。其工作原理是：氙燈位于太陽光模擬器的中心位置，發射出的光線經過第一個45°的平面鏡翻轉90°，落在置于橢球焦點的積分鏡上，使光分散均勻，然后光束經過濾光片，將該波段多余的紅外輻射濾除；再經過第二個45°的平面鏡翻轉90°；最后落到準直透鏡上。一般太陽光模擬器會設定系統所需的光學參數，進行光的收集、光束均勻化、過濾和準直。太陽光模擬器通過準直透鏡后以平行光的形式輸出[19]。

圖1 太陽光模擬器的截面示意圖[20]

1.2 光源

光源是太陽光模擬器最基本的組成部分，常用的燈源有氙燈、鹵光燈。

1.2.1 氙燈

氙燈即利用氙氣放電而發光的電光源。其色溫約為6000 K，在使用中使N2氣體流經過散熱器和排風管道對氙燈進行冷卻。氙燈具有很高的內部壓力，即使不操作，燈的內部壓力也會超過1.01 MPa。

氙燈輻射與太陽輻射的比較如圖2所示。可以看出，其光譜分布與太陽光譜比較接近，在氙燈的紅外光譜區中0.8～1.0 μm處有幾個突起的高峰，如采用水冷或紅外濾光玻璃，可消去這些高峰，使其更接近太陽光譜。故在實際的太陽光模擬裝置中往往都采用氙燈作為光源。

圖2 氙燈光譜與太陽光譜的比較[3]

Newport公司生產的96000 型太陽光模擬器，其燈源為型號6255的無臭氧氙燈。如需260 nm以下的光束輸出，可使用6254 型紫外增強型替換這種氙燈。

1.2.2 鹵光燈

金屬鹵光燈又叫高強紫外鹵素燈，屬金屬鹵化物燈的一種，它之所以會發出高效能的光，是因為金屬鹵化物在參與整個發光過程中，絕大部分能量被轉化為可見光，僅有很小部分的能量轉換為了熱量。雖然鹵光燈的可見光光強比氙燈弱了非常多，但由于其價格低廉，也常作為太陽光模擬器備用光源之一。

冷光燈，也是鹵光燈的一種，色溫可達3400 K，光源輻射光譜范圍覆蓋300～2600 nm。冷光燈是一種小功率鹵光燈，功率在25～50 W之間，裝配反光罩朝一定方向照明，發白光。如日本原裝進口EYE鹵素燈泡JCD100V150WL/G1S。

1.3 濾光片

太陽光模擬器濾光片為大氣質量濾光片(Air Mass濾波片)，其作用是修改光譜輻照度分布，從而模擬在不同環境下的太陽光譜近似分布。

其一般可分為AM 0和AM 1.5等不同型號。當太陽光入射角與地面夾角為θ時，大氣質量為AM=1/cosθ；當θ=0.482時，大氣質量為AM 1.5，是指典型晴天時太陽光照射到一般地面的情況。國際標準組織將AM 1.5的輻照度定義為1000 W/m2，常作為太陽電池和組件效率測試時的標準。地球表面的標準光譜稱為AM 1.5G(G代表總的輻射，包括直接的和分散的輻射)或AM 1.5D(只包含直接的輻射)。

濾光后輻射與太陽輻射的比較如圖3所示。從圖上可以看出，加入濾波片后輻射與太陽光輻射匹配度提高。

圖3 在AM 0或AM 1.5條件下的太陽光譜與氙燈模擬光譜的比較[19]

Newport的光學濾光片及復制鏡面產品目前正應用在世界上許多的實驗室中，幫助人們在基礎科學及應用領域的探索。該公司生產AM 0或AM 1.5過濾片減少氙燈與太陽光譜之間的偏差，還可提供一系列標準產品，包括：系列帶通濾光片，帶寬從1～70 nm的范圍；長波通及短波通截止型濾光片；中性灰光密度濾光片；有色光學玻璃濾光片；分光濾光片及熒光濾光片等，并可以提供25.4 mm直徑或50.8 mm正方形的標準尺寸以供選擇。

1.4 產品舉例

太陽光模擬器廣泛應用于單晶硅、多晶硅、非晶薄膜、染料敏化等各種不同類型的太陽電池性能測試實驗。以Newport的兩款太陽光模擬器為例。

1) 96000型的150 W低成本太陽光模擬器是一款低功率的太陽光模擬器。其內部使用150 W的氙燈，可產生1.3 英寸的平行輸出光斑來模擬太陽光的光譜。

它的特點是：①適合低功率應用的低成本替代方案；②極小的光弧能保證用戶將圖像聚焦到光纖或流晶光導管上；③可選用大氣質量濾光片、雙色鏡和帶通濾光片改變輸出光譜的形狀；④安裝AM 1.5G濾光片后產生的輸出功率相當于約1.3個太陽常數的輸出。

2)91160型150 ～300 W太陽光模擬器，光的準直度 ＜ ±10%；光的均勻度 ＞ ±5%。

它的特點是：①輕松互換濾光片，改變輸出光束的形狀；②91160型產生的光束的輻射強度相當于2個太陽常數。

2 太陽光模擬器的參數及等級劃分

太陽光譜匹配性、輻射空間不均勻性、輻射時間穩定性等參數都是太陽光模擬器的重要參數。

2.1 太陽光譜匹配性

在室內測量時，太陽光模擬器用來模擬太陽電池光電轉換特性測試，并在測量太陽電池量子效率時，需將太陽光模擬器作為偏置光源照射在太陽電池上，因此，必須確定太陽光模擬器的光譜照度分布與真實太陽的差別，才能準確分析太陽電池的光電轉換特性。

和IEC 60904-3所給出的AM 1.5的參照光譜輻射值的偏差就是太陽光模擬器的光譜匹配度。脈沖式太陽光模擬器的光譜匹配度會隨著脈沖的改變而改變。因此，光譜輻射測定實驗應在一定時間內進行，并需定期檢查其數值。

依據穩態陽光模擬光源在幾個光譜段與真實陽光的差異進行劃分等級：0.75～1.25內為A級；0.6～1.4內為B級；0.4～2.0內為C級。

2.2 輻射空間不均勻性

輻照不均勻，會造成太陽電池組件上各電池片接收到的光輻射不同，從而使太陽電池效率和功率評定產生偏差。輻照不均勻度就是在有效幅照面的整個范圍內，輻照度隨位置變化的最大偏差。

假設測試平面內各點的輻照度G不隨時間變化，則平面的輻照不均勻度為：

式中，輻照度是指輻照到面上的輻射通量與該面的面積之比。

在測定光伏組件的太陽光模擬器的輻射的非均勻性主要取決于測試室或測試裝置內部的反射條件。因此，非均勻性對整個系統來進行評估的。

依據IEC 60904-9-2007標準劃分等級：2%以內為A級；5%以內為B級；10%以內為C級。

2.3 輻射時間不穩定性(輻照不均勻度、輻照不重復度)

輻射時間不穩定性是指在有效輻照面內任意給定位置上，在規定的時間間隔內，輻照度隨時間變化的最大相對偏差。

假設測試平面內輻照不均勻性不變，則多次測量中輻照時間穩定性為：

輻射時間不穩定性由STI(短期不穩定性)和LTI(長期不穩定性)共同決定。

STI與I-U性能測試實驗中數據的收集時間相關。在I-U曲線上，STI的數值一直變化。在I-U性能測試實驗中，LTI取I-U實驗結束時間；在輻射暴露測試實驗中，LTI取輻射暴露總時間。

3 太陽光模擬器的分類及級別劃分

3.1 太陽光模擬器分類

太陽光模擬器根據模擬器的光源是否連續發光，分為穩態太陽光模擬器的和脈沖太陽光模擬器。

穩態太陽光模擬器優點是輸出的都是穩態的模擬連續陽光光譜，缺點是光源供電設備龐大。故只適用于設計小光照面積的太陽光模擬器。目前，市場上有北京中教金源科技有限公司代理的穩態太陽光模擬器等。

脈沖太陽光模擬器的優點是時間短，一般都是毫秒級，消耗能量并不大。但其缺點是一切測量數據需采用工控機和數采裝置來進行數據的采集、處理。目前，大面積光伏組件電特性的測量都是采用脈沖太陽光模擬器。市場上有Newport公司的94123A太陽光模擬器等。

3.2 太陽光模擬器級別

太陽光模擬器的級別由其各個單項技術指標的最低級別確定，劃分為A、B、C 3個級別，見表1[21]。

表1 太陽光模擬器的級別

如果3項均為A級，則為3A級太陽光模擬器，其推薦的產品有：德國LOT AAA太陽光模擬器、Oriel Sol3A Class AAA Solar Simulators。

4 太陽光模擬器的應用

近幾年，除了在光伏行業，太陽光模擬器還廣泛應用于汽車行業、建筑行業及航空航天等領域。

在光伏行業方面，太陽光模擬器作為光源提供標準光強，通過電子負載、數據采集和計算等設備測試太陽電池片、太陽電池組件等光伏器件的產品參數，如短路電流、開路電壓、填充因子及電流電壓特性曲線等。在科研方面，除了用于太陽電池研究的光源，也常用于光催化分解水制氫、污染物光催化降解等太陽能轉換與利用研究實驗的光源。以光催化分解水為例，為了更好地評價和比較分解水產氫效率，很多研究已從利用集成式氙燈[22-26]轉為利用可提供標準光強并更接近于太陽光譜的太陽光模擬器為光源[27-32]。

在航空航天方面，太陽光模擬器是航天技術衛星空間環境模擬的主要組成部分。即可用于衛星姿態控制的太陽敏感器地面模擬試驗與標定，又可用于地球資源衛星多光譜掃描儀太陽光譜輻照響應的地面定標。

在建筑行業方面，主要是受遮陽系數和得熱系數兩方面影響。建筑門窗遮陽性能是影響室內熱環境的重要指標，遮陽系數是反映遮陽性能的重要參數。用太陽光模擬器模擬光源，可得到穩定可靠的實驗數據，準確對產品進行遮陽性能和節能效果的評價[33]。得熱系數是通過門窗或幕墻構件成為室內得熱量的太陽輻射與投射到門窗或幕墻構件上的太陽輻射的比值。這一指標是計算室內采暖能耗和制冷能耗重要因素。

在應用中，可選用的國內外太陽光模擬器品牌及產品如表2所示。

由于太陽光模擬器品種較多，選擇儀器前可查閱實驗相關文獻，也可直接咨詢儀器廠家，大致了解所需要的光譜范圍、光照面積和光功率(也稱為光強)，以便選擇更適合的太陽光模擬器。

5 太陽光模擬器的發展

太陽光模擬器的研究及生產已有數十年的歷史。隨著光學積分器及橢球聚光鏡等的發展，以及組合聚光鏡、多通道光學積分器、準直聚光鏡和建模仿真分析技術的廣泛應用，太陽光模擬器的性能指標不斷提高并向智能化、高效化等方向發展。

1)在儀器構型方面。長春理工大學的李光云[34]設計了一種聚光效果很好的橢球聚光鏡，并且根據太陽光模擬器對于工作面上照度分布的要求，設計了一種具有勻光作用的光學積分器，最后通過視場光闌與準直物鏡控制出射光線的出射角度。中國科學院研究生院的呂濤[35]研究了太陽光模擬器的光學系統，針對光學系統中的橢球面聚光鏡研究了其光學參數確定的依據及聚光特性，并在此基礎上創新性地提出了一種變形橢球面聚光鏡。這種物鏡具有短的后截距，非常適用于要求結構緊湊的太陽光模擬器光學系統。

2) 在建模仿真分析方面。長春理工大學的付明[36]研究了大型發散式太陽光模擬器的光學系統設計。采用組合聚光鏡、多通道光學積分器、準直聚光鏡和照明軟件Lighttools對系統進行了建模與仿真分析，驗證了所設計系統的正確性。隨著光纖技術及產業的日益成熟，光纖太陽光模擬器已成為研究開發的熱點，最具代表性的是上海載德半導體技術有限公司代理的光纖式太陽光模擬器。

表2 各種太陽光模擬器產品及特點

3)在光源方面。從鹵光燈、氙燈向LED燈發展。LED燈的使用壽命更加長久且性能更穩定，受到儀器用戶的青睞。最具代表性的是Newport的是VeraSol-2 LED Class AAA Solar Simulator。

太陽光模擬器雖然是一類有很長歷史的儀器，但每一次吸收新的技術成果都會使它煥發出新的活力。光纖作為一項重要技術，已使太陽光模擬器的使用變得更方便，同時使太陽光模擬器的光源變得更加精確校準。光源方面，相比于傳統的鹵鎢燈，氙燈無疑是當前太陽光模擬器的主流光源。而且氙燈是一款優秀的脈沖光源，由于脈沖模擬器對穩態模擬器替代效應的出現，基于脈沖氙燈的太陽光模擬器必然有越來越多的市場。當然，隨著無極燈、LED 燈等新型光源的出現，可能一些廠家也會嘗試使用這些光源走出一條特殊的發展之路[37]。計算機技術的影響將更為增進，太陽光模擬器的小型化、智能化是其中一方面；另一方面，照明軟件Lighttools已在一定程度上使實在的儀器接近了虛擬的程序，網絡和信息技術的結合可能帶來進一步的影響。

6 結論

本文基于太陽光模擬器的基本組成與原理，介紹了太陽光模擬器的參數與分類。太陽光模擬器現正朝小型化與智能化方向發展[38，39]，且有待于進一步改進，提高其光譜匹配性，使性能更加穩定，輻射空間更加均勻。基于當前的發展和應用，介紹了太陽光模擬器的主要生產廠家及產品，為教學科研院所及應用行業提供信息指引。

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