室內輻照試驗用太陽模擬器設計

汪恩良 ，于 俊, 韓紅衛 ，許春光，胡勝博

（1. 東北農業大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030；2. 黑龍江省寒區水資源與水利工程重點實驗室，哈爾濱 150030）

太陽輻射作為地球表層能量主要來源，廣泛應用于居民居住[1]、作物生產[2]、道路照明[3]、航天事業[4]等領域，同時也應用于冰和凍土等自然領域研究，太陽輻射是冰層熱力學模型建立和凍土水熱響應關系函數中重要參數。春季回暖階段太陽輻射增加，封凍冰面和凍土中冰晶受太陽輻射、氣溫、水溫及地溫等因素影響，內部開始融化。對于冰面而言，結構完整性發生變化，出現流凌現象，流冰將使河道堆積堵塞，抬高水位，沖擊岸坡和破壞堤防[5]；季節性凍土則因太陽輻射影響，改變周圍溫度場分布，土壤中熱量和水分向土體表面遷移，造成嚴重的凍脹現象[6]。因此，研究太陽輻射對冰生消過程影響、力學性質變化及凍土凍融傳熱規律具有重要意義。目前靜冰生消和凍土凍融研究多采用室內物理模型，模擬太陽輻射所選光源是一個關鍵且敏感的要素，常見燈光與太陽輻射光譜分布存在差異，導致試驗過程與實際情況差異較大[7]。因此，通過室內測試選擇最佳光源完成太陽模擬器設計，并借助室內輻照試驗可為上述問題提供理論依據。

目前，研制太陽模擬器重點在于模擬器光源選擇。20 世紀60 年代初，美國采用汞氙燈作為太陽模擬器使用光源，經多次加工改造后，太陽模擬器可較好模擬太空輻照環境[8-9]；德國選用氙燈作為太陽模擬器使用光源，點燃方式為傾斜氙燈與水平面傾角范圍15°～30°，達到當時試驗要求[10]；日本NASDA 為滿足輻照度要求，太陽模擬器由多只短弧氙燈組成， 輻照度達1 758 W ·m-2[11]。我國最初將碳弧燈作為太陽模擬器使用光源[12]，劉國新等為滿足太陽能板集熱測試性能要求[13]，研制金屬鹵化物鏑燈太陽模擬器，與太陽表面色溫一致，平均壽命為500 h；近年，選用LED燈作為太陽模擬器使用光源開始興起，甘汝婷等選用遺傳算法作為光譜匹配算法，將單色光LED燈、CIE-D65 燈與AM1.5 標準光譜最佳匹配組合，擬合效果較好[14]；隋成華等為彌補鹵鎢燈紫外波段缺陷，利用LED 燈組成復合光源，成功設計一種復合型光譜檢測裝置[15]。綜上，為達到不同試驗目的，選用光源不同，因此最佳光源選擇是室內設計太陽模擬器關鍵環節。

本文依據前人研究[16-17]，擬定金鹵燈、長弧氙燈、碘鎢燈、白熾燈作為本試驗預備光源，將每種光源分別與野外太陽光色溫、光譜匹配度及各波段能量占比作比較，確定與野外太陽光相近光源作為模擬器使用光源。通過低溫環境模擬實驗室室內結構條件，設計太陽模擬器系統構造并接入使用光源測試模擬器輻照度、輻照不均勻度和輻照不穩定度，驗證室內設計太陽模擬器等級要求，以期為太陽輻射對冰物理力學性能影響及凍土凍融傳熱規律研究提供理論支持。

1 太陽模擬器光源選擇

1.1 試驗內容及方法

光源選擇是設計太陽模擬器首要解決問題。實驗室準備長弧氙燈、金鹵燈、碘鎢燈及白熾燈4種光源，分析4種光源光譜特點，并與野外太陽光譜、色溫及能量分布作比較，根據《太陽模擬器校準規范》（JJF 1615-2017）得到對應光源波長范圍模擬器等級（見表1）[18]。

通過對比分析結果，綜合考慮經濟性、技術性、可行性等要求，最終選擇滿足室內輻照試驗的太陽模擬器光源。

表1 太陽模擬器等級Table 1 Solar simulator level

于大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室獲取光源光譜。冷庫模擬低溫環境，避免其他光源對試驗結果產生誤差，且室內溫度可調，是獲取光源光譜最佳試驗地點。采用TriOs 光譜輻射儀測量光譜（見圖1），該儀器可收集波長320～950 nm光譜信息、輻照度和輻亮度，其光譜采集頻率為1 min，光譜精度為0.3 nm，儀器可滿足在空氣或水中測量。

將所選取4 種光源分別放置于冷庫地面（見圖2），光源上方放置采集儀，采集儀由工具箱和鋼架固定其高度和位置，調整采集儀下方探頭使其垂直向下對準光源方向，光源與探頭間距離保持在100 cm，每種光源觀測時長均為15 min。4 種光源光譜采集完畢后，將數據帶回東北農業大學低溫環境模擬實驗室開展下一步試驗。

1.2 光譜各自特點分析

通過采集儀獲取歷時120 min 試驗光譜信息數據，為得到較平穩且誤差小光譜圖，剃除前5 min獲取數據，用剩余時長光譜數據繪制4 種光源光譜，見圖3。

從4 種光源光譜圖中可見：①金鹵燈波長較為活躍區域在400～700 nm，此波長范圍內輻照度不穩定，多次出現波峰及波谷，而最大波峰值出現在600 nm處，輻照度達1 000 W·m-2，隨后700～800 nm 波長段呈平穩趨勢，在經歷最后一個波峰后，輻照度趨于穩定。可見，金鹵燈主要輻射集中在可見光部分（400～760 nm），紫外線（320～400 nm）與紅外線（760～950 nm）占比較小；②試驗所選用長弧氙燈輻照度普遍較低，最大峰值在80 W·m-2，波長范圍320～800 nm，曲線呈上升趨勢且起伏，輻照度30 W·m-2，但波長在800 nm 至儀器所能測量范圍內，曲線先出現大幅度轉折到達峰值，后呈下降趨勢，說明紅外線在長弧氙燈輻照強度分布中起主導作用，而紫外線與可見光部分能量占比較大；③碘鎢燈與白熾燈光譜圖特點相似，輻照度均隨波長增加而增大，主要輻射為紅外線，缺乏紫外線，另外，可見光部分占比較小。

1.3 各光源參數對比

野外太陽光各參數數據于2019 年4 月28 日～5月5 日觀測，此時段處于黑龍江漠河北極村段（53°33′30″N， 122°20′27.14″E）解凍期，野外觀測見圖4。

該時期可充分掌握流冰對岸灘撞擊時力學性質變化，預防岸坡破壞，收集此時野外太陽光輻照量開展室內模擬輻照試驗。在基于太陽輻射對冰力學性質變化試驗中，需室內完成冰樣制備，采集冰樣受太陽輻射后各項物理力學參數變化影響，并在野外現場觀測，獲取野外環境條件數據。其中，自制太陽模擬器能否與野外太陽光各參數保持一致是室內試驗順利開展關鍵，以往通常選用AM2[19]或AM1.5[20]太陽光譜對比人造光源光譜，而本次試驗將與野外實測太陽光譜作對比，保證數據可靠性，同時野外實測太陽光譜與AM1.5標準太陽光譜接近，在光譜對比中參照標準太陽光各項技術指標。

觀測每種燈源完整發光階段后，獲取4 種光源色溫，并與野外太陽光色溫作對比，如表2 所示，發現金鹵燈和長弧氙燈色溫與野外太陽光色溫相差小，可單獨作為太陽模擬器預備使用光源，而碘鎢燈和白熾燈色溫均小于野外太陽光色溫且相差2 000 K 以上，因此單獨使用這兩種光源作為人造太陽光源方案不可行。由此，碘鎢燈和白熾燈將不參與不同波段所占能量分布對比和光譜對比。由圖3可知，長弧氙燈輻照度較小，將其光譜與野外太陽光譜對比，無法區分差異，根據光疊加原理，當幾列光波空間相遇時，其合成光波光矢量等于各分量光波光矢量矢量和，所以將長弧氙燈波長范圍內輻照量擴大到原來的10 倍繪制光譜對比圖，如圖5所示。

得到金鹵燈、長弧氙燈及野外實測太陽光3種光譜對比圖后，通過求解積分方法，分別計算金鹵燈、長弧氙燈和野外太陽光在320～950 nm 各波長間隔內能量占總能量百分比（見表2）。由表2 和圖5分析可知，金鹵燈在可見光部分遠大于野外太陽光，兩者在紫外線波段能量占比相差較小，其紅外線能量占比較小，約占野外太陽光一半，而長弧氙燈與野外太陽光能量分布在紫外線波段和可見光波段相似，但在紅外線波段相差略大。總體看，金鹵燈雖色溫滿足條件，但其他參數不理想，而長弧氙燈除紅外線能量占比大外，其他參數均滿足條件，因此選擇長弧氙燈作為室內設計太陽模擬器使用光源，并參照表1和表2中長弧氙燈相對比率，得出長弧氙燈光譜匹配度在大部分波長范圍內滿足A級模擬器要求，僅在700～800 nm和800～950 nm滿足B級模擬器要求，依據規范，由最低光譜匹配等級確定太陽模擬器光譜匹配級別。由此，室內設計太陽模擬器光源匹配等級為B級。

表2 4種光源與野外太陽光各參數對比Table 2 Comparison of four kinds of light sources and the field sunlight each parameter

2 太陽模擬器系統設計

依據上述理論分析，將長弧氙燈作為模擬器使用光源并開展系統設計工作。主要包括燈架制作、燈陣布置及調節。

室內模擬輻照試驗時需將模擬器安裝在低溫環境實驗室水槽上方，實驗室環境溫度±40 ℃，精度±0.5 ℃；水槽尺寸（長×寬×高）為4 m×4 m×1.2 m，其底部通過底板利用循環熱交換方式控制水溫，模擬冰在凍結期和解凍期生消過程。燈架尺寸（長×寬×高）約為2 m×4 m×1 m，有效輻照面積占試驗水槽尺寸一半，可滿足有無輻照試驗光照對比；燈架選材時考慮到設計太陽模擬器尺寸大，燈數量多，且每個燈源均配有單獨燈罩、鎮流器和觸發器，因此選擇足夠強度且不易銹蝕白鋼方型管作為燈架主材；燈架結構設計為兩層，燈架四角和四條邊中心各有一根立柱與實驗室頂板橫梁固定，固定方式采用U型卡槽式鋼片，上下用螺絲相連，可使燈架牢固懸掛于實驗水槽上方；每只燈配套燈罩為反光罩，光源輸出方式以平行光照射，且燈罩通過與豎桿一端固定接入燈架，豎桿上每隔100 mm 打孔，調節光源距離。本次輻照試驗選在低溫環境下開展，防凍電纜線共9只，每只400 W 長弧氙燈（CHS13）。為考慮光照均勻性，將燈布置成方形結構。另外，太陽模擬器具有良好接地措施。

3 太陽模擬器技術性能研究

3.1 太陽模擬器輻照度測量

通過傳感器接入DataTaker DT80G 數據采集器獲取輻照度，其傳感器測量范圍0～2 000 W·m-2，測量精度±5%，工作溫度-30～+70 ℃，標稱電阻2 W；DT80G采集器具有靈活、獨立、低能耗等工作特點，儀器采集數據方法是由傳感器輸入得到電壓值，除以每個傳感器背面各自提供的標定常數，獲得太陽模擬器輻照度。

太陽模擬器光源垂直向下照射在實驗水槽底部投影劃分，如圖7所示。

由圖7 可知，試驗測得光源到地面距離為1.0 m時不同測點輻照度，并將所得數據平均值作為太陽模擬器輻照度。太陽模擬器在有效輻照面積中心約1 m高度處輻照度達到115 W·m-2。

3.2 太陽模擬器輻照不均勻度測試

在太陽模擬器有效輻照面范圍內，輻照度隨位置變化最大相對偏差用輻照不均勻度表示，計算公式如下：

式中，Emax-有效輻照面全部范圍內測得最大輻照度（W·m-2）；Emin-有效輻照面全部范圍內測得最小輻照度（W·m-2）。

考慮光源均勻性，將傳感器放置在實驗水槽地面，由于有效輻照面為方形輻照面，測量時按照垂直和水平兩個方向掃描。位置處于每排相鄰兩個燈源中心，傳感器可測得區域中心輻照度。依次測定光源距離地面1.0、1.2、1.5 m時輻照度，根據式（1）可知，輻照不均勻度分別為4.57%、3.81%、4.15%。參照表1 模擬器等級標準，該太陽模擬器輻照不均勻度指標滿足規范B級要求，超過C級要求，但未達A級要求。

3.3 太陽模擬器輻照不穩定度測試

在太陽模擬器有效輻照面范圍內給定位置，規定時間間隔，輻照度隨時間間隔變化最大相對偏差用輻照不穩定度表示，計算公式如下：

式中，Fmax-有效輻照面在給定位置上，規定時間間隔內測得最大輻照度（W·m-2）；Fmin-有效輻照面在給定位置上，規定時間間隔內測得最小輻照度（W·m-2）。

輻照穩定性比輻照均勻性更重要，在有效輻照面上輻照強度平均值與光源輻射穩定性密切相關，且穩定性太差時難以滿足試驗工況要求。因此，根據規范要求，試驗時在有效輻照面范圍內選擇3個特定位置作為輻照不穩定度測試位置，分別選定在有效輻照面中心、有效輻照面邊緣上任意一點、有效輻照面中心和邊緣之間任意一點。太陽模擬器光源與地面距離固定在1.0 m，按“三點原則”布置傳感器并開始太陽模擬器輻照不穩定度測試，其結果如圖8所示。

為測試結果準確性，將長弧氙燈開始通電至穩定發光所持續時間不作為調查依據，統一按照通電后5～60 min 時長，每2 min 記錄1 次為間隔調查太陽模擬器輻照不穩定度。根據公式（2），在3個特定位置處輻照不穩定度分別為3.69%、3.02%、4.78%。3個特定位置處輻照不穩定度均小于5%，但大于2%，因此該太陽模擬器在輻照不穩定度指標上滿足模擬器等級標準表中B 級模擬器要求，但尚未達到A 級模擬器要求。

4 結 論

本文設計一種應用于室內模擬野外輻照試驗的太陽模擬器，并完成其模擬器光源選擇、系統設計及性能測試等工作。得出以下結論：

a. 在4種燈色溫和光譜對比中，長弧氙燈與野外太陽光色溫和光譜中各波長段能量占比接近，且長弧氙燈光譜匹配度在全部波長范圍內滿足B級模擬器要求。

b. 太陽模擬器系統設計中燈架選材為強度大且不易銹蝕白鋼方管；為使光源發光穩定，設計兩層結構燈架；燈源配有防凍電纜線滿足低溫作業需求；燈陣布置為方形，可滿足光照均勻性要求。

c. 太陽模擬器在有效輻照面范圍內1 m高度處輻照度達到115 W·m-2。

d.太陽模擬器性能指標為：輻照不均勻度和輻照不穩定度均滿足B級要求，超過C級要求，但尚未達A級要求。總體看，本研究設計的太陽模擬器可應用于室內模擬輻照試驗，并為太陽輻射對冰力學性能影響及凍土凍融傳熱規律研究提供理論支持。