劉洪波，高 雁，王 麗，顧國超，馮偉昌

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)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(nèi)提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準(zhǔn)直穩(wěn)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(nèi)獲取極高且均勻的輻射通量，主要應(yīng)用于測試部件和材料的高熱特性和熱化學(xué)特性。

本設(shè)計(jì)是一種用來模擬集中太陽光輻射，在目標(biāo)平面可獲得高度集中且均勻性良好的太陽能模擬系統(tǒng)。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(dāng)精度的光學(xué)反射鏡來提供連續(xù)等強(qiáng)度的熱輻射，具有集中太陽能系統(tǒng)熱輻射的特性。由于配有適當(dāng)?shù)膭蚬庀到y(tǒng)，被照面的輻射強(qiáng)度也較為均勻。例如國外研究機(jī)構(gòu)研制的一種由高功率線性氬弧燈(功率達(dá)到200 kW)和一個(gè)橢球聚光鏡組成的聚光系統(tǒng)［1］，其焦平面的連續(xù)輻射能量達(dá)到75 kW，峰值能量達(dá)到4 250個(gè)太陽常數(shù)(AM1.5∶1太陽常數(shù) =1 kW/m2)。短弧氙燈和橢球聚光鏡配合，可以在目標(biāo)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(shí)非常有利。通常采用的氙燈最大電功率達(dá)20 kW。

本文介紹了高倍聚光太陽模擬器的光學(xué)設(shè)計(jì)、構(gòu)成和仿真結(jié)果;利用蒙特卡洛光線追跡技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)裝置的最大轉(zhuǎn)換效率。由氙燈弧發(fā)出的一部分光經(jīng)過橢球鏡反射，然后通過焦平面附近的積分器在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)可形成均勻的高亮度光斑。

2 系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

高倍聚光太陽模擬器系統(tǒng)采用氙燈作光源，用橢球聚光鏡匯集能量，經(jīng)由高速快門照在光學(xué)積分器上。積分器是一個(gè)由精密斜面切片構(gòu)成的正方形管，管內(nèi)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(xué)布局如圖1所示。

圖1 光學(xué)布局Fig.1 Diagram of optical layout

2.1 聚光鏡設(shè)計(jì)

聚光鏡設(shè)計(jì)是為了在焦平面上匯集最高的亮度。橢球鏡焦點(diǎn)是光學(xué)變化點(diǎn)，在一個(gè)焦點(diǎn)處發(fā)出的所有光線通過鏡面反射后必然匯聚到另一個(gè)焦點(diǎn)。當(dāng)光源和目標(biāo)在兩個(gè)焦點(diǎn)上時(shí)，橢球鏡提供了很高的轉(zhuǎn)換效率。然而，由于輻射源是一個(gè)有限的區(qū)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(dá)到目標(biāo)區(qū)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(zhuǎn)橢球鏡如圖2所示，設(shè)長半軸為a，短半軸為b，第一焦點(diǎn)為F1，第二焦點(diǎn)為F2，兩個(gè)焦點(diǎn)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(diǎn)F1處，目標(biāo)是直徑為d2的圓盤，位于第二焦點(diǎn)F2上，垂直于橢球鏡的長軸。橢圓頂點(diǎn)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(fā)出的全部輻射通量的比率［3］定義為橢球聚光鏡的轉(zhuǎn)換效率η。η取決于氙弧輻射強(qiáng)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(dá)式為：

橢球鏡第二焦面內(nèi)的理想輻照度分布曲線如圖3所示，近似于正態(tài)分布。在橢球聚光鏡設(shè)計(jì)中，相對于第一焦點(diǎn)的離焦量成像倍率和氙弧峰值亮度點(diǎn)是兩個(gè)重要參數(shù)［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(xué)積分器設(shè)計(jì)

光學(xué)積分器主要用于接收焦平面上的高強(qiáng)度輻射，并在出光口提供一個(gè)高均勻性光束。目前光學(xué)積分器有兩種形式：復(fù)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(xué)積分器經(jīng)多次反射來實(shí)現(xiàn)的。通道的橫截面可以為圓形、方形和三角形，且可以設(shè)計(jì)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(xué)積分器。具有一定匯聚角的光線進(jìn)入光學(xué)積分器后，在其內(nèi)部的反射次數(shù)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(biāo)面上每一點(diǎn)的光強(qiáng)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(xué)積分器的設(shè)計(jì)主要考慮長度和截面積兩個(gè)參數(shù)。長度的選取基于系統(tǒng)對輻照均勻性的要求，通道越長，光線的反射次數(shù)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(tǒng)的能量利用率。通常情況下，設(shè)計(jì)的長度應(yīng)使聚光鏡邊緣光線在積分器內(nèi)部反射3次以上?？上雀鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)確定反射次數(shù)為3次，然后根據(jù)反射次數(shù)和入射角度算出長度。

光學(xué)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(gè)半徑為R的圓形。積分器的作用是細(xì)分該區(qū)域?yàn)檎叫?，然后在出光口重合在一起。正方形的?shù)量產(chǎn)生于細(xì)分的過程，與內(nèi)在反射次數(shù)相關(guān)，其關(guān)系式為N=(2F+1)2，其中F是反射次數(shù)，3次反射即產(chǎn)生49層區(qū)域［5］。

圖4 光學(xué)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(shí)的最終反射次數(shù)。兩者并沒有定量關(guān)系，反射次數(shù)越多均勻性越好。對輸出熱流量要求較高的系統(tǒng)，積分器不再提供必要的均勻性，因能量損失與反射次數(shù)相關(guān)，因此應(yīng)該盡量減少反射次數(shù)。調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)木鶆蚨群洼敵龈吡炼裙馐窍到y(tǒng)調(diào)焦的一個(gè)重要功能。順光軸的輕微離焦可以增加系統(tǒng)的均勻度，但降低了亮度。

3 系統(tǒng)原理及組成

3.1 系統(tǒng)原理

位于橢球鏡第一焦點(diǎn)附近氙燈氙弧發(fā)出的光輻射通量，經(jīng)橢球聚光鏡內(nèi)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(diǎn)上。與匯聚光束形成耦合關(guān)系的光學(xué)積分器位于聚光鏡第二焦點(diǎn)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(jìn)入立方錐體光學(xué)積分器后，內(nèi)部光線入射角度不同，反射次數(shù)也不同，最后各個(gè)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(diǎn)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(biāo)平面的高亮度，應(yīng)使邊緣光線在積分器內(nèi)部反射3次，再經(jīng)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試，最終得到滿意的均勻度和輻照度。

3.2 系統(tǒng)組成

高倍聚光太陽模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖5所示。系統(tǒng)主要由安裝定位基座、橢球聚光鏡支撐定位組件、風(fēng)冷卻系統(tǒng)、氙燈安裝及調(diào)整機(jī)構(gòu)、AM1.5濾光片、水冷高速快門及支撐機(jī)構(gòu)、光學(xué)積分器組件支撐機(jī)構(gòu)、光學(xué)積分器安裝定位及微調(diào)機(jī)構(gòu)等組成。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局Fig.5 Structural layout of system

AM1.5濾光片可以根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容來確定是否添加，如果系統(tǒng)用來測試太陽能電池的熱化學(xué)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(shí)間照射，圖中未給出水冷快門的結(jié)構(gòu);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(jù)其能量轉(zhuǎn)換效率，可以計(jì)算出系統(tǒng)的輻照能量。氙燈的大致輪廓如圖6所示，氙燈有一個(gè)尖端陰極和一個(gè)圓形陽極均設(shè)置在一個(gè)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(fā)光。5 kW氙燈的光輻射通量為200 000 lm，估算光電轉(zhuǎn)換效率為0.4，即產(chǎn)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(biāo)平面的輻照強(qiáng)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(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是加工周期短、成本低，在國外已得到廣泛應(yīng)用。所謂電鑄就是利用金屬的電解沉積原理來精確復(fù)制某些復(fù)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(shí)也用金、銀、鉑鎳-鈷、鈷-鎢等合金，但以鎳的電鑄應(yīng)用最廣。電鑄層厚度一般為0.02～6 mm，也有厚達(dá)25 mm的。采用電鑄技術(shù)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(jī)械強(qiáng)度，然后直接鍍鋁膜和二氧化硅保護(hù)膜。二氧化硅保護(hù)膜用于防止鋁膜氧化并提供一個(gè)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(xué)積分器

光學(xué)積分器由4個(gè)精密的斜面構(gòu)成，并形成一個(gè)正方形的光通道，如圖8(a)所示。4個(gè)反射面鍍鎳層，經(jīng)細(xì)磨、拋光后，鍍鋁膜和二氧化硅保護(hù)膜。材料選用的是熱傳導(dǎo)性好，內(nèi)腔中空的立方錐體無氧銅，整個(gè)裝置為水冷式，如圖8(b)所示。

圖8 光學(xué)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(xué)積分器。光學(xué)積分器通水制冷，每塊設(shè)有單獨(dú)的進(jìn)出水接口，使用時(shí)可將水路串聯(lián)起來，如圖8(b)所示。

3.2.4 快門

曝光快門是系統(tǒng)工作時(shí)的有效快門，它由兩層構(gòu)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(wěn)態(tài)聚光太陽模擬器在沒有進(jìn)行有效曝光工作時(shí)匯聚的輻射能量進(jìn)入曝光快門處燒壞曝光快門。選用無桿汽缸作為快門的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于汽缸的速度很快(4 m/s)，所產(chǎn)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(jī)的震動(dòng)。

4 蒙特卡洛分析

應(yīng)用LightTools6.0照明仿真軟件對設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行蒙特卡洛光線追跡計(jì)算，該技術(shù)主要應(yīng)用于計(jì)算光線的轉(zhuǎn)移效率。

通過蒙特卡洛分析進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，系統(tǒng)按照光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸排布后，對光學(xué)元器件的設(shè)計(jì)參數(shù)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(shù)后進(jìn)行蒙特卡洛光線追跡計(jì)算，從而得出系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。系統(tǒng)的光路安排如圖9所示。

圖9 光學(xué)系統(tǒng)Fig.9 Diagram of optical system

將光學(xué)積分到橢球鏡第二焦點(diǎn)的距離作為變量分析系統(tǒng)的結(jié)果，每次運(yùn)行3×105條樣本光線，得到距光學(xué)積分器出口6mm處目標(biāo)平面的輻照度分布圖，目標(biāo)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(yōu)仿真結(jié)果如圖11所示。輻照不均勻度按下式計(jì)算［6］：

圖11 目標(biāo)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(nèi))的輻照度最大值，Emin為輻照面上(或體積內(nèi))的輻照度最小值。

根據(jù)上述公式進(jìn)行計(jì)算，通過積分器孔徑的不均勻度約為±6%。

5 結(jié)論

利用蒙特卡洛光線追跡技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高倍聚光高均勻性太陽模擬器。仿真結(jié)果顯示，在直徑20 mm的圓形目標(biāo)區(qū)域上，太陽模擬器的平均輻射超過1 000 kW/m2，相應(yīng)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(tǒng)的輻射特性，為研究高效率太陽能電池的熱化學(xué)過程和測試先進(jìn)的高溫材料提供了實(shí)驗(yàn)平臺。

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