李新華，楊忠明，高志山，袁 群，王新星，竇健泰

引言

太陽模擬系統(tǒng)是一種可控的模擬太陽光輻射的測試設備，為光敏材料或設備提供室內(nèi)太陽輻射測試環(huán)境［1］。太陽模擬系統(tǒng)一般主要包含3個部分：1）光源，用以提供近似太陽輻照的光譜分布以及輻照強度；2）光學系統(tǒng)，保證光的均勻準直輸出；3）機械支撐及冷卻系統(tǒng)，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行［2］。

近幾十年，國內(nèi)外在空間技術和太陽能應用技術上取得了很大進展，同時也推動了太陽模擬技術的進步，使太陽模擬系統(tǒng)在眾多領域都發(fā)揮了巨大的作用。在航天器的研制過程中，太陽模擬系統(tǒng)在地面上模擬出真空環(huán)境下的太陽光輻射，為航天器的相關性能測試提供空間試驗環(huán)境［3］；在光伏工程領域，利用太陽模擬系統(tǒng)模擬地面太陽光輻照，對光伏組件的性能進行檢測，對其技術參數(shù)進行標定［4］；在太陽能光熱領域中，太陽模擬系統(tǒng)用于太陽能集熱器的性能測試和太陽能熱水器的檢測［5］。對于不同技術領域所使用的太陽模擬系統(tǒng)，所要求的輸出光的輻照特點也不盡相同，因此，要根據(jù)太陽模擬系統(tǒng)的具體應用要求來設計系統(tǒng)結構。

圖1 太陽模擬系統(tǒng)Fig.1 System of solar simulator

20世紀60年代初，在美國國家航空宇航局（NASA）的資助下，開展了一系列關于太陽模擬系統(tǒng)的研究項目，用于熱真空環(huán)境的模擬［6］。1983年，歐洲航天局（ESA）為了滿足空間計劃的發(fā)展需求，啟動大型空間環(huán)境模擬（LSS）項目并構建了一套大型的太陽模擬系統(tǒng)［7］。我國的太陽模擬系統(tǒng)的研制始于真空冷黑環(huán)境模擬，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的黃本誠等人同長春光機所合作，成功研制了KM1和KM2太陽模擬系統(tǒng)，是國內(nèi)最早的衛(wèi)星地面測試環(huán)境模擬設備［8］。其后，我國又陸續(xù)建成了KM3、KM4、KM5以及KM6太陽模擬系統(tǒng)［9］。近幾年，上海大學的王志明等人研制了一種新型的太陽模擬系統(tǒng)，將二次反饋光路思想引入了太陽模擬系統(tǒng)的控制器中，有效地提高了輻照均勻性。在氣象探測領域，長春理工大學的張國玉、蘇拾等人于2012年成功研制了一臺氣象探測用太陽模擬系統(tǒng)，有效輻照面直徑達到200mm［10］。

本文研究的太陽模擬系統(tǒng)是空間全譜段光譜成像儀輻射定標的重要組成部分和必備的測試設備。該太陽模擬系統(tǒng)能夠提供0.4μm～2.5μm光譜范圍內(nèi)的太陽輻照，最大輻照度達到1.17個太陽常數(shù)。采用離軸拋物面準直系統(tǒng)，光束發(fā)散角小于±0.75°，有效輻照面直徑達到400mm。首次采用鏡像的“4”字形光路，保證氙燈垂直放置和光束水平出射，結構緊湊、穩(wěn)定可靠。在實驗室環(huán)境下，系統(tǒng)采用強制風冷的散熱方式，能夠長時間安全穩(wěn)定運行。

1 光學系統(tǒng)設計與仿真

本文研究的太陽模擬系統(tǒng)是空間全譜段光譜成像儀的定標與檢測的地面測試設備，主要由氙燈電源、光學系統(tǒng)、機械支撐及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、風冷系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

光學系統(tǒng)采用離軸準直光路結構，由短弧氙燈、橢球反射鏡、對稱式光學積分器、濾光片、離軸拋物面準直鏡以及兩塊折轉平面反射鏡構成，如圖2所示。短弧氙燈作為光源，提供近似于太陽的輻射光譜，短弧氙燈發(fā)光點位于橢球反射鏡的第一焦點處，出射光束經(jīng)橢球鏡反射后會聚在橢球反射鏡的第二焦點；光學積分器位于橢球反射鏡的第二焦點處，出射光束經(jīng)橢球鏡反射后在積分器表面形成對稱分布的高斯型輻照分布；經(jīng)過積分器前后兩組透鏡陣列分割和疊加完成光束的均勻過程，然后通過濾光片進行光譜修正；修正光譜后的光束經(jīng)離軸拋物準直鏡反射后均勻出射。在系統(tǒng)光路中，利用兩塊平面反射鏡實現(xiàn)光路的折轉，形成鏡像的“4”字形光路結構，縮短了系統(tǒng)光路軸向尺寸。在光學系統(tǒng)中，橢球反射鏡、光學積分器以及離軸拋物面準直鏡的設計滿足光瞳銜接原理，從而達到對光源能量的有效利用。

圖2 光學系統(tǒng)結構Fig.2 Layout of optical system

短弧氙燈具有輸出功率高、輸出狀態(tài)穩(wěn)定、光譜分布近似自然陽光以及使用壽命長等優(yōu)點，因此選擇短弧氙燈作為太陽模擬系統(tǒng)的光源。系統(tǒng)中短弧氙燈垂直點燃，發(fā)出的光具有良好的穩(wěn)定性，從而規(guī)避了氙弧的飄移。根據(jù)系統(tǒng)的光學系統(tǒng)結構和光能在各光學元件上的損失得到系統(tǒng)的光能傳遞效率：

式中：Ke為短弧氙燈光電轉換效率，取值為0.3；Kc為橢球聚光鏡聚光效率，取值為0.75；Kr為平面反射鏡的反射率，取值為0.9；n1為鏡面反射次數(shù)，取值為2；Ka為光學積分器的孔徑利用率，取值為0.4；Kt為光學積分器透過率，取值為0.85；Kl為光學濾光片的透過率，取值為0.6；Ko為準直物鏡的反射率，取值為0.85。

輻照面上照度E為

式中：P為短弧氙燈的功率；D 為有效輻照面直徑。

短弧氙燈的功率為

式中：E＝1 353W／m2；D＝0.4m。

由（3）式得短弧氙燈功率為P＝5 380.1W。由于短弧氙燈無法在滿功率的條件下長時間穩(wěn)定工作，系統(tǒng)需要預留出足夠的功率余量，故功率選用7 000W。

太陽模擬系統(tǒng)要求出射光的光譜在0.4μm～1.1μm譜段，達到國家B級標準，即光譜失配誤差≤±35%，在1.1μm～2.5μm譜段范圍內(nèi)，與標準太陽光譜輻亮度的標稱值偏差≤±20%。系統(tǒng)選用的7kW短弧氙燈的光譜曲線如圖3所示。

圖3 氙燈光譜分布曲線Fig.3 Xenon－lamp spectrum

根據(jù)7kW短弧氙燈光譜分布，參考標準太陽光譜，得到0.3μm～2.5μm波段內(nèi)濾光片的理論透過率，光譜透過率要求如表1所示。

3 000 85波長／nm 透過率／%780 85 800～1 000 34 930 30 半寬度為200nm 1 020～1 080 70 1 100～備注300～

太陽模擬系統(tǒng)中采用的短弧氙燈的發(fā)光點可以近似為點光源，光學系統(tǒng)的目的是使測試區(qū)域的能量均勻分布。光學聚光鏡作為一個集光器，收集光源發(fā)出的各種方向的光輻射，投影到光學積分器入瞳處，聚光鏡的設計和加工對太陽模擬系統(tǒng)出射光的輻照度和輻照均勻性等有很大的影響［11］。系統(tǒng)采用橢球反射鏡作為聚光鏡。橢球反射鏡具有2個焦點，當點光源位于一個焦點時，其發(fā)出的光輻射經(jīng)過鏡面反射后會聚到另外一個焦點上，且光傳播過程中不產(chǎn)生球差。采用圖4所示坐標系，橢球面反射鏡描述方程如（4）式所示：

圖4 橢球反射鏡光學參數(shù)Fig.4 Optical parameters of ellipsoidal reflector

式中：e為橢球曲線的偏心率；R0為橢球反射鏡頂點處曲率半徑。圖4中f1、f2分別為橢球反射鏡第一和第二焦距；αm－α0為橢球面反射鏡的最大包容角；a、b為橢球反射鏡的半長軸和半短軸；H 為橢球反射鏡的深度；D′為橢球反射鏡的有效口徑；A為橢球反射鏡的相對孔徑；M0為橢球反射鏡的近軸成像放大倍率。各參數(shù)之間關系為

結合系統(tǒng)中7kW短弧氙燈的散熱需求，根據(jù)目前橢球反射鏡的加工技術水平，選取第一焦距為60mm，兩焦距之間的距離2 740mm，依據(jù)光瞳銜接原理，開口尺寸選為400mm，其詳細參數(shù)如表2所示。

太陽模擬系統(tǒng)采用對稱結構的光學積分器作為均勻光器件。對稱式結構的光學積分器由兩組對稱的透鏡陣列組成，分別為場鏡和投影鏡。兩組透鏡陣列擁有一致的光學結構，都是由多片正六邊形的元素透鏡在基板上緊密拼接形成，如圖5所示。

表2 橢球反射鏡具體參數(shù)Table 2 Optical parameters of ellipsoidal reflector

圖5 光學積分器結構圖Fig.5 Structure diagram of optical integrator

光學積分器場鏡中每一元素透鏡將接收到的光輻照進行分割，并成像到對應的投影鏡組元素透鏡上；投影鏡中每一元素透鏡接收被分割后的光輻照，并將其成像到系統(tǒng)的輻照面上。經(jīng)過場鏡和投影鏡組元素透鏡對應成像后，每一部分被分割的光輻照再經(jīng)過拋物面準直鏡準直，在系統(tǒng)的出射輻照面上疊加，形成所需的均勻輻照。每組透鏡陣列中，參與拼接的元素透鏡越多，系統(tǒng)出射光的輻照均勻性就越好［12］。系統(tǒng)選用37個元素透鏡，每個元素透鏡內(nèi)切圓直徑為15.6mm，焦距為103.2mm，材料選用紅外光學石英玻璃JGS3，元素透鏡凸面曲率半徑為47.1mm。光學積分器的透鏡陣列和基板通過光膠方式膠合，且均不鍍膜。

太陽模擬系統(tǒng)選用離軸拋物面反射鏡作為準直鏡，將光學積分器后組透鏡陣列放置在離軸拋物面準直鏡焦點處，橢球反射鏡會聚的光經(jīng)過積分器勻化后從后組透鏡陣列出射，到達離軸拋物準直鏡表面，經(jīng)過離軸拋物面準直鏡后準直出射。光學系統(tǒng)中，視場光闌位于拋物面準直鏡的物方焦面處，視場光闌經(jīng)離軸拋物準直鏡成像到出射輻照面，成像關系如圖6所示。如圖7所示。

圖6 視場光闌位置Fig.6 Field stop position

圖6中，D為準直鏡口徑；D′為有效輻照面直徑；L為有效輻照面的工作距離；θ0為準直半角。太陽模擬系統(tǒng)的有效輻照面口徑為400mm，工作距離為2 500mm，半準直角為0.75°。離軸拋物面準直鏡相對孔徑為0.15，口徑為465mm，焦距為3 100mm。

根據(jù)系統(tǒng)的光學系統(tǒng)以及各光學元件的參數(shù)，利用Lighttools軟件對光學系統(tǒng)輻照均勻性進行仿真，利用蒙特卡羅光線追跡法對其光線進行追跡。根據(jù)仿真結果不斷優(yōu)化光學元件設計參數(shù)，從而得到系統(tǒng)最優(yōu)設計參數(shù)，系統(tǒng)的仿真模型

圖7 光學系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of optical system

系統(tǒng)中各光學元件參數(shù)優(yōu)化后，對系統(tǒng)追跡2×107萬條光線，根據(jù)光線追跡的結果，分析系統(tǒng)出射光的輻照度以及輻照均勻性。在系統(tǒng)的出射光輻照面上設置接收器，根據(jù)出射光束直徑為400mm，將接收面積劃分為20×20個網(wǎng)格，照度分布曲線以及照度分布情況如圖8所示。根據(jù)仿真結果可以知道，在有效輻照面積Φ200mm范圍內(nèi)，輻照不均勻性為±1.65%，在Φ400mm范圍內(nèi)，輻照不均勻性為±3.2%。

圖8 輻照度分布仿真圖Fig.8 Simulation diagram of irradiance distribution

2 散熱系統(tǒng)設計與仿真

太陽模擬系統(tǒng)光源的光電轉換效率不高，且各光學元件存在一定的光能有效利用率，因此在系統(tǒng)內(nèi)部存在較高的能量損失，在太陽模擬系統(tǒng)內(nèi)部形成高溫環(huán)境，從而影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作，因此太陽模擬系統(tǒng)的設計中必須要考慮冷卻問題。在太陽模擬系統(tǒng)中，能量主要集中在聚光光路部分，在準直光路中能量較為分散。各部分的熱負荷，如（7）～（13）式所示。

短弧氙燈電極熱負荷Pe：

橢球反射鏡鏡熱負荷Pc：

上平面反射鏡熱負荷Pr1：

光學積分器鏡筒熱負荷Pt：

光學濾光片熱負荷Pl：

下平面反射鏡熱負荷Pr2：

離軸拋物面準直鏡熱負荷Pz：

以上公式中：P為短弧氙燈功率；Ke為短弧氙燈的發(fā)光效率；Kc為橢球反射鏡的反射效率；Kr1為上反射鏡的反射效率；Kα為光學積分器的孔徑利用率；Kt為光學積分器的透過效率；Kl為光學濾光片的透過效率；Kr2為下反射鏡的反射效率；Kz為離軸拋物面準直鏡的反射效率。經(jīng)計算可得到太陽模擬系統(tǒng)各部分的熱負荷，計算結果如表3所示。

表3 太陽模擬系統(tǒng)各部分熱負荷Table 3 Thermal load distribution of solar simulator

模擬系統(tǒng)采用強制風冷的散熱方式在密閉的儀器內(nèi)部形成散熱風道，將多余熱量從儀器的出風口帶走。光學系統(tǒng)中各元件的位置排布相對分散，系統(tǒng)中熱負荷較高的燈室組件、上平面反射鏡以及積分器彼此之間距離較遠，無法實現(xiàn)集中散熱，故采用各自強制風冷的散熱方式進行冷卻。儀器整體采用框架式機械支撐結構，儀器內(nèi)部空間較大，熱量分布相對分散?；谔柲M系統(tǒng)的熱量分布，采用如下的風道設計方案：在燈室橢球反射鏡罩筒支架側邊、上平面反射鏡上方外殼以及積分器組件側邊外殼處各設計有一個進風口，在距離三者位置均比較適中的離軸拋物準直鏡上方的外殼上設計有出風口，每個進風口分別同出風口組合形成一條風道。這樣在系統(tǒng)內(nèi)部形成3條散熱風道，具體的風道走向如圖9所示。經(jīng)由這3條風道，利用3組鼓風風機分別從3個進風口向儀器內(nèi)部吹入冷氣流，帶走燈室、上平面反射鏡和積分器組件上的多余熱量，最終在出風口處合流，經(jīng)由抽風風機將熱空氣排到外部空氣中，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部主要熱源的散熱。同時，3個進風口近似均勻地分布在系統(tǒng)外壁上，所以系統(tǒng)內(nèi)部空氣的對流能夠有效地帶走環(huán)境中的熱量，實現(xiàn)其他元件的散熱。

圖9 風道設計Fig.9 Air duct design

在太陽模擬系統(tǒng)內(nèi)部，主要的熱源是燈室組件、上平面反射鏡以及積分器組件。結合系統(tǒng)的風道設計，根據(jù)太陽模擬系統(tǒng)的外形設計尺寸、系統(tǒng)內(nèi)各具體元件的幾何形狀和尺寸及其熱負荷，在ICEPAK軟件中建立其幾何模型，對其進行熱分析，建立系統(tǒng)的傳熱數(shù)值分析模型，選擇系統(tǒng)的控制方程，確定流場的算法，采用單元映射法進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)仿真結果不斷優(yōu)化風機風量等參數(shù)，從而得到系統(tǒng)最優(yōu)設計參數(shù)，如表4所示。系統(tǒng)內(nèi)部溫度場穩(wěn)定后，各熱源溫度分布情況如表5所示。圖10（a）和10（b）為其系統(tǒng)中心截面的溫度場云圖及流場矢量圖。

表4 風機參數(shù)Table 4 Parameters of fan

表5 系統(tǒng)各部件溫度分布Table 5 Temperature distribution of system elements

圖10 系統(tǒng)溫度場分布仿真結果Fig.10 Simulation results of temperature field distribution

3 參數(shù)測試

太陽模擬系統(tǒng)的具體待測技術參數(shù)主要有：最大輻照度、輻照度均勻性等。對于輻照度相關的測試，在工作距離處的有效輻照面上采用標準光電池來完成，如圖11所示。

在相關的輻射計量機構對標準光電池進行標定后，將標準光電池的短路電流轉化成太陽常數(shù)。在太陽模擬系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，將工作電流調(diào)至最大，將標準光電池放在接收屏上的光斑中心處，每隔10分鐘測量一次，并記錄相應的太陽常數(shù)，測試結果如圖12所示。從測試結果可以看出，太陽模擬系統(tǒng)最大輻照度可達1.17個太陽常數(shù)。

圖11 技術指標測試Fig.11 Testing of technical parameters

圖12 最大輻照度測試Fig.12 Testing of maximum irradiance

太陽模擬系統(tǒng)進行輻照度不均勻性測試時，在接收屏上設計采樣點。根據(jù)出射光束直徑為400mm，以40mm為間距，用11×11的網(wǎng)格來劃分輻照面，每一網(wǎng)格的中心點作為輻照度測試采樣點。11×11的網(wǎng)格中，不在光斑范圍內(nèi)的網(wǎng)格作為無效網(wǎng)格，實際測試時不作為采樣點，如圖13所示。在太陽模擬系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，在工作距離處，垂直于光束出射方向上放置接收屏，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算輻照面上的輻照度不均勻性，如（14）式所示。輻照面上的輻照度分布如圖13所示。

圖13 輻照不均勻性測試原理Fig.13 Testing principle of irradiation non－uniformity

式中：Imax和Imin分別為輻照面上最大和最小輻照強度。

計算輻照度不均勻性時，將整個輻照面劃分為 Φ120mm 、Φ200mm、Φ280mm、Φ360mm、Φ4 000mm 5個區(qū)域。根據(jù)測量結果可知，輻照不均勻度在 Φ200mm 范圍內(nèi)為 ±1.61%，在Φ400mm范圍內(nèi)為±3.28%。

表6 輻照不均勻性測量結果Table 6 Testing results of irradiation non－uniformity

4 結論

本文設計和研制了一種大口徑反射式太陽模擬系統(tǒng)，闡述了太陽模擬系統(tǒng)的光機系統(tǒng)設計。給出了光學系統(tǒng)的設計方案以及各光學元件的參數(shù)，并運用Lighttools軟件對光學系統(tǒng)進行建模和仿真。系統(tǒng)首次采用鏡像“4”式的光路結構，保證了短弧氙燈的垂直放置和光束的水平準直出射。依據(jù)光學系統(tǒng)的布局，設計了太陽模擬系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，并運用ICEPAK軟件模擬驗證了系統(tǒng)穩(wěn)定工作時的熱負荷分布，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。測試結果表明：太陽模擬系統(tǒng)最大輻照度可達1.17個太陽常數(shù)；輻照不均勻度在輻照面Φ200mm范圍內(nèi)為1.61%，在輻照面Φ400mm范圍內(nèi)為±3.28%。

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