一种新型太阳模拟装置的制作方法

1.本发明涉及航天器模拟试验与标定技术，尤其涉及一种新型太阳模拟装置。


背景技术：

2.太阳模拟器是在室内环境中实现不同大气质量条件下太阳辐照特性的一种试验或定标设备，可应用在光伏产业中太阳电池的检测；遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照、人造卫星飞行姿态控制、地球资源卫星多光谱扫描仪；生物科学中研究植物发育和培育良种；建筑科学中建筑材料的老化测试等方面。光谱辐照强度、辐照度的均匀性以及光谱能量分布3个参数是决定太阳模拟器性能的关键。
3.现有技术中受准直透镜制作工艺、光学积分器的孔径利用率、光源功率尺寸的大小和基准辐照面与积分球出光口距离的影响，存在以下问题：
4.(1)辐照面较小；
5.(2)能量利用率较低；
6.(3)球内放置光源，限制积分球尺寸大小；
7.(4)基准辐照面大小随基准辐照面距积分球出光口距离增加而变大时，基准辐照面的均匀性较低。
8.其问题制约了光伏产业、航空航天业、国防等相关行业的发展与科技进步，成为本领域技术人员急待解决的一个技术问题。
9.综上，为实现发散式太阳模拟器的高精度模拟，需针对现有的太阳模拟器进行改进，研究一种辐照均匀性高、光谱匹配精度高、大面积的太阳辐照模拟方法。


技术实现要素：

10.本发明针对现有技术存在的问题，设计一种新型太阳模拟装置。
11.针对现有的太阳模拟器存在的问题，通过光源组件、组合聚光镜组件、积分球、滤光片和二次配光反射镜的共同作用。实现出射一束具有一定发散角的光，在辐照均匀性高的同时达到大面积的辐照模拟。
12.本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：设计一种新型太阳模拟装置，由光源组件、组合聚光镜组件、积分球、挡光板、滤光片和二次配光反射镜组成。
13.其中，光源组件包括氙灯和卤钨灯；组合聚光镜组件包括组合聚光镜ⅰ和组合聚光镜ⅱ，组合聚光镜ⅰ包括椭球聚光镜ⅰ与球面反光镜ⅰ，组合聚光镜ⅱ包括椭球聚光镜ⅱ与球面反光镜ⅱ，且光源组件中的氙灯与组合聚光镜ⅰ配合使用，卤钨灯与组合聚光镜ⅱ配合使用。
14.光源组件置于组合聚光镜组件中的椭球聚光镜的第一焦点处，即氙灯置于组合聚光镜ⅰ中的椭球聚光镜ⅰ的第一焦点，卤钨灯置于组合聚光镜ⅱ中的椭球聚光镜ⅱ的第一焦点；光源组件置于组合聚光镜组件中的球面反光镜的圆心处，即氙灯置于组合聚光镜ⅰ中的球面反光镜ⅰ的圆心，卤钨灯置于组合聚光镜ⅱ中的球面反光镜ⅱ的圆心；组合聚光镜ⅰ在
组合聚光镜ⅱ上方，通过相对旋转相同角度，使得椭球聚光镜ⅰ的第二焦点与椭球聚光镜ⅱ的第二焦点重合；积分球置于组合聚光镜组件的后端，且积分球的入光口中心置于组合聚光镜组件中的椭球聚光镜ⅰ与椭球聚光镜ⅱ的第二焦点中心处，积分球入光口大小取决于光源组件发出的光经组合聚光镜组件汇聚到椭球聚光镜ⅰ与椭球聚光镜ⅱ第二焦点处光斑的大小；挡光板置于积分球内，正对着积分球入光口，且距积分球入光口为积分球半径的1/4处；滤光片置于积分球出光口处；二次配光反射镜置于积分球的后端，且二次配光反射镜入光口大小与积分球出光口大小一致；积分球入光口、挡光板、滤光片、积分球出光口以及二次配光反射镜光轴一致。
15.如上所述的一种新型太阳模拟装置，其中，
16.光源组件用于产生具有0.4
‑
1.1μm波长范围的光线；
17.组合聚光镜组件用于汇聚光源组件发出的光线；
18.积分球用于混合且均匀组合聚光镜组件汇聚的光线。积分球内壁采用内壁高反射率ρ的球，有效开孔比f
有
为出光口面积之和与总球内壁面积之比，计算公式如下：
[0019][0020]
总开孔比f
总
为所有开口面积之和与总球内壁面积之比，计算公式如下：
[0021][0022]
能量利用率η，计算公式如下：
[0023][0024]
式中，入光口开孔个数i、出光口开孔个数j(后续j均为1)、积分球半径r、开孔半径r。
[0025]
挡光板用于遮挡直射积分球的光，避免光线未经积分球多次漫反射直接射出；
[0026]
滤光片用于过滤经积分球混合后无用波段的光线，进行高精度光谱匹配；
[0027]
二次配光反射镜为复合抛物面型，基于复合抛物面聚光镜(cpc，compound parabolic concentrator)逆用的方法用于光线的配光处理，即将出射光线进行均匀化处理且实现大辐照面模拟。二次配光反射镜设计，计算公式如下：
[0028]
a＝r
j
[0029][0030][0031]
式中，入光口半径a、出光口半径b、发散半角θ、二次配光反射镜长度l。
[0032]
如上所述的一种新型太阳模拟装置，其中，
[0033]
由光源组件发出的光线经过组合聚光镜组件作用后，汇聚至积分球的入光口，经过积分球的混光、匀光作用后，从积分球的出光口出射，并经过滤光片后进入二次配光反射镜，经过二次配光反射镜的作用后，以具有一定发散角度的光出射。至此，由光源组件发出的光线经过聚光作用、混光作用、匀光作用、滤光作用后，在辐照面处形成了一束具有高均匀度、高光谱匹配度和大辐照面的光斑。
[0034]
综上所述，本发明主要由光源组件、组合聚光镜组件、积分球、滤光片和二次配光反射镜组成。本发明用于航天器模拟试验与标定、光伏产业检测和特殊材料检测等领域，组成简单，性能可靠，可实现对太阳输出的精密模拟。
附图说明
[0035]
附图1为本发明具体实施例提供的一种新型太阳模拟装置的总体结构示意图；
[0036]
附图标记：1——光源组件；11——氙灯；12——卤钨灯；2——组合聚光镜组件；21 ——椭球聚光镜ⅰ；22——球面反光镜ⅰ；23——椭球聚光镜ⅱ；24——球面反光镜ⅱ； 3——积分球；4——挡光板；5——滤光片；6——二次配光反射镜。
具体实施方式
[0037]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在附图或说明书中，相似或相同的元件皆使用相同的附图标记。
[0038]
附图为本发明实施例提供的一种新型太阳模拟装置的总体结构示意图。由光源组件1、组合聚光镜组件2、积分球3、挡光板4、滤光片5、二次配光反射镜6组成。
[0039]
其中，光源组件1包括氙灯11和卤钨灯12；组合聚光镜组件2包括组合聚光镜ⅰ和组合聚光镜ⅱ，组合聚光镜ⅰ包括椭球聚光镜ⅰ21与球面反光镜ⅰ22，组合聚光镜ⅱ包括椭球聚光镜ⅱ23与球面反光镜ⅱ24，且光源组件1中的氙灯11与组合聚光镜ⅰ配合使用，卤钨灯12与组合聚光镜ⅱ配合使用。
[0040]
光源组件1置于组合聚光镜组件2中的椭球聚光镜ⅰ21与椭球聚光镜ⅱ23的第一焦点处，即氙灯置于组合聚光镜ⅰ中的椭球聚光镜ⅰ21的第一焦点，卤钨灯置于组合聚光镜ⅱ中的椭球聚光镜ⅱ23的第一焦点；光源组件1置于组合聚光镜组件2中的球面反光镜ⅰ22与球面反光镜ⅱ24的圆心处，即氙灯置于组合聚光镜ⅰ中的球面反光镜ⅰ22的圆心，卤钨灯置于组合聚光镜ⅱ中的球面反光镜ⅱ24的圆心；组合聚光镜ⅰ在组合聚光镜ⅱ上方，通过相对旋转相同角度，使得椭球聚光镜ⅰ21的第二焦点与椭球聚光镜ⅱ23的第二焦点重合；积分球3置于组合聚光镜组件2的后端，且积分球3的入光口中心置于组合聚光镜组件2中的椭球聚光镜ⅰ21与椭球聚光镜ⅱ23的第二焦点中心处，积分球3入光口大小取决于光源组件1发出的光经组合聚光镜组件2汇聚到椭球聚光镜ⅰ21与椭球聚光镜ⅱ23的第二焦点处光斑的大小；挡光板4置于积分球3内，正对着积分球3入光口，且距积分球3入光口为积分球3半径的1/4处；滤光片5置于积分球3出光口处；二次配光反射镜6置于积分球3的后端，且二次配光反射镜6入光口大小一致与积分球3出光口大小；积分球3入光口、挡光板4、滤光片5、积分球3出光口以及二次配光反射镜 6光轴一致。
[0041]
如上所述的一种新型太阳模拟装置，其中，
[0042]
光源组件1中氙灯11和卤钨灯12，其用于产生具有0.4
‑
1.1μm波长范围的光线；
[0043]
组合聚光镜组件2材料采用锻铝，椭球聚光镜利用率为85％、球面反射镜利用率为 80％，其用于汇聚光源组件1发出的光线；
[0044]
积分球3用于混合且均匀组合聚光镜2组件汇聚的光线。综合考虑积分球开孔比与能量利用率，积分球3采用高内壁反射率的球，积分球3入光口开孔个数为1、积分球3出光口开孔个数为1。
[0045]
挡光板4用于遮挡直射积分球3的光，避免光线未经积分球3多次漫反射直接射出；
[0046]
滤光片5用于过滤经积分球3混合后无用波段的光线，透过并修正0.4
‑
1.1μm波长范围的光线，进行am1.5太阳光谱高精度匹配；
[0047]
二次配光反射镜6为复合抛物面型，基于复合抛物面聚光镜(cpc，compound parabolicconcentrator)逆用的方法用于光线的配光处理，即将出射光线进行均匀化处理且实现大辐照面模拟。
[0048]
如上所述的一种新型太阳模拟装置，其中，
[0049]
由光源组件1发出的光线经过组合聚光镜组件2作用后，汇聚至积分球3的入光口，经过积分球3的混光、匀光作用后，从积分球3的出光口出射，并经过滤光片5后进入二次配光反射镜6，经过二次配光反射镜6的作用后，以具有一定发散角度的光出射。至此，由光源组件1发出的光线经过聚光作用、混光作用、匀光作用、滤光作用后，在辐照面处形成了一束具有高均匀度、高光谱匹配度和大辐照面的光斑。
[0050]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。