CN103256572B - 大面积稳态太阳模拟灯阵 - Google Patents

Abstract

一种大面积稳态太阳模拟灯阵，它包括一灯箱支架，在灯箱支架的底部设置有机箱，灯箱支架上设置有若干具有导轨的指板，指板上设置有灯箱，灯箱内设置有光源，机箱内设置有控制装置和开关电源，控制装置与开关电源互相连接并通过接触器和开关连接三相电源，开关电源通过触发器连接光源，灯箱支架的底部设置有位置卡角；采用辅助电源与开关电源并联使用，保证光源的点亮；在灯箱内设置有反光碗让线光源发出的光投影成较均匀的面光源；灯箱采用一列设计，便于组合使用；指板被钢丝连成一串，相邻两个指板之间的钢丝长度可手动调节，钢丝通过绞丝盘手摇绞动，来调整指板之间的间距，进而调节灯箱之间的间距；在灯箱上设置有风扇，保证光源的充分散热。

Description

大面积稳态太阳模拟灯阵

技术领域

本发明涉及一种太阳模拟灯阵，特别涉及一种用于大面积太阳光模拟的大面积稳态太阳模拟灯阵。

背景技术

太阳模拟器技术是利用人工光源模拟太阳光辐照特性的一种技术，其应用领域非常广泛，如太阳能电池的检测与标定、薄膜电池老练实验、热斑测试、卫星的热平衡试验、植物发育和良种培育、材料的耐辐照老化及高分子的固化测试等。在光伏行业里，太阳模拟器主要用于太阳电池及其组件的电性能测试、光老化试验和热板耐久试验等。

稳态太阳模拟灯阵一般采用氙灯、金卤灯和卤素灯等作为光源，多个灯组合形成阵列，从而获得大面积均匀的光斑，光源的选择主要考虑光谱的需要，灯的数量和排列主要是满足辐照面积和均匀性的需要，光源的电源选择一般考虑稳定性的需要，如果需要高稳定性的模拟光，一般采用恒流源供电，如果对稳定性要求不高，一般采用简单的交流整流器电路供电。

如德国ATLAS的SolarConstant 4000，采用的是金卤灯作为光源，交流供电，光波形也是交流的，因此光的瞬时稳定性不好；又如中国发明专利“太阳电池阵光照设备”中设计了两种灯车组合来达到较好的光均匀度，但是设计复杂，使用时需严格配合两种灯车，很不方便，而且灯车需要依靠滚轮和支撑脚来移动或固定，使用也很不方便，使用氙灯作为光源，没有考虑到氙灯点亮的难度，没有配备辅助电源作为氙灯点亮的可靠装置这就不能避免使用时氙灯点不亮。

因此，特别需要一种大面积稳态太阳模拟灯阵，已解决上述现有存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大面积稳态太阳模拟灯阵，针对上述现有的技术存在的缺陷，能产生高稳定性的模拟光，结构简单，使用方便。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，它包括一灯箱支架，在所述灯箱支架的底部设置有机箱，所述灯箱支架上设置有若干具有导轨的指板，所述指板上设置有灯箱，所述灯箱内设置有光源，所述机箱内设置有控制装置和开关电源，所述控制装置与所述开关电源互相连接并通过接触器和开关连接三相电源，所述开关电源通过触发器连接所述光源，所述灯箱支架的底部设置有位置卡角。

在本发明的一个实施例中，所述灯箱由上至下垂直排列设置在所述灯箱支架上。

在本发明的一个实施例中，所述控制装置包括一控制芯片MCU和一主控面板，所述控制芯片MCU与所述主控面板互相连接，所述控制芯片MCU与所述开关电源互相连接。

在本发明的一个实施例中，所述控制装置分别连接有温度探测器、电流传感器、电压传感器和参考电池，所述温度探测器、电流传感器和电压传感器还连接有巡检仪。

进一步，所述参考电池设置在所述灯箱的后端。

进一步，所述温度传感器设置在所述灯箱内部。

在本发明的一个实施例中，所述灯箱包括一金属外罩和设置在金属外罩中的光源，所述光源的后端设置有一用于调节光源的光强和均匀性的微距螺旋调节器，在所述金属外罩的后端设置有一用于调节灯箱照射角度的照射角度调节装置。

进一步，所述光源为氙气灯管。

进一步，所述照射角度调节装置与所述金属外罩之间通过螺钉互相连接。

在本发明的一个实施例中，所述灯箱的侧面设置有风扇，所述风扇与所述接触器互相连接。

在本发明的一个实施例中，所述灯箱内设置有一反光碗，所述反光碗包括一截取全抛物线一部分的外延段及连接在外延段两侧呈直线形的延伸段，所述光源设置在所述反光碗的前端。

进一步，所述外延段与所述延伸段之间呈钝角。

在本发明的一个实施例中，所述开关电源上并联有一辅助电源，所述辅助电源包括一倍压整流电路。

在本发明的一个实施例中，所述机箱上设置有绞丝盘，所述灯箱支架上的指板通过钢丝互相连接并与所述绞丝盘互相连接。

在本发明的一个实施例中，所述灯箱支架上端通过一人形钢丝与所述机箱上部互相连接。

本发明的大面积稳态太阳模拟灯阵，与现有的技术相比，采用辅助电源与开关电源并联使用，保证光源的点亮；在灯箱内设置有反光碗让线源发出的光投影成较均匀的面光源；灯箱采用一列的设计，便于组合使用指板被钢丝连成一串，相邻两个指板之间的钢丝长度可以手动调节，钢丝通过一个绞丝盘手摇绞动，来调整指板之间的间距，进而来调节灯箱之间的间距；在灯箱上设置有风扇，保证光源的充分散热，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的大面积稳态太阳模拟灯阵的结构示意图；

图2为本发明的大面积稳态太阳模拟灯阵的电路原理图；

图3为本发明的大面积稳态太阳模拟灯阵的侧面示意图；

图4为本发明的灯箱发光碗的反射光路示意图；

图5为本发明的灯箱的结构示意图；

图6为本发明的灯箱的背面示意图；

图7为本发明的灯箱的正面示意图；

图8为本发明的辅助电源的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1和图2所示，本发明的大面积稳态太阳模拟灯阵，它包括一灯箱支架100，在所述灯箱支架100的底部设置有机箱200，所述灯箱支架100上设置有若干具有导轨的指板110，所述指板110上设置有灯箱300，所灯箱300内设置有光源310，所述机箱200内设置有控制装置210和开关源220，所述控制装置210与所述开关电源220互相连接并通过接触器230和开关240连接三相电源400，所述开关电源220通过触发器250连接所述光源310，所述灯箱支架100的底部设置有位置卡角120。

所述机箱200上设置有绞丝盘500，所述灯箱支架100上的指板110通过钢丝互相连接并与所述绞丝盘500互相连接，由绞丝盘500控制指板110的起降，方便安装，拆卸和定位。

每个灯箱300固定在可移动的指板110上，指板110被钢丝连成一串，相邻两个指板110之间的钢丝长度可以手动调节，整个钢丝通过绞丝盘500手摇绞动，来调整指板110之间的间距，进而来调节灯箱300之间的间距，使每个灯箱300的位置可调。

位置卡角120方便灯箱支架100的定位和安装。

在本发明中，所述灯箱300由上至下垂直排列设置在所述灯箱支架100上。

如图2所示，所述控制装置210包括一控制芯片MCU211和一主控面板212，所述控制芯片MCU211与所述主控面板212互相连接，所述控制芯片MCU211与所述开关电源220互相连接。

所述控制装置210分别连接有温度探测器260、电流传感器270、电压传感器280和参考电池290，所述温度探测器260、电流传感器270和电压传感器280还连接有巡检仪600。

所述参考电池290设置在所述灯箱100的后端。（参见图6）

所述温度传感器260设置在所述灯箱100内部。（参见图7）

当三相电源400工作后，经由开关240至接触器230，此接触器230电后可直接控制灯箱300的风扇700制冷，另外接触器230给开关电源2和辅助电源800供电，当光源310触发后，辅助电源800将停止工作而由开关电源220给光源310提供稳定的电流输出。

温度探测器260、电流传感器270和电压传感器280的信号将同时输出给巡检仪600，以方便现场工作人员的实时监测和快速的故障排除。

电压传感器280，接收光源310工作时得到的电流信号，经由霍尔电压传感器，进行ADC转化后，将信号输入给控制芯片MCU211进行数据分析和反馈。

电流传感器270，接收光源310工作时得到的电流信号，经由霍尔电流传感器，进行ADC转化后，将信号输入给控制芯片MCU211进行数据分析和反馈。

在设备调试阶段，我们需要调整个灯箱的位置，光强，角度等参数，这时需要手动调节主控面板212上的电位器，来达到控制单个灯光强的效果。通过参考电池290的信号反馈，经过信号ADC处理，由电位器和后端积分电路，保证了线性稳定的模拟信号的输出，继而达到线性控制单个灯的光强，在手动调节控制时，实测光源310电流的变化精度可达0.05A。

当设备按照要求调试达标后，在正常工作输出时，当电路出现纹波或者噪音时，那些没有被消除的影响，最后加到光源310的两端，最终反映为光源310两端的输出值与设定值发生偏差，从而影响了光强的输出。这时的参考电池290则进行实时的检测，并进行全闭环的反馈，在0~10V的可控区间，调整开关电源220的恒流输出。

三相电源400采用了三相平衡的直流整流滤波，并且为了保证光源310在工作时，开关电源220的恒流输出，在电路上采取了输出电压采样，过光耦合器的隔离传输，反馈后调整输出PWM的占空比，形成闭环反馈间接调整输出电流大小，维持恒流输出。

如图3所示，所述灯箱支架100上端通过一人形钢丝900与所述机箱上部互相连接，增加整体的稳定度，人形钢丝900的长度可以调节以增加稳定性。

如图5、图6和图7所示，所述灯箱300包括一金属外罩320和设置在金属外罩320中的光源310，所述光源310的后端设置有一微距螺旋调节器330，在所述金属外罩320的后端设置有一照射角度调节装置340。

所述光源310为氙气灯管；所述照射角度调节装置340与所述金属外罩320之间通过螺钉350互相连接。

所述灯箱300的侧面设置有风扇800，所述风扇800与所述接触器230互相连接。

微距螺旋调节器330可以调节光源310相对与抛物面槽形反光碗360的离焦量，为光源310的光强和均匀性的调节提供了更好的条件和更便利的手段。灯箱300背面上下对称共排布6个螺钉350，对于在机加工上引入的加工误差和装配中引入位置误差，提供了抛物面反光碗的轻微结构可调整性，可以进一步优化光源的均匀性，和光强的稳定性。

风扇800有单独供电，用于防止风扇过热，可以增加光的稳定输出，延长灯的使用寿命。对于特殊的设计要求考量，风扇800可以由控制芯片MCU211上预留的I/O口控制，以达到随温度的变化，线性的控制灯箱300温度的要求。

金属外罩320做了防电磁干扰设计，减少了电源功率损失，增加了效率。照射角度调节装置340可以提供小角度的转动，在提供更大面积光区域时，带来的左右不均匀性的控制。参考电池290用于检测和反馈，到稳定光强的作用。

如图4和图7所示，所述灯箱300内设置有一反光碗360，所述反光碗360包括一截取全抛物线一部分的外延段361及连接在外延段361两侧呈直线形的延伸段362，所述光源310设置在所述反光碗360的前端。所述外延段361与所述延伸段362之间呈钝角。

图中370为全抛物柱面截面，本发明中的反光碗360的与原来的全抛物柱面形相比，单边减少△d的机械尺寸，使灯箱300的体积减小，大大增加单灯位置的可控性，使得光的照射面积更易被控制和调整。

光线380为全抛柱物面反射情况下的光程；而光线390则为本发明中的反光碗360使用的设计，我们可以发现，相对于照射区域363来说，采用本发明中的反光碗360的槽形外延后，照射区域363与原来相比，接受了更多的光线，大大增加了光线的利用率，并且改善了光的均匀性。

所述外延段361与所述延伸段362之间呈钝角，在有限的尺寸空间和外在诸多限制下，使光源310得到最佳的利用率和最优化的光强均匀性。

如图8所示，所述开关电源220上并联有一辅助电源800，所述辅助电源800包括一倍压整流电路810。

辅助电源800与开关电源220并联使用，辅助电源800包括一倍压整流电路810，可以产生600V以上的电压，开关电源220提供300V以上的电压；使用时，先给辅助电源800充电，然后给开关电源220上电，触发光源310点亮，点亮后，辅助电源800就切断电源不工作了。

本发明的大面积稳态太阳模拟灯阵具有如下的技术特点：

1、光谱近似AM0光谱标准，模拟程度高；

2、光源的电流可控，配备独立的电流控制器，配合软件，更改光辐参数，实现光强全闭环控制；

3、光强的闭环控制，控制光辐照度的稳定效果更佳；

4、采用抛物柱面反光光路，配合可调灯装置，实现设备在距离被照面1200mm处，不均匀度≤20%；

5、超大辐照面积：1700X2400mm（宽X高）；

6、采用模块化设计风格，拆卸、安装及调试更迅捷、灵活；

7、新型滑轨设计风格，使得设备在测试横向操作更佳灵活；

8、光学仿真设计与实际设计相结合，在理论的基础上加以验证，为设计提供较为明确的指导。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (12)

1.一种大面积稳态太阳模拟灯阵，它包括一灯箱支架，在所述灯箱支架的底部设置有机箱，所述灯箱支架的底部设置有位置卡角；其特征在于，所述灯箱支架上设置有若干具有导轨的指板，所述指板上设置有灯箱，所述灯箱内设置有光源，所述机箱内设置有控制装置和开关电源，所述控制装置与所述开关电源互相连接并通过接触器和开关连接三相电源，所述开关电源通过触发器连接所述光源。

2.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述灯箱由上至下垂直排列设置在所述灯箱支架上。

3.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述控制装置包括一控制芯片MCU和一主控面板，所述控制芯片MCU与所述主控面板互相连接，所述控制芯片MCU与所述开关电源互相连接。

4.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述控制装置分别连接有温度探测器、电流传感器、电压传感器和参考电池，所述温度探测器、电流传感器和电压传感器还连接有巡检仪。

5.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述灯箱包括一金属外罩和设置在金属外罩中的光源，所述光源的后端设置有一用于调节光源的光强和均匀性的微距螺旋调节器，在所述金属外罩的后端设置有一用于调节灯箱照射角度的照射角度调节装置。

6.如权利要求5所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述照射角度调节装置与所述金属外罩之间通过螺钉互相连接。

7.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述灯箱的侧面设置有风扇，所述风扇与所述接触器互相连接。

8.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述灯箱内设置有一反光碗，所述反光碗包括一截取全抛物线一部分的外延段及连接在外延段两侧呈直线形的延伸段，所述光源设置在所述反光碗的前端。

9.如权利要求8所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述外延段与所述延伸段之间呈钝角。

10.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述开关电源上并联有一辅助电源，所述辅助电源包括一倍压整流电路。

11.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述机箱上设置有绞丝盘，所述灯箱支架上的指板通过钢丝互相连接并与所述绞丝盘互相连接。

12.如权利要求1所述的大面积稳态太阳模拟灯阵，其特征在于，所述灯箱支架上端通过一人形钢丝与所述机箱上部互相连接。