CN104266101A - 一种以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度的太阳模拟器 - Google Patents
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Abstract
一种以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度太阳模拟器，由氙灯及其椭球面反射镜、氙灯滤色片组、卤素灯及其椭球面反射镜、卤素灯滤色片组、半透半反射镜、积分器、快门、平面反射镜、准直透镜和工作平台组成，氙灯及其椭球面反射镜和卤素灯及其椭球面反射镜的反射光线互相垂直；积分器接受来自半透半反射镜的光线并通过快门照射到平面反射镜上；平面反射镜反射的光线经准直透镜形成模拟太阳光照射到工作平台上。本发明的优点是：该太阳模拟器采用氙灯和卤素灯两种不同的人造光源，分别经多种滤色片组滤光，实现光谱匹配度小于±5%太阳模拟器，优于国际标准IEC-60904-9的ClassA的±25%的指标，达到了国际先进水平。
Description
技术领域
本发明属于分析及测量控制、光伏能源、太空、农业、材料技术领域，如太阳电池的检测与标定、电池老化、热循环测试、卫星热平衡试验、植物发育和良种培育、材料的耐辐照老化和高分子的固化测试等，特别是一种采用双光源多种滤色片实现高光谱匹配度太阳模拟器的方法。
背景技术
在许多领域，都需要用到太阳模拟器来模拟太阳光，如太阳电池的检测与标定、电池老化、热循环测试、卫星热平衡试验、植物发育和良种培育、材料的耐辐照老化和高分子的固化测试等，特别是光伏能源领域，需要用高光谱匹配度太阳模拟器来测量与分析太阳电池的各种性能。
太阳能电池的测试，需要在一个统一的标准下进行，为此国际电工委员会第82技术委员会，即太阳光伏能源系统标准化委员会(IEC-TC82）规定了地面用太阳电池的标准测试条件为：测试温度25±2℃，光源的光谱辐照度1000W/m2，并具有标准的AM1.5太阳光谱辐照度分布。获得AM1.5太阳光谱的条件为：在地球的海平面上，选择晴空无云、无污染的气候条件下，太阳与地球的天顶角为48.2°时，即太阳光穿过1.5个地球大气层后的光谱为AM1.5。实际应用时，采用的是考虑到太阳光在大气层中漫反射后产生的太阳光谱AM1.5G。
通常，太阳光受到地球的自转、太阳入射角度、云层、粉尘污染、雾霾等的影响，得到AM1.5G太阳光谱的分布比较困难。同时，对于大量的测试，仅仅依靠太阳来获得合适的测试条件，也是不现实的，所以需要太阳模拟器，方便随时随地得到合适的AM1.5G太阳光谱和辐照强度。
人造光源中，氙灯是最接近太阳光谱的人造光源，氙灯光经过滤光片后，可以得到光谱匹配度比较好的太阳模拟器。但是，这样得到的太阳模拟器与太阳光谱AM1.5G相比，还是有比较大的差别，为此，IEC-60904-9国际标准将太阳模拟器分为以下级别，见表1所示：
表1：太阳模拟器分级表（IEC-60904-9国际标准）
按照IEC-60904-9国际标准，最高等级的太阳模拟器为Class AAA，也就是说辐照强度不均匀性为A级（≦±2%）；辐照强度不稳定性为A级（≦±2%）；光谱匹配度为A级（0.75-1.25）；其中最难实现的指标是光谱匹配度。
太阳电池是对光敏感的电子器件，测量太阳电池的IV特性曲线，计算太阳电池的转换效率等参数时，因为太阳模拟器的光谱匹配度的偏差最大，所以对测试结果的影响也比较大，因而希望太阳模拟器的光谱匹配度的偏差越小越好，高光谱匹配度是有现实需求的。
传统的太阳模拟器，采用单氙灯光源加单片滤色片的方法来模拟太阳光。氙灯在短波长范围内与太阳光谱比较接近，而在长波段与太阳光谱相差比较多。另外，在氙灯的光谱中，有若干段的光与太阳光谱相差比较多，采用一片滤色片很难将这么多段的光同时过滤到与太阳光谱相一致的程度，故传统的太阳模拟器的光谱匹配度最高能达到±25%的Class A级水平。
本发明采用双光源多种滤色片来实现高光谱匹配度太阳模拟器，一种光源为氙灯，另一种光源为卤素灯，利用卤素灯在长波段辐照强度比较强的优势来弥补氙灯在长波段的不足。另外，采用多种滤色片，可以分别过滤不同波段的光，直接降低了太阳模拟器对滤色片的要求，比较容易实现高光谱匹配度。
本方法适合于光伏能源、太空、农业领域，如太阳电池的检测与标定、卫星热平衡试验、植物发育和良种培育等领域，特别是需要高光谱匹配度，需严格标定和检测太阳电池的转换效率的场合。本发明的有益效果是：采用氙灯、卤素灯和多种滤色片，在300-1100nm的光谱范围内，太阳模拟器与太阳AM1.5G的光谱匹配度小于±5%，优于国际标准IEC-60904-9的Class A的±25%的指标。
高光谱匹配度的太阳模拟器在需要严格标定和检测太阳电池的转换效率，需要高性能太阳模拟器的场合，有着很好的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术分析和存在的问题，提供一种以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度的太阳模拟器，该太阳模拟器采用氙灯和卤素灯双光源以及多种滤色片，在300-1100nm的光谱范围内，该太阳模拟器与太阳AM1.5G的光谱匹配度小于±5%，通过更换不同功率的氙灯、卤素灯，不同大小的椭球面反射镜、滤色片、积分器、半透半反镜、反射镜和准直透镜，实现出射光斑大小不同的太阳模拟器。
本发明的技术方案：
一种以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度太阳模拟器，由氙灯及其椭球面反射镜、氙灯滤色片组、卤素灯及其椭球面反射镜、卤素灯滤色片组、半透半反射镜、积分器、快门、平面反射镜、准直透镜和工作平台组成，卤素灯及其椭球面反射镜、卤素灯滤色片组、半透半反射镜、积分器、快门和平面反射镜的中心处于同一水平线上；平面反射镜、准直透镜和工作平台的中心处于同一垂直线上；氙灯及其椭球面反射镜和卤素灯及其椭球面反射镜的反射光线互相垂直并分别通过氙灯滤色片组和卤素灯滤色片组照射到与两组反射光线呈45°夹角设置的半透半反射镜的两个表面；积分器接受来自半透半反射镜的光线，自半透半反射镜的光线通过快门照射到与水平光线呈45°夹角设置的平面反射镜上，快门控制光线的开闭；平面反射镜反射的光线经过准直透镜后形成一个准直角小于±3°的均匀分布的模拟太阳光照射到工作平台上。
所述氙灯为短弧球形氙灯，氙灯滤色片组为2-40片不同滤色片组成。
所述卤素灯为碘钨灯或溴钨灯，卤素灯滤色片组为1-5片不同滤色片组成。
所述与氙灯和卤素灯匹配的椭球面反射镜为镍基镀铑金属反光镜或玻璃基镀铝反射镜，椭球面反射镜的焦距和开孔的大小根据实际需求确定。
本发明的工作机理：
该太阳模拟器采用氙灯和卤素灯两种光源，分别通过多种滤色片组成的氙灯滤色片组和多种滤色片组成的卤素灯滤色片组滤光后，再通过一个半透半反镜进行混合，混光后再经过积分器匀光，通过快门，照射到反射镜后到达准直透镜，光线经过准直后，成一个准直角小于±3°的均匀分布的模拟光照射到工作平台上，实现高光谱匹配度太阳模拟器。
本发明的优点是：该太阳模拟器采用氙灯和卤素灯两种不同的人造光源，分别经多种滤色片组滤光，利用短弧球形氙灯在短波段、卤素灯在长波段辐照强度大的特点，取长补短，实现光谱匹配度小于±5%太阳模拟器，优于国际标准IEC-60904-9的Class A的±25%的指标，达到了国际先进水平。
【附图说明】
图1 为该太阳模拟器结构示意图。
图中：1.氙灯及其椭球面反射镜 2.氙灯滤色片组 3.卤素灯及其椭球面反射镜 4.卤素灯滤色片组 5.半透半反射镜 6.积分器 7.快门
8.平面反射镜 9.准直透镜 10.工作平台。
图2为氙灯滤色片组平面结构示意图。
图3为卤素灯滤色片组平面结构示意图。
图4为该太阳模拟器与AM1.5G太阳光谱曲线。
【具体实施方式】
实施例:
一种以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度的太阳模拟器，如图1所示，由氙灯及其椭球面反射镜1、氙灯滤色片组2、卤素灯及其椭球面反射镜3、卤素灯滤色片组4、半透半反射镜5、积分器6、快门7、平面反射镜8、准直透镜9和工作平台10组成，卤素灯及其椭球面反射镜3、卤素灯滤色片组4、半透半反射镜5、积分器6、快门7和平面反射镜8的中心处于同一水平线上；平面反射镜8、准直透镜9和工作平台10的中心处于同一垂直线上；氙灯及其椭球面反射镜1和卤素灯及其椭球面反射镜3的反射光线互相垂直并分别通过氙灯滤色片组2和卤素灯滤色片组4照射到与两组光线呈45°夹角设置的半透半反射镜5的两个表面；积分器6接受来自半透半反射镜5的光线，自半透半反射镜5的光线通过快门7照射到与水平光线呈45°夹角设置的平面反射镜8上，快门7控制光线的开闭；平面反射镜8反射的光线经过准直透镜9后形成一个准直角小于±3°的均匀分布的模拟太阳光照射到工作平台10上。
该实施例中，氙灯为1000W短弧球形氙灯，椭球面反射镜为型号E241X35的椭球面镍基镀铑金属反光镜，椭球面反光镜的参数为：焦距 F1=20.6、F1-F2=241，外径138㎜、内孔径35㎜、高度95㎜，氙灯滤色片组由30片滤色片组成，其中28片为石英玻璃，尺寸为25mm×25mm×2.5mm，另外2片尺寸为50mm×50mm×2.5mm，拼为一个尺寸为150mm×150mm×2.5mm的短弧球形氙灯滤色片组，其中1片为380nm长通滤色片,另外 1片为420nm长通滤色片,如图2所示；卤素灯为400W碘钨灯，椭球面反射镜与短弧球形氙灯所用的椭球面反射镜相同，卤素灯的滤色片组由2片尺寸为197mm×82mm×2mm的滤色片组成，其中1片在300-700nm波段为截止，700-925nm波段为通过，925-1000nm波段为截止，大于1000nm波段以上的波长为通过的滤色片，另外1片在300-710nm波段为截止，710-1060nm波段为通过，大于1060nm波段以上的波长为截止的滤色片，拼为一个尺寸为197mm×160mm×2mm的卤素灯滤色片组，如图3所示；半透半反射镜的长度为200mm、宽度为140mm、厚度为3mm；积分器的直径为100mm；反射镜的尺寸为250mm×200mm×5mm；准直透镜的直径为300mm。
该太阳模拟器的调节方法：
分别调节氙灯、卤素灯、半透半反镜、积分器等光学元件的位置，让氙灯和卤素灯的光混光后汇聚到积分器上，调节平面反射镜、准直透镜和工作平台的位置，得到准直角小于±3°的均匀分布的模拟太阳光；若模拟太阳光辐照强度不均匀性大于±2%，则按上所述方法重复调整，直至辐照强度不均匀性小于±2%。
辐照强度不稳定性是由氙灯、卤素灯、以及这两种灯的供电电源综合决定的。若辐照强度不稳定性大于±2%，则有可能是灯泡老化所致，需要更换相应的灯泡。若灯泡没有问题，则需要更换相应的供电电源，一般来说采用高精度高稳定的直流电源都能实现辐照强度不稳定性小于±2%的指标。
具体工作过程如下：
1）分别将2个椭球面反射镜固定，并将氙灯和卤钨灯分别固定在一个可以在XYZ方向上调节的绝缘支架上，调节这两个支架，分别将氙灯光源的中心点放到椭球面反射镜的一个焦点上，将卤钨灯光源的中心点放到另外一个椭球面反射镜的一个焦点上。将氙灯滤色片组安置在氙灯椭球面反射镜的出光方向，将卤素灯滤色片组安置在卤素灯椭球面反射镜的出光方向，并且将半透半反镜放置在两个椭球面反射镜法线的交点处，并与法线呈45°角；
2）氙灯的光经椭球面反射镜汇聚后，通过氙灯滤色片组照射到半透半反镜，经反射后照射到积分器；卤素灯的光经椭球面反射镜汇聚后，通过卤素灯滤色片组照射到半透半反镜，经透射后照射到积分器，这两束光经过半透半反镜后达到了混光的目的；
3）混合光经积分器匀光后照射到反射镜，经反射后照射到准直透镜，光线经准直后，形成一个准直角小于±3°的均匀分布的模拟光照射到工作平台上，光斑面积为160mm×160mm；
4）快门打开时，模拟光照射到工作面上，快门关闭时，模拟光则不能照射到工作面上；
5）在工作平台附近，采用型号为iHR320的成像光谱仪测试太阳模拟器的光谱，其光谱曲线与AM1.5G太阳光谱曲线如图4所示。光谱匹配度如表2所示，在300-1100nm的光谱范围内，太阳模拟器与太阳AM1.5G的光谱匹配度小于±5%，获得了高光谱匹配度太阳模拟器。
表2：高性能太阳模拟器与AM1.5G的光谱匹配度
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度太阳模拟器，其特征在于：由氙灯及其椭球面反射镜、氙灯滤色片组、卤素灯及其椭球面反射镜、卤素灯滤色片组、半透半反射镜、积分器、快门、平面反射镜、准直透镜和工作平台组成，卤素灯及其椭球面反射镜、卤素灯滤色片组、半透半反射镜、积分器、快门和平面反射镜的中心处于同一水平线上，平面反射镜、准直透镜和工作平台的中心处于同一垂直线上；氙灯及其椭球面反射镜和卤素灯及其椭球面反射镜的反射光线互相垂直并分别通过氙灯滤色片组和卤素灯滤色片组照射到与两组反射光线呈45°夹角设置的半透半反射镜的两个表面；积分器接受来自半透半反射镜的光线，自半透半反射镜的光线通过快门照射到与水平光线呈45°夹角设置的平面反射镜上，快门控制光线的开闭；平面反射镜反射的光线经过准直透镜后形成一个准直角小于±3°的均匀分布的模拟太阳光照射到工作平台上。
2.根据权利要求1所述以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度太阳模拟器，其特征在于：所述氙灯为短弧球形氙灯，氙灯滤色片组为2-40片不同滤色片组成。
3.根据权利要求1所述以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度太阳模拟器，其特征在于：所述卤素灯为碘钨灯或溴钨灯，卤素灯滤色片组为1-5片不同滤色片组成。
4.根据权利要求1所述以双光源多种滤色片实现高光谱匹配度太阳模拟器，其特征在于：所述与氙灯和卤素灯匹配的椭球面反射镜为镍基镀铑金属反光镜或玻璃基镀铝反射镜，椭球面反射镜的焦距和开孔的大小根据实际需求确定。
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| PB01 | Publication | ||
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