CN104460006A

CN104460006A - 多功能太阳光模拟装置

Info

Publication number: CN104460006A
Application number: CN201410820962.1A
Authority: CN
Inventors: 刘石; 孙高飞; 张国玉; 王凌云; 苏拾; 郑茹; 王浩君; 何洋
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明公布了一种多功能太阳光模拟装置，由氙灯电源、氙灯、聚光镜、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、光学积分器、准直光学系统、偏航回转机构、俯仰回转机构和计算机控制系统组成。其中，准直光学系统可拆装，当多功能太阳光模拟装置中设置准直光学系统时，该装置实现准直式太阳光模拟功能；当多功能太阳光模拟装置中移出准直光学系统时，该装置实现发散式太阳光模拟功能。

Description

多功能太阳光模拟装置

技术领域

本发明涉及太阳光模拟技术，尤其涉及将准直式太阳光模拟装置和发散式太阳光模拟装置结合的太阳光模拟技术。

背景技术

传统的太阳光模拟装置可分为准直式太阳光模拟装置和发散式太阳光模拟装置。准直式太阳光模拟装置可模拟的辐照面小（Φ60mm-Φ300mm），但辐照不均匀度高（±1%-±5%）；发散式太阳光模拟装置可模拟的辐照面大（Φ500mm-Φ2400mm），但辐照不均匀度低（±5%-±20%）。

为了满足大辐照面、高均匀度的模拟要求，需要一种太阳光模拟装置，既可实现准直式太阳光模拟装置具有的高辐照不均匀度，又可实现发散式太阳模拟装置具有的大辐照面积。

发明内容

本发明专利就是针对现有技术存在的问题设计一种多功能太阳光模拟装置。通过改变准直光学系统的工作位置，配合氙灯电源、氙灯、聚光镜、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、光学积分器、偏航回转机构、俯仰回转机构和计算机控制系统，实现准直式太阳光模拟功能和发散式太阳光模拟功能。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：设计多功能太阳光模拟装置，由氙灯电源、氙灯、聚光镜、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、光学积分器、准直光学系统、偏航回转机构、俯仰回转机构和计算机控制系统组成。其中，准直光学系统具有位置灵活性，可根据功能实现要求进行拆装。

氙灯电源与氙灯连接，控制氙灯的点亮和熄灭；聚光镜位于氙灯电源之后，聚光镜具有两个焦点，分别是第一焦点和第二焦点，聚光镜将第一焦点处的光线会聚在第二焦点处；氙灯在聚光镜之后，位于聚光镜的第一焦点处，氙灯在聚光镜的第一焦点处发出的光线，经过聚光镜后，会聚到聚光镜的第二焦点处；反射镜Ⅰ位于氙灯之后，实现光轴的第一次折转；反射镜Ⅱ位于反射镜Ⅰ之后，实现光轴的第二次折转；光学积分器在反射镜Ⅱ之后，位于聚光镜的第二焦点处，实现光线的匀化；准直光学系统位于光学积分器之后，且光学积分器放置在准直光学系统的焦面位置，准直光学系统实现光束的准直；俯仰回转机构连接准直光学系统、光学积分器和反射镜Ⅱ，实现准直光学系统、光学积分器和反射镜Ⅱ的俯仰角度调整，调整范围为±40°；偏航回转机构连接准直光学系统、光学积分器、反射镜Ⅱ、反射镜Ⅰ、聚光镜和氙灯，实现准直光学系统、光学积分器、反射镜Ⅱ、反射镜Ⅰ、聚光镜和氙灯的偏航角度调整，调整范围为±60°；计算机控制系统连接俯仰回转机构和偏航回转机构，实现角度调整的自动控制。

多功能太阳光模拟装置工作时，若需准直式太阳光模拟功能，则将准直光学系统设置在多功能太阳光模拟装置中；若需发散式太阳光模拟功能时，则将准直光学系统移出多功能太阳光模拟装置。

综上所述，本发明既实现了准直式太阳光模拟装置具有的高辐照不均匀度，又实现了发散式太阳模拟装置具有的大辐照面积，且拆装简单，装配可靠，制造成本低，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明的准直式太阳光模拟功能的组成示意图；

图2为本发明的发散式太阳光模拟功能的组成示意图。

具体实施方式

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。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的准直式太阳光模拟功能的组成示意图。当多功能太阳光模拟装置实现准直式太阳光模拟功能时，主要的组成部分包括：从下到上设置的氙灯电源11、氙灯12、聚光镜13、反射镜Ⅰ14、反射镜Ⅰ15、光学积分器16、准直光学系统20，以及偏航回转机构17、俯仰回转机构18和计算机控制系统19。

氙灯电源11与氙灯12连接，控制氙灯12的点亮和熄灭；聚光镜13位于氙灯电源11之后，聚光镜13具有两个焦点，分别是第一焦点和第二焦点，聚光镜13将第一焦点处的光线会聚在第二焦点处；氙灯12在聚光镜13之后，位于聚光镜13的第一焦点处，氙灯12在聚光镜13的第一焦点处发出的光线，经过聚光镜13后，会聚到聚光镜13的第二焦点处；反射镜Ⅰ14位于氙灯12之后，实现光轴的第一次折转；反射镜Ⅰ15位于反射镜Ⅰ14之后，实现光轴的第二次折转；光学积分器16在反射镜Ⅰ15之后，位于聚光镜13的第二焦点处，实现光线的匀化；准直光学系统20位于光学积分器16之后，且光学积分器16放置在准直光学系统20的焦面位置，准直光学系统20实现光束的准直；俯仰回转机构18连接准直光学系统20、光学积分器16和反射镜Ⅰ15，实现准直光学系统20、光学积分器16和反射镜Ⅰ15的俯仰角度调整，调整角度范围为±40°；偏航回转机构17连接准直光学系统20、光学积分器16、反射镜Ⅰ15、反射镜Ⅰ14、聚光镜13和氙灯12，实现准直光学系统20、光学积分器16、反射镜Ⅰ15、反射镜Ⅰ14、聚光镜13和氙灯12的偏航角度调整，调整角度范围为±60°；计算机控制系统19连接俯仰回转机构18和偏航回转机构17，实现角度调整的自动控制。

利用本发明专利进行准直式太阳光模拟的工作过程如下：氙灯电源11点亮氙灯12，氙灯12发出亮度可调且光谱接近太阳光谱的光线。氙灯12位于聚光镜13的第一焦点处，聚光镜13具有两个焦点，且根据聚光镜13的成像特点，聚光镜13将位于其第一焦点处氙灯12发出的光线会聚在其第二焦点处，实现光线的会聚。考虑到多功能太阳光模拟装置的外型尺寸不易过大且兼顾俯仰回转机构18和偏航回转机构17的使用要求，在氙灯12发出的光线会聚到聚光镜13的第二焦点处之前，在光路中放置了反射镜Ⅰ14，实现光轴的第一次折转；并在反射镜Ⅰ14后，放置了反射镜Ⅰ15，实现光轴的第二次折转。在聚光镜13的第二焦点处，放置光学积分器16，光学积分器16的作用是将投射在聚光镜13第二焦点处的光线进行均匀化。同时，光学积分器16也位于准直光学系统20的焦面位置，即聚光镜13的第二焦点与准直光学系统20的第一焦点重合，被光学积分器16均匀化的光线经过准直光学系统20后，成平行光出射，由此实现了准直式太阳光模拟功能。为了使用方便，设计俯仰回转机构18，可带动准直光学系统20、光学积分器16和反射镜Ⅰ15，实现±60°范围内的俯仰角度旋转；设计偏航回转机构17，可带动准直光学系统20、光学积分器16、反射镜Ⅰ15、反射镜Ⅰ14、聚光镜13和氙灯12，实现±40°范围内的偏航角度旋转。

其中，光学积分器16和准直光学系统20共同作用，保证多功能太阳光模拟装置在实现准直式太阳光模拟功能时，辐照面达到Φ300mm，且在辐照面内的辐射均匀性优于±5%。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的发散式太阳光模拟功能的组成示意图。当多功能太阳光模拟装置实现发散式太阳光模拟功能时，主要的组成部分包括：从下到上设置的氙灯电源11、氙灯12、聚光镜13、反射镜Ⅰ14、反射镜Ⅰ15、光学积分器16，以及偏航回转机构17、俯仰回转机构18和计算机控制系统19。

氙灯电源11与氙灯12连接，控制氙灯12的点亮和熄灭；聚光镜13位于氙灯电源11之后，聚光镜13具有两个焦点，分别是第一焦点和第二焦点，聚光镜13将第一焦点处的光线会聚在第二焦点处；氙灯12在聚光镜13之后，位于聚光镜13的第一焦点处，氙灯12在聚光镜13的第一焦点处发出的光线，经过聚光镜13后，会聚到聚光镜13的第二焦点处；反射镜Ⅰ14位于氙灯12之后，实现光轴的第一次折转；反射镜Ⅰ15位于反射镜Ⅰ14之后，实现光轴的第二次折转；光学积分器16在反射镜Ⅰ15之后，实现光线的匀化；俯仰回转机构18连接光学积分器16和反射镜Ⅰ15，实现光学积分器16和反射镜Ⅰ15的俯仰角度调整，调整角度范围为±40°；偏航回转机构17连接光学积分器16、反射镜Ⅰ15、反射镜Ⅰ14、聚光镜13和氙灯12，实现光学积分器16、反射镜Ⅰ15、反射镜Ⅰ14、聚光镜13和氙灯12的偏航角度调整，调整角度范围为±60°；计算机控制系统19连接俯仰回转机构18和偏航回转机构17，实现角度调整的自动控制。

利用本发明专利进行发散式太阳光模拟的工作过程如下：氙灯电源11点亮氙灯12，氙灯12发出亮度可调且光谱接近太阳光谱的光线。氙灯12位于聚光镜13的第一焦点处，聚光镜13具有两个焦点，且根据聚光镜13的成像特点，聚光镜13将位于其第一焦点处氙灯12发出的光线会聚在其第二焦点处，实现光线的会聚。考虑到多功能太阳光模拟装置的外型尺寸不易过大且兼顾俯仰回转机构18和偏航回转机构17的使用要求，在氙灯12发出的光线会聚到聚光镜13的第二焦点处之前，在光路中放置了反射镜Ⅰ14，实现光轴的第一次折转；并在反射镜Ⅰ14后，放置了反射镜Ⅰ15，实现光轴的第二次折转。在聚光镜13的第二焦点处，放置光学积分器16，光学积分器16的作用是将投射在聚光镜13第二焦点处的光线进行均匀化。为了使用方便，设计俯仰回转机构18，可带动光学积分器16和反射镜Ⅰ15，实现±60°范围内的俯仰角度旋转；设计偏航回转机构17，可带动光学积分器16、反射镜Ⅰ15、反射镜Ⅰ14、聚光镜13和氙灯12，实现±40°范围内的偏航角度旋转。

其中，光学积分器16保证多功能太阳光模拟装置在实现发散式太阳光模拟功能时，辐照面达到Φ1500mm，且在辐照面内的辐射均匀性优于±8%。

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。

Claims

1.多功能太阳光模拟装置，其特征在于，包括从下到上设置的氙灯电源、氙灯、聚光镜、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、光学积分器、准直光学系统，以及偏航回转机构、俯仰回转机构和计算机控制系统。

2.根据权利要求1所述的多功能太阳光模拟装置，其特征在于，工作时设置所述准直光学系统，实现准直式太阳模拟功能。

3.根据权利要求1所述的多功能太阳光模拟装置，其特征在于，工作时移出所述准直光学系统，实现发散式太阳模拟功能。