CN111649282B - 一种可调式太阳辐照模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源技术领域，本发明提出一种可调式太阳辐照模拟器，能够利用人工光源模拟太阳光辐射，通过控制系统调节支架动作，实现照射角度和光斑面积可调的近似太阳光谱照射。它是由主框架、高度调整台架、俯仰调整支架、反射镜、灯阵、控制系统与供电系统等组成，灯阵和反射镜组件均角度可调，可根据使用要求进行照射角度调整；通过主框架和高度调整台架可实现灯阵和光源相对位置的修正，达到所需照射面积；连接反射镜和灯阵的俯仰调整支架接口一致，两者可变换位置，实现对地、水平和对天等多种照射方式。本发明通过主框架、高度调整台架和俯仰调整支架实现照射角度和面积的调整，满足多样化使用需求。

Description

一种可调式太阳辐照模拟器
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及辐照角度和面积可调的太阳辐照模拟器。
背景技术
随着新能源技术的快速发展，我国太阳能电池的应用愈加广泛，对太阳能电池组件的状态性能的检测设备的研发需求也不断增加。一种具备模拟真实太阳光辐射的设备为太阳能电池组件在室内、夜晚等环境下的检测工作提供了可行性。在太阳光模拟技术方面，我国也有相关研究，如于2010年8月18日公布的中国发明专利CN101806862A太阳能电池衰减测试模拟光源装置，在灯箱内装有模拟太阳灯、温度传感器、辐照计和冷却管，在灯箱外装有制冷压缩机，制冷压缩机由温度传感器控制，模拟太阳灯由辐照计控制，模拟太阳灯的光照强度为0.5～2.0kW/m2。但该发明只能用于在灯箱内对太阳能电池片进行光照试验，辐照角度和辐照面积不可调节。于2018年7月17日公布的中国发明专利CN207621826U一种太阳光模拟系统，该专利记载系统包括光源阵列组和光源阵列组相对应的均光阵列组、均光器一、均光器二和准直透镜组。该发明提供了一种结构简单，使用方便，光谱匹配度高，准直性好，均匀度高的太阳光模拟系统。但该发明辐照面积小、辐照角度不易调节。于2018年8月24日公布的中国发明专利CN108443771A一种太阳光模拟器，该专利记载通过设置电动滑轨、电动滑块和散热风扇，解决了现有的太阳光模拟器散热效果不佳和不便于调节光照角度的问题。但该发明照射角度调节范围较小，且辐照面积小，辐照面积难以调节，难以实现辐照大区域覆盖。现有的太阳光模拟器虽能较为真实地模拟太阳光，但辐照面积难以调节，难以实现辐照大区域覆盖。辐照角度不易调节，在大面积辐照情况下难以保证辐照的均匀性。
发明内容
本发明的目的为了克服现有太阳光模拟器辐射覆盖面积小、辐照角度不易调节的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提供一种可调式太阳辐照模拟器，具体技术方案如下：
一种可调式太阳辐照模拟器，包括主框架1、灯阵4、反射镜5、供电系统6，其特征在于：还包括高度调整台架2、俯仰调节支架3和控制系统7；高度调整台架2为两组呈上下布置安装在主框架1上；俯仰调节支架3为两组分别通过螺钉连接固定在高度调整台架2上；灯阵4和反射镜5分别安装于一组俯仰调节支架3上且位置可互换；供电系统6和控制系统7安装于主框架1一旁的地面或载车上。
高度调整台架2包括两套上导向轮组21、吊环22、型钢23、下导向轮组24、上定位轮组25、下定位轮组26及若干个加强焊接件27，高度调整台架2通过上导向轮组21、下导向轮组24、上定位轮组25和下定位轮组26，使高度调整台架2沿主框架1轨道平稳移动。高度调整台架2用于配合电动推杆调整灯阵4和反射镜5高度，获取需要的光照条件。
俯仰调整支架3设置两组，分别用于灯阵4的俯仰调整及反射镜5的俯仰调整；包括型材框架31、直角转接件32、电推缸转动座33、电推缸34、遥杆转动座35、转接安装板36、转动铰链组件37；转动铰链组件37将型材框架31连接组成四杆机构，转动铰链组件37由一对P4级深沟球轴承与转动芯轴组成，驱动机构主要由电推缸34的电机带动丝杆转动使推杆主轴伸缩带动悬臂做俯仰运动，型材框架31及电动缸34行程可满足灯阵4和反射镜5的俯仰角度要求。
灯阵4与俯仰调整支架3上的转接安装板相连，通过电气控制转动铰链实现照射角度调整；
反射镜5与俯仰调整支架3上的转接安装板相连，反射镜5镜面背后垫橡胶转接垫连接柔性连接组件，通过柔性连接组件实现镜面角位及面型调整并与框架连接固定，通过电气控制转动铰链实现反射角度调整；
控制系统7包括灯阵4电机和反射镜5电机，电机和丝杠推杆构成的电推推杆安装在主框架上，位于高度调整台架2的下方，用于改变光线输出角度和高度，用于覆盖更大的辐射面。
进一步的，主框架1为工字钢、槽钢及方形钢等型材焊接结构。
进一步的，主框架1一侧可添加米字型斜筋起到方便添加连接点和结构加强作用，同时通过平面框架添加斜筋，在空间对角位置添加斜筋，整体结构上形成平面及空间三角形的稳定加强支撑，可控制整体结构重量并保证结构安全稳定。
进一步的，灯阵4为高压气体放电灯加反光罩的光学结构，灯阵4光源为氙灯。
进一步的，氙灯上装有角度传感器，用于实时监测氙灯光源的角度，保证氙灯光源在合适的角度内被点燃。
进一步的，反射镜5镜面背后的柔性连接组件由固定爪51、柔性铰链52组成，根据使用位置不同，以四爪固定爪51为基础，分别取四爪固定爪51结构的一半和四分之一生成沿框架边及角位置固定反射镜的柔性连接组件。
进一步的，反射镜的角位及面型的精确调整通过差动螺纹副53实现，差动螺纹副53是旋转直线运动机构并利用差动螺纹完成镜面微调。
进一步的，控制系统7结构上的丝杠推杆，具有自锁功能，可以防止意外断电时负载下落造成设备损坏的风险。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可应用于太阳能电池阵列功能性测试，能提供在一定照射角度和辐照面积变化范围条件下的近似太阳光谱照射；
(2)本发明为模块化、轻量化结构，使用型材并采用模块拼接及螺钉连接的方式，便于运输和现场施工、安装；
(3)本发明可通过双侧摆角+平移的复合运动扫描实现大区域的照明，辐照均匀性较高，达到较高辐照遍历宽度的效果。
附图说明
图1为本发明的整体组成示意图；
图2(a)为本发明高度调整台架前视轴侧视图；
图2(b)为本发明高度调整台架后视轴侧视图；
图3为本发明俯仰调整支架结构示意图；
图4(a)为本发明灯阵前视轴侧视图；
图4(b)为本发明灯阵后视轴侧视图；
图5为本发明反射镜背后柔性连接组件结构示意图；
图6为本发明主框架结构示意图；
图7为本发明控制系统框图；
图8为本发明实施例侧照射对地照射形式示意图；
图9为本发明实施例侧照射对天照射形式(1)示意图；
图10为本发明实施例侧照射对天照射形式(2)示意图；
图11为本发明实施例侧照射对天照射形式(3)示意图；
图12为本发明实施例水平射形式(1)示意图；
图13为本发明实施例水平射形式(2)示意图；
其中：1－主框架，2－高度调整台架，3－俯仰调整支架，4－灯阵，5－反射镜，6-供电系统，7-控制系统；
21－上导向轮组，22－吊环，23－型钢，24－下导向轮组，25－上定位轮组，26－下定位轮组，27－加强焊接件；
31－铝合金型材框架，32－直角转接件，33－电推缸转动座，34－电推缸，35－遥杆转动座，36－转接安装板，37－转动铰链组件；
51－固定爪，52－柔性铰链，53－差动螺纹副。
具体实施方式
本发明提供一种照射角度和面积可调节的太阳辐照模拟器，该系统具备光照角度、高低位置调节的功能，可提供不同入射角度的模拟太阳光辐射。
下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地描述。
如图1所示，本发明提供的一种照射角度和面积可调节的太阳辐照模拟器，其包括主框架1、高度调整台架2、俯仰调节支架3、灯阵4、反射镜5、供电系统6和控制系统7。高度调整台架2共两组安装在主框架1上，两组高度调整台架2呈上下布置；俯仰调节支架3共两组，每组高度调整台架2上安装一组俯仰调节支架3；灯阵4和反射镜5分别安装于一组俯仰调节支架3上，位置可互换；供电系统6和控制系统7安装于主框架1一旁的地面或载车上。
如图2所示，高度调整台架2，其作用是配合电动推杆调整灯阵4和反射镜5高度，获取需要的光照条件。高度调整台架2结构由两套上导向轮组21、吊环22、型钢23、下导向轮组24、上定位轮组25、下定位轮组26及若干个加强焊接件27组成。高度调整台架2通过上导向轮组21、下导向轮组24、上定位轮组25和下定位轮组26，使高度调整台架2沿主框架1轨道平稳移动。电动推杆的功能为推动高度调整台架2调整系统工作高度，通过电动推杆的梯形丝杆自锁特性以及电机电磁制动装置进行位置定位。
高度调整台架通过四组导向轮组和两组定位轮组，使台架沿主框架轨道移动，配合电动推杆完成灯阵和反射镜高度的调节；电动推杆，其推动高度调整台架调整系统工作高度，通过角度传感器闭环控制灯阵高度，通过电动推杆的梯形丝杆自锁特性以及电机电磁制动装置进行位置定位。电动推杆内传感器提供系统反馈信号。
如图3所示，俯仰调整支架3，为灯阵4俯仰调整及反射镜5俯仰调整使用，其结构由型材框架31、直角转接件32、电推缸转动座33、电推缸34、遥杆转动座35、转接安装板36、转动铰链组件37组成。俯仰调整支架3结构以转动铰链组件37将型材框架31连接组成四杆机构，转动铰链组件37为一对P4级深沟球轴承与转动芯轴组成，驱动机构主要由电推缸34的电机带动丝杆转动使推杆主轴伸缩带动悬臂做俯仰运动，型材框架31及电动缸34行程可满足灯阵4和反射镜5的俯仰角度要求。
俯仰调整支架，其与高度调整台架通过螺钉连接固定；俯仰调整支架，共两组分别为灯阵俯仰调整及反射镜俯仰调整使用，接口完全一致。
如图4所示，灯阵与俯仰调整支架上的转接安装板相连，通过电气控制转动铰链实现照射角度调整；灯阵4为高压气体放电灯加反光罩的光学结构，灯阵4光源为氙灯。
如图5所示，反射镜5与俯仰调整支架3上的转接安装板相连，通过电气控制转动铰链实现反射角度调整。反射镜5镜面背后的柔性连接组件由固定爪51、柔性铰链52组成，根据使用位置不同，以四爪固定爪51为基础，分别取四爪固定爪51结构的一半和四分之一生成沿框架边及角位置固定反射镜的柔性连接组件。反射镜的角位及面型的精确调整通过差动螺纹副53实现，差动螺纹副53是旋转直线运动机构并利用差动螺纹完成镜面微调。反射镜镜面背后垫橡胶转接垫连接柔性连接组件，通过柔性连接组件实现镜面角位及面型调整并与框架连接固定
如图6所示，主框架1为工字钢、槽钢及方形钢等型材焊接结构。可以在在设备安装一侧添加了米字型斜筋起到方便添加连接点和结构加强作用，同时通过平面框架添加斜筋，在空间对角位置添加斜筋，整体结构上形成了平面及空间三角形的稳定加强支撑，达到了控制整体结构重量并保证结构安全稳定的目的。
在图7中，控制系统7用于改变光线输出角度和高度，用于覆盖更大的辐射面。此单元包括灯阵4电机和反射镜5电机两部分组成。每一部分分别包含一个高度电机和俯仰电机，分别控制该部分的高度和俯仰角度。上位机通过串口发送指令给控制驱动器，驱动电机运动。高度/俯仰电机为两相步进电机。在高度和俯仰的极限位置均设有限位开关和机械限位，保护设备。结构上为丝杠推杆，具有自锁功能，可以防止意外断电时负载下落造成设备损坏的风险。氙灯光源上装有角度传感器，实时监测氙灯光源的角度，保证氙灯光源在合适的角度内被点燃。
本发明的太阳辐照模拟器，灯阵射出的光线通过角度可调的反射镜照射到目标上；控制系统调节高度调整台架和俯仰调节支架；高度调整台架调整反射镜及灯阵相对位置以及系统高度，使反射镜和灯阵到达系统工作理想高度位置；俯仰调整支架通过调整灯阵和反射镜角度实现照射角度和面积的调整。
本发明的工作原理如下：供电系统通过市电的供给，触发出高压，击穿灯阵中氙灯光源内惰性气体，使氙灯光源产生模拟太阳光辐射。控制系统中的上位机通过串口发送指令给控制驱动器，驱动电机运动。负责调整高度的电机配合电动推杆，实现高度调整台架沿导轨在主框架上垂直运动，实现系统高度的调节。负责角度调整的电机带动俯仰调节支架中上的丝杆转动使推杆主轴伸缩带动悬臂做俯仰运动，实现灯阵和反射镜角度的调节。本发明通过调整灯阵和反射镜相对位置、高度和角度实现照射角度和光斑面积可调的近似太阳光谱照射。
实施例
本发明的一种照射角度和面积可调节的太阳辐照模拟器，可以根据具体使用场景需要组合出多种形式的照射角度。
如图8所示，为本发明的一个实施例，太阳辐照模拟器侧照射对地照射形式为下方灯阵4向上照射到反射镜5上，俯仰调整支架3调整反射镜5角度实现一定角度范围内对地照射。
如图9所示，为本发明的一个实施例，太阳辐照模拟器侧照射对天照射形式(1)为上方灯阵4向下照射到反射镜5上，俯仰调整支架3调整反射镜5角度实现一定角度范围内对天照射。
如图10所示，为本发明的一个实施例，太阳辐照模拟器侧照射对天照射形式(2)为下方灯阵4向上照射，俯仰调整支架3调整灯阵4角度实现一定角度范围内对天照射。
如图11所示，为本发明的一个实施例，太阳辐照模拟器侧照射对天照射形式(3)为上方灯阵4向上照射，俯仰调整支架3调整灯阵4角度实现一定角度范围内对天照射。
如图12所示，为本发明的一个实施例，太阳辐照模拟器水平照射形式(1)为俯仰调整支架3调节上方灯阵向一方向水平照射，高度调整台架2调节灯阵4高度。
如图13所示，为本发明的一个实施例，太阳辐照模拟器水平照射形式(2)为俯仰调整支架3调节下方灯阵4向一方向水平照射，高度调整台架2调节灯阵4高度。

Claims (8)

1.一种可调式太阳辐照模拟器，包括主框架(1)、灯阵(4)、反射镜(5)、供电系统(6)，其特征在于：还包括高度调整台架(2)、俯仰调节支架(3)和控制系统(7)；高度调整台架(2)为两组呈上下布置安装在主框架(1)上；俯仰调节支架(3)为两组，分别通过螺钉连接固定在高度调整台架(2)上；灯阵(4)和反射镜(5)分别安装于一组俯仰调节支架(3)上且位置可互换；供电系统(6)和控制系统(7)安装于主框架(1)一旁的地面或载车上；
所述高度调整台架(2)包括导向轮组(21)、吊环(22)、型钢(23)、下导向轮组(24)、上定位轮组(25)、下定位轮组(26)各两套，及若干个加强焊接件(27)，高度调整台架(2)通过上导向轮组(21)、下导向轮组(24)、上定位轮组(25)和下定位轮组(26)，使高度调整台架(2)沿主框架(1)轨道平稳移动；高度调整台架(2)用于配合控制系统(7)中的电动推杆调整灯阵(4)和反射镜(5)高度，获取需要的光照条件；
所述俯仰调节支架(3)设置两组，分别用于灯阵(4)的俯仰调整及反射镜(5)的俯仰调整；包括型材框架(31)、直角转接件(32)、电推缸转动座(33)、电推缸(34)、遥杆转动座(35)、转接安装板(36)、转动铰链组件(37)；转动铰链组件(37)将型材框架(31)连接组成四杆机构，转动铰链组件(37)由一对P4级深沟球轴承与转动芯轴组成，驱动机构主要由电推缸(34)的电机带动丝杆转动使推杆主轴伸缩带动悬臂做俯仰运动，型材框架(31)及电推缸(34)行程可满足灯阵(4)和反射镜(5)的俯仰角度要求；
所述灯阵(4)与俯仰调节支架(3)上的转接安装板相连，通过电气控制转动铰链实现照射角度调整；
所述反射镜(5)与俯仰调节支架(3)上的转接安装板相连，反射镜(5)镜面背后垫橡胶转接垫连接柔性连接组件，通过柔性连接组件实现镜面角位及面型调整并与框架连接固定，通过电气控制转动铰链实现反射角度调整；
所述控制系统(7)包括灯阵(4)电机和反射镜(5)电机，电机和丝杠推杆构成的推杆安装在主框架上，位于高度调整台架(2)的下方，用于改变光线输出角度和高度，覆盖更大的辐射面。
2.根据权利要求1所述的一种可调式太阳辐照模拟器，其特征在于：所述主框架(1)为工字钢、槽钢及方形钢型材焊接结构。
3.根据权利要求2所述的一种可调式太阳辐照模拟器，其特征在于：所述主框架(1)一侧可添加米字型斜筋起到方便添加连接点和结构加强作用，同时通过平面框架添加斜筋，在空间对角位置添加斜筋，整体结构上形成平面及空间三角形的稳定加强支撑，可控制整体结构重量并保证结构安全稳定。
4.根据权利要求1所述的一种可调式太阳辐照模拟器，其特征在于：所述灯阵(4)为高压气体放电灯加反光罩的光学结构，灯阵(4)光源为氙灯。
5.根据权利要求4所述的一种可调式太阳辐照模拟器，其特征在于：所述氙灯上装有角度传感器，用于实时监测氙灯光源的角度，保证氙灯光源在合适的角度内被点燃。
6.根据权利要求1所述的一种可调式太阳辐照模拟器，其特征在于：所述反射镜(5)镜面背后的柔性连接组件由固定爪(51)、柔性铰链(52)组成，根据使用位置不同，以四爪固定爪(51)为基础，分别取四爪固定爪(51)结构的一半和四分之一生成沿框架边及角位置固定反射镜的柔性连接组件。
7.根据权利要求6所述的一种可调式太阳辐照模拟器，其特征在于：所述反射镜(5)的角位及面型的精确调整通过差动螺纹副(53)实现，差动螺纹副(53)是旋转直线运动机构并利用差动螺纹完成镜面微调。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的一种可调式太阳辐照模拟器，其特征在于：所述控制系统(7)结构上的丝杠推杆，具有自锁功能，可以防止意外断电时负载下落造成设备损坏的风险。
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