穩態(tài)太陽(yáng)模擬器主要是模擬地球外層空間太陽(yáng)的光輻射特性和幾何特性,主要包括太陽(yáng)輻射強度、太陽(yáng)視直徑、太陽(yáng)光譜特性、輻照穩定性和均勻性等,其在航天、船舶、氣象以及光伏光熱領(lǐng)域有著(zhù)重要的應用。目前的太陽(yáng)模擬器主要以氙燈、鹵鎢燈為光源,氙燈光源太陽(yáng)模擬器,技術(shù)比較成熟,使用范圍廣,但是氙燈光源存在發(fā)光效率低、壽命短、穩定性差、光譜匹配度差等不足,使氙燈為光源的太陽(yáng)模擬器的性能很難提高。LED(Light Emitting Diode,LED)是一種新型半導體發(fā)光器件,具有節能高效、綠色環(huán)保、高穩定性、壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)。
穩態(tài)太陽(yáng)模擬器面積較小,工作時(shí)電流密度大,且用于照明時(shí)往往要求大量的LED組合而成,密集度大,導致芯片發(fā)熱密度高。而結溫上升會(huì )導致光輸出減少、芯片加快蛻化、縮短器件壽命。LED的熱效應影響LED太陽(yáng)模擬器中大功率LED光源陣列的光譜穩定性和輻照穩定性,所以需要找到一種切實(shí)有效的方法對大功率LED光源陣列的溫度進(jìn)行控制。
目前散熱方法主要有熱管、翅片、熱電制冷、合成微噴技術(shù)等LED發(fā)熱量大,單獨靠熱管和翅片的被動(dòng)散熱方法達不到理想散熱效果,合成微噴技術(shù)冷卻系統復雜成本過(guò)高,所以選擇熱電制冷方式,其工作原理為:當電流流經(jīng)兩個(gè)不同導體形成的接點(diǎn)處會(huì )產(chǎn)生放熱和吸熱現象。
穩態(tài)太陽(yáng)模擬器要求在輻照面積1.2m×1.2m的矩形區域內的照度不小于0.02個(gè)太陽(yáng)常數,且被照面的不均勻度小于5%。模擬器系統主要由短弧氙燈、橢球面反射鏡、光纖傳光束、積分棒和準直鏡組組成。通過(guò)軟件仿真及實(shí)驗驗證,結果均符合要求。實(shí)驗結果表明,利用短弧氙燈、橢球面反射鏡、光纖傳光束、積分棒和投影準直透鏡組設計便攜式太陽(yáng)模擬器的方法是有效、可行的。
穩態(tài)太陽(yáng)模擬器采用橢球面反射鏡:
短弧氙燈光源具有軸對稱(chēng)性,采用橢球面聚光鏡應具有很大的包容角,從而獲得較高的聚光效率。對這種形式的聚光鏡,氙弧峰值亮度區位于橢球面聚光鏡的前焦點(diǎn)處,被橢球面聚光鏡無(wú)球差地成像于第二焦平面處。橢球面聚光鏡的設計就是優(yōu)選f1、f2,使橢球面聚光鏡的聚光效率和積分棒的口徑利用率較高,且第二焦點(diǎn)處的光束孔徑角不能超出光纖的數值孔徑。f1根據選用氙燈的外形尺寸確定。確定原則是氙燈泡殼與聚光鏡不相碰,保證安裝方便,要有足夠的空間供氙燈散熱。
輻照度是穩態(tài)太陽(yáng)模擬器重要技術(shù)指標之一,合理地完成整個(gè)系統各個(gè)光學(xué)元件之間的光學(xué)匹配,有利于充分地利用光源發(fā)出的能量。從非成像光學(xué)系統出發(fā),基于二維情況下的光學(xué)擴展量,即拉赫不變量,分析了橢球鏡和光學(xué)積分器以及準直系統相互之間相對孔徑的匹配,滿(mǎn)足了光瞳銜接原理,完成了從照明系統到投影成像系統能量信息的傳遞,進(jìn)一步提高了能量利用率。
穩態(tài)太陽(yáng)模擬器主要用于太陽(yáng)電池單片電性能測試和太陽(yáng)電池組件光老練試驗和熱斑耐久試驗,通過(guò)在一定輻射總量條件下的照射,可對被測電池/組件在實(shí)際使用中的穩定性做出評估,并以此為依據改進(jìn)生產(chǎn)工藝,向用戶(hù)提供穩定的光伏產(chǎn)品太陽(yáng)模擬器的測試結果,不僅能夠從一定程度上反應出電池的性能,也關(guān)系到電池最后出廠(chǎng)的等級,價(jià)格和使用過(guò)程中的穩定性.因此,一臺可靠的太陽(yáng)模擬器,不僅對生產(chǎn)工藝有參考意義,更關(guān)系到產(chǎn)品的品質(zhì)和制造廠(chǎng)商的利潤和信譽(yù)生產(chǎn)出來(lái)的電池/組件在市場(chǎng)上銷(xiāo)售時(shí),會(huì )根據電池/組件的峰瓦值來(lái)確定電池/組件的市場(chǎng)流通價(jià)值。
但是,光伏電池/組件的電輸出因照射光的強度、光譜(不同經(jīng)度和緯度的陽(yáng)光照射下輸出的電性能皆有差異)的不同電輸出會(huì )有很大差異;此外,光伏電池/組件的電性能輸出也會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而變化。為了規范市場(chǎng),減少商品流通中的爭議,特擬定了IEC60904的標準,對市場(chǎng)上流通的光伏電池/組件的瓦數在何種測試條件下做了明確規定,即在A(yíng)M1.5、一個(gè)標準太陽(yáng)光強下,25攝氏度的條件下(簡(jiǎn)稱(chēng)標準條件STC)測試出來(lái)的瓦數為國際都認可的數值。于是,為了適應市場(chǎng)需求,提供標準太陽(yáng)光的設備應用而生-太陽(yáng)模擬器。