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太阳光模拟器是一种在室内环境中模拟自然阳光的装置。 它具有辐照度稳定、不受时间、季节、气候影响等诸多优点，使其广泛应用于能源、化工、电子器件、生物医学等领域的检测实验。 目前，低辐照度太阳模拟器1太阳及其附近区域已有商业产品，并有国际标准和中国国家标准。 聚光光伏电池、太阳能高温热发电、太阳炉等聚光太阳能应用研究和产业的快速发展，对高辐照度太阳模拟器提出了需求。 目前，国际上还没有看到高辐照度太阳模拟器的成熟产品，高辐照度太阳模拟器的研究报告也很少，也没有标准。 为了满足太阳能应用快速发展的需要，本论文对高辐照度太阳模拟器进行了初步研究。 太阳模拟器最关键的方面是光源的选择。 太阳模拟器的光源应尽可能接近太阳光谱，发光效率高，功率可调。 短弧氙灯的辐射能量分布与灰体辐射相似，光色接近太阳光，因此成为太阳模拟器使用最多的光源。 研究短弧氙灯的光谱特性，特别是光谱的空间分布、内部温度分布及其与电流密度的关系，有助于理解氙灯的光学原理，改进结构。氙气灯和设计高辐照度太阳模拟器光源。 系统提供了依据。 本文根据标准太阳模拟器光谱分布的失配误差，对短弧氙灯沿轴线的空间光谱分布进行了测量和评价。 利用高压氙等离子体在近红外区的反射线计算短弧氙灯等离子体的温度分布。 并与氙灯电流密度的变化趋势进行比较。
基于短弧氙灯的实验结果，本文设计了一种用作高辐照度太阳模拟器光源的磁分散弧等离子体发生器的实验装置。 利用外磁场驱动电弧高速旋转，迫使电弧膨胀，获得均匀稳定的高辐照度、大功率面光源。 在模拟常压氩气环境下测试了光源的基本性能，电弧电压电流特性、电弧色散过程、等离子体光源发射光谱径向空间分布、氩等离子体对激发温度等参数进行了分析。 实验结果表明，采用外加磁场迫使电弧高速旋转的方法，能有效促进收缩电弧的消散，最终达到完全消散状态。 分散的电弧可以显着增加电流负载，从而获得高辐射功率。 完全分散电弧的CCD图像灰度分析磁分散等离子光源的辐照度不均匀性和不稳定性分别为36和27，而没有分散的情况下为73。 电弧电压脉动频率增加，脉动幅度明显减小。 这间接说明电弧色散有助于光源稳定性的提高。 电弧等离子光源径向空间光谱分布的测量证实，电弧分散后光源的均匀性得到改善。 II 此外，本文利用光学软件对平面光源光路系统加入初步简单设计透镜后的照射均匀性进行仿真分析。 结果表明照射不均匀度最小达到15关键词太阳模拟器短弧氙灯磁散弧等离子光源发射光谱电弧弧脉冲电弧保持哪个场导致光趋于15短弧氙灯电弧论文原创性及授权使用声明。
除特别注明和致谢外，本论文不包含他人发表或撰写的任何研究成果。 与我一起工作的同志对这项研究的贡献在论文中已经说得很清楚了。 本人授权中国科学技术大学对论文的部分内容享有使用权。 学校有权按照有关规定将学位论文复印件和电子版送交国家有关部门或单位。 允许查阅和借用论文。 论文可编入相关数据库检索。 可以采用影印、缩影复印、扫描等复印方式对学位论文进行保存和编辑。 作者署名 2011年05月29日 中国科学技术大学硕士学位论文 太阳能技术的应用与发展已进入21世纪。 世界各国都面临着能源危机。 开发利用迫在眉睫。 与传统能源相比，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源特别是化石能源的枯竭具有重要意义。 同时，由于许多新能源分布均匀，没有地域障碍，对于解决因能源引起的战争也具有重要意义。 新能源主要包括太阳能、核能、风能、现代生物质能等。日本地震引发的核泄漏危机引发了世界范围内大规模扩建核电的反思。 而太阳能是一种非常安全、清洁、高效、取之不尽、用之不竭的新能源。 在新能源方面，各国政府将调整太阳能资源的利用作为国家可持续发展战略的重要组成部分。
目前，太阳能利用主要包括光热利用和太阳能光伏发电。 太阳能光伏产业的快速发展，未来有望取代传统的火力发电。 它具有以下优点：施工时间短，安装比较灵活，可以与建筑物融为一体，也可以做成便携式电源，使用寿命长达20~50年。工作25年后，效率将下降20左右。可实现零排放，无噪音污染和其他污染。 运行时无需其他污染。 工质消耗能量回收周期短，一般只要后续产能为净增值即可。 近几十年来，世界主要光伏电池制造国的光伏产能呈爆发式增长，如图11所示，各国对光伏产业的规划发展也如火如荼。 近三十年来，美国一直在加大对光伏发电的投资。 1973年，美国制定了政府层面的太阳能发电计划。 1980年，正式将光伏发电纳入公共电力规划。 累计投资达8亿多美元。 1994年的财政预算中，光伏发电的预算达到了7800万美元以上，比1993年增长了23%。1997年，美国和欧洲相继宣布了百万屋顶光伏计划。 美国计划到2010年安装1000块太阳能电池。日本在光伏发展方面也不甘落后。 1997年屋顶光伏计划补贴资金高达9200万美元。 安装目标是印度1998年和2002年的计划。太阳能电池总产量为150MW。 中国作为光伏产能大国，也是光伏产业发展最快的国家之一。
但目前，国内光伏发电未能占据主导地位，无法大规模替代传统火力发电。 从能源长期利用的角度来看，随着技术的革新，我国光伏产业具有广阔的市场前景。 根据欧盟委员会联合研究中心JRC最新能源利用预测，2010年全球光伏产能将达到2030年，清洁能源的使用将占全球能源消费的30%，其中光伏能源将占10%。 到2050年，太阳能的使用将取代传统能源使用的50%以上。 未来30至40年，世界光伏产业仍将处于快速增长期。 如图12所示，太阳模拟器光伏产业的快速发展离不开光伏测试技术的助力。 并推动。 太阳能电池在工艺改进、产品定型、耐候测试、电子元器件老化测试、生物育种实验等方面的使用，都需要依赖前期的光伏测试工作。 为了使光伏测试报告在使用上具有可比性，国际组织规定了光伏器件的地面标准测试条件，简称STC，但这种理想条件在现实中是不可能直接获得的，因此模拟标准太阳辐射的设备是需要光伏发电。 设备测试在特定条件下提供标准照明。 这种利用人造光源在室内模拟太阳辐射的装置称为太阳模拟器。 太阳模拟器与室外自然阳光有很多区别。 两者的优缺点如表11所示。室外自然阳光与室内太阳模拟器的优缺点。 优缺点 辐射均匀性好 时间和气候影响室外自然阳光光谱匹配性好。 无法调整总辐照度。 辐照度稳定，可调节。 需要配合使用复杂的光学器件。 它不受时间、季节和气候的影响。 辐射的准直和均匀性并不容易。 室内太阳能模拟器可以调整为连续发光或闪光。 太阳模拟器的国内外发展. 太阳模拟器不仅用于测试太阳能电池和光电材料的特性，还广泛应用于航空航天、生物化学和能源环境等领域。
在航天器真空热环境模拟试验中，太阳模拟器是最真实准确的热流模拟方法。 利用该方法可以高精度地完成航天器热平衡试验。 只有太阳模拟器才能完成具有复杂形状和热耦合关系的航天器的热平衡测试。 在空间技术应用的其他方面，如人造卫星的飞行姿态控制、地球资源卫星多光谱扫描仪的地面模拟测试和校准等，都需要利用太阳模拟器对太阳光谱辐照度响应进行地面校准。 此外，在遥感技术、太阳光谱辐照的室内模拟、生物科学、植物开发和良种育种的研究中，太阳模拟器被广泛使用。 10 国外太阳模拟器的发展较早经历了一个不断完善的演进过程。 美国是最早研制出太阳模拟器的国家。 1960年代初，美国JPL在φ垂直空间环模设备上建造了一套同轴太阳模拟器。 11 本设备技术指标不佳。 第一次技术改造后命名为SSl5B太阳模拟器12太阳模拟器，其基本结构如图14所示。该系统最终采用61盏20KW氙灯作为光源太阳模拟器，用离轴光学系统代替同轴光学系统。 在安装和校准过程中，通过准直器的小角度偏转和氙灯的散焦，提高了太阳模拟器的照射均匀性。 并获得最佳准直角 13 。 被照射面的凹凸不平达到辐照度。 1983年，欧洲航天局在ESTEC大型空间环模设备上建立了大型太阳模拟器，采用垂直离轴准直光学系统。
该系统的关键技术突破点在于氙气灯斜引燃的选择。 根据不同辐照度输出的要求，选用了20KW和32KW两种型号的氙气灯。 这套设备照射面的不平整度领先于同期的太阳模拟器。 我国KM6的设计主要是基于这种太阳模拟器。 日本NASDA太阳模拟器14的灯箱采用氙气灯水平照明方式。 氙灯功率为30KW。 . 太阳模拟器的照射体积为φ，照射面凹凸不平度为即为辐照度。 其整体结构如图1.5所示。 俄罗斯作为航天大国，在太阳模拟器的研制方面具有较高的技术水平。 它对上述单套太阳模拟器的光学系统进行了改造。 其太阳模拟器由多组小型太阳模拟器单元组成。 均匀排列的小照射面拼接在一起，形成一个巨大的照射面。 从其性能参数来看，虽然照射面积有所增加，但均匀性不佳 率先在离轴太阳模拟器中采用多片拼接准直镜技术，直接降低了加工难度和准直镜的成本。 13 这个太阳模拟器仍在使用。 日本太阳模拟器整体结构示意图。 我国从1965年开始设计研制太阳模拟器，先后研制出KM2太阳模拟器、KFT高精度小型太阳模拟器和KM4、KM6等太阳模拟器，并成功应用于全星和太阳模拟器。 元器件的真空热测试 15．
北京卫星环境工程研究所在KFTA热真空环境模拟设备上成功研制出光水平入射的离轴准直太阳模拟器。 该系统采用10KW短弧氙灯光源、聚光镜、滤光镜、光学积分器和准直器。 其实际技术指标为离轴角25°，照射面直径600mm，辐照度变化范围650×2165W·m2，辐照度不均度优于16。KM6载人航天环境模拟设备是关键载人航天工程所需的地面环境设备。 KM6 太阳模拟器是该设备的子系统17。 整个系统采用19盏25KW水冷短弧氙灯作为光源，每盏氙灯配以椭球聚光透镜组成氙灯单元。 由于其光学系统非常复杂，整个太阳模拟器的研制和制造难度大，经济成本高。 我国大型太阳模拟器虽然与先进国家相比仍有差距，但经过近几年的不断改进，已经取得了一定的成绩。 511开发的是离轴太阳模拟器。 无中心遮挡、二次反射和多次反射。 杂散光照射面和体积均匀性达到较高水平。 它是一种高精度、高辐照度的太阳模拟器。 太阳模拟器的性能已达到国外同类系统的性能。 18 太阳模拟器各项性能设计指标及实测结果对比。 18 项目设计指标备注。 距标准面100mm以内的辐照稳定性 辐照稳定性 功率 8KW 准直角 46' 使用球面镜 f 2410 光谱分布 激光氙光谱 激光氙光谱与KM2太阳光谱相同 离轴角 10 30' 30' 11 使用球面镜 High辐照度太阳模拟器太阳能到达地球表面的能量密度较低，只要保持在正常温度范围内，光伏电池实际上可以在数百倍的太阳辐照度下工作。 因此，目前常用的平面光伏发电并没有充分利用光伏电池的作用。如果采用太阳能聚光光伏发电，可以通过使用相对便宜的大面积来提高光伏电池表面接收到的辐照度集中机制，可降低成本。
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