一種大口徑離軸反射式太陽(yáng)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李新華，楊忠明，高志山，袁 群，王新星，竇健泰

引言

太陽(yáng)模擬系統(tǒng)是一種可控的模擬太陽(yáng)光輻射的測(cè)試設(shè)備，為光敏材料或設(shè)備提供室內(nèi)太陽(yáng)輻射測(cè)試環(huán)境［1］。太陽(yáng)模擬系統(tǒng)一般主要包含3個(gè)部分：1）光源，用以提供近似太陽(yáng)輻照的光譜分布以及輻照強(qiáng)度；2）光學(xué)系統(tǒng)，保證光的均勻準(zhǔn)直輸出；3）機(jī)械支撐及冷卻系統(tǒng)，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行［2］。

近幾十年，國(guó)內(nèi)外在空間技術(shù)和太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)上取得了很大進(jìn)展，同時(shí)也推動(dòng)了太陽(yáng)模擬技術(shù)的進(jìn)步，使太陽(yáng)模擬系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大的作用。在航天器的研制過(guò)程中，太陽(yáng)模擬系統(tǒng)在地面上模擬出真空環(huán)境下的太陽(yáng)光輻射，為航天器的相關(guān)性能測(cè)試提供空間試驗(yàn)環(huán)境［3］；在光伏工程領(lǐng)域，利用太陽(yáng)模擬系統(tǒng)模擬地面太陽(yáng)光輻照，對(duì)光伏組件的性能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)其技術(shù)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定［4］；在太陽(yáng)能光熱領(lǐng)域中，太陽(yáng)模擬系統(tǒng)用于太陽(yáng)能集熱器的性能測(cè)試和太陽(yáng)能熱水器的檢測(cè)［5］。對(duì)于不同技術(shù)領(lǐng)域所使用的太陽(yáng)模擬系統(tǒng)，所要求的輸出光的輻照特點(diǎn)也不盡相同，因此，要根據(jù)太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的具體應(yīng)用要求來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 太陽(yáng)模擬系統(tǒng)Fig.1 System of solar simulator

20世紀(jì)60年代初，在美國(guó)國(guó)家航空宇航局（NASA）的資助下，開(kāi)展了一系列關(guān)于太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的研究項(xiàng)目，用于熱真空環(huán)境的模擬［6］。1983年，歐洲航天局（ESA）為了滿足空間計(jì)劃的發(fā)展需求，啟動(dòng)大型空間環(huán)境模擬（LSS）項(xiàng)目并構(gòu)建了一套大型的太陽(yáng)模擬系統(tǒng)［7］。我國(guó)的太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的研制始于真空冷黑環(huán)境模擬，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的黃本誠(chéng)等人同長(zhǎng)春光機(jī)所合作，成功研制了KM1和KM2太陽(yáng)模擬系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)最早的衛(wèi)星地面測(cè)試環(huán)境模擬設(shè)備［8］。其后，我國(guó)又陸續(xù)建成了KM3、KM4、KM5以及KM6太陽(yáng)模擬系統(tǒng)［9］。近幾年，上海大學(xué)的王志明等人研制了一種新型的太陽(yáng)模擬系統(tǒng)，將二次反饋光路思想引入了太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的控制器中，有效地提高了輻照均勻性。在氣象探測(cè)領(lǐng)域，長(zhǎng)春理工大學(xué)的張國(guó)玉、蘇拾等人于2012年成功研制了一臺(tái)氣象探測(cè)用太陽(yáng)模擬系統(tǒng)，有效輻照面直徑達(dá)到200mm［10］。

本文研究的太陽(yáng)模擬系統(tǒng)是空間全譜段光譜成像儀輻射定標(biāo)的重要組成部分和必備的測(cè)試設(shè)備。該太陽(yáng)模擬系統(tǒng)能夠提供0.4μm～2.5μm光譜范圍內(nèi)的太陽(yáng)輻照，最大輻照度達(dá)到1.17個(gè)太陽(yáng)常數(shù)。采用離軸拋物面準(zhǔn)直系統(tǒng)，光束發(fā)散角小于±0.75°，有效輻照面直徑達(dá)到400mm。首次采用鏡像的“4”字形光路，保證氙燈垂直放置和光束水平出射，結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，系統(tǒng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱方式，能夠長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

本文研究的太陽(yáng)模擬系統(tǒng)是空間全譜段光譜成像儀的定標(biāo)與檢測(cè)的地面測(cè)試設(shè)備，主要由氙燈電源、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械支撐及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

光學(xué)系統(tǒng)采用離軸準(zhǔn)直光路結(jié)構(gòu)，由短弧氙燈、橢球反射鏡、對(duì)稱式光學(xué)積分器、濾光片、離軸拋物面準(zhǔn)直鏡以及兩塊折轉(zhuǎn)平面反射鏡構(gòu)成，如圖2所示。短弧氙燈作為光源，提供近似于太陽(yáng)的輻射光譜，短弧氙燈發(fā)光點(diǎn)位于橢球反射鏡的第一焦點(diǎn)處，出射光束經(jīng)橢球鏡反射后會(huì)聚在橢球反射鏡的第二焦點(diǎn)；光學(xué)積分器位于橢球反射鏡的第二焦點(diǎn)處，出射光束經(jīng)橢球鏡反射后在積分器表面形成對(duì)稱分布的高斯型輻照分布；經(jīng)過(guò)積分器前后兩組透鏡陣列分割和疊加完成光束的均勻過(guò)程，然后通過(guò)濾光片進(jìn)行光譜修正；修正光譜后的光束經(jīng)離軸拋物準(zhǔn)直鏡反射后均勻出射。在系統(tǒng)光路中，利用兩塊平面反射鏡實(shí)現(xiàn)光路的折轉(zhuǎn)，形成鏡像的“4”字形光路結(jié)構(gòu)，縮短了系統(tǒng)光路軸向尺寸。在光學(xué)系統(tǒng)中，橢球反射鏡、光學(xué)積分器以及離軸拋物面準(zhǔn)直鏡的設(shè)計(jì)滿足光瞳銜接原理，從而達(dá)到對(duì)光源能量的有效利用。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Layout of optical system

短弧氙燈具有輸出功率高、輸出狀態(tài)穩(wěn)定、光譜分布近似自然陽(yáng)光以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇短弧氙燈作為太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的光源。系統(tǒng)中短弧氙燈垂直點(diǎn)燃，發(fā)出的光具有良好的穩(wěn)定性，從而規(guī)避了氙弧的飄移。根據(jù)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光能在各光學(xué)元件上的損失得到系統(tǒng)的光能傳遞效率：

式中：Ke為短弧氙燈光電轉(zhuǎn)換效率，取值為0.3；Kc為橢球聚光鏡聚光效率，取值為0.75；Kr為平面反射鏡的反射率，取值為0.9；n1為鏡面反射次數(shù)，取值為2；Ka為光學(xué)積分器的孔徑利用率，取值為0.4；Kt為光學(xué)積分器透過(guò)率，取值為0.85；Kl為光學(xué)濾光片的透過(guò)率，取值為0.6；Ko為準(zhǔn)直物鏡的反射率，取值為0.85。

輻照面上照度E為

式中：P為短弧氙燈的功率；D 為有效輻照面直徑。

短弧氙燈的功率為

式中：E＝1 353W／m2；D＝0.4m。

由（3）式得短弧氙燈功率為P＝5 380.1W。由于短弧氙燈無(wú)法在滿功率的條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，系統(tǒng)需要預(yù)留出足夠的功率余量，故功率選用7 000W。

太陽(yáng)模擬系統(tǒng)要求出射光的光譜在0.4μm～1.1μm譜段，達(dá)到國(guó)家B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即光譜失配誤差≤±35%，在1.1μm～2.5μm譜段范圍內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜輻亮度的標(biāo)稱值偏差≤±20%。系統(tǒng)選用的7kW短弧氙燈的光譜曲線如圖3所示。

圖3 氙燈光譜分布曲線Fig.3 Xenon－lamp spectrum

根據(jù)7kW短弧氙燈光譜分布，參考標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜，得到0.3μm～2.5μm波段內(nèi)濾光片的理論透過(guò)率，光譜透過(guò)率要求如表1所示。

3 000 85波長(zhǎng)／nm 透過(guò)率／%780 85 800～1 000 34 930 30 半寬度為200nm 1 020～1 080 70 1 100～備注300～

太陽(yáng)模擬系統(tǒng)中采用的短弧氙燈的發(fā)光點(diǎn)可以近似為點(diǎn)光源，光學(xué)系統(tǒng)的目的是使測(cè)試區(qū)域的能量均勻分布。光學(xué)聚光鏡作為一個(gè)集光器，收集光源發(fā)出的各種方向的光輻射，投影到光學(xué)積分器入瞳處，聚光鏡的設(shè)計(jì)和加工對(duì)太陽(yáng)模擬系統(tǒng)出射光的輻照度和輻照均勻性等有很大的影響［11］。系統(tǒng)采用橢球反射鏡作為聚光鏡。橢球反射鏡具有2個(gè)焦點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)光源位于一個(gè)焦點(diǎn)時(shí)，其發(fā)出的光輻射經(jīng)過(guò)鏡面反射后會(huì)聚到另外一個(gè)焦點(diǎn)上，且光傳播過(guò)程中不產(chǎn)生球差。采用圖4所示坐標(biāo)系，橢球面反射鏡描述方程如（4）式所示：

圖4 橢球反射鏡光學(xué)參數(shù)Fig.4 Optical parameters of ellipsoidal reflector

式中：e為橢球曲線的偏心率；R0為橢球反射鏡頂點(diǎn)處曲率半徑。圖4中f1、f2分別為橢球反射鏡第一和第二焦距；αm－α0為橢球面反射鏡的最大包容角；a、b為橢球反射鏡的半長(zhǎng)軸和半短軸；H 為橢球反射鏡的深度；D′為橢球反射鏡的有效口徑；A為橢球反射鏡的相對(duì)孔徑；M0為橢球反射鏡的近軸成像放大倍率。各參數(shù)之間關(guān)系為

結(jié)合系統(tǒng)中7kW短弧氙燈的散熱需求，根據(jù)目前橢球反射鏡的加工技術(shù)水平，選取第一焦距為60mm，兩焦距之間的距離2 740mm，依據(jù)光瞳銜接原理，開(kāi)口尺寸選為400mm，其詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

太陽(yáng)模擬系統(tǒng)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)積分器作為均勻光器件。對(duì)稱式結(jié)構(gòu)的光學(xué)積分器由兩組對(duì)稱的透鏡陣列組成，分別為場(chǎng)鏡和投影鏡。兩組透鏡陣列擁有一致的光學(xué)結(jié)構(gòu)，都是由多片正六邊形的元素透鏡在基板上緊密拼接形成，如圖5所示。

表2 橢球反射鏡具體參數(shù)Table 2 Optical parameters of ellipsoidal reflector

圖5 光學(xué)積分器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of optical integrator

光學(xué)積分器場(chǎng)鏡中每一元素透鏡將接收到的光輻照進(jìn)行分割，并成像到對(duì)應(yīng)的投影鏡組元素透鏡上；投影鏡中每一元素透鏡接收被分割后的光輻照，并將其成像到系統(tǒng)的輻照面上。經(jīng)過(guò)場(chǎng)鏡和投影鏡組元素透鏡對(duì)應(yīng)成像后，每一部分被分割的光輻照再經(jīng)過(guò)拋物面準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，在系統(tǒng)的出射輻照面上疊加，形成所需的均勻輻照。每組透鏡陣列中，參與拼接的元素透鏡越多，系統(tǒng)出射光的輻照均勻性就越好［12］。系統(tǒng)選用37個(gè)元素透鏡，每個(gè)元素透鏡內(nèi)切圓直徑為15.6mm，焦距為103.2mm，材料選用紅外光學(xué)石英玻璃JGS3，元素透鏡凸面曲率半徑為47.1mm。光學(xué)積分器的透鏡陣列和基板通過(guò)光膠方式膠合，且均不鍍膜。

太陽(yáng)模擬系統(tǒng)選用離軸拋物面反射鏡作為準(zhǔn)直鏡，將光學(xué)積分器后組透鏡陣列放置在離軸拋物面準(zhǔn)直鏡焦點(diǎn)處，橢球反射鏡會(huì)聚的光經(jīng)過(guò)積分器勻化后從后組透鏡陣列出射，到達(dá)離軸拋物準(zhǔn)直鏡表面，經(jīng)過(guò)離軸拋物面準(zhǔn)直鏡后準(zhǔn)直出射。光學(xué)系統(tǒng)中，視場(chǎng)光闌位于拋物面準(zhǔn)直鏡的物方焦面處，視場(chǎng)光闌經(jīng)離軸拋物準(zhǔn)直鏡成像到出射輻照面，成像關(guān)系如圖6所示。如圖7所示。

圖6 視場(chǎng)光闌位置Fig.6 Field stop position

圖6中，D為準(zhǔn)直鏡口徑；D′為有效輻照面直徑；L為有效輻照面的工作距離；θ0為準(zhǔn)直半角。太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的有效輻照面口徑為400mm，工作距離為2 500mm，半準(zhǔn)直角為0.75°。離軸拋物面準(zhǔn)直鏡相對(duì)孔徑為0.15，口徑為465mm，焦距為3 100mm。

根據(jù)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)以及各光學(xué)元件的參數(shù)，利用Lighttools軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)輻照均勻性進(jìn)行仿真，利用蒙特卡羅光線追跡法對(duì)其光線進(jìn)行追跡。根據(jù)仿真結(jié)果不斷優(yōu)化光學(xué)元件設(shè)計(jì)參數(shù)，從而得到系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)的仿真模型

圖7 光學(xué)系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of optical system

系統(tǒng)中各光學(xué)元件參數(shù)優(yōu)化后，對(duì)系統(tǒng)追跡2×107萬(wàn)條光線，根據(jù)光線追跡的結(jié)果，分析系統(tǒng)出射光的輻照度以及輻照均勻性。在系統(tǒng)的出射光輻照面上設(shè)置接收器，根據(jù)出射光束直徑為400mm，將接收面積劃分為20×20個(gè)網(wǎng)格，照度分布曲線以及照度分布情況如圖8所示。根據(jù)仿真結(jié)果可以知道，在有效輻照面積Φ200mm范圍內(nèi)，輻照不均勻性為±1.65%，在Φ400mm范圍內(nèi)，輻照不均勻性為±3.2%。

圖8 輻照度分布仿真圖Fig.8 Simulation diagram of irradiance distribution

2 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

太陽(yáng)模擬系統(tǒng)光源的光電轉(zhuǎn)換效率不高，且各光學(xué)元件存在一定的光能有效利用率，因此在系統(tǒng)內(nèi)部存在較高的能量損失，在太陽(yáng)模擬系統(tǒng)內(nèi)部形成高溫環(huán)境，從而影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作，因此太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須要考慮冷卻問(wèn)題。在太陽(yáng)模擬系統(tǒng)中，能量主要集中在聚光光路部分，在準(zhǔn)直光路中能量較為分散。各部分的熱負(fù)荷，如（7）～（13）式所示。

短弧氙燈電極熱負(fù)荷Pe：

橢球反射鏡鏡熱負(fù)荷Pc：

上平面反射鏡熱負(fù)荷Pr1：

光學(xué)積分器鏡筒熱負(fù)荷Pt：

光學(xué)濾光片熱負(fù)荷Pl：

下平面反射鏡熱負(fù)荷Pr2：

離軸拋物面準(zhǔn)直鏡熱負(fù)荷Pz：

以上公式中：P為短弧氙燈功率；Ke為短弧氙燈的發(fā)光效率；Kc為橢球反射鏡的反射效率；Kr1為上反射鏡的反射效率；Kα為光學(xué)積分器的孔徑利用率；Kt為光學(xué)積分器的透過(guò)效率；Kl為光學(xué)濾光片的透過(guò)效率；Kr2為下反射鏡的反射效率；Kz為離軸拋物面準(zhǔn)直鏡的反射效率。經(jīng)計(jì)算可得到太陽(yáng)模擬系統(tǒng)各部分的熱負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 太陽(yáng)模擬系統(tǒng)各部分熱負(fù)荷Table 3 Thermal load distribution of solar simulator

模擬系統(tǒng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱方式在密閉的儀器內(nèi)部形成散熱風(fēng)道，將多余熱量從儀器的出風(fēng)口帶走。光學(xué)系統(tǒng)中各元件的位置排布相對(duì)分散，系統(tǒng)中熱負(fù)荷較高的燈室組件、上平面反射鏡以及積分器彼此之間距離較遠(yuǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中散熱，故采用各自強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱方式進(jìn)行冷卻。儀器整體采用框架式機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)，儀器內(nèi)部空間較大，熱量分布相對(duì)分散?；谔?yáng)模擬系統(tǒng)的熱量分布，采用如下的風(fēng)道設(shè)計(jì)方案：在燈室橢球反射鏡罩筒支架側(cè)邊、上平面反射鏡上方外殼以及積分器組件側(cè)邊外殼處各設(shè)計(jì)有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，在距離三者位置均比較適中的離軸拋物準(zhǔn)直鏡上方的外殼上設(shè)計(jì)有出風(fēng)口，每個(gè)進(jìn)風(fēng)口分別同出風(fēng)口組合形成一條風(fēng)道。這樣在系統(tǒng)內(nèi)部形成3條散熱風(fēng)道，具體的風(fēng)道走向如圖9所示。經(jīng)由這3條風(fēng)道，利用3組鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)分別從3個(gè)進(jìn)風(fēng)口向儀器內(nèi)部吹入冷氣流，帶走燈室、上平面反射鏡和積分器組件上的多余熱量，最終在出風(fēng)口處合流，經(jīng)由抽風(fēng)風(fēng)機(jī)將熱空氣排到外部空氣中，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部主要熱源的散熱。同時(shí)，3個(gè)進(jìn)風(fēng)口近似均勻地分布在系統(tǒng)外壁上，所以系統(tǒng)內(nèi)部空氣的對(duì)流能夠有效地帶走環(huán)境中的熱量，實(shí)現(xiàn)其他元件的散熱。

圖9 風(fēng)道設(shè)計(jì)Fig.9 Air duct design

在太陽(yáng)模擬系統(tǒng)內(nèi)部，主要的熱源是燈室組件、上平面反射鏡以及積分器組件。結(jié)合系統(tǒng)的風(fēng)道設(shè)計(jì)，根據(jù)太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的外形設(shè)計(jì)尺寸、系統(tǒng)內(nèi)各具體元件的幾何形狀和尺寸及其熱負(fù)荷，在ICEPAK軟件中建立其幾何模型，對(duì)其進(jìn)行熱分析，建立系統(tǒng)的傳熱數(shù)值分析模型，選擇系統(tǒng)的控制方程，確定流場(chǎng)的算法，采用單元映射法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)仿真結(jié)果不斷優(yōu)化風(fēng)機(jī)風(fēng)量等參數(shù)，從而得到系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表4所示。系統(tǒng)內(nèi)部溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，各熱源溫度分布情況如表5所示。圖10（a）和10（b）為其系統(tǒng)中心截面的溫度場(chǎng)云圖及流場(chǎng)矢量圖。

表4 風(fēng)機(jī)參數(shù)Table 4 Parameters of fan

表5 系統(tǒng)各部件溫度分布Table 5 Temperature distribution of system elements

圖10 系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of temperature field distribution

3 參數(shù)測(cè)試

太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的具體待測(cè)技術(shù)參數(shù)主要有：最大輻照度、輻照度均勻性等。對(duì)于輻照度相關(guān)的測(cè)試，在工作距離處的有效輻照面上采用標(biāo)準(zhǔn)光電池來(lái)完成，如圖11所示。

在相關(guān)的輻射計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光電池進(jìn)行標(biāo)定后，將標(biāo)準(zhǔn)光電池的短路電流轉(zhuǎn)化成太陽(yáng)常數(shù)。在太陽(yáng)模擬系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，將工作電流調(diào)至最大，將標(biāo)準(zhǔn)光電池放在接收屏上的光斑中心處，每隔10分鐘測(cè)量一次，并記錄相應(yīng)的太陽(yáng)常數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，太陽(yáng)模擬系統(tǒng)最大輻照度可達(dá)1.17個(gè)太陽(yáng)常數(shù)。

圖11 技術(shù)指標(biāo)測(cè)試Fig.11 Testing of technical parameters

圖12 最大輻照度測(cè)試Fig.12 Testing of maximum irradiance

太陽(yáng)模擬系統(tǒng)進(jìn)行輻照度不均勻性測(cè)試時(shí)，在接收屏上設(shè)計(jì)采樣點(diǎn)。根據(jù)出射光束直徑為400mm，以40mm為間距，用11×11的網(wǎng)格來(lái)劃分輻照面，每一網(wǎng)格的中心點(diǎn)作為輻照度測(cè)試采樣點(diǎn)。11×11的網(wǎng)格中，不在光斑范圍內(nèi)的網(wǎng)格作為無(wú)效網(wǎng)格，實(shí)際測(cè)試時(shí)不作為采樣點(diǎn)，如圖13所示。在太陽(yáng)模擬系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，在工作距離處，垂直于光束出射方向上放置接收屏，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算輻照面上的輻照度不均勻性，如（14）式所示。輻照面上的輻照度分布如圖13所示。

圖13 輻照不均勻性測(cè)試原理Fig.13 Testing principle of irradiation non－uniformity

式中：Imax和Imin分別為輻照面上最大和最小輻照強(qiáng)度。

計(jì)算輻照度不均勻性時(shí)，將整個(gè)輻照面劃分為 Φ120mm 、Φ200mm、Φ280mm、Φ360mm、Φ4 000mm 5個(gè)區(qū)域。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，輻照不均勻度在 Φ200mm 范圍內(nèi)為 ±1.61%，在Φ400mm范圍內(nèi)為±3.28%。

表6 輻照不均勻性測(cè)量結(jié)果Table 6 Testing results of irradiation non－uniformity

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和研制了一種大口徑反射式太陽(yáng)模擬系統(tǒng)，闡述了太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。給出了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以及各光學(xué)元件的參數(shù)，并運(yùn)用Lighttools軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。系統(tǒng)首次采用鏡像“4”式的光路結(jié)構(gòu)，保證了短弧氙燈的垂直放置和光束的水平準(zhǔn)直出射。依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的布局，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)模擬系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，并運(yùn)用ICEPAK軟件模擬驗(yàn)證了系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)的熱負(fù)荷分布，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果表明：太陽(yáng)模擬系統(tǒng)最大輻照度可達(dá)1.17個(gè)太陽(yáng)常數(shù)；輻照不均勻度在輻照面Φ200mm范圍內(nèi)為1.61%，在輻照面Φ400mm范圍內(nèi)為±3.28%。

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