室內輻照試驗用太陽模擬器設計

汪恩良 ，于 俊, 韓紅衛(wèi) ，許春光，胡勝博

（1. 東北農業(yè)大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030；2. 黑龍江省寒區(qū)水資源與水利工程重點實驗室，哈爾濱 150030）

太陽輻射作為地球表層能量主要來源，廣泛應用于居民居住[1]、作物生產[2]、道路照明[3]、航天事業(yè)[4]等領域，同時也應用于冰和凍土等自然領域研究，太陽輻射是冰層熱力學模型建立和凍土水熱響應關系函數(shù)中重要參數(shù)。春季回暖階段太陽輻射增加，封凍冰面和凍土中冰晶受太陽輻射、氣溫、水溫及地溫等因素影響，內部開始融化。對于冰面而言，結構完整性發(fā)生變化，出現(xiàn)流凌現(xiàn)象，流冰將使河道堆積堵塞，抬高水位，沖擊岸坡和破壞堤防[5]；季節(jié)性凍土則因太陽輻射影響，改變周圍溫度場分布，土壤中熱量和水分向土體表面遷移，造成嚴重的凍脹現(xiàn)象[6]。因此，研究太陽輻射對冰生消過程影響、力學性質變化及凍土凍融傳熱規(guī)律具有重要意義。目前靜冰生消和凍土凍融研究多采用室內物理模型，模擬太陽輻射所選光源是一個關鍵且敏感的要素，常見燈光與太陽輻射光譜分布存在差異，導致試驗過程與實際情況差異較大[7]。因此，通過室內測試選擇最佳光源完成太陽模擬器設計，并借助室內輻照試驗可為上述問題提供理論依據(jù)。

目前，研制太陽模擬器重點在于模擬器光源選擇。20 世紀60 年代初，美國采用汞氙燈作為太陽模擬器使用光源，經多次加工改造后，太陽模擬器可較好模擬太空輻照環(huán)境[8-9]；德國選用氙燈作為太陽模擬器使用光源，點燃方式為傾斜氙燈與水平面傾角范圍15°～30°，達到當時試驗要求[10]；日本NASDA 為滿足輻照度要求，太陽模擬器由多只短弧氙燈組成， 輻照度達1 758 W ·m-2[11]。我國最初將碳弧燈作為太陽模擬器使用光源[12]，劉國新等為滿足太陽能板集熱測試性能要求[13]，研制金屬鹵化物鏑燈太陽模擬器，與太陽表面色溫一致，平均壽命為500 h；近年，選用LED燈作為太陽模擬器使用光源開始興起，甘汝婷等選用遺傳算法作為光譜匹配算法，將單色光LED燈、CIE-D65 燈與AM1.5 標準光譜最佳匹配組合，擬合效果較好[14]；隋成華等為彌補鹵鎢燈紫外波段缺陷，利用LED 燈組成復合光源，成功設計一種復合型光譜檢測裝置[15]。綜上，為達到不同試驗目的，選用光源不同，因此最佳光源選擇是室內設計太陽模擬器關鍵環(huán)節(jié)。

本文依據(jù)前人研究[16-17]，擬定金鹵燈、長弧氙燈、碘鎢燈、白熾燈作為本試驗預備光源，將每種光源分別與野外太陽光色溫、光譜匹配度及各波段能量占比作比較，確定與野外太陽光相近光源作為模擬器使用光源。通過低溫環(huán)境模擬實驗室室內結構條件，設計太陽模擬器系統(tǒng)構造并接入使用光源測試模擬器輻照度、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度，驗證室內設計太陽模擬器等級要求，以期為太陽輻射對冰物理力學性能影響及凍土凍融傳熱規(guī)律研究提供理論支持。

1 太陽模擬器光源選擇

1.1 試驗內容及方法

光源選擇是設計太陽模擬器首要解決問題。實驗室準備長弧氙燈、金鹵燈、碘鎢燈及白熾燈4種光源，分析4種光源光譜特點，并與野外太陽光譜、色溫及能量分布作比較，根據(jù)《太陽模擬器校準規(guī)范》（JJF 1615-2017）得到對應光源波長范圍模擬器等級（見表1）[18]。

通過對比分析結果，綜合考慮經濟性、技術性、可行性等要求，最終選擇滿足室內輻照試驗的太陽模擬器光源。

表1 太陽模擬器等級Table 1 Solar simulator level

于大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室獲取光源光譜。冷庫模擬低溫環(huán)境，避免其他光源對試驗結果產生誤差，且室內溫度可調，是獲取光源光譜最佳試驗地點。采用TriOs 光譜輻射儀測量光譜（見圖1），該儀器可收集波長320～950 nm光譜信息、輻照度和輻亮度，其光譜采集頻率為1 min，光譜精度為0.3 nm，儀器可滿足在空氣或水中測量。

將所選取4 種光源分別放置于冷庫地面（見圖2），光源上方放置采集儀，采集儀由工具箱和鋼架固定其高度和位置，調整采集儀下方探頭使其垂直向下對準光源方向，光源與探頭間距離保持在100 cm，每種光源觀測時長均為15 min。4 種光源光譜采集完畢后，將數(shù)據(jù)帶回東北農業(yè)大學低溫環(huán)境模擬實驗室開展下一步試驗。

1.2 光譜各自特點分析

通過采集儀獲取歷時120 min 試驗光譜信息數(shù)據(jù)，為得到較平穩(wěn)且誤差小光譜圖，剃除前5 min獲取數(shù)據(jù)，用剩余時長光譜數(shù)據(jù)繪制4 種光源光譜，見圖3。

從4 種光源光譜圖中可見：①金鹵燈波長較為活躍區(qū)域在400～700 nm，此波長范圍內輻照度不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)波峰及波谷，而最大波峰值出現(xiàn)在600 nm處，輻照度達1 000 W·m-2，隨后700～800 nm 波長段呈平穩(wěn)趨勢，在經歷最后一個波峰后，輻照度趨于穩(wěn)定?？梢姡瘥u燈主要輻射集中在可見光部分（400～760 nm），紫外線（320～400 nm）與紅外線（760～950 nm）占比較小；②試驗所選用長弧氙燈輻照度普遍較低，最大峰值在80 W·m-2，波長范圍320～800 nm，曲線呈上升趨勢且起伏，輻照度30 W·m-2，但波長在800 nm 至儀器所能測量范圍內，曲線先出現(xiàn)大幅度轉折到達峰值，后呈下降趨勢，說明紅外線在長弧氙燈輻照強度分布中起主導作用，而紫外線與可見光部分能量占比較大；③碘鎢燈與白熾燈光譜圖特點相似，輻照度均隨波長增加而增大，主要輻射為紅外線，缺乏紫外線，另外，可見光部分占比較小。

1.3 各光源參數(shù)對比

野外太陽光各參數(shù)數(shù)據(jù)于2019 年4 月28 日～5月5 日觀測，此時段處于黑龍江漠河北極村段（53°33′30″N， 122°20′27.14″E）解凍期，野外觀測見圖4。

該時期可充分掌握流冰對岸灘撞擊時力學性質變化，預防岸坡破壞，收集此時野外太陽光輻照量開展室內模擬輻照試驗。在基于太陽輻射對冰力學性質變化試驗中，需室內完成冰樣制備，采集冰樣受太陽輻射后各項物理力學參數(shù)變化影響，并在野外現(xiàn)場觀測，獲取野外環(huán)境條件數(shù)據(jù)。其中，自制太陽模擬器能否與野外太陽光各參數(shù)保持一致是室內試驗順利開展關鍵，以往通常選用AM2[19]或AM1.5[20]太陽光譜對比人造光源光譜，而本次試驗將與野外實測太陽光譜作對比，保證數(shù)據(jù)可靠性，同時野外實測太陽光譜與AM1.5標準太陽光譜接近，在光譜對比中參照標準太陽光各項技術指標。

觀測每種燈源完整發(fā)光階段后，獲取4 種光源色溫，并與野外太陽光色溫作對比，如表2 所示，發(fā)現(xiàn)金鹵燈和長弧氙燈色溫與野外太陽光色溫相差小，可單獨作為太陽模擬器預備使用光源，而碘鎢燈和白熾燈色溫均小于野外太陽光色溫且相差2 000 K 以上，因此單獨使用這兩種光源作為人造太陽光源方案不可行。由此，碘鎢燈和白熾燈將不參與不同波段所占能量分布對比和光譜對比。由圖3可知，長弧氙燈輻照度較小，將其光譜與野外太陽光譜對比，無法區(qū)分差異，根據(jù)光疊加原理，當幾列光波空間相遇時，其合成光波光矢量等于各分量光波光矢量矢量和，所以將長弧氙燈波長范圍內輻照量擴大到原來的10 倍繪制光譜對比圖，如圖5所示。

得到金鹵燈、長弧氙燈及野外實測太陽光3種光譜對比圖后，通過求解積分方法，分別計算金鹵燈、長弧氙燈和野外太陽光在320～950 nm 各波長間隔內能量占總能量百分比（見表2）。由表2 和圖5分析可知，金鹵燈在可見光部分遠大于野外太陽光，兩者在紫外線波段能量占比相差較小，其紅外線能量占比較小，約占野外太陽光一半，而長弧氙燈與野外太陽光能量分布在紫外線波段和可見光波段相似，但在紅外線波段相差略大?？傮w看，金鹵燈雖色溫滿足條件，但其他參數(shù)不理想，而長弧氙燈除紅外線能量占比大外，其他參數(shù)均滿足條件，因此選擇長弧氙燈作為室內設計太陽模擬器使用光源，并參照表1和表2中長弧氙燈相對比率，得出長弧氙燈光譜匹配度在大部分波長范圍內滿足A級模擬器要求，僅在700～800 nm和800～950 nm滿足B級模擬器要求，依據(jù)規(guī)范，由最低光譜匹配等級確定太陽模擬器光譜匹配級別。由此，室內設計太陽模擬器光源匹配等級為B級。

表2 4種光源與野外太陽光各參數(shù)對比Table 2 Comparison of four kinds of light sources and the field sunlight each parameter

2 太陽模擬器系統(tǒng)設計

依據(jù)上述理論分析，將長弧氙燈作為模擬器使用光源并開展系統(tǒng)設計工作。主要包括燈架制作、燈陣布置及調節(jié)。

室內模擬輻照試驗時需將模擬器安裝在低溫環(huán)境實驗室水槽上方，實驗室環(huán)境溫度±40 ℃，精度±0.5 ℃；水槽尺寸（長×寬×高）為4 m×4 m×1.2 m，其底部通過底板利用循環(huán)熱交換方式控制水溫，模擬冰在凍結期和解凍期生消過程。燈架尺寸（長×寬×高）約為2 m×4 m×1 m，有效輻照面積占試驗水槽尺寸一半，可滿足有無輻照試驗光照對比；燈架選材時考慮到設計太陽模擬器尺寸大，燈數(shù)量多，且每個燈源均配有單獨燈罩、鎮(zhèn)流器和觸發(fā)器，因此選擇足夠強度且不易銹蝕白鋼方型管作為燈架主材；燈架結構設計為兩層，燈架四角和四條邊中心各有一根立柱與實驗室頂板橫梁固定，固定方式采用U型卡槽式鋼片，上下用螺絲相連，可使燈架牢固懸掛于實驗水槽上方；每只燈配套燈罩為反光罩，光源輸出方式以平行光照射，且燈罩通過與豎桿一端固定接入燈架，豎桿上每隔100 mm 打孔，調節(jié)光源距離。本次輻照試驗選在低溫環(huán)境下開展，防凍電纜線共9只，每只400 W 長弧氙燈（CHS13）。為考慮光照均勻性，將燈布置成方形結構。另外，太陽模擬器具有良好接地措施。

3 太陽模擬器技術性能研究

3.1 太陽模擬器輻照度測量

通過傳感器接入DataTaker DT80G 數(shù)據(jù)采集器獲取輻照度，其傳感器測量范圍0～2 000 W·m-2，測量精度±5%，工作溫度-30～+70 ℃，標稱電阻2 W；DT80G采集器具有靈活、獨立、低能耗等工作特點，儀器采集數(shù)據(jù)方法是由傳感器輸入得到電壓值，除以每個傳感器背面各自提供的標定常數(shù)，獲得太陽模擬器輻照度。

太陽模擬器光源垂直向下照射在實驗水槽底部投影劃分，如圖7所示。

由圖7 可知，試驗測得光源到地面距離為1.0 m時不同測點輻照度，并將所得數(shù)據(jù)平均值作為太陽模擬器輻照度。太陽模擬器在有效輻照面積中心約1 m高度處輻照度達到115 W·m-2。

3.2 太陽模擬器輻照不均勻度測試

在太陽模擬器有效輻照面范圍內，輻照度隨位置變化最大相對偏差用輻照不均勻度表示，計算公式如下：

式中，Emax-有效輻照面全部范圍內測得最大輻照度（W·m-2）；Emin-有效輻照面全部范圍內測得最小輻照度（W·m-2）。

考慮光源均勻性，將傳感器放置在實驗水槽地面，由于有效輻照面為方形輻照面，測量時按照垂直和水平兩個方向掃描。位置處于每排相鄰兩個燈源中心，傳感器可測得區(qū)域中心輻照度。依次測定光源距離地面1.0、1.2、1.5 m時輻照度，根據(jù)式（1）可知，輻照不均勻度分別為4.57%、3.81%、4.15%。參照表1 模擬器等級標準，該太陽模擬器輻照不均勻度指標滿足規(guī)范B級要求，超過C級要求，但未達A級要求。

3.3 太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度測試

在太陽模擬器有效輻照面范圍內給定位置，規(guī)定時間間隔，輻照度隨時間間隔變化最大相對偏差用輻照不穩(wěn)定度表示，計算公式如下：

式中，F(xiàn)max-有效輻照面在給定位置上，規(guī)定時間間隔內測得最大輻照度（W·m-2）；Fmin-有效輻照面在給定位置上，規(guī)定時間間隔內測得最小輻照度（W·m-2）。

輻照穩(wěn)定性比輻照均勻性更重要，在有效輻照面上輻照強度平均值與光源輻射穩(wěn)定性密切相關，且穩(wěn)定性太差時難以滿足試驗工況要求。因此，根據(jù)規(guī)范要求，試驗時在有效輻照面范圍內選擇3個特定位置作為輻照不穩(wěn)定度測試位置，分別選定在有效輻照面中心、有效輻照面邊緣上任意一點、有效輻照面中心和邊緣之間任意一點。太陽模擬器光源與地面距離固定在1.0 m，按“三點原則”布置傳感器并開始太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度測試，其結果如圖8所示。

為測試結果準確性，將長弧氙燈開始通電至穩(wěn)定發(fā)光所持續(xù)時間不作為調查依據(jù)，統(tǒng)一按照通電后5～60 min 時長，每2 min 記錄1 次為間隔調查太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度。根據(jù)公式（2），在3個特定位置處輻照不穩(wěn)定度分別為3.69%、3.02%、4.78%。3個特定位置處輻照不穩(wěn)定度均小于5%，但大于2%，因此該太陽模擬器在輻照不穩(wěn)定度指標上滿足模擬器等級標準表中B 級模擬器要求，但尚未達到A 級模擬器要求。

4 結 論

本文設計一種應用于室內模擬野外輻照試驗的太陽模擬器，并完成其模擬器光源選擇、系統(tǒng)設計及性能測試等工作。得出以下結論：

a. 在4種燈色溫和光譜對比中，長弧氙燈與野外太陽光色溫和光譜中各波長段能量占比接近，且長弧氙燈光譜匹配度在全部波長范圍內滿足B級模擬器要求。

b. 太陽模擬器系統(tǒng)設計中燈架選材為強度大且不易銹蝕白鋼方管；為使光源發(fā)光穩(wěn)定，設計兩層結構燈架；燈源配有防凍電纜線滿足低溫作業(yè)需求；燈陣布置為方形，可滿足光照均勻性要求。

c. 太陽模擬器在有效輻照面范圍內1 m高度處輻照度達到115 W·m-2。

d.太陽模擬器性能指標為：輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度均滿足B級要求，超過C級要求，但尚未達A級要求。總體看，本研究設計的太陽模擬器可應用于室內模擬輻照試驗，并為太陽輻射對冰力學性能影響及凍土凍融傳熱規(guī)律研究提供理論支持。