大輻照面高均勻度反射式太陽(yáng)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙東旭，劉石，張宇，楊松洲，張燃

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.吉林省光電測(cè)控儀器工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)春 130022；3.中國(guó)人民解放軍陸軍裝甲兵學(xué)院士官學(xué)校 兵器運(yùn)用系，長(zhǎng)春 130000）

太陽(yáng)模擬器作為在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬太陽(yáng)輻射的光學(xué)儀器，可模擬太陽(yáng)輻照特性和幾何特性，并用于太陽(yáng)敏感器地面標(biāo)定、光伏產(chǎn)業(yè)和特殊材料性質(zhì)測(cè)試等[1]。輻照均勻度是太陽(yáng)模擬器的關(guān)鍵指標(biāo)，直接決定了太陽(yáng)模擬器的精度。美國(guó)Newport 公司生產(chǎn)的最新OrielSol3A 太陽(yáng)模擬器，其型號(hào)為94123A-CPV，輻照面尺寸為304.8×304.8 mm2，輻照度可達(dá)一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，輻照不均勻度為2%[2]，該模擬器能滿(mǎn)足在保證一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)的輻照度的同時(shí)輻照均勻度也較好，但由于其采用的是單燈透射式光學(xué)系統(tǒng)，其輻照面較小，難以滿(mǎn)足大幅照面的使用環(huán)境。日本的SAN-EI 公司研制的XES-300S1AAA 級(jí)太陽(yáng)光模擬器，在300×300 mm2面積上，輻照不均勻度優(yōu)于2%，輻照度可達(dá)一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，此太陽(yáng)模擬器同樣受單燈功率有限和透射式準(zhǔn)直鏡尺寸的問(wèn)題，光斑口徑較小。2015 年王新星[2]研究的Φ400 mm 口徑的太陽(yáng)模擬器，輻照度可達(dá)一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，輻照不均勻度為3.28%。該太陽(yáng)模擬器采用多燈反射式光學(xué)系統(tǒng)，可模擬出大口徑的太陽(yáng)光斑，但受傳統(tǒng)光學(xué)積分器的勻光能力限制，其輻照均勻度較低。2018 年張駿[3]設(shè)計(jì)的向心型動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直太陽(yáng)模擬器，輻照面口徑為Φ500 mm，輻照度可達(dá)0.7 個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，輻照不均勻度為5%，此太陽(yáng)模擬器采用的是單燈反射式光學(xué)系統(tǒng)，其輻照度較低，低于一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，其輻照均勻度也較低。2020 年李昊洋[4]研制的全天候太陽(yáng)模擬器，輻照度可達(dá)120 W/m2，在輻照面口徑Φ200 mm 內(nèi)輻照不均勻度為±3.3%，光學(xué)系統(tǒng)采用單燈透射式光學(xué)系統(tǒng)，其輻照度較低，輻照面光斑口徑較小。

目前的太陽(yáng)模擬器利用橢球鏡將氙燈燈弧發(fā)出的光反射匯聚于橢球鏡的第二焦點(diǎn)處。由于單燈模擬器功率有限，在增大輻照面的同時(shí)難以保證輻照度的大小。本文采用多個(gè)燈組環(huán)狀拼接成高功率復(fù)合光源，實(shí)現(xiàn)大幅照面高輻照度的要求。為了增強(qiáng)大輻照面太陽(yáng)模擬器在不同領(lǐng)域的適用性，需提高其輻照均勻度，影響輻照均勻度的因素包括光源與聚光系統(tǒng)共同作用后導(dǎo)致的光斑能量高斯分布、大角度入射光形成的邊緣雜散光、離軸反射鏡的離軸角等[5-6]。本文以抑制通過(guò)光學(xué)積分器的陣列透鏡中各子透鏡間縫隙及大角度入射光形成的邊緣雜散光為目標(biāo)，建立系統(tǒng)光線(xiàn)傳播矩陣模型，分析各類(lèi)雜散光對(duì)輻照特性的影響，并設(shè)計(jì)消串?dāng)_光闌，解決離軸反射鏡的離軸角造成的輻照均勻度下降問(wèn)題，進(jìn)而提高太陽(yáng)模擬器的輻照均勻度。

1 太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的組成與工作原理

為了擴(kuò)大輻照面、提高輻照均勻度，同時(shí)保證較高的輻照度，提出由多燈作為光源、離軸反射鏡作為準(zhǔn)直鏡的大口徑反射式太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)，工作原理圖如圖1 所示。

圖1 工作原理圖

圖2 太陽(yáng)模擬器整體光路圖

2 光學(xué)積分器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)積分器的組成及工作原理

現(xiàn)有的光學(xué)積分器主要包括場(chǎng)鏡組和投影鏡組，接收經(jīng)聚光系統(tǒng)作用后的特定角度入射的光源像，并利用場(chǎng)鏡透鏡陣列對(duì)光束進(jìn)行分割，再通過(guò)投影鏡透鏡陣列完成光束疊加[10]，如圖3 所示。

圖3 光學(xué)積分器成像原理圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由三只短弧氙燈組成的復(fù)合光源以增加太陽(yáng)輻照度，同時(shí)為了增大太陽(yáng)輻照面，選用了離軸反射鏡作為準(zhǔn)直系統(tǒng)，改變了入射光束的特定角度和能量分布，但加劇了各子透鏡通道間的光線(xiàn)串?dāng)_[11]，進(jìn)而影響了光學(xué)積分器的勻光效果。

2.2 串?dāng)_光線(xiàn)的產(chǎn)生及其影響分析

理想情況下，入射光線(xiàn)以特定角度入射到場(chǎng)鏡陣列透鏡，并被分割投射至對(duì)應(yīng)的投影鏡透鏡陣列，但由于本系統(tǒng)使用了離軸反射準(zhǔn)直鏡，輻照面失去對(duì)稱(chēng)性，需要偏轉(zhuǎn)復(fù)合光源來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致入射光線(xiàn)不再遵循特定角度入射，破壞了陣列的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，相鄰子透鏡通道之間出現(xiàn)了光線(xiàn)串?dāng)_[12-13]，并導(dǎo)致準(zhǔn)直系統(tǒng)的入射關(guān)系被破壞，從而影響了勻光效果，如圖4 所示。

圖4 光線(xiàn)串?dāng)_作用下的輻照分布原理圖

為了分析入射光線(xiàn)角度和陣列透鏡中各子透鏡間縫隙對(duì)輻照面的影響，找出各類(lèi)雜散光在輻照面上的成像位置，結(jié)合矩陣光學(xué)理論[14-15]，建立太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的光線(xiàn)傳播矩陣模型，如下：

式中，f場(chǎng)、f投、f準(zhǔn)分別為場(chǎng)鏡子透鏡、投影鏡子透鏡、準(zhǔn)直鏡的焦距；d場(chǎng)、d投、d準(zhǔn)分別為場(chǎng)鏡、投影鏡、準(zhǔn)直鏡與輻照面之間的距離；y入、y出、α入、α出分別為入射光和出射光的高度和角度；n為第n排子透鏡；p為子透鏡的口徑；Δp為子透鏡之間的縫隙。

為了求解光線(xiàn)的入射臨界角，分析光線(xiàn)在場(chǎng)鏡作用下的傳播規(guī)律，在太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的光線(xiàn)傳播矩陣模型的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化可得光線(xiàn)經(jīng)場(chǎng)鏡作用后，照射在投影鏡陣列上的高度和方向矢量矩陣，如下所示：

式中，y投和α投分別為照射到投影鏡上的光線(xiàn)高度和光線(xiàn)角度。

由式（2）可知，取場(chǎng)鏡子透鏡半口徑D半=4.05 mm、f場(chǎng)=24.3 mm、d場(chǎng)=24.3 mm 時(shí)，入射光的臨近角計(jì)算值為±9.462°。

因此，我國(guó)建筑企業(yè)e-HR系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持按照 “整體設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌安排、分步實(shí)施”的原則，以企業(yè)的實(shí)際需要出發(fā)，針對(duì)發(fā)展過(guò)程中將遇到的各種實(shí)際問(wèn)題，找準(zhǔn)突破口和切入點(diǎn)，以滿(mǎn)足實(shí)際管理需要為原則，建立一套適合我國(guó)建筑企業(yè)發(fā)展的e-HR系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)中長(zhǎng)期戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃服務(wù)。

考慮到場(chǎng)鏡各子透鏡間存在縫隙，且縫隙量將改變作用口徑，為此，計(jì)算縫隙量對(duì)入射光的臨近入射角和高度以及出射光線(xiàn)高度的作用關(guān)系，如表1 所示。

表1 縫隙量Δp對(duì)入射光的臨近入射角αR和高度yR以及出射光高度yC的作用情況

由表1 可知，對(duì)光學(xué)積分器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，若在場(chǎng)鏡和投影鏡之間添加消串?dāng)_光闌，則可有效利用陣列透鏡中各子透鏡間的縫隙，抑制串?dāng)_到相鄰?fù)ǖ赖墓饩€(xiàn)進(jìn)入輻照面，且消串?dāng)_光闌的厚度與縫隙量Δp直接對(duì)應(yīng)。

2.3 消串?dāng)_光闌的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在光學(xué)積分器的場(chǎng)鏡和投影鏡之間設(shè)計(jì)消串?dāng)_光闌可有效減小串?dāng)_光線(xiàn)對(duì)輻照面的影響，同時(shí)提高場(chǎng)鏡和投影鏡的光軸一致性，進(jìn)而提高輻照均勻度[16]。以本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)模擬器為例，以輻照面中心點(diǎn)為原點(diǎn)、橫坐標(biāo)為X軸、縱坐標(biāo)為Y軸，分析縫隙量對(duì)輻照面的作用規(guī)律，如圖5 所示。

圖5 子透鏡間縫隙與輻照度的關(guān)系

透鏡陣列中子透鏡口徑為Φ8.1 mm，縫隙從0.2 mm 變化至1.6 mm，觀察輻照度和輻照均勻度的變化情況后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)縫隙為0.5 mm 時(shí)，輻照均勻度達(dá)到最優(yōu)值，輻照度優(yōu)于一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)。據(jù)此設(shè)計(jì)消串?dāng)_光闌厚度為0.5 mm，遮擋通過(guò)縫隙的光束，實(shí)現(xiàn)提高輻照均勻度的目的。

同時(shí)，分析入射光角度、子透鏡厚度、場(chǎng)鏡與投影鏡間的空氣間隔以及介質(zhì)折射率對(duì)消串?dāng)_光闌長(zhǎng)度的影響[17]，并利用式（3）計(jì)算最佳長(zhǎng)度h闌：

式中，m子為子透鏡厚度；m膠為光膠板厚度；n為透鏡折射率，其值為n=1.458 6。

由式（3）可知，當(dāng)α入=9.462°、m子=3 mm，m光=4 mm 時(shí)，消串?dāng)_光闌長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值為14.7 mm，消串?dāng)_光闌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖6 所示。

圖6 消串?dāng)_光闌結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，考慮光學(xué)積分器工作時(shí)局部高溫，溫度可達(dá)230 ℃，故消串?dāng)_光闌材料選用低膨脹合金材料銦鋼，銦鋼在230 ℃時(shí)，線(xiàn)性膨脹系數(shù)不高于1.5×10-6/℃。

3 太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)仿真分析

3.1 光學(xué)系統(tǒng)建模與輻照均勻度評(píng)價(jià)方法

利用LightTools 軟件對(duì)太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模，利用蒙特卡洛光線(xiàn)追跡法，追跡5×107條光線(xiàn)，仿真模型如圖7 所示。

圖7 整體光學(xué)系統(tǒng)仿真圖

對(duì)輻照面Φ500 mm 內(nèi)，以中心對(duì)稱(chēng)的方式選取17 個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量其輻照度值，將測(cè)得數(shù)據(jù)處理后代入公式（4）計(jì)算，如圖8 所示。

圖8 輻照面上17 點(diǎn)采樣法示意圖

式中，ε 表示輻照不均勻度；Emax表示樣點(diǎn)數(shù)據(jù)最大值；Emin表示樣點(diǎn)數(shù)據(jù)最小值。

3.2 裝調(diào)誤差對(duì)輻照度和輻照不均勻度的影響分析

復(fù)合光源、光學(xué)積分器、離軸反射鏡裝調(diào)誤差包括角度誤差和距離誤差。其中，偏轉(zhuǎn)角度為-1°～1°，仿真分析結(jié)果如圖9 所示；偏轉(zhuǎn)距離為-10～10 mm，仿真分析結(jié)果如圖10 所示。

圖9 偏轉(zhuǎn)角度對(duì)太陽(yáng)模擬器性能的影響

圖10 偏移對(duì)太陽(yáng)模擬器性能的影響

由圖9 可知，在偏轉(zhuǎn)角度的作用下：復(fù)合光源使輻照度最低達(dá)到1 507 W/m2，輻照不均勻度最高達(dá)到2.5%；光學(xué)積分器使輻照度最低達(dá)到1 504 W/m2，輻照不均勻度最高達(dá)到3.1%；離軸反射準(zhǔn)直鏡使輻照度最低達(dá)到1 532 W/m2，輻照不均勻度最高達(dá)到3.0%。

由圖10 可知，在偏移距離的作用下：復(fù)合光源使輻照度最低達(dá)到1 425 W/m2，輻照不均勻度最高達(dá)到4.0%；光學(xué)積分器使輻照度最低達(dá)到1 395 W/m2，輻照不均勻度最高達(dá)到4.9%；離軸反射準(zhǔn)直鏡使輻照度最低達(dá)到1 389 W/m2，輻照不均勻度最高達(dá)到4.6%。

3.3 系統(tǒng)輻照度與輻照均勻度仿真分析

分析光學(xué)系統(tǒng)在消串?dāng)_光闌作用前后，輻照度和輻照均勻度的變化情況。最終采樣結(jié)果及輻照均勻度如表2 所示。

表2 添加消串?dāng)_光闌前后輻照度及輻照均勻度變化

由表2 可知，在Φ200 mm 的輻照面內(nèi)，加入消串?dāng)_光闌后，輻照均勻度由97.54%提高到98.70%，輻照度最小值由1 864 W/㎡降至1 627 W/㎡；在Φ500 mm 的輻照面內(nèi)，加入消串?dāng)_光闌后，輻照均勻度由95.38%提高到98.07%，輻照度最小值由1 776 W/㎡降至1 579 W/㎡。雖然在添加消串?dāng)_光闌后，輻照度有所降低，但仍滿(mǎn)足一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)的輻照需求。據(jù)此可知，消串?dāng)_光闌有效地避免了離軸反射鏡的離軸角和陣列透鏡中各子透鏡間縫隙造成的輻照均勻度下降問(wèn)題，提高了輻照均勻度。

4 結(jié)論

以實(shí)現(xiàn)大輻照面高輻照度太陽(yáng)光斑模擬為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種大口徑準(zhǔn)直式太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)，提出了由三只短弧氙燈配合橢球聚光鏡組成的復(fù)合光源以提高輻照度，建立了太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的光線(xiàn)傳播矩陣模型，掌握了入射光線(xiàn)的入射角和陣列透鏡中各子透鏡間縫隙對(duì)輻照均勻度的作用規(guī)律，并據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)了具有消串?dāng)_光闌的光學(xué)積分器，消除大角度雜散光，實(shí)現(xiàn)了提高輻照均勻度的目的。利用LightTools 軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：在Φ500 mm 的輻照面內(nèi)，輻照度優(yōu)于一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，達(dá)到1 579 W/㎡，輻照均勻度優(yōu)于98.07%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大輻照面、高輻照均勻度太陽(yáng)光斑的模擬。