KM6太阳模拟器的设计方案(太阳模拟器)
KM6太阳模拟器的设计方案(太阳模拟器)
KM6 太阳模拟器采用离轴准直光学系统，这是对国外大型太阳模拟器进行充分调研后确定的。
在 20 世纪 70 年代，美国先进的太阳模拟器[1]都是采用离轴准直光学系统。德国在 80 年代也采用离轴准直光学系统[2]研制出了技术先进的大型太阳模拟器。因为根据理论分析，离轴准直光学系统能达到较好的辐照均匀度。
KM6 太阳模拟器的结构由灯室（包括支架、聚光系统、水冷档板）、平面反射镜组件、光学积分器、真空密封窗口和准直镜组成，如图 1 所示。聚光系统由 19 个氙灯单元组成，每个氙灯单元用25kW 水冷短弧氙灯做光源，每个光源配备一个由水冷却的椭球聚光镜和调节机构。19 个氙灯单元将 19 支氙灯发出的光汇集到光学积分器上。光学积分器使辐照变得均匀，并通过真空密封窗口将光辐射到准直镜，由准直镜反射形成平行光束。 其中，准直镜是放置在辅助真空容器里，其余组件都放置在真空容器外。真空密封窗口担负着真空密封和将光引入真空容器的作用。
为获得稳定的辐照，氙灯电源采用大功率程控电源，单台 30kW 功率。程控电源采用恒流工作模式，可以根据计算机的命令，自动控制输出 电流的强度和稳定性。
KM6 太阳模拟器控制系统通讯采用的是工业以太网。KM6 太阳模拟器除了在大气环境下检测性能之外，试验期间还需在参考平面上应用探测器来监测辐照值。
3 光学系统设计和理论分析
3.1 光学系统设计
KM6 太阳模拟器光学系统采用离轴准直光学系统，由 19 支氙灯、19 个椭球聚光镜、平面反射镜、光学积分器、光学窗口镜和准直镜组成。
光学参数和相对位置如图 2 和表 1 所示。
3.1.1 聚光镜
KM6 太阳模拟器选择 19 支 25kW 水冷短弧氙灯为光源，每支氙灯配备一个椭球面聚光镜构成一个氙灯单元，共 19 个。这些氙灯单元安放在一个球面封头上，球面封头的开口直径为 3138.30mm。
椭球面聚光镜参数： ：f1=78.9mm；mo=85；f2=6706.5mm。
椭球面聚光镜子午面内截线方程式： y2=2R0x-(1-e2)x2 ,
其中：R0=2×f1×f2/(f1+f2)；
e=(f2–f1) / (f2+f1)；
y2=311.9302x-0.045971 x2。
聚光镜出射端口径：Φom =540.0mm。
聚光镜有效包容角：Um-Uo=121°-42°=79°。
3.1.2 光学积分器
选择对称式光学积分器镜组，由口径相等的场镜阵列和投影镜阵列组成，每个阵列由 55 个圆口径的平凸透镜组成，并按蜂窝状结构排列。
光学积分器通光口径：Φo=694mm。
元素透镜口径：Φn=80.5105mm。
光学积分器阵列的有效通光比：α=0.725。
投影镜元素透镜相对孔径：Φn/f=1/2。
投影镜焦距：f=2Φn=161.0211mm。
投影镜凸面半径：r 投=73.8443mm。
场镜透镜凸面半径：r 场=71.9973mm。
3.1.3 平面反射镜
平面反射镜到光学积分器场镜阵列的距离为 1800mm，到灯阵中心聚光镜出瞳的轴向距离为 4645mm。平面反射镜有效通光口径为 1647mm×2422mm，光轴与镜面交点相对于镜面中心向上偏离215mm。该平面反射镜由 15 块平面反射镜单元拼接而成，每块平面反射镜单元尺寸为 482mm×547mm，为防止镜面受热变形，用水冷却。平面反射镜表面的反射率≥86%，光圈 N=5、局部光圈∆N=1。
3.1.4 准直镜
准直镜由 121 个正六边球面反射镜拼接而成，拼接镜最大口径 Dm=6636mm、通光口径 Do=5200mm；准直镜顶点曲率半径 R=24800mm、近轴焦距 F=11200mm。
每个正六边形球面镜的内切圆直径和外接圆直径分别为：2r 内=600.6612mm；2r 外=693.5839mm。
正六边形球面镜边缘之间隙尺寸选为 5mm。
正六边形球面镜表面的反射率≥86%，光圈 N≤5、局部光圈∆N≤1。
3.1.5 窗口镜
由于准直镜放置在 KM6 辅助容器内，灯室组件和光学积分器放置在辅助容器外，为了将光引入真空的辅助容器，设计了窗口镜起到通光和真空密封作用。其外形尺寸如下：
窗口镜口径：D=942mm；
有效通光口径：Do=850mm；
厚度：h=90mm。
表 1 KM6 太阳模拟器光学系统参数
注 : r1——准直镜曲率半径；r2——窗口镜内表面曲率半径；r3——窗口镜外表面曲率半径；r4——投影镜凸面曲率半径；r5——投影镜平面曲率半径；r6——场镜平面曲率半径；r7——场镜凸面曲率半径；r8——平面反射镜曲率半径；r9——聚光镜环带曲率半径；R—曲率半径值；Φ—通光口径值；ΔL—距离间隔；L—距离，原点为准直镜顶点。
* 积分器通光口径为 φ694mm ，55 个光学通道，n = 1.4586；
** 聚光镜方程式:
聚光镜数量：19 个。
3.2 辐照度计算
3.2.1 在辐照面积直径为φ5000mm 圆内的辐照度 E=1760W/m2；在辐照面积直径为φ5000～φ5400 圆环内的辐照度 E=1408W/ m2。W0=E·π·D02/4=34.54kW，其中：D0= 5000mm。 W0' =E'·π·（D12- D02)/4=4.598kW，其中：D1=5400mm。
W 有效=W0+ W0'=39.137kW。
3.2.2 计算光学系统效率 k
k= k1· k2· k3· k4· k5· k6· k7· k8· k9=0.102，
式中：k1 为氙灯光电转换效率，取值 0.45；k2 为聚光镜收集率，取值 0.75；k3 为聚光镜反射率，取值 0.86；k4为光学积分器孔径利用率，取值 0.85；k5 为光学积分器装配利用率，取值 0.73；k6 为场镜、投影镜、窗口透过率，取值 0.9453；k7为准直镜反射率，取值 0.8；k8 为准直镜效率，取值0.9；k9为平面反射镜反射率，取值 0.85。
3.2.3 氙灯运行最大功率计算
W= W 有效/ k /n=39.137/0.102/19=20.195kW，
其中：W 有效=39.137kW；k =0.102；n=19。
太阳光的光谱范围为100nm~4000nm，包含UVC、UVB、UVA、可见光和红外光波（阳光全光谱）。太阳光辐射对绝大多数的现代应用材料都会产生影响，应用材料在进入市场前必须进行阳光辐射环境料测试。
全光谱太阳模拟系统作为实验光源时，在某中程度上说，可以等同于太阳光源，可以模拟太阳光照射。由于模拟器本身体积紧凑科学，测试过程不受环境、气候、时间等因素影响，从而避免了室外测量的各种因素限制，有利于结果的重现，所以现在国内外广泛用室内模拟测试来代替室外测试。太阳光模拟器广泛应用于材料老化性能测试，汽车内外饰老化测试，整车热管理阳光模拟测试，汽车排放阳光模拟测试，环境风度阳光模拟测试，轨道交通阳光模拟测试，航空航天阳光模拟测试，太阳能电池特性测试，特殊照明，光电材料特性测试，环境研究等。
全光谱阳光模拟器用于检测成套零部件或整车在阳光照射下的实验室老化性能。可通过此测试对零部件或整车在照射后性能的更改进行评估，包括形状、颜色、光泽度、手感、强度以及人工全照射、热量/力和温度影响下的各种热膨胀结果。
用于实验。太阳光模拟器就是模拟太阳光光谱和辐照度的仪器，是可用于太阳能电池测试、光催化、化妆品和涂料等材料的耐光防晒实验、光生物的检查与测试等，基本原理是利用人工光源模拟太阳光辐射，以克服太阳光辐射受时间和气候影响，并且总辐照度不能调节等缺点。
太阳能模拟器是通过模拟太阳光照射到太阳能电池片表面，测试太阳能电池电性能参数的设备，是太阳能电池及组件生产中重要的性能测试设备。
对于光伏性能测试,可用的商业化太阳模拟器有两类：
1.稳态模拟器
例如滤光氙灯，双色滤光钨灯-ELH灯或改进的汞灯，这类模拟器适用于单体电池和小尺寸组件的测试.
2.脉冲模拟器
由一个或者两个长弧氙灯组成,这类模拟器由于在大面积范围内辐射度均匀性好,能够更好地适应于大尺寸组件的测试.这类模拟器的另外一个优点是,被测电池热输入可以忽略,这样在测试时被测点出与环境测试温度保持一致,而环境温度是可以很容易精确测量的.脉冲发生网络,数据采集和处理系统通常做为模拟器的部件提供。
以武汉高博光电生产的太阳能模拟器为例，主要有四大部分构成：光源、电子负载、数据采集、PC输出，根据不同的要求和型号需求的精度也不一样。
seeker是互动式三维太阳模拟器。
Seeker能够模拟太空飞行以及模拟在太空轨道、探索太阳、月亮、行星、小行星、卫星之间的游历体验，效果逼真得令人目瞪口呆。这是一个令你久久无法忘记的体验机会！
seeker的例句：
1、I am a seeker after truth.
我是一名真理的追求者。
2、A second category I had noticed is the advice-seeker.
我注意到的第二种类型是寻求建议者。
3、A sensation-seeker is someone who's always looking for new sensations.
寻求感觉的人，是总在寻找新的感觉的人。
会引起系统故障。根据仪器网官网上显示的消息，太阳光模拟器关机顺序错误有可能会导致系统出现故障，故障后需要进行重做系统解决。太阳模拟器是用来模拟太阳光的设备，一般包含光源、供电及控制电路、计算机等组成部分。
