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什么是太阳光模拟器

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太阳光是生活中最常见的光源,也是最清洁的能源,在很多科研场景中都需要考虑太阳光的影响,但是太阳光会随着时间、天气等因素的变化而发生变化,因此如何模拟出稳定可控的太阳光在光伏、航空航天和汽车等众多领域有十分重要的研究价值。

  1.太阳光模拟器标准

    按照IEC 60904-9,JIS 8904-9和ASTM E927-10用于光伏测试的太阳能模拟器需要满足光谱匹配度,辐射空间均匀性和时间不稳定性的要求 。

  2.总辐照度

太阳光模拟器须要在测试平面上达到1000W/m2的总辐照度,并且能够根据需要对辐照度的大小进行调节。

  3.光谱匹配

太阳光模拟器的光谱辐照度分布须要与 am1.5g 标准太阳光光谱辐照度分布匹配, 下表给出了 am1.5g 标准太阳光光谱辐照度分布。

波长间隔 [nm]

AM1.5D

AM1.5G

AM0

300–400

没有规格

没有规格

8.0%

400–500

16.9%

18.4%

16.4%

500–600

19.7%

19.9%

16.3%

600–700

18.5%

18.4%

13.9%

700–800

15.2%

14.9%

11.2%

800–900

12.9%

12.5%

9.0%

900–1100

16.8%

15.9%

13.1%

1100–1400

没有规格

没有规格

12.2%

  4.均匀度


在测试平面上,太阳光模拟器出射光照射在指定测试区域内的辐照度应达到一定的均匀度。不均匀度的定义如上图所示。

  5.辐照稳定度

什么是太阳光模拟器(图2)

每个维度都分为三个等级之一:A、B 或 C。每个等级所需的规格在下表中定义。在所有三个维度上都满足 A 级规范的太阳模拟器被称为 A 级太阳模拟器,或者有时称为 AAA 级。

特性

等级 A

等级 B

等级 C

光谱匹配度

0.75-1.25

0.6-1.4

0.4-2.0

辐照不均匀度

≤±2%

≤±5%

≤±10%

辐照不稳定度

≤±2%

≤±5%

≤±10%

太阳模拟光谱通过多个波长间隔的积分辐照度进一步指定。AM 1.5G 的标准地球光谱以及地外光谱AM 0的总辐照度百分比如下表所示。

波长(λ)范围/μm

各波段总辐照度的百分比

0.4-0.5

18.5

0.5-0.6

20.1

0.6-0.7

18.3

0.7-0.8

14.8

0.8-0.9

12.2

0.9-1.1

16.1

这些规范主要用于测试硅基太阳能电池测试,因此定义间隔的光谱范围主要限于硅的吸收区域。这种定义也能满足其他光伏技术,包括基于CdTe或CIGS技术的薄膜太阳能电池,

  6.太阳模拟器光源的类型

  (1)氙灯

    氙灯是一种高强度气体放电灯,通过瞬间产生的高压使气体发生电离,形成放电通道,产生电弧光,然后在较低的工作电压下保持稳定的弧光放电。氙灯光谱图如下图1-3 所示,红线是氙灯发光的光谱,黄线是标准太阳光光谱,可以看出,氙灯发光的光谱与标准太阳光十分近似,只是在部分波长有很高的尖峰。

利用氙灯作为太阳光模拟器的光源存在的主要优点如下:一是光谱匹配度高,氙灯的色温在 6000K 左右,与太阳光十分近似,从上图 1-3 中可以看出,氙灯光谱与am1.5g 标准太阳光光谱十分近似,光谱匹配度很高;二是氙灯的光响应速度快,氙灯是通过瞬间产生的 20kV 高压脉冲将氙气电离形成发光的电弧,不需要预热就能达到稳定的光输出;三是氙灯的发光亮度十分高,具有很高的发光效率,十分适合制作大面积的太阳光模拟器。利用氙灯制作太阳光模拟器也有一些缺陷:一是氙灯需要高达 20kV 的电压来启动,具有一定的危险性,不适合实验教学场合使用;二是稳定性较差,氙灯需要20kV 的高压来启动,启动器在长时间容易发生故障,而且灯泡容易失效,故障率相对较高;三是光学结构复杂,氙灯的光谱中有许多远远偏离的尖峰,需要设计复杂的滤光结构将这些尖峰过滤掉。

(2)金属卤化物弧光灯

卤钨灯,又称卤素灯、石英灯等,是对白炽灯的一种改进,卤钨灯在玻璃外壳中充有碘或者溴等卤族元素气体。卤钨灯的工作原理为:与白炽灯类似,卤钨灯也是通过灯丝发热而发光,不同的是卤钨灯的灯丝在发热时,部分钨原子受热蒸发,移动到玻璃外壳附近后,由于外壳温度较低钨原子又降温和卤素原子结合在一起,形成卤化钨,卤化钨在高温时并不稳定,在随着热流回到灯丝附近后,卤化钨遇热分解,又重新分离为钨原子和卤素蒸汽,这样钨原子又重新回到了灯丝上,弥补被蒸发的部分。这种钨原子循环往复运动使得卤钨灯的寿命比白炽灯更长,而且由于工作温度更高,发光的亮度、色温以及发光效率都高于白炽灯。

利用卤钨灯作为太阳光模拟器光源,在可见光至近红外范围内具有连续稳定的发光光谱,发光强度也比较高,但也存在以下问题:一是与太阳光光谱匹配度低,如图1-2 所示,是卤素灯的光谱图,可以看出卤钨灯发出的光线大部分是红外光,红外波段能量远大于太阳光,缺少蓝紫光,可见光波段能量占比也很少;二是亮度调节范围较窄,卤钨灯可以调光,但是调光范围十分有限,因为卤钨灯是通过发热来发光,必须保证灯丝足够高的温度,因为温度过低时,不仅仅会使得色温更低,还可能终止卤钨循环,影响灯泡正常工作;三是虑光系统设计复杂,需设计虑光系统,过滤掉能量过多的红外辐射光线;四是稳定性差,卤钨循环过程中,一些卤化钨会附着在灯泡内壁导致卤钨灯泡发黑,影响卤钨灯的光输出;五是使用寿命短,卤钨灯的失效原因和白炽灯类似,主要是灯丝蒸发后逐渐变细,时间长后可能会熔断,虽然卤钨灯的寿命相较白炽灯有所提高,但是相较 LED 等其他光源,寿命仍然偏低;六是发光效率低,与白炽灯类似大部分电能转化为了热能,只有少部分能量转化为了光能,发光效率远低于氙灯和LED 灯;七是预热时间长,卤钨灯是通过灯丝发热来发光,在灯丝温度低时发光色温也低,必须等待灯丝温度足够高时,才有足够高的色温。

(3)LED

LED 全称是发光二极管,是一种能够发光的半导体器件,LED 的主要发光部件是由 PN 结组成的,PN 结由电子(带负电)多的 N 型半导体和空穴(带正电)多的 P 型半导体结合而成,当向 PN 结施加正向电压时,电子就会移动并在结合部再次结合,在结合的过程中产生大量的能量,而这些能量以光的形式释放出来。LED 的发光是自发辐射的过程,其发光的波长仅仅与 PN 的材料有关,而与电流的大小无关。对于白光LED,通常是由蓝光 LED 激发黄色荧光粉从而形成白光。

利用 LED 作为太阳光模拟器的光源具有如下优点:一是光谱范围广,目前市场上已有多种波长的 LED 成熟产品,通过不同波长的 LED 组合,可覆盖太阳光的整个光谱范围;二是安全稳定可控,LED 工作的电压很低,使用低压恒流源驱动,相对于氙灯采用高压脉冲启动,更加安全稳定可控;三是使用寿命长,LED 光源的寿命约为几万小时,远比卤钨灯氙灯等光源寿命长;四是亮度调节范围广,LED 的亮度可以通过电流来控制,电流的大小仅仅影响 LED 发光的亮度,不会影响 LED 发光的波长,因此LED 太阳光模拟器的总辐照度调节范围很大。利用 LED 光源制作太阳光模拟器也有一些缺点:单个 LED 的发光光谱范围十分有限,为了与太阳光光谱匹配,需要用很多 LED 进行组合,因此需要对各种 LED 进行独立的驱动,最终组合成太阳光,因此采用 LED 光源制作的太阳光模拟器的驱动电源会比较复杂。另外,多种不同 LED 光线之间的混光,以及 LED 的散热等问题也是需要考虑到的缺陷。

随着 LED 产业的发展成熟,驱动、散热、混光、控制等问题逐步得到解决,LED 太阳光模拟器已经逐渐成为太阳光模拟器未来发展的方向。我国是光伏产业大国,也是 LED 制造大国,研制 LED 太阳光模拟器,不仅有助于降低太阳能电池生产测试的成本,而且有助于产业间和合作共赢。采用稳定可靠的 LED 太阳光模拟器作为测试时的标准光源,对于提升产品品质也有重要意义。同时,LED 光源的高安全性,也使得其更适合实验教学。

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