太陽模擬器光源離焦對光斑的影響分析

張嘉鈺，竇建秦，牛虎利，常 笑

（河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018）

太陽模擬器分為準直型太陽模擬器和聚焦型太陽模擬器［1-3］。前者的特征是在較大輻照面積內提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準直穩定的太陽光輻照，主要用來測試太陽電池光伏特性和收集太陽光能；后者的特征是在較小輻照面積內獲取極高的輻射通量，主要應用于測試部件材料的高熱特性和熱化學特性［4-8］。

太陽模擬器的輻照光斑參數是評價設備性能的重要依據，而光源的離焦量又對輻照光斑的能量分布有著重要影響［9］，實際情況中人們無法將光源精確安裝在聚光鏡的焦點位置，所以進行光源離焦量對光斑參數影響的分析對太陽模擬器光學系統的設計有著重要的參考價值。本文正是基于以上原理，通過對某型號聚焦型太陽模擬器光源離焦量與光斑參數的關系開展了研究，利用TracePro光學仿真軟件對光源三維方向的離焦量進行模擬，及其對應的輻照光斑數據進行分析，為太陽模擬器調焦系統方面的設計提供理論上的數據參考。

1 太陽模擬器光學系統組成及其工作原理

聚焦型太陽模擬器光學系統采用光譜能量分布和太陽光譜相近，具有較高的發光效率的短弧氙燈作為光源［10-13］；通常采用橢球面聚光鏡作為聚光單元，因為它具有將位于橢球聚光鏡第一焦點F1處的光源發出的光束匯聚到橢球面聚光鏡第二焦點F2處的特點，滿足高精度匯聚光斑的要求［14-18］。

圖1表示氙燈光源經過橢球聚光鏡反射匯聚至第二焦點的示意圖。該光學系統采用1 000 W的短弧氙燈作為光源，水平安裝［19］。橢球面聚光鏡f1=33.78 mm，焦距f2=541.78 mm，前開口直徑224 mm，后開口直徑50 mm。

圖1 聚光原理示意圖Fig.1 Condensing schematic

2 光源離焦對光斑的影響

2.1 光源的簡化

表1為光源具體參數，氙燈極間距為5 mm，根據短弧氙燈的發光特點可知（圖2），短弧氙燈光弧位于兩極之間，光弧長度為兩極間距，弧光中心位于陰極附近，能量主要集中在陰極斑附近，長度約為2 mm，直徑約為1.5 mm。

表1 光源參數Tab.1 Light source

圖2 氙燈能量分布圖Fig.2 Xenon lamp energy distribution

圖3 氙燈配光曲線Fig.3 Light distribution curve

圖3為短弧氙燈配光曲線圖，該圖表示了氙燈陰、陽極軸線所在平面內的能量分布情況，原點位置為陰極端點，0°，180°極軸為陰、陽極所在軸線，180°方向為陰極，0°方向為陽極。由圖3可知，135°到225°和330°到30°范圍內基本沒有光線發出，因此，在計算模型中氙燈光弧可簡化為直徑1.5 mm、長度2 mm、以兩極軸線為中心的圓柱體，圓柱體兩端面不發射光線，側面發射光線［20］。

2.2 模型的構建

目前光學系統分析軟件主要有TracePro，Light Tools，在研究過程中，采用以蒙特卡洛光線追跡法為理念的TracePro對光源的發光效果進行模擬［21-22］。首先在軟件中以計算好的模型數據進行建模，然后對光源的發光參數和反光表面的材料屬性進行設定，最后利用軟件自身的光線追跡便可在指定距離處的聚光屏上得到如圖4所示的光斑能量圖。從圖4中可以看出，在不考慮光源離焦的情況下，光斑的能量分布梯度均勻，光斑能量主要分布在直徑為32 mm的圓內，輻照度最大值為2.1×106W／m2，平均值為3.0×105W／m2。

圖4 輻照度分布圖Fig.4 Irradiance distribution

實際情況中，由于各種誤差因素的存在，無法將氙燈光源準確安裝在理論焦點位置，或多或少都會有所偏離，很難達到圖4軟件模擬出的效果，本文模擬光源離焦量對光斑的影響，為太陽模擬器光學調焦系統的設計提供數據參考。

2.3 模擬測試

在模擬計算中將簡化的圓柱光源中心放置在橢球聚光鏡第一焦點F1，作為安裝的初始位置，位移為0。由于安裝誤差的不確定因素，不可能將所有方向誤差因素都進行模擬，選取軸向和徑向離焦對光斑的影響進行分析，假設沿軸向的聚光方向為正向，反之為負向。利用TracePro模擬光源偏離聚光鏡焦點對光斑進行分析。

根據幾組模擬出的數據對比，本文對于軸向光源離焦數據的模擬設定聚光屏為50 mm的正方形面，聚光屏正好處于第二焦點F2，設定光源離焦量為±2 mm。

由圖5和圖6可知：正向離焦時，聚光屏輻照度最大值起始平穩，0.6 mm離焦量后會平滑下降；輻照度平均值會有微量的下降；光斑直徑呈現增大趨勢，離焦1.4 mm以后直徑沒有變化。這是由于光源離焦導致光線分散使得聚光屏接收入射光線分散帶來的變化；當負向離焦時，聚光屏輻照度最大值會快速下降，而輻照度平均值幾乎沒有變化，光斑直徑穩定增加，在聚光屏上會形成一個中心與外側輻照度低，中間呈環狀的高輻照度區域，如圖7所示（依次選取-0.4，-0.8，-1.2，-1.6，-2.0 mm離焦量），這種輻照光斑的變化在正向離焦過程中并沒有產生，要防止這種情況的發生，也可以利用微小負向離焦產生頂端輻照度均勻良好的現象（例如-0.8 mm離焦量處輻照度峰值曲線平穩）來進行合適的實驗測試。

對于徑向光源離焦數據的模擬，同樣設定聚光屏為50 mm的正方形面，由于徑向離焦光斑的對稱性變化，只選取一側2 mm離焦量進行數據模擬。

圖5 光斑輻照度與離焦量關系Fig.5 Irradiance relationships with off-focus

圖6 光斑直徑與離焦量關系Fig.6 Spot diameter relationships with off-focus

圖7 負向離焦對光斑影響Fig.7 Negative off-focus impact on the spot

由圖8徑向離焦量與光斑關系圖可以看出，在離焦量0～0.4 mm的范圍內輻照度最大值沒有變化，隨著光斑離焦量的增大，在離焦量0.8～2.0 mm的范圍內輻照度最大值呈平穩下降趨勢，而輻照度平均值在整個離焦量范圍內幾乎沒有變化。由圖9（依次選取徑向0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 mm 離焦量）可以觀察出隨著離焦量的增大光斑呈橢圓、變大趨勢發展，水平方向光斑焦點整體向離焦的相反方向平移5 mm。

圖8 輻照度與離焦量的關系Fig.8 Irradiance relationships with off-focus

圖9 徑向離焦量對光斑影響Fig.9 Radial off-focus impact on the spot

3 結 論

本文依據聚焦型太陽模擬器光學系統的組成及其工作原理，在光學模擬軟件TracePro中進行了光源離焦對光斑參數的影響模擬，并對模擬結果進行了分析。分析結果表明，光源軸向離焦時，光源離焦量對光斑幅照度平均值幾乎沒有影響，但是光斑幅照度最大值隨著離焦量的增大而快速減小，特別是在負向離焦時，會形成環狀高幅照度光斑；另外，在軸向離焦量增加的過程中，光斑直徑會平緩增加。光源在徑向離焦時，隨著離焦量的增加，光斑幅照度平均值幾乎沒有變化，光斑幅照度最大值會隨著離焦量的增加而減少，而在整個過程中，光斑呈橢圓、變大的趨勢發展。綜合以上分析結論可知，光源的準確安裝是確保光學系統性能的重要因素，文中的一些模擬數據及分析可為光學系統調焦機構的設計提供理論上的參考。

／References：

［1］ 任蘭旭，魏秀東，牛文達，等.非共軸橢球面聚光陣列式高焦比太陽模擬器［J］.光學技術，2012，32（10）：1022002-1-1022002-6.REN Lanxu，WEI Xiudong，NIU Wenda，et al.A high flux solar simulator based on an array of non-coaxial ellipsoidal reflector［J］.Acta Optica Sinica，2012，32（10）：1022002-1-1022002-6.

［2］ PETRASCH J，CORAY P S，MEIER A，et al.A novel 50 k W 11000 suns high-flux solar simulator based on an array of xenon arc lamps［J］.Journal of Solar Engineering，2007，129（4）：405-411.

［3］ 顧國超，王麗，劉洪波，等.瞬態熱量標定系統的太陽模擬器光學系統設計［J］.中國光學，2012，5（6）：630-638.GU Guochao，WANG Li，LIU Hongbo，et al.Optical design of solar simulator used for transient calorimeter calibration system［J］.Chinese Optics，2012，5（6）：630-638.

［4］ 王志明，龔振邦，魏光譜，等.用于太陽電池測試的太陽模擬技術［J］.光學精密工程，2009，17（7）：1542-1547.WANG Zhiming，GONG Zhenbang，WEI Guangpu，et al.Solar simulation technique for solar cell measurement［J］.Optics and Precision Engineering，2009，17（7）：1542-1547.

［5］ 蘇拾，張國玉，付蕓，等.太陽模擬器的新發展［J］.激光與光電子學進展，2012（7）：070003-1-070003-8.SU Shi，ZHANG Guoyu，FU Yun，et al.New development of solar simulator［J］.Laser &Optoelectronics Progress，2012（7）：070003-1-070003-8.

［6］ 劉洪波，高雁，王麗，等.高倍聚光太陽模擬器的設計［J］.中國光學，2011，4（6）：594-599.LIU Hongbo，GAO Yan，WANG Li，et al.Design of high-flux solar simulator［J］.Chinese Journal of Optics，2011，4（6）：594-599.

［7］ 胡云巖，張瑞英，王軍.中國太陽能光伏發電的發展現狀及前景［J］.河北科技大學學報，2014，35（1）：69-72.HU Yunyan，ZHANG Ruiying，WANG Jun.Development status and prospect of solar photovoltaic power generation in China［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（1）：69-72.

［8］ 崔海亭，孫坤坤，李寧.太陽能熱發電用高溫相變蓄熱器的數值模擬［J］.河北科技大學學報，2015，36（2）：219-224.CUI Haiting，SUN Kunkun，LI Ning.Numerical simulation of high-temperature phase transition thermal energy storage container for solar thermal power generation applications［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（2）：219-224.

［9］ 呂濤，張景旭，付東輝，等.可提高太陽模擬器均勻性的變形橢球面聚光鏡［J］.光學技術，2013，33（12）：1223001-1-1223001-5.LYU Tao，ZHANG Jingxu，FU Donghui，et al.A deformed ellipsoid condenser beneficial to the uniformity of the solar simulator［J］.Acta Optica Sinica，2013，33（12）：1223001-1-1223001-5.

［10］ 向艷紅，張容，黃本誠.KFTA 太陽模擬器輻照均勻性仿真［J］.航天器環境工程，2006，23（5）：288-292.XIANG Yanhong，ZHANG Rong，HUANG Bencheng.Irradiation uniformity simulation of KFTA solar simulator［J］.Spacecraft Environment Engineering，2006，23（5）：288-292.

［11］ 高玲，張國玉，蘇拾，等.基于全光譜輸出太陽模擬器氙燈光源的研究［J］.長春理工大學學報（自然科學版），2012，35（2）：82-84.GAO Ling，ZHANG Guoyu，SU Shi，et al.Study on xe-lamp sources of full spectrum solar simulators［J］.Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition），2012，35（2）：82-84.

［12］ 杜景龍，唐大偉，李鐵.5 k W聚光型太陽模擬器加熱特性的實驗研究［J］.太陽能學報，2012，33（4）：625-629.DU Jinglong，TANG Dawei，LI Tie.Experiment study of the heating characteristics of 5 k W focused solar simulator［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2012，33（4）：625-629.

［13］ 高雁，劉洪波，王麗，等.AAA級太陽模擬器的設計與研制［J］.中國光學，2013，6（4）：570-576.GAO Yan，LIU Hongbo，WANG Li，et al.Design and development of a class AAA solar simulator［J］.Chinese Optics，2013，6（4）：570-576.

［14］ 高雁，劉洪波，王麗，等.大面積準直型太陽模擬器的設計與研制［J］.中國光學，2014，7（4）：657-663.GAO Yan，LIU Hongbo，WANG Li，et al.Design and manufacture of a large-area collimation solar simulator［J］.Chinese Optics，2014，7（4）：657-663.

［15］ 劉石，張國玉，孫高飛，等.具有一個太陽常量的高準直太陽模擬器光學系統設計［J］.光子學報，2014，43（11）：1122005-1-1122005-6.LIU Shi，ZHANG Guoyu，SUN Gaofei，et al.Design of optical system for the high-collimatiing solar simulator with one solar constant［J］.Acta Photonica Sinica，2014，43（11）：1122005-1-1122005-6.

［16］ 呂濤，張景旭，付東輝，等.太陽模擬器中橢球面聚光鏡參數的確定［J］.應用光學，2014，35（1）：43-47.LYU Tao，ZHANG Jingxu，FU Donghui，et al.Determination of ellipsoid condenser parameters in solar simulator［J］.Journal of Applied Optics，2014，35（1）：43-47.

［17］ 高雁，劉洪波，王麗.太陽模擬技術［J］.中國光學與應用光學，2010，3（2）：104-111.GAO Yan，LIU Hongbo，WANG Li.Solar simulation technology［J］.Chinese Journal of Optics and Applied Optics，2010，3（2）：104-111.

［18］ 劉石，張國玉，孫高飛，等.氣象輻射標定系統中太陽模擬器的設計［J］.紅外與激光工程，2013，42（5）：1345-1349.LIU Shi，ZHANG Guoyu，SUN Gaofei，et al.Design of solar simulator in the meteorological radiation calibration system［J］.Infrared and Laser Engineering，2013，42（5）：1345-1349.

［19］ 向艷紅，張容，于江.氙燈水平點燃太陽模擬器燈單元設計［J］.航天器環境工程，2009，26（1）：60-62.XIANG Yanhong，ZHANG Rong，YU Jiang.Design of lamp module of solar simulator with xenon lamp ignited horizon-tally［J］.Spacecraft Environment Engineering，2009，26（1）：60-62.

［20］ 李子衿.高輻照度太陽能模擬器的設計與實驗研究［D］.北京：華北電力大學，2014.LI Zijin.Design and Experiment Research on High Flux Solar Simulator［D］.Beijing：North China Electric Power University，2014.

［21］ LUQINSLAND F，STEINMETZ J，ZAHLER C，et al.An innovative solar simulator for research and development of solar thermal collectors［C］／／29th ISES Biennial Solar World Congress.NY：Fraunhofer ISE，2009：831-837.

［22］ 張嘉鈺，李金超，牛虎利.光源位置偏差對光斑的影響分析［J］.光學技術，2015，41（2）：111-114.ZHANG Jiayu，LI Jinchao，NIU Huli.Analysis of the influence on the light source position deviation to the spot［J］.Optical Technique，2015，41（2）：111-114.