目錄
前言
第1章 概述 1
1.1 太陽模擬器技術 1
1.2 太陽模擬器研究現狀 1
1.2.1 國外研究現狀 1
1.2.2 國內研究現狀 12
1.3 太陽模擬器發展趨勢 20
參考文獻 21
第2章 太陽輻射模擬理論基礎 24
2.1 太陽特性參數 24
2.2 光輻射測量技術基礎 25
2.2.1 光度學基本知識 26
2.2.2 輻射度學基礎知識 29
2.3 太陽輻射量 33
2.3.1 太陽輻射及其分類 33
2.3.2 太陽輻照度 40
2.3.3 大氣質量 41
2.3.4 太陽常數 43
2.3.5 太陽光譜 46
2.3.6 太陽張角 49
參考文獻 50
第3章 太陽模擬器的分類 51
3.1 太陽模擬器按光學繫統分類 51
3.1.1 同軸繫統太陽模擬器 51
3.1.2 離軸準直繫統太陽模擬器 55
3.2 太陽模擬器按光源分類 56
3.2.1 氙燈太陽模擬器 56
3.2.2 LED太陽模擬器 58
3.2.3 光纖太陽模擬器 59
3.2.4 積分球太陽模擬器 61
3.2.5 多光源太陽模擬器 62
3.2.6 勻光棒式太陽模擬器 63
參考文獻 64
第4章 光學繫統設計與分析 65
4.1 光學繫統組成及總體布局 65
4.2 光源選取、建模與設計 66
4.2.1 光源選取 66
4.2.2 光源建模 72
4.2.3 光源設計 79
4.3 聚光繫統設計 83
4.3.1 橢球聚光鏡設計 84
4.3.2 組合聚光鏡設計 90
4.4 光學積分器設計 95
4.4.1 光學積分器原理和組成 95
4.4.2 光學積分器勻光分析 103
4.4.3 光學積分器孔徑利用率 104
4.4.4 光學積分器優化分析 106
4.5 準直光學繫統設計 112
4.5.1 結構選擇 112
4.5.2 參數設計與像差分析 113
4.6 光學繫統能量傳遞分析 117
4.6.1 小型準直式太陽模擬器的整體繫統 117
4.6.2 物像共軛面能量傳遞分析 118
4.6.3 太陽模擬器整體繫統的拉赫不變量分析 122
4.7 轉向平面反射鏡的設計 125
4.8 仿真分析方法 127
4.8.1 Light Tools軟件簡介 127
4.8.2 光學繫統仿真 127
4.8.3 輻照均勻度影響因素的仿真分析 129
參考文獻 141
第5章 機械繫統設計與分析 143
5.1 傳熱學理論基礎 143
5.1.1 熱傳遞的形式 143
5.1.2 穩態傳熱和瞬態傳熱 144
5.1.3 單值性條件 145
5.2 太陽模擬器機械結構設計 147
5.2.1 箱體的設計 148
5.2.2 冷卻方式的選擇與設計 149
5.2.3 氙燈調整機構及熱控結構 154
5.2.4 聚光繫統調整裝置及熱控結構 156
5.2.5 轉向平面反射鏡的支撐機構及熱控結構 159
5.2.6 光學積分器機構及熱控結構 164
5.2.7 視場光闌機構及熱控結構 170
5.2.8 準直光學繫統機構 173
參考文獻 174
第6章 太陽模擬器裝調與測試 175
6.1 太陽模擬器的主要技術指標 175
6.1.1 太陽輻照度 175
6.1.2 光譜輻照度分布 175
6.1.3 有效輻照面和有效輻照面位置 177
6.1.4 輻照面不均勻度 178
6.1.5 輻照面不穩定度 178
6.1.6 光束準直角 179
6.2 裝調方法 179
6.2.1 指標參數 180
6.2.2 光軸調整方法 181
6.3 主要技術指標的測試方法 192
6.3.1 太陽輻照度測試方法 192
6.3.2 光譜輻照度分布測試方法 193
6.3.3 有效輻照面和有效輻照面位置測試方法 194
6.3.4 輻照面不均勻度測試方法 194
6.3.5 輻照面不穩定度測試方法 195
6.3.6 光束準直角測試方法 196
參考文獻 197

第1章 概述
1.1 太陽模擬器技術
太陽模擬技術起源於空間科學技術，早期太陽模擬器的研制是為了應對空間科學領域在地面開展空間環境模擬試驗的需求，隨後逐漸成為太陽能光伏發電、光熱發電及太陽熱化學等領域試驗研究的重要組成部分[1]。
1.2 太陽模擬器研究現狀
1.2.1 國外研究現狀
太陽模擬器的研究起始於 20世紀 60年代初，美國昀早研制了兩臺同軸繫統太陽模擬器，功率和性能參數均很低，需要 100隻以上的光源纔能獲得所需輻照面積。1962年，美國噴氣推進實驗室（jet propulsion laboratory，JPL）在直徑為 7.6m的空間環境模擬設備上建造的一套同軸太陽模擬器 [2]，使用了 131隻 2.5kW的汞-氙燈，輻照面為邊長 3.35m的正六邊形，輻照度達 2152W/m2，準直角為 5.3°，但輻照不均勻度隻有±10%。1966年，JPL對上述的太陽模擬器進行了改造，即後來的 SS15B太陽模擬器 [3]，采用離軸準直光學繫統代替原先設計的同軸光學繫統，離軸角為 14°，光線方向朝下，昀大的改進之處在於采用了 37隻 20kW的大功率氙燈作為光源。準直鏡為直徑 7m的整鏡，接收面直徑為 4.6m，由於使用了光學積分器，輻照不均勻度達到±4%，輻照度為 1453W/m2。SS15B太陽模擬器拉開了大功率氙燈用於太陽模擬器的序幕[1]。
為了星際探測的需要，JPL在 1972年對 SS15B太陽模擬器進行了第二次技術改造，目的是提高輻照度。通過對準直鏡和光學積分器的升級，可分別模擬直徑3.4m和 2.7m的輻照面，輻照度分別達到 8個太陽常數（1個太陽常數=1353W/m2）和 12個太陽常數。改造後的 SS15B太陽模擬器原理圖如圖 1.1所示。
圖1.1 改造後的 SS15B太陽模擬器原理圖
1983年，歐洲太空局在歐洲航天研究與技術中心（ European Space Research and Technology Centre，ESTEC）空間環模設備基礎上，建造了大型太陽模擬器，如圖 1.2所示[4]。采用離軸準直光學繫統，離軸角為 29°，準直角為± 1.9°，光源為傾斜點燃的 19隻氙燈，並采用高壓去離子水冷卻。準直鏡為直徑 7m的球面反射鏡，由 121塊正反射鏡拼接而成。均勻輻照體為 6m×5m，輻照面不均勻度為±4%、輻照體不均勻度為± 6%，輻照度為 1.61kW/m2。該太陽模擬器被國際上許多航天模擬繫統效仿，我國 KM6太陽模擬器也參考了該太陽模擬器的設計理念。
圖1.2 ESTEC大型太陽模擬器示意圖
1983年，德國研制出 IABG（industrieanlagen betriebs gmbh）大型太陽模擬器 [5]，采用離軸準直光學繫統，離軸角 27°，輻照面直徑 3.6m，輻照面不均勻度± 4%，輻照體不均勻度±6%，輻照度達到 1895W/m2。氙燈選擇傾斜點燃的方式，與水平面所成傾角範圍在 15°～33°。後來經過技術改造，把光學積鏡由圓形改為矩形，準鏡由 61塊增加到 84塊，擴大了準直鏡的口徑，並獲得 3.05m×4.5m的輻照面積。
1989年，日本築波空間中心的 NASDA太陽模擬器研制成功 [6]，可用於進行大型航天器的試驗。主容器直徑 16m、長 23m，輔容器直徑 13m、長 16m。采用離軸準直光學繫統，離軸角為 27.3°，準直角為± 1.5°。準直球面鏡的曲率半徑為 45m，由 163塊六邊碳纖維鏡組成，準直鏡的昀大對角線長度約為 8.5m。光源由 19隻功率為 25kW水平點燃的短弧氙燈組成，采用去離子水冷卻。光學積分器由 素鏡組成。該太陽模擬器的均勻輻照面為 6m×6m，輻照面不均勻度為± 5%，輻照體不均勻度為± 10%，輻照度達 1758W/m2。NASDA太陽模擬器結構簡圖如圖 1.3所示。
圖1.3 NASDA太陽模擬器結構簡圖
俄羅斯作為航天大國，建有兩臺大型的太陽模擬器 [7]。其中一臺是由 12組太陽模拼接組成了 6m×22m的輻照面，由49塊面積為 4m×鏡拼接組成準直鏡，並采用液氮冷卻。該太陽模擬器的突出特點是上面兩層太陽模的輸出光束經過平面反射鏡的反射作用，垂直向下輻射，可同時照射試件相互垂直的兩個面，其輻照度為 2030W/m2，輻照不穩定度為± 1%/h，輻照不均勻度為± 15%。另一臺是在 BK600/300設備上配備的太陽模擬器，其輻照面為 3m×8m，輻照度昀高可達 2970W/m2，不穩定度為±1%，輻照不均勻度為± 15%。
從這些性能參數可以看出，俄羅斯研制的大型太陽模擬器輻照面積很大，但輻照均勻度不高。太陽模擬器的工作原理簡圖如圖 1.4所示。
圖1.4 太陽模擬器的工作原理簡圖
20世紀 70年代，法國采用拼接準直鏡技術研制了 INTESPACE太陽模擬器。 INTESPACE太陽模擬器的輻照面直徑為 3.8m，準直角為±1.5°，包含 34隻 5kW氙燈，輻照度為 1894W/m2，輻照面不均勻度± 5%、輻照體不均勻度± 8%，輻照不穩定度為±0.5%，目前該太陽模擬器仍在使用。
1991年，印度為配合大型空間環境模擬器的建設，設計了一種太陽模擬器。該太陽模擬器的輻照不均勻度為±4%，使用 11隻 20kW氙燈時輻照面直徑可達 4m，使用 14隻氙燈時輻照面直徑可達 4.5m[8]。
1994年，美國科羅拉多州立大學的 Kenney等設計了一種采用 28隻電功率為 1kW的汞碘氣體放電燈作為光源的太陽模擬器[9]，如圖 1.5所示。 28隻光源分成 4列成交錯排列，單燈之間的距離與行距均為 0.45m，輻照面為 1.22m×2.44m，測試面距離燈陣平面 3.05m，輻照度平均值為 1080W/m2，昀大輻照度 1190W/m2，昀小輻照度 980W/m2。
2003年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院 Hirsch等采用功率為 200kW的長條形高壓氬弧燈作為光源研制了太陽模擬器 [10]。光源采用旋轉膜去離子水流動換熱，如圖 1.6所示。在焦點區域可產生 75kW的連續輻射功率，焦點區域的昀大輻照度達 4250W/m2，可以產生 2900K的高溫。
圖1.6 瑞士蘇黎世聯邦理工學院太陽模擬器