太陽光模擬器是一種能在室內(nèi)環(huán)境精確模擬太陽光輻射特性的設(shè)備。它通過人工光源復(fù)現(xiàn)太陽光的準(zhǔn)直性、輻照均勻性及光譜分布，有效克服了自然太陽光受時(shí)間、氣候、地域限制以及總輻照度不可調(diào)節(jié)等固有缺點(diǎn)。太陽模擬器廣泛應(yīng)用于：

• 航空航天、軍工設(shè)備環(huán)境測(cè)試；
  
• 光伏與太陽能電池特性研究；
• 材料（含汽車內(nèi)外飾）老化性能評(píng)估（包括整車陽光模擬測(cè)試）；
• 環(huán)境研究與光學(xué)檢測(cè)；
• 光電響應(yīng)型器件與材料特性測(cè)試；
• 生物化學(xué)、光催化降解加速研究；
• 皮膚與化妝用品光敏性檢測(cè)；
• 基礎(chǔ)光學(xué)研究（如表面光電壓譜、光熱實(shí)驗(yàn)）。

太陽模擬器有著廣泛的應(yīng)用，選購太陽模擬器首先要考慮應(yīng)用在哪個(gè)方面。

9）農(nóng)業(yè)植物培育實(shí)驗(yàn)室：要求精準(zhǔn)模擬光周期與PAR光譜分布，而非高強(qiáng)度輻照。

面積決定核心硬件配置：您需要照亮多大尺寸的樣品？是小型材料樣片還是整輛車？輻照面積直接決定了光源的配置方案（如燈具數(shù)量），需結(jié)合照射距離和目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行陣列設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

• 燈具類型與數(shù)量（LED/Xe燈陣列）
• 空間布局拓?fù)洌骖櫨鶆蛐耘c光損失）
• 照射距離與光路優(yōu)化（避免邊緣衰減）

實(shí)驗(yàn)需要的光照強(qiáng)度區(qū)間是多少？常用單位是 W/m2。例如，模擬赤道正午陽光常設(shè)為 600-1200 W/m2。明確范圍是選擇光源功率和光學(xué)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1）氙燈

氙燈是一種高強(qiáng)度氣體放電燈，通過瞬間產(chǎn)生的高壓使氣體發(fā)生電離，形成放電通道，產(chǎn)生電弧光，然后在較低的工作電壓下保持穩(wěn)定的弧光放電。紅線是氙燈發(fā)光的光譜，黃線是標(biāo)準(zhǔn)太陽光光譜，可以看出，氙燈發(fā)光的光譜與標(biāo)準(zhǔn)太陽光十分近似，只是在部分波長有很高的尖峰。

利用氙燈作為太陽光模擬器的光源存在的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a:光譜匹配度高，氙燈的色溫在 6000K 左右，與太陽光十分近似，從上圖 1-3 中可以看出，氙燈光譜與am1.5g 標(biāo)準(zhǔn)太陽光光譜十分近似，光譜匹配度很高；

b:氙燈的光響應(yīng)速度快，氙燈是通過瞬間產(chǎn)生的 20kV 高壓脈沖將氙氣電離形成發(fā)光的電弧，不需要預(yù)熱就能達(dá)到穩(wěn)定的光輸出；

c:氙燈的發(fā)光亮度十分高，具有很高的發(fā)光效率，十分適合制作大面積的太陽光模擬器。

利用氙燈制作太陽光模擬器也有一些缺陷：

a:氙燈需要高達(dá) 20kV 的電壓來啟動(dòng)，具有一定的危險(xiǎn)性，不適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)合使用；

b:穩(wěn)定性較差，氙燈需要20kV 的高壓來啟動(dòng)，啟動(dòng)器在長時(shí)間容易發(fā)生故障，而且燈泡容易失效，故障率相對(duì)較高；

c:光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氙燈的光譜中有許多遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離的尖峰，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的濾光結(jié)構(gòu)將這些尖峰過濾掉。

2）金屬鹵化物弧光燈

鹵鎢燈，又稱鹵素?zé)?、石英燈等，是?duì)白熾燈的一種改進(jìn)，鹵鎢燈在玻璃外殼中充有碘或者溴等鹵族元素氣體。鹵鎢燈的工作原理為：與白熾燈類似，鹵鎢燈也是通過燈絲發(fā)熱而發(fā)光，不同的是鹵鎢燈的燈絲在發(fā)熱時(shí)，部分鎢原子受熱蒸發(fā)，移動(dòng)到玻璃外殼附近后，由于外殼溫度較低鎢原子又降溫和鹵素原子結(jié)合在一起，形成鹵化鎢，鹵化鎢在高溫時(shí)并不穩(wěn)定，在隨著熱流回到燈絲附近后，鹵化鎢遇熱分解，又重新分離為鎢原子和鹵素蒸汽，這樣鎢原子又重新回到了燈絲上，彌補(bǔ)被蒸發(fā)的部分。這種鎢原子循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得鹵鎢燈的壽命比白熾燈更長，而且由于工作溫度更高，發(fā)光的亮度、色溫以及發(fā)光效率都高于白熾燈。

利用鹵鎢燈作為太陽光模擬器光源，在可見光至近紅外范圍內(nèi)具有連續(xù)穩(wěn)定的發(fā)光光譜，發(fā)光強(qiáng)度也比較高，但也存在以下問題：

a：與太陽光光譜匹配度低，上圖是鹵素?zé)舻墓庾V圖，可以看出鹵鎢燈發(fā)出的光線大部分是紅外光，紅外波段能量遠(yuǎn)大于太陽光，缺少藍(lán)紫光，可見光波段能量占比也很少；

b:亮度調(diào)節(jié)范圍較窄，鹵鎢燈可以調(diào)光，但是調(diào)光范圍十分有限，因?yàn)辂u鎢燈是通過發(fā)熱來發(fā)光，必須保證燈絲足夠高的溫度，因?yàn)闇囟冗^低時(shí)，不僅僅會(huì)使得色溫更低，還可能終止鹵鎢循環(huán)，影響燈泡正常工作；

c:濾光系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，需設(shè)計(jì)濾光系統(tǒng)，過濾掉能量過多的紅外輻射光線；

d:穩(wěn)定性差，鹵鎢循環(huán)過程中，一些鹵化鎢會(huì)附著在燈泡內(nèi)壁導(dǎo)致鹵鎢燈泡發(fā)黑，影響鹵鎢燈的光輸出；

e:使用壽命短，鹵鎢燈的失效原因和白熾燈類似，主要是燈絲蒸發(fā)后逐漸變細(xì)，時(shí)間長后可能會(huì)熔斷，雖然鹵鎢燈的壽命相較白熾燈有所提高，但是相較 LED 等其他光源，壽命仍然偏低；

f:發(fā)光效率低，與白熾燈類似大部分電能轉(zhuǎn)化為了熱能，只有少部分能量轉(zhuǎn)化為了光能，發(fā)光效率遠(yuǎn)低于氙燈和LED 燈；

h:預(yù)熱時(shí)間長，鹵鎢燈是通過燈絲發(fā)熱來發(fā)光，在燈絲溫度低時(shí)發(fā)光色溫也低，必須等待燈絲溫度足夠高時(shí)，才有足夠高的色溫。

3）LED

LED 全稱是發(fā)光二極管，是一種能夠發(fā)光的半導(dǎo)體器件，LED 的主要發(fā)光部件是由 PN 結(jié)組成的，PN 結(jié)由電子（帶負(fù)電）多的 N 型半導(dǎo)體和空穴（帶正電）多的 P 型半導(dǎo)體結(jié)合而成，當(dāng)向 PN 結(jié)施加正向電壓時(shí)，電子就會(huì)移動(dòng)并在結(jié)合部再次結(jié)合，在結(jié)合的過程中產(chǎn)生大量的能量，而這些能量以光的形式釋放出來。LED 的發(fā)光是自發(fā)輻射的過程，其發(fā)光的波長僅僅與 PN 的材料有關(guān)，而與電流的大小無關(guān)。對(duì)于白光LED，通常是由藍(lán)光 LED 激發(fā)黃色熒光粉從而形成白光。

利用 LED 作為太陽光模擬器的光源具有如下優(yōu)點(diǎn)：

a:光譜范圍廣，目前市場(chǎng)上已有多種波長的 LED 成熟產(chǎn)品，通過不同波長的 LED 組合，可覆蓋太陽光的整個(gè)光譜范圍；

b:安全穩(wěn)定可控，LED 工作的電壓很低，使用低壓恒流源驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于氙燈采用高壓脈沖啟動(dòng)，更加安全穩(wěn)定可控；

c:使用壽命長，LED 光源的壽命約為幾萬小時(shí)，遠(yuǎn)比鹵鎢燈氙燈等光源壽命長；

d:亮度調(diào)節(jié)范圍廣，LED 的亮度可以通過電流來控制，電流的大小僅僅影響 LED 發(fā)光的亮度，不會(huì)影響 LED 發(fā)光的波長，因此LED 太陽光模擬器的總輻照度調(diào)節(jié)范圍很大。

利用 LED 光源制作太陽光模擬器也有一些缺點(diǎn)：單個(gè) LED 的發(fā)光光譜范圍十分有限，為了與太陽光光譜匹配，需要用很多 LED 進(jìn)行組合，因此需要對(duì)各種 LED 進(jìn)行獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)，最終組合成太陽光，因此采用 LED 光源制作的太陽光模擬器的驅(qū)動(dòng)電源會(huì)比較復(fù)雜。另外，多種不同 LED 光線之間的混光，以及 LED 的散熱等問題也是需要考慮到的缺陷。

隨著 LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成熟，驅(qū)動(dòng)、散熱、混光、控制等問題逐步得到解決，LED 太陽光模擬器已經(jīng)逐漸成為太陽光模擬器未來發(fā)展的方向。我國是光伏產(chǎn)業(yè)大國，也是 LED 制造大國，研制 LED 太陽光模擬器，不僅有助于降低太陽能電池生產(chǎn)測(cè)試的成本，而且有助于產(chǎn)業(yè)間和合作共贏。采用穩(wěn)定可靠的 LED 太陽光模擬器作為測(cè)試時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)光源，對(duì)于提升產(chǎn)品品質(zhì)也有重要意義。同時(shí)，LED 光源的高安全性，也使得其更適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

太陽光模擬器的國際標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E927-10，IEC 60904-9和JIS。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可將太陽模擬器分為A、B、C三個(gè)等級(jí)。其中A級(jí)是最好的，B/C級(jí)次之。太陽模擬器一般采用氙弧燈作為光源，使用濾光片，反射鏡和其它光學(xué)器件從而模擬出太陽光。其中有三個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)：光照匹配度、輻照不均勻性、輻照時(shí)間不穩(wěn)定性。

1 ）光譜匹配度：表示太陽模擬器的光譜（每個(gè)波長上的功率分布）與真實(shí)太陽光譜的接近程度。很多原因造成了太陽光譜和強(qiáng)度在地表不同地方的差異。通常，太陽光要穿過大氣層到達(dá)地面，而大氣層對(duì)陽光是有影響的，比如不同波長的光被大氣層中氣體分子吸收速率不同，對(duì)反射、折射、散射等等的影響也不同；地球上不同緯度地方，太陽光的入射角度不同，使陽光在大氣層中的路徑長度不一，對(duì)陽光的影響程度也是不同。因此，我們需要為太陽模擬器選取不同AM濾光片來使其發(fā)出來的光束更加接近所選地的陽光。比如，選取AM 0 來模擬太空中的陽光，選取AM1.5G來模擬中緯度地區(qū)的陽光等。（更多消息：太陽能研究中 AM 參數(shù)的深度剖析：AM 0、AM1.0、AM 1.5 及 AM 1.5G 的全方位解讀）

AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜分布與其分段占比分別如上圖所示，其對(duì)應(yīng)的太陽模擬器光譜匹配度級(jí)等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如下表所示。

2）輻照不均勻性：表示太陽模擬器參數(shù)的光束在空間上的均勻程度。均勻性不好的模擬器會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果，一般情況下導(dǎo)致測(cè)試值比實(shí)際值偏小。真實(shí)的太陽光在空間分布中是非常均勻的，但人造的光源并并不是。根據(jù)ASTM的規(guī)定，太陽模擬器輻照不均勻度的計(jì)算公式如下：

太陽模擬器輻照不均勻度等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如下表：

3）輻照時(shí)間不穩(wěn)定性：表示太陽模擬器光束輻照度在時(shí)間上的穩(wěn)定性。真實(shí)的陽光輻照度在一段（短）時(shí)間內(nèi)是非常穩(wěn)定的，因此太陽模擬器的輻照度也應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性。輻照穩(wěn)定度對(duì)測(cè)試結(jié)果的可參考性提供了前提。

Solar Light 生產(chǎn)設(shè)計(jì)的太陽能模擬器均符合ASTM E927-10，IEC 60904-9和JIS，光譜匹配/時(shí)間不穩(wěn)定度/輻照不均勻度均達(dá)A類標(biāo)準(zhǔn)（AAA級(jí)）。

工作距離（WD）與準(zhǔn)直半角構(gòu)成關(guān)鍵光學(xué)組合：

總的來講，太陽光模擬器不僅是燈具組合，更是光譜控制算法 + 熱管理 + 光學(xué)設(shè)計(jì) + 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)理解的集成工程系統(tǒng)。僅看燈具數(shù)量或功率，忽略核心性能參數(shù)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，可能導(dǎo)致設(shè)備閑置或測(cè)試結(jié)果偏差。

參考文獻(xiàn)：

1.太陽能模擬器標(biāo)準(zhǔn)-定義和比較（技術(shù)說明）

http://www.microenerg.cn/NewsDetail/5855214.html

2.太陽光模擬器的標(biāo)準(zhǔn)，ASTM E927-10，IEC 60904-9和JIS

https://www.welloptics.cn/News/58.html

3.什么是太陽光模擬器

http://www.bamboost.com.cn/news/companynews/97.html

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