3A级大型脉冲式太阳模拟器的仿真与实现

在光学仿真软件LightTools环境下设计了一种由长弧氙灯、椭球面矩形反射体、光学挡光板等部件构成的大面积、近距离的3A级大型脉冲式太阳模拟器,对椭球面矩形反射体的曲面系数和曲率,以及光学挡光板的大小、形状、位置等参数进行研究与优化,并制造了大型脉冲式太阳模拟器原型系统的实物。实测结果表明:在距离光源4 m位置的辐照面(3 m×2 m)上,平均辐照度在1000±5 W/m^(2)时获得的辐照不均匀度及辐照不稳定度分别低至1.86%和0.289%,在300~1200 nm波长范围内的光谱匹配度为0.91~1.08,达到IEC60904-9:2020标准中关于3A级太阳模拟器的要求。该原型系统的成功研制为光伏、育种、航天等领域的应用提供了技术支持和实践经验,为国家碳达峰及碳中和目标的实现提供了助力。

一种应用于太阳仿真器的照明系统设计

提出了一种新的用于太阳仿真器的照明系统,介绍了照明系统的设计原理和方法,利用光学设计软件对系统进行设计,对影响均匀性的因素进行分析,对匀光器件匀光棒的工作原理进行了探讨并对匀光性利用光学软件Lighttools进行了仿真计算,使整个系统的不均匀性≤7.1%。辐照度达到0.1个太阳常数,满足了设计指标,并提出均匀性进一步提高的方法。

KFTA太阳模拟器研制

KFTA太阳模拟器是一台光线水平入射的离轴准直型太阳模拟器,其离轴角为25°、辐照面的直径为600mm。在太阳模拟器的研制中,采用了具有一定技术难度和风险的氙灯水平点燃技术方案。文章从方案设计、系统设计、关键技术及其调试试验等方面,介绍和分析了KFTA太阳模拟器的设计计算方法。KFTA太阳模拟器的成功研制对于建造大型太阳模拟器具有参考价值。

国外大型太阳模拟器研制技术概述

国外航天大国均建有大型太阳模拟器,并在空间探测技术研究中发挥着重要作用。文章介绍了国外典型大型太阳模拟器,给出了其达到的技术指标,较系统地总结了国外大型太阳模拟器研制技术和经验,如准直镜、灯室和光学装校等关键技术的设计思路和解决途径,为我国研制大型太阳模拟器提供了技术借鉴和参考。

大型太阳模拟器研制技术综述

文章简要介绍了国外典型的大型太阳模拟器及其技术指标,并对其研制过程中的相关技术问题进行了较为全面的总结,包括光源的选择及点燃方式、光学系统的选用与设计、光学系统的装校、太阳模拟器性能测量以及冷却等,为我国研制KM6太阳模拟器提供了技术借鉴与参考。文章最后讨论了KM6太阳模拟器的总体设计方案,提出拟采用中等功率的氙灯作为光源,并将氙灯的点燃方式从垂直点燃改成水平点燃,避免了由于平面反射镜的存在而导致15%的能量损失。

2.4m太阳模拟器设计

针对目标特性研究需求,设计了有效辐照面直径2.4 m的太阳模拟器。要求辐照面内的照度不小于0.3个太阳常数,出射光束准直角不大于±1°且被照面的不均匀度不大于±3%,光谱失配误差达到C级。太阳模拟器主要由四个短弧氙灯、四个椭球面反射镜、两个平面反射镜、一组积分器和一个准直反射镜组成。对设计结果进行了软件仿真分析和实验测试。测试结果表明:太阳模拟器的有效光斑直径为2.43 m,被照面平均照度为3 382 lx,光束准直角±0.97°,不均匀度为±2.8%,光谱失配误差达到C级,满足设计要求。

便携式太阳模拟器设计

针对太阳模拟器小型化、便携性的实际需求,设计了一种便携式的太阳模拟器。要求在辐照面积1.2m×1.2m的矩形区域内的照度不小于0.02个太阳常数,且被照面的不均匀度小于5%。模拟器系统主要由短弧氙灯、椭球面反射镜、光纤传光束、积分棒和准直镜组组成。通过软件仿真及实验验证,结果均符合要求。实验结果表明,利用短弧氙灯、椭球面反射镜、光纤传光束、积分棒和投影准直透镜组设计便携式太阳模拟器的方法是有效、可行的。

气象用太阳模拟器光学系统仿真

气象用太阳模拟器主要应用于总辐射表检测,对辐照均匀性有较高的要求,光学系统设计难度较大。本文介绍了如何用lighttools软件进行光学系统建模,分析辐照均匀性,为光学系统设计及装调提供有效的指导,其中,短弧氙灯是整个建模的关键,根据短弧氙灯的发光机理及其亮度曲线,用嵌套的圆柱和球体光源来仿真氙灯的发光,通过蒙特卡洛光线追迹,仿真出来的配光曲线和实际的很接近,符合建模要求。最后,分别用一维、二维、三维分析图表示辐照度分布。通过数据分析,整个口径范围内辐照不均匀度为±4.2%,有效口径φ100m范围内,辐照不均匀度为±2.0%。