汪恩良 ，于 俊, 韓紅衛(wèi) ，許春光，胡勝博

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 黑龍江省寒區(qū)水資源與水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030）

太陽(yáng)輻射作為地球表層能量主要來(lái)源，廣泛應(yīng)用于居民居住[1]、作物生產(chǎn)[2]、道路照明[3]、航天事業(yè)[4]等領(lǐng)域，同時(shí)也應(yīng)用于冰和凍土等自然領(lǐng)域研究，太陽(yáng)輻射是冰層熱力學(xué)模型建立和凍土水熱響應(yīng)關(guān)系函數(shù)中重要參數(shù)。春季回暖階段太陽(yáng)輻射增加，封凍冰面和凍土中冰晶受太陽(yáng)輻射、氣溫、水溫及地溫等因素影響，內(nèi)部開(kāi)始融化。對(duì)于冰面而言，結(jié)構(gòu)完整性發(fā)生變化，出現(xiàn)流凌現(xiàn)象，流冰將使河道堆積堵塞，抬高水位，沖擊岸坡和破壞堤防[5]；季節(jié)性?xún)鐾羷t因太陽(yáng)輻射影響，改變周?chē)鷾囟葓?chǎng)分布，土壤中熱量和水分向土體表面遷移，造成嚴(yán)重的凍脹現(xiàn)象[6]。因此，研究太陽(yáng)輻射對(duì)冰生消過(guò)程影響、力學(xué)性質(zhì)變化及凍土凍融傳熱規(guī)律具有重要意義。目前靜冰生消和凍土凍融研究多采用室內(nèi)物理模型，模擬太陽(yáng)輻射所選光源是一個(gè)關(guān)鍵且敏感的要素，常見(jiàn)燈光與太陽(yáng)輻射光譜分布存在差異，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程與實(shí)際情況差異較大[7]。因此，通過(guò)室內(nèi)測(cè)試選擇最佳光源完成太陽(yáng)模擬器設(shè)計(jì)，并借助室內(nèi)輻照試驗(yàn)可為上述問(wèn)題提供理論依據(jù)。

目前，研制太陽(yáng)模擬器重點(diǎn)在于模擬器光源選擇。20 世紀(jì)60 年代初，美國(guó)采用汞氙燈作為太陽(yáng)模擬器使用光源，經(jīng)多次加工改造后，太陽(yáng)模擬器可較好模擬太空輻照環(huán)境[8-9]；德國(guó)選用氙燈作為太陽(yáng)模擬器使用光源，點(diǎn)燃方式為傾斜氙燈與水平面傾角范圍15°～30°，達(dá)到當(dāng)時(shí)試驗(yàn)要求[10]；日本NASDA 為滿足輻照度要求，太陽(yáng)模擬器由多只短弧氙燈組成， 輻照度達(dá)1 758 W ·m-2[11]。我國(guó)最初將碳弧燈作為太陽(yáng)模擬器使用光源[12]，劉國(guó)新等為滿足太陽(yáng)能板集熱測(cè)試性能要求[13]，研制金屬鹵化物鏑燈太陽(yáng)模擬器，與太陽(yáng)表面色溫一致，平均壽命為500 h；近年，選用LED燈作為太陽(yáng)模擬器使用光源開(kāi)始興起，甘汝婷等選用遺傳算法作為光譜匹配算法，將單色光LED燈、CIE-D65 燈與AM1.5 標(biāo)準(zhǔn)光譜最佳匹配組合，擬合效果較好[14]；隋成華等為彌補(bǔ)鹵鎢燈紫外波段缺陷，利用LED 燈組成復(fù)合光源，成功設(shè)計(jì)一種復(fù)合型光譜檢測(cè)裝置[15]。綜上，為達(dá)到不同試驗(yàn)?zāi)康?，選用光源不同，因此最佳光源選擇是室內(nèi)設(shè)計(jì)太陽(yáng)模擬器關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文依據(jù)前人研究[16-17]，擬定金鹵燈、長(zhǎng)弧氙燈、碘鎢燈、白熾燈作為本試驗(yàn)預(yù)備光源，將每種光源分別與野外太陽(yáng)光色溫、光譜匹配度及各波段能量占比作比較，確定與野外太陽(yáng)光相近光源作為模擬器使用光源。通過(guò)低溫環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)結(jié)構(gòu)條件，設(shè)計(jì)太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)構(gòu)造并接入使用光源測(cè)試模擬器輻照度、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度，驗(yàn)證室內(nèi)設(shè)計(jì)太陽(yáng)模擬器等級(jí)要求，以期為太陽(yáng)輻射對(duì)冰物理力學(xué)性能影響及凍土凍融傳熱規(guī)律研究提供理論支持。

1 太陽(yáng)模擬器光源選擇

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

光源選擇是設(shè)計(jì)太陽(yáng)模擬器首要解決問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備長(zhǎng)弧氙燈、金鹵燈、碘鎢燈及白熾燈4種光源，分析4種光源光譜特點(diǎn)，并與野外太陽(yáng)光譜、色溫及能量分布作比較，根據(jù)《太陽(yáng)模擬器校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1615-2017）得到對(duì)應(yīng)光源波長(zhǎng)范圍模擬器等級(jí)（見(jiàn)表1）[18]。

通過(guò)對(duì)比分析結(jié)果，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、可行性等要求，最終選擇滿足室內(nèi)輻照試驗(yàn)的太陽(yáng)模擬器光源。

表1 太陽(yáng)模擬器等級(jí)Table 1 Solar simulator level

于大連理工大學(xué)海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲取光源光譜。冷庫(kù)模擬低溫環(huán)境，避免其他光源對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差，且室內(nèi)溫度可調(diào)，是獲取光源光譜最佳試驗(yàn)地點(diǎn)。采用TriOs 光譜輻射儀測(cè)量光譜（見(jiàn)圖1），該儀器可收集波長(zhǎng)320～950 nm光譜信息、輻照度和輻亮度，其光譜采集頻率為1 min，光譜精度為0.3 nm，儀器可滿足在空氣或水中測(cè)量。

將所選取4 種光源分別放置于冷庫(kù)地面（見(jiàn)圖2），光源上方放置采集儀，采集儀由工具箱和鋼架固定其高度和位置，調(diào)整采集儀下方探頭使其垂直向下對(duì)準(zhǔn)光源方向，光源與探頭間距離保持在100 cm，每種光源觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)均為15 min。4 種光源光譜采集完畢后，將數(shù)據(jù)帶回東北農(nóng)業(yè)大學(xué)低溫環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展下一步試驗(yàn)。

1.2 光譜各自特點(diǎn)分析

通過(guò)采集儀獲取歷時(shí)120 min 試驗(yàn)光譜信息數(shù)據(jù)，為得到較平穩(wěn)且誤差小光譜圖，剃除前5 min獲取數(shù)據(jù)，用剩余時(shí)長(zhǎng)光譜數(shù)據(jù)繪制4 種光源光譜，見(jiàn)圖3。

從4 種光源光譜圖中可見(jiàn)：①金鹵燈波長(zhǎng)較為活躍區(qū)域在400～700 nm，此波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻照度不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)波峰及波谷，而最大波峰值出現(xiàn)在600 nm處，輻照度達(dá)1 000 W·m-2，隨后700～800 nm 波長(zhǎng)段呈平穩(wěn)趨勢(shì)，在經(jīng)歷最后一個(gè)波峰后，輻照度趨于穩(wěn)定?？梢?jiàn)，金鹵燈主要輻射集中在可見(jiàn)光部分（400～760 nm），紫外線（320～400 nm）與紅外線（760～950 nm）占比較小；②試驗(yàn)所選用長(zhǎng)弧氙燈輻照度普遍較低，最大峰值在80 W·m-2，波長(zhǎng)范圍320～800 nm，曲線呈上升趨勢(shì)且起伏，輻照度30 W·m-2，但波長(zhǎng)在800 nm 至儀器所能測(cè)量范圍內(nèi)，曲線先出現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)折到達(dá)峰值，后呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明紅外線在長(zhǎng)弧氙燈輻照強(qiáng)度分布中起主導(dǎo)作用，而紫外線與可見(jiàn)光部分能量占比較大；③碘鎢燈與白熾燈光譜圖特點(diǎn)相似，輻照度均隨波長(zhǎng)增加而增大，主要輻射為紅外線，缺乏紫外線，另外，可見(jiàn)光部分占比較小。

1.3 各光源參數(shù)對(duì)比

野外太陽(yáng)光各參數(shù)數(shù)據(jù)于2019 年4 月28 日～5月5 日觀測(cè)，此時(shí)段處于黑龍江漠河北極村段（53°33′30″N， 122°20′27.14″E）解凍期，野外觀測(cè)見(jiàn)圖4。

該時(shí)期可充分掌握流冰對(duì)岸灘撞擊時(shí)力學(xué)性質(zhì)變化，預(yù)防岸坡破壞，收集此時(shí)野外太陽(yáng)光輻照量開(kāi)展室內(nèi)模擬輻照試驗(yàn)。在基于太陽(yáng)輻射對(duì)冰力學(xué)性質(zhì)變化試驗(yàn)中，需室內(nèi)完成冰樣制備，采集冰樣受太陽(yáng)輻射后各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)變化影響，并在野外現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，獲取野外環(huán)境條件數(shù)據(jù)。其中，自制太陽(yáng)模擬器能否與野外太陽(yáng)光各參數(shù)保持一致是室內(nèi)試驗(yàn)順利開(kāi)展關(guān)鍵，以往通常選用AM2[19]或AM1.5[20]太陽(yáng)光譜對(duì)比人造光源光譜，而本次試驗(yàn)將與野外實(shí)測(cè)太陽(yáng)光譜作對(duì)比，保證數(shù)據(jù)可靠性，同時(shí)野外實(shí)測(cè)太陽(yáng)光譜與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜接近，在光譜對(duì)比中參照標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

觀測(cè)每種燈源完整發(fā)光階段后，獲取4 種光源色溫，并與野外太陽(yáng)光色溫作對(duì)比，如表2 所示，發(fā)現(xiàn)金鹵燈和長(zhǎng)弧氙燈色溫與野外太陽(yáng)光色溫相差小，可單獨(dú)作為太陽(yáng)模擬器預(yù)備使用光源，而碘鎢燈和白熾燈色溫均小于野外太陽(yáng)光色溫且相差2 000 K 以上，因此單獨(dú)使用這兩種光源作為人造太陽(yáng)光源方案不可行。由此，碘鎢燈和白熾燈將不參與不同波段所占能量分布對(duì)比和光譜對(duì)比。由圖3可知，長(zhǎng)弧氙燈輻照度較小，將其光譜與野外太陽(yáng)光譜對(duì)比，無(wú)法區(qū)分差異，根據(jù)光疊加原理，當(dāng)幾列光波空間相遇時(shí)，其合成光波光矢量等于各分量光波光矢量矢量和，所以將長(zhǎng)弧氙燈波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻照量擴(kuò)大到原來(lái)的10 倍繪制光譜對(duì)比圖，如圖5所示。

得到金鹵燈、長(zhǎng)弧氙燈及野外實(shí)測(cè)太陽(yáng)光3種光譜對(duì)比圖后，通過(guò)求解積分方法，分別計(jì)算金鹵燈、長(zhǎng)弧氙燈和野外太陽(yáng)光在320～950 nm 各波長(zhǎng)間隔內(nèi)能量占總能量百分比（見(jiàn)表2）。由表2 和圖5分析可知，金鹵燈在可見(jiàn)光部分遠(yuǎn)大于野外太陽(yáng)光，兩者在紫外線波段能量占比相差較小，其紅外線能量占比較小，約占野外太陽(yáng)光一半，而長(zhǎng)弧氙燈與野外太陽(yáng)光能量分布在紫外線波段和可見(jiàn)光波段相似，但在紅外線波段相差略大。總體看，金鹵燈雖色溫滿足條件，但其他參數(shù)不理想，而長(zhǎng)弧氙燈除紅外線能量占比大外，其他參數(shù)均滿足條件，因此選擇長(zhǎng)弧氙燈作為室內(nèi)設(shè)計(jì)太陽(yáng)模擬器使用光源，并參照表1和表2中長(zhǎng)弧氙燈相對(duì)比率，得出長(zhǎng)弧氙燈光譜匹配度在大部分波長(zhǎng)范圍內(nèi)滿足A級(jí)模擬器要求，僅在700～800 nm和800～950 nm滿足B級(jí)模擬器要求，依據(jù)規(guī)范，由最低光譜匹配等級(jí)確定太陽(yáng)模擬器光譜匹配級(jí)別。由此，室內(nèi)設(shè)計(jì)太陽(yáng)模擬器光源匹配等級(jí)為B級(jí)。

表2 4種光源與野外太陽(yáng)光各參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of four kinds of light sources and the field sunlight each parameter

2 太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述理論分析，將長(zhǎng)弧氙燈作為模擬器使用光源并開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。主要包括燈架制作、燈陣布置及調(diào)節(jié)。

室內(nèi)模擬輻照試驗(yàn)時(shí)需將模擬器安裝在低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室水槽上方，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度±40 ℃，精度±0.5 ℃；水槽尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為4 m×4 m×1.2 m，其底部通過(guò)底板利用循環(huán)熱交換方式控制水溫，模擬冰在凍結(jié)期和解凍期生消過(guò)程。燈架尺寸（長(zhǎng)×寬×高）約為2 m×4 m×1 m，有效輻照面積占試驗(yàn)水槽尺寸一半，可滿足有無(wú)輻照試驗(yàn)光照對(duì)比；燈架選材時(shí)考慮到設(shè)計(jì)太陽(yáng)模擬器尺寸大，燈數(shù)量多，且每個(gè)燈源均配有單獨(dú)燈罩、鎮(zhèn)流器和觸發(fā)器，因此選擇足夠強(qiáng)度且不易銹蝕白鋼方型管作為燈架主材；燈架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為兩層，燈架四角和四條邊中心各有一根立柱與實(shí)驗(yàn)室頂板橫梁固定，固定方式采用U型卡槽式鋼片，上下用螺絲相連，可使燈架牢固懸掛于實(shí)驗(yàn)水槽上方；每只燈配套燈罩為反光罩，光源輸出方式以平行光照射，且燈罩通過(guò)與豎桿一端固定接入燈架，豎桿上每隔100 mm 打孔，調(diào)節(jié)光源距離。本次輻照試驗(yàn)選在低溫環(huán)境下開(kāi)展，防凍電纜線共9只，每只400 W 長(zhǎng)弧氙燈（CHS13）。為考慮光照均勻性，將燈布置成方形結(jié)構(gòu)。另外，太陽(yáng)模擬器具有良好接地措施。

3 太陽(yáng)模擬器技術(shù)性能研究

3.1 太陽(yáng)模擬器輻照度測(cè)量

通過(guò)傳感器接入DataTaker DT80G 數(shù)據(jù)采集器獲取輻照度，其傳感器測(cè)量范圍0～2 000 W·m-2，測(cè)量精度±5%，工作溫度-30～+70 ℃，標(biāo)稱(chēng)電阻2 W；DT80G采集器具有靈活、獨(dú)立、低能耗等工作特點(diǎn)，儀器采集數(shù)據(jù)方法是由傳感器輸入得到電壓值，除以每個(gè)傳感器背面各自提供的標(biāo)定常數(shù)，獲得太陽(yáng)模擬器輻照度。

太陽(yáng)模擬器光源垂直向下照射在實(shí)驗(yàn)水槽底部投影劃分，如圖7所示。

由圖7 可知，試驗(yàn)測(cè)得光源到地面距離為1.0 m時(shí)不同測(cè)點(diǎn)輻照度，并將所得數(shù)據(jù)平均值作為太陽(yáng)模擬器輻照度。太陽(yáng)模擬器在有效輻照面積中心約1 m高度處輻照度達(dá)到115 W·m-2。

3.2 太陽(yáng)模擬器輻照不均勻度測(cè)試

在太陽(yáng)模擬器有效輻照面范圍內(nèi)，輻照度隨位置變化最大相對(duì)偏差用輻照不均勻度表示，計(jì)算公式如下：

式中，Emax-有效輻照面全部范圍內(nèi)測(cè)得最大輻照度（W·m-2）；Emin-有效輻照面全部范圍內(nèi)測(cè)得最小輻照度（W·m-2）。

考慮光源均勻性，將傳感器放置在實(shí)驗(yàn)水槽地面，由于有效輻照面為方形輻照面，測(cè)量時(shí)按照垂直和水平兩個(gè)方向掃描。位置處于每排相鄰兩個(gè)燈源中心，傳感器可測(cè)得區(qū)域中心輻照度。依次測(cè)定光源距離地面1.0、1.2、1.5 m時(shí)輻照度，根據(jù)式（1）可知，輻照不均勻度分別為4.57%、3.81%、4.15%。參照表1 模擬器等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該太陽(yáng)模擬器輻照不均勻度指標(biāo)滿足規(guī)范B級(jí)要求，超過(guò)C級(jí)要求，但未達(dá)A級(jí)要求。

3.3 太陽(yáng)模擬器輻照不穩(wěn)定度測(cè)試

在太陽(yáng)模擬器有效輻照面范圍內(nèi)給定位置，規(guī)定時(shí)間間隔，輻照度隨時(shí)間間隔變化最大相對(duì)偏差用輻照不穩(wěn)定度表示，計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)max-有效輻照面在給定位置上，規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得最大輻照度（W·m-2）；Fmin-有效輻照面在給定位置上，規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得最小輻照度（W·m-2）。

輻照穩(wěn)定性比輻照均勻性更重要，在有效輻照面上輻照強(qiáng)度平均值與光源輻射穩(wěn)定性密切相關(guān)，且穩(wěn)定性太差時(shí)難以滿足試驗(yàn)工況要求。因此，根據(jù)規(guī)范要求，試驗(yàn)時(shí)在有效輻照面范圍內(nèi)選擇3個(gè)特定位置作為輻照不穩(wěn)定度測(cè)試位置，分別選定在有效輻照面中心、有效輻照面邊緣上任意一點(diǎn)、有效輻照面中心和邊緣之間任意一點(diǎn)。太陽(yáng)模擬器光源與地面距離固定在1.0 m，按“三點(diǎn)原則”布置傳感器并開(kāi)始太陽(yáng)模擬器輻照不穩(wěn)定度測(cè)試，其結(jié)果如圖8所示。

為測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性，將長(zhǎng)弧氙燈開(kāi)始通電至穩(wěn)定發(fā)光所持續(xù)時(shí)間不作為調(diào)查依據(jù)，統(tǒng)一按照通電后5～60 min 時(shí)長(zhǎng)，每2 min 記錄1 次為間隔調(diào)查太陽(yáng)模擬器輻照不穩(wěn)定度。根據(jù)公式（2），在3個(gè)特定位置處輻照不穩(wěn)定度分別為3.69%、3.02%、4.78%。3個(gè)特定位置處輻照不穩(wěn)定度均小于5%，但大于2%，因此該太陽(yáng)模擬器在輻照不穩(wěn)定度指標(biāo)上滿足模擬器等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表中B 級(jí)模擬器要求，但尚未達(dá)到A 級(jí)模擬器要求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于室內(nèi)模擬野外輻照試驗(yàn)的太陽(yáng)模擬器，并完成其模擬器光源選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試等工作。得出以下結(jié)論：

a. 在4種燈色溫和光譜對(duì)比中，長(zhǎng)弧氙燈與野外太陽(yáng)光色溫和光譜中各波長(zhǎng)段能量占比接近，且長(zhǎng)弧氙燈光譜匹配度在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)滿足B級(jí)模擬器要求。

b. 太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中燈架選材為強(qiáng)度大且不易銹蝕白鋼方管；為使光源發(fā)光穩(wěn)定，設(shè)計(jì)兩層結(jié)構(gòu)燈架；燈源配有防凍電纜線滿足低溫作業(yè)需求；燈陣布置為方形，可滿足光照均勻性要求。

c. 太陽(yáng)模擬器在有效輻照面范圍內(nèi)1 m高度處輻照度達(dá)到115 W·m-2。

d.太陽(yáng)模擬器性能指標(biāo)為：輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度均滿足B級(jí)要求，超過(guò)C級(jí)要求，但尚未達(dá)A級(jí)要求?？傮w看，本研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)模擬器可應(yīng)用于室內(nèi)模擬輻照試驗(yàn)，并為太陽(yáng)輻射對(duì)冰力學(xué)性能影響及凍土凍融傳熱規(guī)律研究提供理論支持。