袁五輝，丁官元，劉海波，袁 馳，李頌戰(zhàn)

(1. 武漢愛(ài)疆科技有限公司，武漢 430070；2. 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；3. 武漢紡織大學(xué)，武漢 430200)

0 引言

光伏科學(xué)與工程、育種、航天衛(wèi)星空間模擬、高溫試驗(yàn)等領(lǐng)域?qū)Ψ€(wěn)定的高質(zhì)量日照條件存在巨大需求[1-5]。但是，自然太陽(yáng)光非常容易受到季節(jié)更替、晝夜交替、氣候變化、天氣變化等自然界各種因素的干擾，無(wú)法滿足科學(xué)研究人員和產(chǎn)業(yè)界對(duì)穩(wěn)定日光的需求。在此情況下，太陽(yáng)模擬器這種能夠模擬均勻、穩(wěn)定太陽(yáng)輻射的儀器設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，并逐步成為現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)療、能源、航空、材料工程與環(huán)境工程等多個(gè)領(lǐng)域中不可缺少的重要設(shè)備[6-8]。

行業(yè)通常規(guī)定不同大氣質(zhì)量下的輻照不穩(wěn)定度(irradiation instability)、輻照不均勻度(spatial non-uniformity of irradiance)、光譜匹配度(spectral match)是太陽(yáng)模擬器的決定性參數(shù)，并根據(jù)不同的參數(shù)范圍劃定了A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)太陽(yáng)模擬器[9]。

在目標(biāo)測(cè)試區(qū)域的輻照不均勻度Ni的計(jì)算式可表示為：

式中：Imax為目標(biāo)測(cè)試區(qū)域的平面任意取一點(diǎn)的輻照度最大值；Imin為目標(biāo)測(cè)試區(qū)域的平面任意取一點(diǎn)的輻照度最小值。

輻照不穩(wěn)定度指標(biāo)是要求到達(dá)目標(biāo)測(cè)試區(qū)域平面的光線在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的輻照度，從而保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。輻照不穩(wěn)定度Ti的計(jì)算式可表示為：

式中：Emax為規(guī)定時(shí)間內(nèi)在目標(biāo)測(cè)試區(qū)域的平面任意取一點(diǎn)的輻照度最大值；Emin為規(guī)定時(shí)間內(nèi)在目標(biāo)測(cè)試區(qū)域的平面任意取一點(diǎn)的輻照度最小值。

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60904-9:2020《Photovoltaic devices——Part 9:Classification of solar simulator characteristics》中又將輻照不穩(wěn)定度細(xì)分為代表整個(gè)I-V測(cè)試過(guò)程中輻照度變化的長(zhǎng)期不穩(wěn)定度(longterm instability，LTI)，以及代表I-V測(cè)試取點(diǎn)過(guò)程中輻照度變化的短期不穩(wěn)定度(short-term instability，STI)。

IEC 60904-3:2019《Photovoltaic devices——Part 3: Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data》[10]定義的AM1.5G光譜輻照度數(shù)據(jù)常用于地面光伏發(fā)電裝置或太陽(yáng)電池相關(guān)測(cè)量領(lǐng)域，其輻照度分布界定了在300～1200 nm光譜波長(zhǎng)范圍內(nèi)各波長(zhǎng)區(qū)間輻照度對(duì)總輻照度的占比，具體如表1所示。

表1 IEC 60904-3: 2019定義的輻照度分布Table 1 Irradiance distribution as defined in IEC 60904-3: 2019

光譜匹配度表征了太陽(yáng)模擬器與IEC 60904-3:2019給出的300～1200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻照度分布的偏差，體現(xiàn)了太陽(yáng)模擬器的光譜輻照度分布與真實(shí)太陽(yáng)的光譜輻照度分布之間的差別。

IEC 60904-9:2020中給出的太陽(yáng)模擬器等級(jí)分類(lèi)[11]如表2所示。

表2 IEC 60904-9: 2020中的太陽(yáng)模擬器等級(jí)分類(lèi)Table 2 Level classification of solar simulators according to IEC 60904-9: 2020

在碳達(dá)峰和碳中和(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為“雙碳”)目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，太陽(yáng)電池的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，需求也越來(lái)越大[12]。隨著光伏工業(yè)制造水平的大幅度提升，太陽(yáng)電池制造商、相關(guān)科研和產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)更大輻照面積、更小空間占用，以及輻照不穩(wěn)定度、輻照不均勻度、光譜匹配度均達(dá)到A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的3A級(jí)大型太陽(yáng)模擬器提出了新的要求與期待[13]。然而，目前市面上符合要求的3A級(jí)大型太陽(yáng)模擬器大多都遭遇了國(guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，且這些設(shè)備通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂。

基于此，本文在光學(xué)仿真軟件LightTools環(huán)境下，設(shè)計(jì)了一種由光源(長(zhǎng)弧氙燈)、橢球面矩形反射體、光學(xué)擋光板等部件構(gòu)成的大面積、近距離的3A級(jí)大型脈沖式太陽(yáng)模擬器，利用光學(xué)原理調(diào)整、優(yōu)化了各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并成功研制了輻照不穩(wěn)定度、輻照不均勻度、光譜匹配度3項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果均達(dá)A級(jí)的大型脈沖式太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)。

1 3A級(jí)大型脈沖式太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

經(jīng)典太陽(yáng)模擬器主要包括由光源和橢球面反射鏡組成的聚光系統(tǒng)、光學(xué)積分器、準(zhǔn)直物鏡等部件。由光源(即氙燈)發(fā)出的光線經(jīng)橢球面反射鏡進(jìn)行聚光后，通過(guò)光學(xué)積分器微分再積分，然后再由準(zhǔn)直物鏡反射后變成平行光出射到達(dá)測(cè)試面，從而形成均勻的輻照面。經(jīng)典太陽(yáng)模擬器的光路原理如圖1所示。

圖1 經(jīng)典太陽(yáng)模擬器的光路原理Fig. 1 Principle of light path of classical solar simulator

由于經(jīng)典太陽(yáng)模擬器中的光學(xué)積分器存在球差，對(duì)太陽(yáng)模擬器性能的影響較大，并且經(jīng)典太陽(yáng)模擬器存在設(shè)計(jì)難度大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量利用率低等缺點(diǎn)，因此，本文舍棄了光學(xué)積分器和準(zhǔn)直物鏡等部件，設(shè)計(jì)了一種由光源、橢球面矩形反射體、光學(xué)擋光板等部件組成的一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的高精度的3A級(jí)大型脈沖式太陽(yáng)模擬器。該設(shè)備采用分體機(jī)柜式設(shè)計(jì)，主體包含暗室、脈沖光源控制器和測(cè)試控制柜3個(gè)部分。3A級(jí)大型脈沖式太陽(yáng)模擬器的總體方案如圖2所示。

圖2 3A級(jí)大型脈沖式太陽(yáng)模擬器的總體方案Fig. 2 Overall scheme of class 3A large-scale pulse solar simulator

1.1 暗室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

暗室是一個(gè)內(nèi)部涂有黑色吸光涂層的完全封閉的腔體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。腔體內(nèi)在光路通道上設(shè)置了2個(gè)擋光光闌，其形狀如圖4所示，用于攔截大角度的光線，從而在測(cè)試面上形成2 m×3 m的光斑。

圖4 擋光光闌的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of structure of light blocking aperture

暗室內(nèi)部和擋光光闌表面的黑色吸光涂層用于吸收300～1800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線，其作用是大幅減弱發(fā)散光線的傳播，使其不能到達(dá)測(cè)試面，防止發(fā)散光線對(duì)測(cè)試面的輻照參數(shù)產(chǎn)生干擾。黑色吸光涂層反射率隨入射光線波長(zhǎng)變化的關(guān)系如圖5所示。

圖5 黑色吸光涂層反射率隨入射光線波長(zhǎng)的變化關(guān)系Fig. 5 Relationship of change between reflectivity of black absorbing coating and wavelength of incident light

1.2 光源選型和光源模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光源是太陽(yáng)模擬器的關(guān)鍵部件之一，其與光學(xué)系統(tǒng)的輻照不穩(wěn)定度、光譜匹配度、輻射功率等參數(shù)緊密相關(guān)。氙燈因具有發(fā)光光譜與太陽(yáng)光譜匹配度高、隨氣壓波動(dòng)小、光譜能量排布穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為了目前太陽(yáng)模擬器光源的最優(yōu)選擇之一[14]。考慮到長(zhǎng)弧氙燈具有較大的發(fā)光功率、較低的管壓，以及更好的安全性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，本文采用新加坡Excelitas公司生產(chǎn)的長(zhǎng)弧氙燈作為光源。該長(zhǎng)弧氙燈的外形為柱狀結(jié)構(gòu)，其額定輸出的光脈沖寬度為10 ms，最大可以達(dá)到20 ms。在10 ms的脈沖時(shí)間內(nèi)平均輸出光功率為150 kW。該長(zhǎng)弧氙燈可以以15 s的時(shí)間間隔進(jìn)行發(fā)光，正常使用壽命約60000次。

采用上述長(zhǎng)弧氙燈構(gòu)建氙燈模塊。氙燈模塊由燈罩、長(zhǎng)弧氙燈及底座、濾光片、散熱風(fēng)扇、標(biāo)準(zhǔn)電池(安裝在標(biāo)片盒內(nèi)部)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。氙燈模塊還設(shè)計(jì)了獨(dú)立的反饋微調(diào)標(biāo)片(同樣置于標(biāo)片盒內(nèi))，每個(gè)長(zhǎng)弧氙燈都能單獨(dú)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

圖6 單個(gè)氙燈模塊的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Structure diagram of a single xenon lamp module

通常情況下，單個(gè)氙燈模塊的光學(xué)擴(kuò)展量不足以滿足整個(gè)太陽(yáng)模擬器的總光學(xué)擴(kuò)展量，因此本文采用4個(gè)氙燈模塊組合使用的方案，通過(guò)氙燈光源能量疊加的方式來(lái)滿足太陽(yáng)模擬器總光學(xué)擴(kuò)展量的要求。然而，4個(gè)氙燈模塊的布局會(huì)極大影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的能量利用率和測(cè)試面的輻照均勻性，因此，如何合理地設(shè)計(jì)氙燈模塊之間的距離、位置、夾角等參數(shù)是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。為了達(dá)到輻照面能量利用率盡可能高、輻照不均勻度盡可能低的要求，本文采用了4個(gè)氙燈模塊呈正方形空間排列的方式進(jìn)行排布，如圖7所示。

圖7 氙燈模塊的排布位置示意圖Fig. 7 Diagram of layout of xenon lamp module

每個(gè)氙燈獨(dú)立控制且控制回路相同，降低了設(shè)備的復(fù)雜度，并保證了設(shè)備工作的可靠性。氙燈間的工作協(xié)調(diào)由主控模塊完成，通過(guò)光負(fù)反饋系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)氙燈的恒定光強(qiáng)控制，即采樣氙燈輸出的光強(qiáng)作為反饋信號(hào)來(lái)控制氙燈的工作電流，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的穩(wěn)定輸出。這一結(jié)構(gòu)屏蔽了整個(gè)控制回路中的干擾，從而精準(zhǔn)地控制了氙燈輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性。

此外，為防止氙燈過(guò)熱，模組內(nèi)部設(shè)計(jì)了2個(gè)風(fēng)扇風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)，并且氙燈底座下的安裝板采用高絕緣耐壓耐熱電木板材料，確保了整個(gè)光源模塊能夠安全運(yùn)行。

1.3 光學(xué)擋光板的設(shè)計(jì)

在經(jīng)典太陽(yáng)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)中，通常采用光學(xué)積分器作為勻光器件的核心組件來(lái)實(shí)現(xiàn)輻照面較高的輻照均勻度[15]。但是，光學(xué)積分器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本較高，附加鏡的球差會(huì)使邊緣成像模糊而導(dǎo)致輻照面的輻照均勻度下降，并且光束發(fā)散角受到附加鏡與透鏡陣列之間距離的影響后會(huì)導(dǎo)致能量利用率降低[16]。此外，對(duì)于大輻照面積的情況，其散熱問(wèn)題也難以解決。因此，本文設(shè)計(jì)了一種匹配橢球面矩形反射體聚光鏡的光學(xué)擋光板結(jié)構(gòu)，如圖8所示。通過(guò)對(duì)光學(xué)擋光板進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與位置排布設(shè)計(jì)，在不對(duì)輻照度產(chǎn)生過(guò)大影響的情況下大幅降低了輻照面的輻照不均勻度。

圖8 光學(xué)擋光板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Structure diagram of optical light barrier

2 3A級(jí)大型脈沖式太陽(yáng)模擬器的仿真優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)

2.1 A級(jí)輻照不均勻度的仿真優(yōu)化

為了使大輻照面上的輻照度符合更大輻照面積、更小空間占用的要求，且同時(shí)達(dá)到A級(jí)輻照不均勻度，必須合理設(shè)計(jì)橢球面矩形反射體和光學(xué)擋光板的各個(gè)參數(shù)。首先，根據(jù)光學(xué)理論對(duì)上述部件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估算，并確定初始值；然后，在光學(xué)仿真軟件LightTools環(huán)境下，對(duì)整個(gè)太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行蒙特卡洛仿真分析，通過(guò)設(shè)定合理的優(yōu)化方案和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真與優(yōu)化，提升光學(xué)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

SolidWorks是基于特征、參數(shù)化和實(shí)體建模的設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，在SolidWorks環(huán)境下對(duì)各光學(xué)元件的尺寸和位置進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入到LightTools軟件中。在LightTools軟件中依次設(shè)定各光源的詳細(xì)參數(shù)，包括圓柱形光源的半徑(5 mm)、長(zhǎng)度(160 mm)、輻射功率(150 kW)等；設(shè)定不同實(shí)體平面的光學(xué)屬性，包括反射體平面的光學(xué)屬性設(shè)為反射、光學(xué)擋光板平面的光學(xué)屬性設(shè)為吸收體、其他實(shí)體平面的光學(xué)屬性設(shè)為平滑光學(xué)等。由于生成的隨機(jī)光線數(shù)量越多，仿真分析得到的結(jié)果越準(zhǔn)確，因此本文設(shè)置了1億條光線來(lái)進(jìn)行光線追跡。按照輻照不均勻度檢測(cè)點(diǎn)的取樣要求，在距離光源4 m的位置設(shè)置接收器；接收器為3 m×2 m的矩形平面，并劃分為10×10的網(wǎng)格；利用接收器輻照度分布二維圖像來(lái)顯示輻照度的分布情況。在無(wú)光學(xué)擋光板的情況下，4個(gè)氙燈模塊的光線追跡情況如圖9所示，接收器平面(即輻照面)上的輻照度分布如圖10所示。

圖9 無(wú)光學(xué)擋光板的情況下，4個(gè)氙燈模塊的光線追跡情況Fig. 9 Light tracing of four xenon lamp modules without optical light barriers

圖10 無(wú)光學(xué)擋光板的情況下，接收器平面上的輻照度分布Fig. 10 Irradiance distribution on the receiver plane without optical light barrier

由圖10的仿真結(jié)果可見(jiàn)：光源在輻照面上形成了中心輻照度強(qiáng)、四角輻照度弱的凸型輻照度分布，此時(shí)仿真計(jì)算得到的平均輻照度為5.210×103W/m2，輻照面的輻照不均勻度為18.0%，與輻照不均勻度低于2.0%的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求相去甚遠(yuǎn)。

通過(guò)對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的分析可知，影響太陽(yáng)模擬器輻照不均勻度的參數(shù)主要包括：

1) 4個(gè)氙燈模塊之間的相對(duì)距離與位置。雖然每個(gè)氙燈模塊發(fā)射到輻照面邊緣部分的光線較少，但是呈正方形排列的4個(gè)氙燈模塊發(fā)出的光線到達(dá)輻照面后會(huì)有部分發(fā)生重合，因此輻照面邊緣的輻照度會(huì)隨著4個(gè)氙燈模塊之間相對(duì)距離和位置的不同而發(fā)生改變。4個(gè)氙燈模塊之間的相對(duì)距離越遠(yuǎn)，則光線重合部分越少，輻照面中心的輻照度越低，輻照不均勻度會(huì)降低，但輻照面整體的輻照度也會(huì)降低；4個(gè)氙燈模塊之間的相對(duì)距離越近，則光線重合部分較多，輻照面中心的輻照度越強(qiáng)，輻照不均勻度會(huì)上升，但輻照面整體的輻照度也會(huì)上升。

2)橢球面矩形反射體的光學(xué)參數(shù)。光源光線的投射角受橢球面矩形反射體的影響最大，反射體不同的曲面系數(shù)和曲率，會(huì)導(dǎo)致由光源出射后經(jīng)橢球面矩形反射體反射的光線的投射角發(fā)生很大改變，從而導(dǎo)致輻照面的輻照不均勻度隨之改變。

3)光學(xué)擋光板的大小、尺寸和位置。光學(xué)擋光板會(huì)通過(guò)阻擋特定位置和角度的出射光線而對(duì)輻照面不同位置的輻照度和整體的輻照不均勻度產(chǎn)生極大地影響。

對(duì)太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在各主要光學(xué)元件的參數(shù)初始值確定后，進(jìn)行1億條光線追跡，根據(jù)光線追跡的結(jié)果分析輻照面的輻照不均勻度；然后將光學(xué)擋光板的大小、位置、形狀，以及橢球面矩形反射體的曲面系數(shù)和曲率設(shè)置為優(yōu)化變量，將輻照面的輻照度和輻照不均勻度設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)調(diào)整。

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后，4個(gè)氙燈模塊的光線追跡情況如圖11所示，輻照面上的輻照度分布如圖12所示。

圖11 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的4個(gè)氙燈模塊的光線追跡情況Fig. 11 Light tracing of four xenon lamp modules after optimization of optical system parameters

圖12 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的輻照面上的輻照度分布Fig. 12 Irradiance distribution on the irradiation surface after optimization of optical system parameters

從圖12可以看出：在距離光源4 m位置的3 m×2 m 輻照面的著色圖中，從藍(lán)色到紅色表示輻照度依次增強(qiáng)，最大輻照度為4.93×103W/m2，最小輻照度為4.74×103W/m2，輻照面的輻照不均勻度為1.93%，達(dá)到了A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)的建立與測(cè)試

2.2.1 原型系統(tǒng)的建立

在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，依據(jù)優(yōu)化后的光源、橢球面矩形反射體，以及光學(xué)擋光板的大小、位置、形狀等所有參數(shù)進(jìn)行精密加工和安裝，完成太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)的實(shí)物制造。優(yōu)化后的太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)的實(shí)物結(jié)構(gòu)照片如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)的實(shí)物結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig. 13 Photo of physical structure of optimized solar simulator prototype system

2.2.2 原型系統(tǒng)的測(cè)試

采用光電探測(cè)器表征輻照度，根據(jù)光電探測(cè)器測(cè)得的輻照度結(jié)果對(duì)氙燈的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輻照面的平均輻照度在1000±5 W/m2；然后記錄在測(cè)試面10×10網(wǎng)格內(nèi)光電探測(cè)器的輻照度值，并確定輻照度最大值和輻照度最小值；最后將數(shù)值帶入式(1)，計(jì)算得到原型系統(tǒng)輻照不均勻度的實(shí)際測(cè)試結(jié)果為1.86%，與仿真結(jié)果的一致性良好，滿足IEC 60904-9:2020中A級(jí)輻照不均勻度的設(shè)計(jì)要求。

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)的實(shí)測(cè)光譜和AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜的對(duì)比如圖14所示。

圖14 太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)實(shí)測(cè)光譜和AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜的對(duì)比Fig. 14 Comparison between measured spectrum of solar simulator prototype system and AM1.5G standard solar spectrum

從圖14可以看出：通過(guò)曲線在300～1200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分面積對(duì)比，得到該太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)的光譜匹配度為0.91～1.08，達(dá)到IEC 60904-9:2020中A級(jí)光譜匹配度的設(shè)計(jì)要求。

穩(wěn)定的輻照度是太陽(yáng)模擬器能實(shí)現(xiàn)高精度光輸出的保障。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，將光源開(kāi)啟20 min，選取在每隔10 ms中光源輸出的輻照度，然后根據(jù)式(2)計(jì)算得到該太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)輻照不穩(wěn)定度的實(shí)測(cè)結(jié)果為0.289%，達(dá)到IEC 60904-9:2020中A級(jí)輻照不穩(wěn)定度的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文在光學(xué)仿真軟件LightTools環(huán)境下設(shè)計(jì)了一種由長(zhǎng)弧氙燈、橢球面矩形反射體、光學(xué)擋光板等部件構(gòu)成的大面積、近距離的3A級(jí)大型脈沖式太陽(yáng)模擬器。通過(guò)對(duì)橢球面矩形反射體的曲面系數(shù)和曲率，以及光學(xué)擋光板的大小、形狀、位置等參數(shù)進(jìn)行研究與優(yōu)化，將太陽(yáng)模擬器的理論輻照不均勻度由18.00%降低至1.93%；通過(guò)光源選型和濾光片實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜的良好匹配；通過(guò)光源質(zhì)控、光負(fù)反饋系統(tǒng)及散熱系統(tǒng)的配合，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)模擬器良好的輻照穩(wěn)定性。

在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，完成了太陽(yáng)模擬器原型系統(tǒng)的實(shí)物制造，并對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：在距離光源4 m位置的輻照面(3 m×2 m)上，平均輻照度在1000±5 W/m2時(shí)獲得了低至1.86%的輻照不均勻度及0.289%的輻照不穩(wěn)定度，在300～1200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜匹配度為0.91～1.08，達(dá)到IEC 60904-9:2020標(biāo)準(zhǔn)中3A級(jí)太陽(yáng)模擬器的要求。

該光學(xué)系統(tǒng)的仿真結(jié)果為太陽(yáng)模擬器的光學(xué)設(shè)計(jì)提供了理論參考，原型系統(tǒng)的成功研制為光伏、育種、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了助力。