地面太陽輻射受大氣層、時間、地理、氣候等環(huán)境因素影響很大，很難及時獲得穩(wěn)定的、可重復的、可控的陽光，無法滿足定量實驗、儀器標定、性能測試等要求。因此，常采用太陽模擬器作為模擬太陽輻射物理特性與幾何特性的實驗或定標設備。發(fā)光二極管（LED）以其高效環(huán)保、安全穩(wěn)定逐等特點漸成為太陽模擬器的熱點光源。目前，LED太陽模擬器主要實現(xiàn)了特定平面上的3A特性以及變化的地面太陽光譜的模擬，在滿足一個太陽常數(shù)（100mW/cm2）照度的要求下難以模擬陽光的幾何特性。
近日，中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所熊大曦團隊基于大功率垂直結構窄帶LED光源，設計了分布式高導熱單晶COB封裝，實現(xiàn)了高光功率密度穩(wěn)定輸出。同時，提出了一種使用超半球齊明透鏡對大功率LED全孔徑集光的方法，搭建了一套曲面多源積分準直系統(tǒng)，完成了全光譜光源在體積空間范圍內(nèi)的準直勻光。研究人員采用了多晶硅太陽能電池對戶外陽光和相等條件下的太陽模擬器進行對照實驗，驗證了太陽模擬器的光譜準確性和方位一致性。
該研究提出的太陽模擬器在至少5cm×5cm測試平面內(nèi)實現(xiàn)了的3A級照明與1個太陽常數(shù)輻照度。在光束中心位置，工作距5cm到10cm范圍內(nèi)，輻照度體積空間不均勻性低于0.2%，準直光束發(fā)散角為±3°，輻照度時間不穩(wěn)定性低于0.3%。可以在體積空間范圍內(nèi)實現(xiàn)勻光照明，其輸出光束在測試區(qū)域滿足余弦定律。此外，研究人員還開發(fā)了任意太陽光譜擬合與控制軟件，首次實現(xiàn)了不同條件下地面太陽光譜與太陽方位的同時模擬。這些特點使它可作為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、光化學、光生物等領域重要研究工具。
研究成果以LED-based solar simulator for terrestrial solar spectra and orientations為題發(fā)表在Solar Energy上。
圖1 太陽模擬器圖形摘要
圖2 不同峰值波長的LED陣列
圖3 工作距離為100mm時，垂直于光束的目標表面輻照度分布。(a)實測電流值歸一化三維模型分布；（b）A級（小于2%）輻照度不均勻性（黃色區(qū)域）分布圖；（c）B級（小于5%）輻照度不均勻性（黃色區(qū)域）分布圖；(D)光斑實拍圖
