400mm辐照面太阳模拟器关键技术研究

摘要

太阳模拟器是一种测试设备，又被称为人工太阳，可在实验室条件下模拟出真实太阳光辐照，复现太阳光的辐照特性，包括辐照度、辐照稳定性和均匀性以及光谱分布。随着科学技术的发展，太阳模拟器现已在多个领域得到了广泛应用，譬如遥感测试、空间环境模拟、光伏电池性能检测等。
　　本文的研究对象是出射光斑直径为400mm的太阳模拟器。该太阳模拟器是全谱段成像光谱仪辐射检测的重要设备，主要由光学系统、机械支撑系统以及冷却系统三个部分组成。本文详细地阐述了太阳模拟器的光机系统设计以及冷却系统设计。为了使系统输出光准直出射，且在辐照面上形成均匀辐照，该太阳模拟器光学系统采用离轴准直系统，准直镜为离轴抛物面反射镜。依据系统技术指标，详细地给出了光学系统的设计方案以及各光学元件的参数，并运用Lighttools软件对光学系统进行建模和仿真，分析辐照面的辐照均匀性，仿真结果表明系统的辐照均匀性能够满足要求。依据光学系统的布局，该太阳模拟器采用框架式的机械支撑结构。依据系统热负荷分布情况，采用强迫风冷方式进行散热，降低内部的环境温度，详细给出了强迫风冷系统的设计方案，并运用热分析软件ICEPAK，对该设计方案进行仿真验证，仿真结果表明，风冷系统能够有效地进行太阳模拟器的散热。最后通过实验测定，辐照不均匀性在Φ200mm范围内为±1.61％，在Φ400mm范围内为±3.28％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外太阳模拟器的研究与发展现状

1．2．2 国内太阳模拟器的研究与发展现状

1．2．3 太阳模拟器的发展趋势

1．3 本论文的主要研究内容

2 太阳模拟器理论简介

2．1 太阳辐射理论简介

2．1．1 太阳辐射光谱

2．1．2 太阳常数

2．2 太阳模拟器通用设计规范

2．2．1 太阳模拟器主要性能参数

2．2．2 太阳模拟器级别划分

2．3 太阳模拟器系统组成及分类

2．3．1 太阳模拟器系统组成

2．3．2 太阳模拟器系统分类

2．4 本章小结

3 太阳模拟器光机系统设计

3．1 太阳模拟器光机系统方案

3．2 光学系统设计

3．2．1 光学系统总体方案

3．2．2 光源功率计算及种类选取

3．2．3 滤光片设计

3．2．4 聚光镜设计

3．2．5 光学积分器设计

3．2．6 离轴抛物面准直镜设计

3．3 光学系统辐照均匀性仿真分析

3．3．1 光学元件及系统建模

3．3．2 仿真结果分析

3．4 太阳模拟器机械支撑结构设计

3．4．1 系统总体支撑结构设计

3．4．2 灯室组件

3．4．3 光学积分器支撑及调节机构

3．4．5 反射镜支撑及调整机构

3．4．6 离轴抛物面准直镜支撑调节机构

3．5 本章小结

4 太阳模拟器冷却系统设计

4．1 系统冷却方式选取

4．1．1 系统内部热负荷分析

4．1．2 冷却方式选择

4．2 强迫风冷系统设计

4．2．1 强迫风冷装置设计

4．2．2 辅助散热设计

4．3 系统热仿真分析

4．3．1 仿真软件介绍

4．3．2 太阳模拟器系统建模

4．3．3 系统热仿真结果分析

4．4 本章小结

5 太阳模拟器主要技术指标测试

5．1 测试环境

5．2 及测试用仪器

5．3 各技术指标测试方法及结果

5．3．1 出射光斑直径测量

5．3．2 最大辐照度测试

5．3．3 辐照度稳定性测试

5．3．4 辐照度均匀性测试

5．3．5 光谱辐照度分布测试

5．4 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间申报的发明专利情况

攻读硕士学位期间发表的论文情况