【文章內(nèi)容簡介】 不穩(wěn)定度等 [1]太陽模擬器是模擬空間太陽輻照環(huán)境的設(shè)備，能夠較準(zhǔn)確地模擬太陽輻照的準(zhǔn)直性、均勻性和光譜特性。其中大型太陽模擬器特別適用于外形復(fù)雜、伸展在外空間的大型天線和月球探測器以及新型號初樣階段的熱平衡試驗(yàn)，能夠較真實(shí)地驗(yàn)證航天器的熱模型，為熱模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù) [2]；而中小型太陽能模擬器在工程中特別是在光伏工程中對于太陽能電池板的檢測中起到了十分重要的作用，是整個光電池測試系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)，是對太陽能電池檢測與標(biāo)定的關(guān)鍵。而太陽模 擬器中的核心部件 — 太陽模擬器濾光片的性能往往決定了太陽模擬器的好壞 [3]。 太陽能模擬器的發(fā)展 我國從 1965 年開始設(shè)計(jì)研制太陽模擬器 ,先后研制了 KM2 太陽模擬器 ,KFT高精度小型太陽模擬器和 KM4太陽模擬器等太陽模擬設(shè)備 ,并成功地應(yīng)用于整星和部件的熱真空試驗(yàn)，目前擁有 KM6 太陽模擬器。 日本的 NASDA[19]太陽能模擬器采用水平點(diǎn)燃氙燈方式，光軸系統(tǒng)為離軸系統(tǒng)。 美國從 1959 年開始研制大型太陽模擬器。德國 1983 年建成大型太陽模擬器。歐空局 1983 年在荷蘭建成的大型太陽模擬器。該太陽模擬器 代表了當(dāng)今大型太陽模擬器的先進(jìn)水平。此外 ,俄羅斯、印度等國也建成了大型的太陽模擬器用于航天器試驗(yàn) [47]。 國內(nèi)研究太陽能模擬器的單位主要有上海光機(jī)所、長春光機(jī)所、北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 (主要研究大型太陽模擬器 )和西安交通大學(xué)等 。 太陽能模擬器濾光片的研究現(xiàn)狀 太陽能模擬器濾光片主要應(yīng)用于小型太陽能模擬器。濾光片的性能好壞往往決定了太陽模擬器的等級。國內(nèi)的模擬器生產(chǎn)處于起步階段，西安交通大學(xué)太陽能研究所和陜西眾森電能科技有限公司、西安長信科技有限責(zé)任公司都在研制 A西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 類太陽能模擬器。隨著我國對 航天技術(shù)和太陽能產(chǎn)業(yè)的長期規(guī)劃與投資，太陽能模擬器將有廣闊的發(fā)展。作為太陽能模擬器核心部件的濾光片也將得到迅猛發(fā)展，市場前景廣闊。 在 AM0濾光片方面，國內(nèi)目前有西安工業(yè)大學(xué)，長春理工學(xué)院和西安交通等進(jìn)行過一些研究，還并沒有大量相應(yīng)的開發(fā)實(shí)驗(yàn)。國外主要有 Seiencetech,ABET Technologies,Newports等公司生產(chǎn) AM0的太陽模擬器濾光片，在國內(nèi)也活躍著一些諸如深圳市宇航數(shù)碼科技有限公司，上海爾元試驗(yàn)設(shè)備有限公司等生產(chǎn)太陽模擬器 AM0濾光片的廠商 [812]。 大氣質(zhì)量 AM其照 太陽入射角度的不同分為 AM0、AMlD、 、 AM2D、 。濾光片的種類分別有 81090、 81098109 8190 81094。 81090濾光片可應(yīng)用于除了 Global濾光片以的所有大氣質(zhì)量的模擬。本次研制重點(diǎn)針對于研究 AM0， 即 81090濾光片。 本文研究內(nèi)容及章節(jié)安排 本課題主要研究內(nèi)容：首先通過獲取的標(biāo)準(zhǔn)大氣質(zhì)量光譜 (AM0)和氙燈輻照度光譜，得到濾光片 (81090)的透射率曲線；根據(jù)獲得曲線的具體參數(shù)設(shè)計(jì)膜系并選取膜料，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)確定 鍍制膜系的工藝參數(shù)；鍍制膜系并測試其光譜透射率曲線，將濾光片應(yīng)用于太陽能模擬器對其輻照匹配度進(jìn)行分析并確定濾光片等級。 本文第一章為緒論，主要介紹了太陽能模擬器和太陽能模擬器濾光片發(fā)展過程和現(xiàn)狀；第二章介紹了大氣質(zhì)量、太陽能模擬器濾光片所涉及的國家規(guī)范、相關(guān)大氣質(zhì)量光譜的獲取和實(shí)際氙燈輻照度曲線的測量，進(jìn)一步獲得了所鍍?yōu)V光片的透射率曲線，為濾光片下一步的鍍制確定 了指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)；第三章主要介紹了膜料的選擇和膜系的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、敏感層 及其允差分析；第四章介紹了濾光片的鍍制情況，簡要介紹了膜厚監(jiān)控所采取的方法； 第五章介紹了太陽能模擬器濾光片的測試工作， 81090濾光片的輻照匹配度測試分析；第六章對本文的工作進(jìn)行了總結(jié)。 2 太陽能模擬器濾光片曲線的獲取和指標(biāo)的確定 3 2 太陽模擬器濾光片曲線的獲取和指標(biāo)的確定 大氣質(zhì)量 (Air Mass)簡介 大氣質(zhì)量 (AM)指實(shí)際觀察者與太陽之間路徑中的空氣質(zhì)量與假設(shè)該觀察者位于海平面上 (在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下 )， 太陽正位于頭頂時可能存在的空氣質(zhì)量之比。太陽光譜總輻射分為 AM0 標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜總輻射和 標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜總輻射。AM0 是日地平均距離處地球大氣層外的太陽光譜總輻射量。此時的太陽總輻射量稱之 為一個太陽常數(shù) ， 其定義為在此處垂直于太陽輻射光的單位面積上 ， 單位時間內(nèi)接收的太陽輻射量，其值 177。 AM0 濾光片的太陽模擬器多為大型太陽模擬器。 表示為太陽處于天頂角約為 176。時在地面上的太陽光譜總輻射量。 地面不同接收條件下太陽輻照度分為法向直接日射輻照度視場角為 176。的直接日射表測得的數(shù)值相同 [13,14]。圖 是氙燈與太陽光譜輻照度 (每單位面積每單位波長的功率 )的曲線。 Air Mass 濾波器： Air Mass 的 作用是修改 光譜，從而模擬在不同環(huán)境下的光譜近似分布。如 圖 ， 主要有以下幾種 Air Mass 濾波器 ： 圖 氙燈光譜分布和太陽光譜分布曲線 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 太陽入射角對應(yīng)的大氣質(zhì)量 AM 0： 校正光譜使之接近大氣層外的太陽光譜分布。 AM 1 Direct： 校正光譜使之接近于太陽光直接垂直射向地面時的光譜分布。 AM Direct： 校正光譜使之接近于太陽光直接 。 AM 2 Direct：校正光譜使之接近于太陽光直接 。 AM Global：校正光譜使之接近于太陽 光直接 射時的光譜分布。 太陽能模擬器濾光片國家規(guī)范 太陽能模擬器通用規(guī)范 [15](GBT )本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 AM0和 陽光譜輻照度分布的太陽模擬器的通用技術(shù)要求及其級別和類型的劃分。此標(biāo)準(zhǔn)適用于太陽光伏能源用太陽能模擬器。太陽能模擬器的級別由它的各個單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的最低級別確定，劃分為 A、 B、 C三個級別，見 表 。 表 太陽能模擬器等級分類 (％ ) 特性 A B C 光譜匹配（每個波長范圍實(shí)際測試的總輻照度的百分比與標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度腹部 的百分比的比率） ~ ~ ~ 輻照不均勻度 2~+2 5~+5 10~+10 輻照不穩(wěn)定度 2~+2 5~+5 10~+10 從上表可知，濾光片應(yīng)用效果要達(dá)到 A類模擬器的要求，必需使得光譜匹配度介 ~。而輻照不穩(wěn)定度由模擬器燈源等系統(tǒng)決定。輻照不均勻 性主要決定于擬器的光學(xué)系統(tǒng)。光譜匹配度指 每個波長范圍內(nèi)實(shí)際測出 總輻照度的西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 百分比與下表列的標(biāo)準(zhǔn)輻照度分布的百分比相比較得出。因此，只要濾光片修正氙燈光譜使之達(dá)到輻照分布表 (表 )中的百分比，則該濾光片達(dá)到 A類濾光片的要求。 表 標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布 波長范圍 /um 波長 ~ ~ ~ ~ ~ ~ 太陽能模擬器濾光片曲線的獲取 曲線獲取相關(guān)儀器 采用荷蘭 Avantes AvaSpec系列光譜儀。入射光由一個標(biāo)準(zhǔn)的SMA905接口進(jìn)入光學(xué)平臺，經(jīng)一 個球面鏡準(zhǔn)直，然后由一平面光柵分光，經(jīng)由第二塊球面鏡聚焦到一維線性探測器陣列上。光纖光譜儀的應(yīng)用非常 廣泛 。 氙燈光譜 太陽輻照度光譜的測試是在西安眾森電能科技有限公司 XJCM系列測試儀上測試的。輻照度曲線由 Avantes微型光纖光譜儀測試。圖 譜輻照度曲線。 圖 氙燈光譜幅度分布圖 表 是分析得到氙燈光譜輻照度分布。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 表 實(shí)測氙燈光譜輻照度分布表 光譜范圍 /um 波長 到 之間總 輻照度的百分比 ~ ~ ~ ~ ~ 275 ~ 從圖 和表 可以看出，氙燈在 ~ 和 ~ 波段范圍內(nèi)其光譜輻照度分布占的百分比非常非常大，超過總體輻照度分布的一半多。這即是氙燈的特點(diǎn)，相對于標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度之間的匹配度來講，氙燈光譜匹配度最大達(dá)到 ， 超過已經(jīng)超過 C 標(biāo)準(zhǔn)。所以對氙燈光譜的修正是非常重要的。 AM0 標(biāo)準(zhǔn)輻照度曲線 濾光片應(yīng)用效果要達(dá)到 A類模擬器的要求，必需使得光譜匹配度介于 ～。因?yàn)檩椪詹环€(wěn)定度由模擬器燈源等系統(tǒng)決定。輻照不均勻性主要決定于模擬器的光學(xué)系統(tǒng)，其次是光片的不均勻性。光譜匹配度及每個波長范圍內(nèi)實(shí)際測出的總輻照度的百分比與表 出。因此，只要濾光片修正氙燈光譜使之達(dá)到輻照度分布表中的百分比，則該濾光片達(dá)到 A類濾光片的要求。 81090濾光片透過率曲線也可以由已知氙燈去曲線和標(biāo)準(zhǔn)大氣質(zhì)量 AM0、 AMl輻照度曲線來求得。這里不做進(jìn)一步計(jì)算， 僅給出由上述方法算 得的濾光片透射率曲線， 如 圖 。 圖 81090型濾光片光譜透過率曲線 從圖中可以看出，優(yōu)化后的膜系在通帶內(nèi)有很平滑的透過率，透射率均值大于 95％ ，符合設(shè)計(jì)要求。在截止帶內(nèi)，首先其最低透射小于 10％ ，而且由于濾光片和玻璃基底的共同作用，保留了極小部分的紫外光的作用，達(dá)到指定的要求。 太陽能模擬器濾光片的指標(biāo)要求 0204060801001200 200 400 600 800 1000 1200系列1西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 本次研制的濾光片是 AM0型濾光片是 負(fù)濾光片。負(fù)濾光片又叫帶阻濾光片，它從一光譜范圍內(nèi)除去某一波段，而在反射帶的兩側(cè)連接兩個高透射帶。負(fù)濾光片的特性 由極小透射率 T曲 線 、對應(yīng)于透射率極小值的波長 h、以及反射帶區(qū)域的半寬度 ω所表征。 其基本光學(xué)特性要求如下： 在 300～ 650nm波段內(nèi)，平均透過率Ta≥90%，在 650～ 1200nm波段范圍內(nèi)是一個帶阻濾光片，在 930nm處的透過率約為 15%，半寬度為 350nm。 本章小結(jié) 首先介紹了大氣質(zhì)量 (Air Mass)的背景理論和相關(guān)太陽能模擬器濾光片國家規(guī)范。利用光纖光譜儀測得了實(shí)驗(yàn)用氙燈光譜輻照度曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣質(zhì)量輻照度光譜標(biāo)準(zhǔn)曲線和實(shí)測氙燈輻照度光譜曲線，獲得 Air Mass濾光片 (AM0)透過率曲線。最后給出了這種濾光片的指標(biāo)參數(shù)要求。為下一章的膜系設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。 3 膜料選擇和膜系設(shè)計(jì) 8 3 膜料選擇和膜系設(shè)計(jì) 膜料選擇