太阳模拟器开题报告
毕业设计(论文)开题报
告
题目：太阳能模拟器机械系统设计
学生姓名：学号：
专业：机械设计制造及其自动化
指导教师：
2014年3月27日
1.文献综述
1.1太阳模拟器的简介
稳态太阳模拟器作为光源，在某中程度上说，可以等同于太阳光源，可以模拟太阳光照射。由于太阳模拟器本身体积较小，测试过程不受环境、气候、时间等因素影响，从而避免了室外测量的各种因素限制，有利于结果的重现，所以广泛用室内模拟测试来代替室外测试。按照光谱类型来分，可以分为AM0和AM1.5型光谱，其中AMO适用于模拟外层空间阳光，主要应用于人造卫星，宇宙飞船等情况，而AM1.5适用于模拟地面阳光。
太阳模拟器是智能控制物理仿真实验室内的重要设备，和其它设备一起组成智能控制物理仿真试验系统。在地面上模拟太阳光辐照特性，提供与太阳光谱相匹配的、均匀的、准直稳定的且具有一定辐照度的光源，主要用于航天器（飞行器）空间环境模拟试验［1］。与一般的太阳模拟器不同之处在于，它具有两个回转运动机构，从而解决了所模拟太阳光线照射方向的精确调节难题。在实验室内实现太阳目标仿真，给卫星姿态控制系统内的太阳敏感器提供太阳光模拟信号。
稳态太阳模拟器广泛应用于材料老化性能测试，太阳能电池特性测试，特殊照明，光电材料特性测试，生物化学相关测试，光学催化降解加速研究，皮肤化妆用品检测，环境研究等。太阳模拟器是太阳能光伏产业研究、生产过程中必不可少的关键设备。现在实等特性、但其同时也有体积大、价格高、能耗高等缺陷。正因如此小型光伏组件的检测一般采用卤钨灯替代标准太阳模拟器, 卤钨灯辐照光谱分布与太阳辐照光谱分布差异明显, 具有. 较大的误差。这使得小型光伏组件的生产处于一种无标准、混乱的状态。一种高效、便携、廉价的太阳模拟器正在急需当中。
太阳模拟器是在室内环境中实现不同大气质量条件下太阳辐照特性的一种试验或定标设备，可在高精度拟合太阳光谱分布的前提下实现不同的太阳辐照强度，在短时间内能模拟出不同地域、不同季节的太阳光照特性，以满足试验研究对太阳辐照的特殊需求。太阳模拟技术起源于空间科学技术，早期太阳模拟器的研制是为了应对空间科学领域在地面开展空间环境模拟实验的需求，随后逐渐成为太阳能光伏发电、光热发电及太阳热化学等领域实验研究的重要组成部分。
1.2太阳模拟器的用途
太阳模拟器的应用领域非常广泛。大型太阳模拟器是航天技术中卫星空间环境模拟的主要组成部分，中小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定及地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标。在光伏科学与工程中，中小型的太阳模拟器又可用于太阳能电池的检测与标定、遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照以及农业科学中研究植物发育和培育良种、建材行业中材料的耐辐照老化试验等。
太阳模拟器是一种在室内模拟太阳光的设备，在光伏行业，它主要用于太阳电池和组件的电性能测试、光老化试验，热板耐久试验等。太阳电池是光谱选择性器件，其光电灵敏度随太阳光谱分布变化而变化，如图1所示。自然阳光光谱分布不稳定会影响光伏测试结果的可重复性，而且由于自然阳光的总辐照度无法调节，对其光谱分布与标准条件光谱的差异（光谱失配）进行校正时，需要实时监测阳光光谱，但太阳光谱测量的准确度上不高，据文献报道：光谱测试在可见光区间的不确定度为4%，紫外区间和红外区间的不确定度为8%～10%。所以，光伏测试尤其是太阳电池生产线上的测试，一般都是在太阳能模拟器提供的模拟光下进行的。
(a)晶硅和多晶硅光伏组件，(b)薄膜组件
图1：不同光伏器件的相对光谱响应
人工模拟太阳光与自然阳光，两者之间的有如下优缺点，如表1所示：
1.3太阳模拟器的发展趋势
随着航天事业及太阳能发电行业的迅猛发展，越来越多的国家投入大量技术和财力开展太阳模拟器的研究和建设，以便获得高精度大功率的太阳模拟器用于试验研究。太阳模拟器的未来发展趋势主要包括以下几个方面:
1) 光谱分布更加真实。综合考虑光源、反光及滤光片等诸多方面因素，进一步提高太阳模拟器光谱与实际太阳光谱的一致性。
2) 功率更大。太阳能发电和热化学领域，聚光光伏、光热发电、太阳能热化学反应都是未来发展的重点技术，大功率太阳模拟器对开展这些研究工作必不可少。
3) 辐照度的均匀性更好。进一步提高太阳模拟器辐照度的均匀性是设备性能需提升的要素之一。
4) 功率的连续变化可调。目前已有的太阳模拟器的功率或固定或是分几个等级，为满足实现不同季节不同地域的太阳辐照度的需求，功率平稳连续可调的太阳模拟器是未来太阳模拟器必须要解决的关键技术。
5) 考虑雨雪风霜云等天气状况的影响。太阳模拟器最终要实现的是一个真实空间环境，实现多种天气因素组合的空间环境工况是未来太阳模拟器的发展前景。
随着自动化生产线的普及，多层层压技术的出现，人们对测试仪吞吐量的要求越来越高。只有这样才能在有限的时间和空间里产出更多的瓦数的电池，降低
企业的运营成本。因此，更快，与自动化生产更匹配的太阳模拟器是未来发展的必然选择。
参考文献
[1]刘电龙，刘电龙，徐熙平.小型太阳模拟器结构设计.长春理工大学学报 2010
[2]高雁，刘洪波,王丽.太阳模拟技术.中国光学与应用光学.2010
[3]刘洪波，高雁，王丽，顾国超，冯伟昌.高倍聚光太阳模拟器的设计.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所.2011
[4]邵若燕，林文正，刘建军，吴睿弊，蒋宝财.连续氦灯在
太阳模拟器中的应用研究.上海光学精密机械研究所.2008
[5]万松,徐林.太阳模拟器的发展进展.上海交通大学物理系太阳能研究所.2009
[6] 向艳红，张容，于江.氙灯水平点燃太阳模拟器灯单元设计.北京卫星环境工程研究所.2011
2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径
在进行水平点燃氙灯单元机构设计时，需要考虑如下要求：
(1)除了能够支撑水平放置的氙灯要求外，还应避免氙灯受到附加应力的影响；
(2) 保证电连接的可靠性，在进行绝缘设计时，应考虑电弧放电的屏蔽；
(3) 要求在氙灯点燃后能够进行位移调节，为了保证均匀性所需要的离焦调节要求，光轴方向调节范围为±10 mm，并且在调节过程中不会产生附加应力。
(4) 光源采用功率为10kw短弧氙灯;
(5) 灯单元结构与调节: 灯单元能保证氛灯发光中心(阴极上方2 mm处) 放置在聚光镜第一焦点处, 具有三维调节功能, 不Y方向调节范围为士3mm,Z方向(光轴方向) 调节范围为士5mm，灯单元能使氛灯光轴与聚光镜光轴重合, 不重合夹角不大于0.5′, 具有摆角调节功能, 调节范围为士1°；
(6) 氛灯阴阳极冷却热负荷为5000W,泡壳冷却热负荷为720W氛灯应力分布均匀。
2.1系统的组成：
太阳模拟器是由机械装置，椭球镜和光源系统三部分组成的，其中机械装置包括调灯机构，运动控制结构和二次反光外壳。结构简图如下图1所示。
图2氙灯单元系统组成
2.2．1氙灯机构
氙灯：利用氙气放电而发光的电光源。由于灯内放电物质是惰性气体氙气，其激发发电位和电电离电位相差较小。
图3 氙灯的外形
该灯具有如下特点：
（1）辐射光谱能量分布与日光相接近,色温约为6000K。
（2）连续光谱部分的光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变。
（3）灯的光、电参数一致性好，工作状态受外界条件变化的影响小。
（4）灯一经燃点，几乎是瞬时即可达到稳定的光输出；灯灭后，可瞬时再燃点。（5）灯的光光效较高，电位梯度较小。
此外在灯外部加上一个椭球镜,从而严格控制光斑大小。
2.2．2 调灯机构
灯架用于支撑氙灯，氙灯采用水平点燃方式。灯的支撑采用两端固定，但不加紧的支撑方式，以确保氙灯在点燃后，两端可以沿氙灯轴线方向释放由于高温引起的热膨胀应力。灯的支撑部分是受热最为严峻的部件。为了减小因支撑部分热膨胀引起的灯两端的附加应力，支撑部件应选用表面抛光且耐高温不变形的合金材料，它对太阳辐射的吸收系数应比较小。考虑到温度会比较高，氙灯与灯架间需要置一层隔热材料。
灯架除了用于支撑氙灯以外，它本身就是一个调灯机构，用来调节灯的中心位置，可以进行水平方向和垂直方向的二维调节。如图4所示。
图4 调灯机构
调整螺钉A用于灯水平方向的调节，B用于灯垂直方向的调节，调整螺塞C、D用于调节支撑弹簧的松紧。由于在工作过程中此部分热量很大、温度会很高，所以整个灯室和调整架均要选用耐高温且不变形的合金材料来做。
2.2．3 整体运动控制结构
本设计采用直线滑台作为太阳模拟器的运动控制结构，以实现椭球镜可以沿灯轴向后退300mm范围，调整实现灯光在同一点的汇聚。直线滑台结构类似图5。
图5 直线滑台结构示意图
2.3 机构外壳
模拟器本体采用的管罩式结构，即有利于灯室的散热，又可以通过散热孔直接观察到灯室内部的情况和灯的中心位置，便于调节。采用的与中心轴垂直且依附在灯室上的十字结构调灯系统可以很方便的调节灯的中心位置，使之与中心轴重合。从而达到设计要求，满足工作需要。
指导教师意见：
1、对文献综述的评语：
所查阅文献来源包含期刊论文、专业书籍和网络技术资料，能够比较全面反映本课题的背景、研究现状和发展趋势，资料查询和应用恰当合理，内容全面、详实，具有一定深度和广度，综述条理清晰、文字通顺简练。文献综述与本课题的研究内容基本符合，对课题的深入研究具有较好的指导意义。
2、对课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测：
该课题具有较强的理论研究意义和现实意义，该生对课题内容理解清晰，把握合理，明确了课题研究的重点，具有了初步的整体设计思路。课题设计内容合乎机械专业学生毕业设计的要求。课题具有一定难度，工作量适中。相信在该生的努力下，完全可以按期完成毕业设计工作。
指导教师：
2014年04 月08 日