《太阳模拟器技术与应用》首先介绍太阳模拟器的国内外研究现状；其次介绍太阳模拟技术相关术语与太阳模拟器的分类；再次详细论述太阳模拟器光学系统与机械系统设计方法；*后详细介绍太阳模拟器的装调方法，并给出太阳模拟器的几个典型应用实例。

第1章 概述
1.1 太阳模拟器技术
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试验的需求，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试验研究的重要组成部分[1]。
1.2 太阳模拟器研究现状
1.2.1 国外研究现状
太阳模拟器的研究起始于 20世纪 60年代初，美国昀早研制了两台同轴系统太阳模拟器，功率和性能参数均很低，需要 100只以上的光源才能获得所需辐照面积。1962年，美国喷气推进实验室（jet propulsion laboratory，JPL）在直径为 7.6m的空间环境模拟设备上建造的一套同轴太阳模拟器 [2]，使用了 131只 2.5kW的汞-氙灯，辐照面为边长 3.35m的正六边形，辐照度达 2152W/m2，准直角为 5.3°，但辐照不均匀度只有±10%。1966年，JPL对上述的太阳模拟器进行了改造，即后来的 SS15B太阳模拟器 [3]，采用离轴准直光学系统代替原先设计的同轴光学系统，离轴角为 14°，光线方向朝下，昀大的改进之处在于采用了 37只 20kW的大功率氙灯作为光源。准直镜为直径 7m的整镜，接收面直径为 4.6m，由于使用了光学积分器，辐照不均匀度达到±4%，辐照度为 1453W/m2。SS15B太阳模拟器拉开了大功率氙灯用于太阳模拟器的序幕[1]。
为了星际探测的需要，JPL在 1972年对 SS15B太阳模拟器进行了第二次技术改造，目的是提高辐照度。通过对准直镜和光学积��器的升级，可分别模拟直径3.4m和 2.7m的辐照面，辐照度分别达到 8个太阳常数（1个太阳常数=1353W/m2）和 12个太阳常数。改造后的 SS15B太阳模拟器原理图如图 1.1所示。
图1.1 改造后的 SS15B太阳模拟器原理图
1983年，欧洲太空局在欧洲航天研究与技术**（ European Space Research and Technology Centre，ESTEC）空间环模设备基础上，建造了大型太阳模拟器，如图 1.2所示[4]。采用离轴准直光学系统，离轴角为 29°，准直角为± 1.9°，光源为倾斜点燃的 19只氙灯，并采用高压去离子水冷却。准直镜为直径 7m的球面反射镜，由 121块正六方单元反射镜拼接而成。均匀辐照体为 6m×5m，辐照面不均匀度为±4%、辐照体不均匀度为± 6%，辐照度为 1.61kW/m2。该太阳模拟器被国际上许多航天模拟系统效仿，我国 KM6太阳模拟器也参考了该太阳模拟器的设计理念。
图1.2 ESTEC大型太阳模拟器示意图
1983年，德国研制出 IABG（industrieanlagen betriebs gmbh）大型太阳模拟器 [5]，采用离轴准直光学系统，离轴角 27°，辐照面直径 3.6m，辐照面不均匀度± 4%，辐照体不均匀度±6%，辐照度达到 1895W/m2。氙灯选择倾斜点燃的方式，与水平面所成倾角范围在 15°～33°。后来经过技术改造，把光学积分器单元镜由圆形改为矩形，准直镜单元镜由 61块增加到 84块，扩大了准直镜的口径，并获得 3.05m×4.5m的辐照面积。
1989年，日本筑波空间**的 NASDA太阳模拟器研制成功 [6]，可用于进行大型航天器的试验。主容器直径 16m、长 23m，辅容器直径 13m、长 16m。采用离轴准直光学系统，离轴角为 27.3°，准直角为± 1.5°。准直球面镜的曲率半径为 45m，由 163块六边碳纤维反射单元镜组成，准直镜的昀大对角线长度约为 8.5m。光源由 19只功率为 25kW水平点燃的短弧氙灯组成，采用去离子水冷却。光学积分器由 55个元素镜组成。该太阳模拟器的均匀辐照面为 6m×6m，辐照面不均匀度为± 5%，辐照体不均匀度为± 10%，辐照度达 1758W/m2。NASDA太阳模拟器结构简图如图 1.3所示。
图1.3 NASDA太阳模拟器结构简图
俄罗斯作为航天大国，建有两台大型的太阳模拟器 [7]。其中一台是由 12组太阳模拟器单元拼接组成了 6m×22m的辐照面，由49块面积为 4m×4m单元镜拼接组成准直镜，并采用液氮冷却。该太阳模拟器的突出特点是上面两层太阳模拟器单元的输出光束经过平面反射镜的反射作用，垂直向下辐射，可同时照射试件相互垂直的两个面，其辐照度为 2030W/m2，辐照不稳定度为± 1%/h，辐照不均匀度为± 15%。另一台是在 BK600/300设备上配备的太阳模拟器，其辐照面为 3m×8m，辐照度昀高可达 2970W/m2，不稳定度为±1%，辐照不均匀度为± 15%。
从这些性能参数可以看出，俄罗斯研制的大型太阳模拟器辐照面积很大，但辐照均匀度不高。太阳模拟器的工作原理简图如图 1.4所示。
图1.4 太阳模拟器的工作原理简图
20世纪 70年代，法国采用拼接准直镜技术研制了 INTESPACE太阳模拟器。 INTESPACE太阳模拟器的辐照面直径为 3.8m，准直角为±1.5°，包含 34只 5kW氙灯，辐照度为 1894W/m2，辐照面不均匀度± 5%、辐照体不均匀度± 8%，辐照不稳定度为±0.5%，目前该太阳模拟器仍在使用。
1991年，印度为配合大型空间环境模拟器的建设，设计了一种太阳模拟器。该太阳模拟器的辐照不均匀度为±4%，使用 11只 20kW氙灯时辐照面直径可达 4m，使用 14只氙灯时辐照面直径可达 4.5m[8]。
1994年，美国科罗拉多州立大学的 Kenney等设计了一种采用 28只电功率为 1kW的汞碘气体放电灯作为光源的太阳模拟器[9]，如图 1.5所示。 28只光源分成 4列成交错排列，单灯之间的距离与行距均为 0.45m，辐照面为 1.22m×2.44m，测试面距离灯阵平面 3.05m，辐照度平均值为 1080W/m2，昀大辐照度 1190W/m2，昀小辐照度 980W/m2。
2003年，瑞士苏黎世联邦理工学院 Hirsch等采用功率为 200kW的长条形高压氩弧灯作为光源研制了太阳模拟器 [10]。光源采用旋转膜去离子水流动换热，如图 1.6所示。在焦点区域可产生 75kW的连续辐射功率，焦点区域的昀大辐照度达 4250W/m2，可以产生 2900K的高温。
图1.6 瑞士苏黎世联邦理工学院太阳模拟器

目录 前言 第1章 概述 1 1.1 太阳模拟器技术 1 1.2 太阳模拟器研究现状 1 1.2.1 国外研究现状 1 1.2.2 国内研究现状 12 1.3 太阳模拟器发展趋势 20 参考文献 21 第2章 太阳辐射模拟理论基础 24 2.1 太阳特性参数 24 2.2 光辐射测量技术基础 25 2.2.1 光度学基本知识 26 2.2.2 辐射度学基础知识 29 2.3 太阳辐射量 33 2.3.1 太阳辐射及其分类 33 2.3.2 太阳辐照度 40 2.3.3 大气质量 41 2.3.4 太阳常数 43 2.3.5 太阳光谱 46 2.3.6 太阳张角 49 参考文献 50 第3章 太阳模拟器的分类 51 3.1 太阳模拟器按光学系统分类 51 3.1.1 同轴系统太阳模拟器 51 3.1.2 离轴准直系统太阳模拟器 55 3.2 太阳模拟器按光源分类 56 3.2.1 氙灯太阳模拟器 56 3.2.2 LED太阳模拟器 58 3.2.3 光纤太阳模拟器 59 3.2.4 积分球太阳模拟器 61 3.2.5 多光源太阳模拟器 62 3.2.6 匀光棒式太阳模拟器 63 参考文献 64 第4章 光学系统设计与分析 65 4.1 光学系统组成及总体布局 65 4.2 光源选取、建模与设计 66 4.2.1 光源选取 66 4.2.2 光源建模 72 4.2.3 光源设计 79 4.3 聚光系统设计 83 4.3.1 椭球聚光镜设计 84 4.3.2 组合聚光镜设计 90 4.4 光学积分器设计 95 4.4.1 光学积分器原理和组成 95 4.4.2 光学积分器匀光分析 103 4.4.3 光学积分器孔径利用率 104 4.4.4 光学积分器优化分析 106 4.5 准直光学系统设计 112 4.5.1 结构选择 112 4.5.2 参数设计与像差分析 113 4.6 光学系统能量传递分析 117 4.6.1 小型准直式太阳模拟器的整体系统 117 4.6.2 物像共轭面能量传递分析 118 4.6.3 太阳模拟器整体系统的拉赫不变量分析 122 4.7 转向平面反射镜的设计 125 4.8 仿真分析方法 127 4.8.1 Light Tools软件简介 127 4.8.2 光学系统仿真 127 4.8.3 辐照均匀度影响因素的仿真分析 129 参考文献 141 第5章 机械系统设计与分析 143 5.1 传热学理论基础 143 5.1.1 热传递的形式 143 5.1.2 稳态传热和瞬态传热 144 5.1.3 单值性条件 145 5.2 太阳模拟器机械结构设计 147 5.2.1 箱体的设计 148 5.2.2 冷却方式的选择与设计 149 5.2.3 氙灯调整机构及热控结构 154 5.2.4 聚光系统调整装置及热控结构 156 5.2.5 转向平面反射镜的支撑机构及热控结构 159 5.2.6 光学积分器机构及热控结构 164 5.2.7 视场光阑机构及热控结构 170 5.2.8 准直光学系统机构 173 参考文献 174 第6章 太阳模拟器装调与测试 175 6.1 太阳模拟器的主要技术指标 175 6.1.1 太阳辐照度 175 6.1.2 光谱辐照度分布 175 6.1.3 有效辐照面和有效辐照面位置 177 6.1.4 辐照面不均匀度 178 6.1.5 辐照面不稳定度 178 6.1.6 光束准直角 179 6.2 装调方法 179 6.2.1 指标参数 180 6.2.2 光轴调整方法 181 6.3 主要技术指标的测试方法 192 6.3.1 太阳辐照度测试方法 192 6.3.2 光谱辐照度分布测试方法 193 6.3.3 有效辐照面和有效辐照面位置测试方法 194 6.3.4 辐照面不均匀度测试方法 194 6.3.5 辐照面不稳定度测试方法 195 6.3.6 光束准直角测试方法 196 参考文献 197