LED太阳模拟器光学系统与控制系统的研究与设计

发布时间：2017-10-04 00:16

  本文关键词：LED太阳模拟器光学系统与控制系统的研究与设计

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【摘要】：太阳模拟器是一种模拟太阳光照射特性的光源装置,广泛应用于光伏、航空等领域。太阳模拟器需要模拟太阳光的辐射强度、光谱匹配度和均匀度。由于不受天气影响和辐射稳定的优点,太阳模拟器作为室内光源被广泛应用。本论文所设计的太阳模拟器主要用于太阳电池的测试。太阳模拟器以固体光源代替传统的发光二极管作为太阳模拟器的光源。固体光源发光二极管具有低电压驱动、稳定性好、寿命长、响应时间短、低碳环保、频谱多样性等优点,并随着单光源功率的不断提高,利用LED作为太阳能模拟器的光源成为可能。本文主要从太阳模拟器的光学系统和控制系统两个方面进行了研究。详细探讨了利用不同波长的LED实现国家和国际标准中规定的A级太阳模拟器光学系统和控制系统的设计。在对太阳模拟器的光谱匹配研究中,详细讨论了如何选择LED峰值波长及发光二极管结构。在国家和国际标准中,将太阳模拟器400nm～1100nm全波段的光谱辐照度分布划分成六个部分,并规定了六个波段内的光谱辐照度分布占全波段光谱辐照度的百分比,根据光谱辐照度的划分,课题中依次选取十一种峰值波长的大功率LED作为LED太阳模拟器的光源。在光谱匹配中,首先根据标准计算得到各类LED需要在有效辐照面上的光谱辐照度,然后调整各类LED的驱动电流依次达到有效辐照面上的标准辐照度,达到全波段的光谱匹配。在LED太阳模拟器的光学系统设计过程中,首先进行LED光源阵列的排列设计,然后进行光学软件Tracepro的仿真优化,得到十一类LED光源在辐照面上各自的辐照度情况,最后分析照度分布情况,总结得到辐照不均匀度的优化方法。通过软件的仿真模拟指导实验的设计,得到局部驱动LED光源的控制方法。光学系统采用两次聚光的方法,首先是小角度LED封装透镜的一次聚光,,然后是采用高反射率材料的反射腔二次聚光。通过软件的仿真模拟,得到反射腔的长度为150mm。控制系统采用降压稳流模块作为LED的驱动电源,并且可以通过软件控制LED的光强。在辐照不均匀度的实验测试中,采用晶硅太阳电池作为探测器,并将有效辐照面160mm×160mm划分为64个区域进行测试,测试结果显示LED太阳模拟器的辐照不均匀度达到A级标准。LED太阳模拟器的辐照不均匀度为1.61%,辐照不稳定度为0.56%。最后还搭建了太阳电池伏安特性测试系统,自己编写了测试软件,实现了对太阳电池的各项参数的测试。
【关键词】：LED太阳模拟器 AM1.5 光谱匹配 Tracepro 辐照不均匀度 辐照不稳定度
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4;TN312.8
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 太阳模拟技术9-10
• 1.2 太阳模拟器国内外研究发展状况10-14
• 1.2.1 太阳模拟器国内研究发展现状10
• 1.2.2 太阳模拟器国外研究发展现状10-14
• 1.3 太阳模拟器光源发展史14-15
• 1.4 课题研究意义及创新点15
• 1.4.1 课题研究意义15
• 1.4.2 创新点15
• 1.5 本课题研究的主要内容及需要达到的技术指标15-16
• 1.6 本章小结16-17
• 第二章 LED固体光源17-21
• 2.1 LED发光原理17
• 2.2 LED的主要参数与特性17-20
• 2.2.1 LED光谱特性17-18
• 2.2.2 LED电学特性18-19
• 2.2.3 LED的配光19
• 2.2.4 LED的响应时间19
• 2.2.5 LED的热学特性19
• 2.2.6 LED发光波长与颜色关系19-20
• 2.3 本章小结20-21
• 第三章 太阳模拟器技术指标21-25
• 3.1 辐照强度21
• 3.2 光谱分布21-22
• 3.3 辐照不均匀度22-23
• 3.4 辐照不稳定度23
• 3.5 本章小结23-25
• 第四章 LED太阳模拟器光谱匹配25-31
• 4.1 LED选择25-27
• 4.1.1 LED波长选择25-26
• 4.1.2 灯珠结构选择26-27
• 4.2 光谱辐照度分布匹配27-29
• 4.3 本章小结29-31
• 第五章 LED太阳模拟器光学系统设计31-41
• 5.1 设计思路31-32
• 5.2 设计方案32-33
• 5.3 LED阵列光源设计33
• 5.4 软件仿真模拟33-38
• 5.4.1 软件简介33-34
• 5.4.2 建立模型34
• 5.4.3 建立光源34-35
• 5.4.4 光线追迹35
• 5.4.5 辐照不均匀度仿真模拟35-38
• 5.5 本章小结38-41
• 第六章 LED太阳模拟器控制系统设计41-53
• 6.1 电源驱动控制系统41-45
• 6.1.1 电源驱动硬件电路设计41-43
• 6.1.2 电源驱动软件程序设计43-45
• 6.2 太阳电池伏安特性测试系统45-48
• 6.2.1 太阳电池伏安特性测量方法45-46
• 6.2.2 探针排46-47
• 6.2.3 数据处理软件47-48
• 6.3 LED太阳模拟器组装调试及测试48-51
• 6.3.1 测试条件49
• 6.3.2 辐照强度测试49
• 6.3.3 光谱匹配测试49-50
• 6.3.4 辐照不均匀度调整及测试50-51
• 6.3.5 辐照不稳定度测试51
• 6.3.6 测量结果51
• 6.4 本章小结51-53
• 第七章 总结与展望53-54
• 7.1 主要结论53
• 7.2 成果53
• 7.3 展望53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-57
• 附录：作者在攻读专业硕士学位期间发表的论文及申请的专利57

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1 杨林华;李z阉，

本文编号：967545