LED太阳光模拟器

发布时间：2020-08-24 14:37

【摘要】：太阳光是生活中最常见的光源,也是最清洁的能源,但是太阳光会随着时间而发生变化,模拟出稳定可靠的太阳光在很多行业领域有重要的价值,太阳光模拟器就是用于模拟太阳光的标准光源。太阳能电池测试是常见的教学实验,太阳能电池测试需要太阳光模拟器作为标准光源。传统的太阳光模拟器采用氙灯作为光源,氙灯由于需要20kV的高压启动,具有一定的危险性,不利于教学实验使用,因而研制一种适用于高校实验教学的太阳光模拟器具十分重要的意义。本文主要设计并实现了一种适用于实验教学的LED太阳光模拟器。LED光源光谱全彩,通过多种LED组合可以很好的匹配太阳光光谱,而且工作电压低,使用寿命长,亮度易于控制,安全性高,十分适合实验教学场合下使用。论文从仿真到设计再到软硬件实现,详细阐述了LED太阳光模拟器的制作过程。仿真部分基于遗传算法搜索出了最优的光谱匹配结果,然后利用这个结果产生数据训练神经网络,最终实现了一个基于神经网络的光谱匹配算法。硬件部分主要包括LED太阳光模拟器的设计、LED太阳光模拟器的驱动电源即多通道可调节低压恒流电源的电路设计以及加工实现,软件部分主要包括基于stm32平台的下位机软件设计和基于Qt的上位机软件设计。最后对LED太阳光模拟器进行数据测试,并且应用到太阳能电池测试系统。本文设计的LED太阳光模拟器实现了A级的光谱匹配,基本能够满足教学实验的需要,但仍有改进的空间,在论文最后给出了自己的改进思路。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TN312.8
【图文】：

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发光强度也比较高，但也存在以下问题：一是与太阳光光谱匹配度低，如图1-2 所示，是卤素灯的光谱图，可以看出卤钨灯发出的光线大部分是红外光，红外波段能量远大于太阳光，缺少蓝紫光，可见光波段能量占比也很少；二是亮度调节范围较窄，卤钨灯可以调光，但是调光范围十分有限，因为卤钨灯是通过发热来发光，必须保证灯丝足够高的温度，因为温度过低时，不仅仅会使得色温更低，还可能终止卤钨循环，影响灯泡正常工作；三是虑光系统设计复杂，需设计虑光系统，过滤掉能量过多的红外辐射光线；四是稳定性差，卤钨循环过程中，一些卤化钨会附着在灯泡内壁导致卤钨灯泡发黑，影响卤钨灯的光输出；五是使用寿命短，卤钨灯的失效原因和白炽灯类似，主要是灯丝蒸发后逐渐变细，时间长后可能会熔断，虽然卤钨灯的寿命相较白炽灯有所提高，但是相较 LED 等其他光源，寿命仍然偏低；六是发光效率低，与白炽灯类似大部分

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形成放电通道，产生电弧光，然后在较低的工作电压下保持稳定的弧光放电。氙灯光谱图如下图1-3 所示，红线是氙灯发光的光谱，黄线是标准太阳光光谱，可以看出，氙灯发光的光谱与标准太阳光十分近似，只是在部分波长有很高的尖峰。图 1-3 氙灯光谱图利用氙灯作为太阳光模拟器的光源存在的主要优点如下：一是光谱匹配度高，氙灯的色温在 6000K 左右，与太阳光十分近似，从上图 1-3 中可以看出，氙灯光谱与am1.5g 标准太阳光光谱十分近似，光谱匹配度很高；二是氙灯的光响应速度快，氙灯是通过瞬间产生的 20kV 高压脉冲将氙气电离形成发光的电弧，不需要预热就能达到稳定的光输出；三是氙灯的发光亮度十分高，具有很高的发光效率，十分适合制作大面积的太阳光模拟器。利用氙灯制作太阳光模拟器也有一些缺陷：一是氙灯需要高达 20kV的电压来启动，具有一定的危险性，不适合实验教学场合使用；二是稳定性较差，氙灯需要 20kV 的高压来启动

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2 LED 与太阳光光谱匹配仿真单个 LED 的发光光谱与太阳光光谱差别较大，单色 LED 的光谱为一个单峰，而通常的白光 LED 其发光原理为蓝光激发黄色荧光粉而组合成白光，白光 LED 的光谱与 am1.5g 标准太阳光依然差别很大。为了尽可能好地让 LED 阵列的光谱与太阳光光谱形成匹配，本章设计了算法对 LED 与太阳光光谱匹配进行了仿真分析。2.1 LED 光源的光线追迹原理光线追踪是几何光学常用的技术手段之一，它是跟踪光线从光源出发，通过介质，最终照射到物体表面的一种研究方法。为了分析 LED 阵列光谱与 am1.5g 标准太阳光的匹配，需要对 LED 光照射到测试面的光谱进行计算，多种 LED 光在测试面组合，形成最终的 LED 阵列的组合光谱。

【参考文献】