室内辐照试验用太阳模拟器设计

汪恩良 ，于 俊, 韩红卫 ，许春光，胡胜博

（1. 东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；2. 黑龙江省寒区水资源与水利工程重点实验室，哈尔滨 150030）

太阳辐射作为地球表层能量主要来源，广泛应用于居民居住[1]、作物生产[2]、道路照明[3]、航天事业[4]等领域，同时也应用于冰和冻土等自然领域研究，太阳辐射是冰层热力学模型建立和冻土水热响应关系函数中重要参数。春季回暖阶段太阳辐射增加，封冻冰面和冻土中冰晶受太阳辐射、气温、水温及地温等因素影响，内部开始融化。对于冰面而言，结构完整性发生变化，出现流凌现象，流冰将使河道堆积堵塞，抬高水位，冲击岸坡和破坏堤防[5]；季节性冻土则因太阳辐射影响，改变周围温度场分布，土壤中热量和水分向土体表面迁移，造成严重的冻胀现象[6]。因此，研究太阳辐射对冰生消过程影响、力学性质变化及冻土冻融传热规律具有重要意义。目前静冰生消和冻土冻融研究多采用室内物理模型，模拟太阳辐射所选光源是一个关键且敏感的要素，常见灯光与太阳辐射光谱分布存在差异，导致试验过程与实际情况差异较大[7]。因此，通过室内测试选择最佳光源完成太阳模拟器设计，并借助室内辐照试验可为上述问题提供理论依据。

目前，研制太阳模拟器重点在于模拟器光源选择。20 世纪60 年代初，美国采用汞氙灯作为太阳模拟器使用光源，经多次加工改造后，太阳模拟器可较好模拟太空辐照环境[8-9]；德国选用氙灯作为太阳模拟器使用光源，点燃方式为倾斜氙灯与水平面倾角范围15°～30°，达到当时试验要求[10]；日本NASDA 为满足辐照度要求，太阳模拟器由多只短弧氙灯组成， 辐照度达1 758 W ·m-2[11]。我国最初将碳弧灯作为太阳模拟器使用光源[12]，刘国新等为满足太阳能板集热测试性能要求[13]，研制金属卤化物镝灯太阳模拟器，与太阳表面色温一致，平均寿命为500 h；近年，选用LED灯作为太阳模拟器使用光源开始兴起，甘汝婷等选用遗传算法作为光谱匹配算法，将单色光LED灯、CIE-D65 灯与AM1.5 标准光谱最佳匹配组合，拟合效果较好[14]；隋成华等为弥补卤钨灯紫外波段缺陷，利用LED 灯组成复合光源，成功设计一种复合型光谱检测装置[15]。综上，为达到不同试验目的，选用光源不同，因此最佳光源选择是室内设计太阳模拟器关键环节。

本文依据前人研究[16-17]，拟定金卤灯、长弧氙灯、碘钨灯、白炽灯作为本试验预备光源，将每种光源分别与野外太阳光色温、光谱匹配度及各波段能量占比作比较，确定与野外太阳光相近光源作为模拟器使用光源。通过低温环境模拟实验室室内结构条件，设计太阳模拟器系统构造并接入使用光源测试模拟器辐照度、辐照不均匀度和辐照不稳定度，验证室内设计太阳模拟器等级要求，以期为太阳辐射对冰物理力学性能影响及冻土冻融传热规律研究提供理论支持。

1 太阳模拟器光源选择

1.1 试验内容及方法

光源选择是设计太阳模拟器首要解决问题。实验室准备长弧氙灯、金卤灯、碘钨灯及白炽灯4种光源，分析4种光源光谱特点，并与野外太阳光谱、色温及能量分布作比较，根据《太阳模拟器校准规范》（JJF 1615-2017）得到对应光源波长范围模拟器等级（见表1）[18]。

通过对比分析结果，综合考虑经济性、技术性、可行性等要求，最终选择满足室内辐照试验的太阳模拟器光源。

表1 太阳模拟器等级Table 1 Solar simulator level

于大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室获取光源光谱。冷库模拟低温环境，避免其他光源对试验结果产生误差，且室内温度可调，是获取光源光谱最佳试验地点。采用TriOs 光谱辐射仪测量光谱（见图1），该仪器可收集波长320～950 nm光谱信息、辐照度和辐亮度，其光谱采集频率为1 min，光谱精度为0.3 nm，仪器可满足在空气或水中测量。

将所选取4 种光源分别放置于冷库地面（见图2），光源上方放置采集仪，采集仪由工具箱和钢架固定其高度和位置，调整采集仪下方探头使其垂直向下对准光源方向，光源与探头间距离保持在100 cm，每种光源观测时长均为15 min。4 种光源光谱采集完毕后，将数据带回东北农业大学低温环境模拟实验室开展下一步试验。

1.2 光谱各自特点分析

通过采集仪获取历时120 min 试验光谱信息数据，为得到较平稳且误差小光谱图，剃除前5 min获取数据，用剩余时长光谱数据绘制4 种光源光谱，见图3。

从4 种光源光谱图中可见：①金卤灯波长较为活跃区域在400～700 nm，此波长范围内辐照度不稳定，多次出现波峰及波谷，而最大波峰值出现在600 nm处，辐照度达1 000 W·m-2，随后700～800 nm 波长段呈平稳趋势，在经历最后一个波峰后，辐照度趋于稳定。可见，金卤灯主要辐射集中在可见光部分（400～760 nm），紫外线（320～400 nm）与红外线（760～950 nm）占比较小；②试验所选用长弧氙灯辐照度普遍较低，最大峰值在80 W·m-2，波长范围320～800 nm，曲线呈上升趋势且起伏，辐照度30 W·m-2，但波长在800 nm 至仪器所能测量范围内，曲线先出现大幅度转折到达峰值，后呈下降趋势，说明红外线在长弧氙灯辐照强度分布中起主导作用，而紫外线与可见光部分能量占比较大；③碘钨灯与白炽灯光谱图特点相似，辐照度均随波长增加而增大，主要辐射为红外线，缺乏紫外线，另外，可见光部分占比较小。

1.3 各光源参数对比

野外太阳光各参数数据于2019 年4 月28 日～5月5 日观测，此时段处于黑龙江漠河北极村段（53°33′30″N， 122°20′27.14″E）解冻期，野外观测见图4。

该时期可充分掌握流冰对岸滩撞击时力学性质变化，预防岸坡破坏，收集此时野外太阳光辐照量开展室内模拟辐照试验。在基于太阳辐射对冰力学性质变化试验中，需室内完成冰样制备，采集冰样受太阳辐射后各项物理力学参数变化影响，并在野外现场观测，获取野外环境条件数据。其中，自制太阳模拟器能否与野外太阳光各参数保持一致是室内试验顺利开展关键，以往通常选用AM2[19]或AM1.5[20]太阳光谱对比人造光源光谱，而本次试验将与野外实测太阳光谱作对比，保证数据可靠性，同时野外实测太阳光谱与AM1.5标准太阳光谱接近，在光谱对比中参照标准太阳光各项技术指标。

观测每种灯源完整发光阶段后，获取4 种光源色温，并与野外太阳光色温作对比，如表2 所示，发现金卤灯和长弧氙灯色温与野外太阳光色温相差小，可单独作为太阳模拟器预备使用光源，而碘钨灯和白炽灯色温均小于野外太阳光色温且相差2 000 K 以上，因此单独使用这两种光源作为人造太阳光源方案不可行。由此，碘钨灯和白炽灯将不参与不同波段所占能量分布对比和光谱对比。由图3可知，长弧氙灯辐照度较小，将其光谱与野外太阳光谱对比，无法区分差异，根据光叠加原理，当几列光波空间相遇时，其合成光波光矢量等于各分量光波光矢量矢量和，所以将长弧氙灯波长范围内辐照量扩大到原来的10 倍绘制光谱对比图，如图5所示。

得到金卤灯、长弧氙灯及野外实测太阳光3种光谱对比图后，通过求解积分方法，分别计算金卤灯、长弧氙灯和野外太阳光在320～950 nm 各波长间隔内能量占总能量百分比（见表2）。由表2 和图5分析可知，金卤灯在可见光部分远大于野外太阳光，两者在紫外线波段能量占比相差较小，其红外线能量占比较小，约占野外太阳光一半，而长弧氙灯与野外太阳光能量分布在紫外线波段和可见光波段相似，但在红外线波段相差略大。总体看，金卤灯虽色温满足条件，但其他参数不理想，而长弧氙灯除红外线能量占比大外，其他参数均满足条件，因此选择长弧氙灯作为室内设计太阳模拟器使用光源，并参照表1和表2中长弧氙灯相对比率，得出长弧氙灯光谱匹配度在大部分波长范围内满足A级模拟器要求，仅在700～800 nm和800～950 nm满足B级模拟器要求，依据规范，由最低光谱匹配等级确定太阳模拟器光谱匹配级别。由此，室内设计太阳模拟器光源匹配等级为B级。

表2 4种光源与野外太阳光各参数对比Table 2 Comparison of four kinds of light sources and the field sunlight each parameter

2 太阳模拟器系统设计

依据上述理论分析，将长弧氙灯作为模拟器使用光源并开展系统设计工作。主要包括灯架制作、灯阵布置及调节。

室内模拟辐照试验时需将模拟器安装在低温环境实验室水槽上方，实验室环境温度±40 ℃，精度±0.5 ℃；水槽尺寸（长×宽×高）为4 m×4 m×1.2 m，其底部通过底板利用循环热交换方式控制水温，模拟冰在冻结期和解冻期生消过程。灯架尺寸（长×宽×高）约为2 m×4 m×1 m，有效辐照面积占试验水槽尺寸一半，可满足有无辐照试验光照对比；灯架选材时考虑到设计太阳模拟器尺寸大，灯数量多，且每个灯源均配有单独灯罩、镇流器和触发器，因此选择足够强度且不易锈蚀白钢方型管作为灯架主材；灯架结构设计为两层，灯架四角和四条边中心各有一根立柱与实验室顶板横梁固定，固定方式采用U型卡槽式钢片，上下用螺丝相连，可使灯架牢固悬挂于实验水槽上方；每只灯配套灯罩为反光罩，光源输出方式以平行光照射，且灯罩通过与竖杆一端固定接入灯架，竖杆上每隔100 mm 打孔，调节光源距离。本次辐照试验选在低温环境下开展，防冻电缆线共9只，每只400 W 长弧氙灯（CHS13）。为考虑光照均匀性，将灯布置成方形结构。另外，太阳模拟器具有良好接地措施。

3 太阳模拟器技术性能研究

3.1 太阳模拟器辐照度测量

通过传感器接入DataTaker DT80G 数据采集器获取辐照度，其传感器测量范围0～2 000 W·m-2，测量精度±5%，工作温度-30～+70 ℃，标称电阻2 W；DT80G采集器具有灵活、独立、低能耗等工作特点，仪器采集数据方法是由传感器输入得到电压值，除以每个传感器背面各自提供的标定常数，获得太阳模拟器辐照度。

太阳模拟器光源垂直向下照射在实验水槽底部投影划分，如图7所示。

由图7 可知，试验测得光源到地面距离为1.0 m时不同测点辐照度，并将所得数据平均值作为太阳模拟器辐照度。太阳模拟器在有效辐照面积中心约1 m高度处辐照度达到115 W·m-2。

3.2 太阳模拟器辐照不均匀度测试

在太阳模拟器有效辐照面范围内，辐照度随位置变化最大相对偏差用辐照不均匀度表示，计算公式如下：

式中，Emax-有效辐照面全部范围内测得最大辐照度（W·m-2）；Emin-有效辐照面全部范围内测得最小辐照度（W·m-2）。

考虑光源均匀性，将传感器放置在实验水槽地面，由于有效辐照面为方形辐照面，测量时按照垂直和水平两个方向扫描。位置处于每排相邻两个灯源中心，传感器可测得区域中心辐照度。依次测定光源距离地面1.0、1.2、1.5 m时辐照度，根据式（1）可知，辐照不均匀度分别为4.57%、3.81%、4.15%。参照表1 模拟器等级标准，该太阳模拟器辐照不均匀度指标满足规范B级要求，超过C级要求，但未达A级要求。

3.3 太阳模拟器辐照不稳定度测试

在太阳模拟器有效辐照面范围内给定位置，规定时间间隔，辐照度随时间间隔变化最大相对偏差用辐照不稳定度表示，计算公式如下：

式中，Fmax-有效辐照面在给定位置上，规定时间间隔内测得最大辐照度（W·m-2）；Fmin-有效辐照面在给定位置上，规定时间间隔内测得最小辐照度（W·m-2）。

辐照稳定性比辐照均匀性更重要，在有效辐照面上辐照强度平均值与光源辐射稳定性密切相关，且稳定性太差时难以满足试验工况要求。因此，根据规范要求，试验时在有效辐照面范围内选择3个特定位置作为辐照不稳定度测试位置，分别选定在有效辐照面中心、有效辐照面边缘上任意一点、有效辐照面中心和边缘之间任意一点。太阳模拟器光源与地面距离固定在1.0 m，按“三点原则”布置传感器并开始太阳模拟器辐照不稳定度测试，其结果如图8所示。

为测试结果准确性，将长弧氙灯开始通电至稳定发光所持续时间不作为调查依据，统一按照通电后5～60 min 时长，每2 min 记录1 次为间隔调查太阳模拟器辐照不稳定度。根据公式（2），在3个特定位置处辐照不稳定度分别为3.69%、3.02%、4.78%。3个特定位置处辐照不稳定度均小于5%，但大于2%，因此该太阳模拟器在辐照不稳定度指标上满足模拟器等级标准表中B 级模拟器要求，但尚未达到A 级模拟器要求。

4 结 论

本文设计一种应用于室内模拟野外辐照试验的太阳模拟器，并完成其模拟器光源选择、系统设计及性能测试等工作。得出以下结论：

a. 在4种灯色温和光谱对比中，长弧氙灯与野外太阳光色温和光谱中各波长段能量占比接近，且长弧氙灯光谱匹配度在全部波长范围内满足B级模拟器要求。

b. 太阳模拟器系统设计中灯架选材为强度大且不易锈蚀白钢方管；为使光源发光稳定，设计两层结构灯架；灯源配有防冻电缆线满足低温作业需求；灯阵布置为方形，可满足光照均匀性要求。

c. 太阳模拟器在有效辐照面范围内1 m高度处辐照度达到115 W·m-2。

d.太阳模拟器性能指标为：辐照不均匀度和辐照不稳定度均满足B级要求，超过C级要求，但尚未达A级要求。总体看，本研究设计的太阳模拟器可应用于室内模拟辐照试验，并为太阳辐射对冰力学性能影响及冻土冻融传热规律研究提供理论支持。