一种用于测试太阳电池电性能的太阳模拟器及其调整方法与流程

1.本技术整体上涉及一种用于测试太阳电池电性能的太阳模拟器，尤其是一种用于测试对于不同波段的光能具备不同吸收特性的多结砷化镓太阳电池电性能的太阳模拟器。


背景技术：

2.在航天器设计中，空间用多结砷化镓太阳电池的电性能需要在地面进行准确测试，从而为航天器供配电设计提供准确依据。能够准确测量多结砷化镓太阳电池电性能的太阳模拟器必须具备光谱辐照度的多段独立可调功能，从而可以分别以各结子标准电池的短路电流为基准，调节光谱辐照度，获得准确测试待测太阳电池或太阳电池组件所需的am0标准光谱条件。


技术实现要素：

3.目前航天器用太阳电池主流是多结砷化镓太阳电池，由于多结太阳电池复杂的阳光光谱吸收特性，在地面测试所使用的太阳模拟器如具备光谱度照度多段独立调节能力，则能更加准确的测量待测太阳电池的电性能，为航天器的供配电设计提供重要依据。同时，需要尽量简化设计、降低能耗。针对该问题，本技术提出了一种用于测试太阳电池电性能的太阳模拟器及其多段光谱辐照度调整方法。
4.本技术提供了一种用于测试空间用太阳电池电性能的太阳模拟器，包括：
5.氙灯和覆盖氙灯的am0基础滤光片，用于匹配am0光谱，所述am0光谱被划分为n个波段，n大于等于3；
6.n-1个可移动滤光片，分别用于衰减n-1个波段的辐照度，每个可移动滤光片被构造为遮挡氙灯的出光面的一部分，每个可移动滤光片能够相对于氙灯相互独立地移动，从而改变氙灯的出光面的被每个可移动滤光片所遮挡的遮挡面积；
7.n-2个补光灯，用于补充am0光谱的n-2个波段的辐照度；
8.电源系统，用于分别控制氙灯和补光灯的辐照度。
9.根据本技术提供的太阳模拟器，其中，所述可移动滤光片为楔形，具有沿轴向延伸的第一边沿和第二边沿，所述第一边沿和所述第二边沿相对于轴向倾斜，所述可移动滤光片能够沿轴向相对于所述氙灯移动。
10.根据本技术提供的太阳模拟器，其中，所述可移动滤光片呈等腰三角形。
11.根据本技术提供的太阳模拟器，其中，n等于3，所述am0光谱被划分为短波段、中波段、长波段，第一可移动滤光片用于衰减中波段的辐照度，第二可移动滤光片用于衰减长波段的辐照度，补光灯用于补充长波段的辐照度。
12.根据本技术提供的太阳模拟器，其中，n等于4，所述am0光谱按波长值从小到大的顺序被划分为第一波段、第二波段、第三波段、第四波段，第一可移动滤光片用于衰减第二波段的辐照度、第二可移动滤光片用于衰减第三波段的辐照度，第三可移动滤光片用于衰减第四波段的辐照度，第一补光灯用于补充第三波段的辐照度，第二补光灯用于补充第四
波段的辐照度。
13.根据本技术提供的太阳模拟器，其中，所述可移动滤光片呈矩形，所述可移动滤光片的移动方向为垂直于氙灯灯管的延伸方向。
14.根据本技术提供的太阳模拟器，其中，所述补光灯为卤素灯或led灯。
15.本技术还提供了一种太阳模拟器光谱的调整方法，所述调整方法包括：
16.s1：通过调节氙灯的亮度，使太阳模拟器的光谱中的第一波段的辐照度匹配于am0光谱的第一波段；
17.s2：通过控制第一可移动滤光片的移动，调节遮挡面积，从而调节太阳模拟器的光谱的第二波段的辐照度，以使太阳模拟器的光谱的第二波段的辐照度匹配于am0光谱的第二波段的辐照度；
18.s3：通过控制第二可移动滤光片和第一补光灯，使太阳模拟器的出射光谱的第三波段的辐照度匹配于am0光谱的第三波段的辐照度。
19.根据本技术的一个实施例，还包括以下步骤：
20.s4：通过控制第n-1可移动滤光片和第n-2补光灯，使太阳模拟器的出射光谱的第四波段的辐照度匹配于am0光谱的第四波段的辐照度。
21.根据本技术的一个实施例，其中，在使太阳模拟器的出射光谱的第n波段的辐照度匹配于am0光谱的第n波段的辐照度后，还包括以下步骤：
22.确认太阳模拟器的出射光谱的第一波段至第n-1波段的辐照度是否仍均匹配于am0光谱的第一波段至第n-1波段的辐照度，若不匹配，则依次使太阳模拟器的出射光谱的第一波段至第n-1波段的辐照度匹配于am0光谱的第一波段至第n-1波段的辐照度，
23.其中，n大于等于2，n小于等于n。。
24.本技术提供的脉冲太阳模拟器中，可实现光谱n段独立调节，从而使太阳模拟器的光谱匹配于am0光谱。
附图说明
25.下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本技术上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。以下附图仅旨在于对本技术做示意性说明和解释，并不限定本技术的范围。其中：
26.图1示出了根据本技术的实施例的太阳模拟器光源系统灯具与滤光片的示意图。
27.图2a-图2c示出了根据本技术的实施例中的第一滤光片相对于氙灯的移动。
具体实施方式
28.为了对本技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本技术的具体实施方式。
29.目前，现有的空间用太阳模拟器使用三套光源分别对应三结砷化镓太阳电池的顶、中、底三个子电池的响应光谱，通过三个电源分别控制三套光源，并通过分别控制三个电源的功率来分别控制三套光源的亮度的大小，从而使太阳模拟器的光谱能够模拟am0光谱，并能够实现辐照度的调节。但该方案只适用于小面积光照范围内对稳态太阳模拟器的调节，无法应用在大面积脉冲太阳模拟器中。
30.本技术的一个实施例提供的太阳模拟器中，通过氙灯、补光灯这两套独立灯具即可实现三段光谱之间的独立、连续可调。具体而言，在可以独立地调节氙灯和补光灯的亮度的基础上，在氙灯前面插入第一衰减滤光片和第二衰减滤光片，分别对氙灯光谱的中波段(主要在760nm-950nm波段)和长波段(主要在950nm-1800nm波段)的辐照度进行衰减。通过控制第一衰减滤光片、第二衰减滤光片与氙灯之间的相对位置，可控制氙灯被两种衰减滤光片所分别覆盖的面积，从而调节中波段和长波段的光被衰减的程度，从而实现氙灯的三段光谱之间的独立调节。另外，由于氙灯自身的光谱特点，在某些情况下，当氙灯的短波段辐照度能够匹配于am0光谱的短波段辐照度时，氙灯的较长波段的辐照度通常会因为过低而无法匹配于am0光谱的长波段辐照度。因此，本技术中通过采用补光灯的方法，能够对氙灯的光谱，尤其是较长波段的光谱辐照度起到补充作用。
31.本技术提供的太阳模拟器，可模拟am0光谱，并能够实现辐照度的调节，从而实现对太阳电池组件的准确测试，且系统结构简单、可靠性和精度高。这些特点使得该太阳模拟器可用于测量卫星太阳电池或太阳电池组件的电性能，应用于卫星太阳阵的验收、检测、研制、设计等环节。
32.下面参照附图，描述根据本技术的一个实施例提供的太阳模拟器光源系统。如图1所示，其示出了根据本技术的一个实施例提供的太阳模拟器，包括：
33.氙灯2，用于匹配am0光谱的短波段(350nm-760nm)辐照度。氙灯2例如可以为长弧氙灯，包括灯管21和灯座22，其中灯管21被放置在灯座22内。灯座22具有开口，开口上覆盖有固定的am0基础滤光片，灯管21发出的光通过灯座22的开口并透过基础滤光片出射到氙灯2外部，灯座22的开口限定了氙灯2的出光面；
34.第一滤光片3，呈楔形，用于衰减中波段(760nm-950nm)的辐照度。该第一滤光片3具有轴向(z)，第一滤光片3具有沿轴向延伸的第一边沿和第二边沿，且第一边沿和第二边沿相对于轴向倾斜。第一滤光片3被构造为遮挡氙灯2的出光面的一部分面积，该部分面积被称为遮挡面积。如图2a至图2c所示，第一滤光片3可沿轴向相对于氙灯2移动，如图2b和图2c中的箭头所示。由于第一滤光片3的第一边沿和第二边相对于轴向倾斜，因此上述遮挡面积可随第一滤光片3的移动而发生变化。通过增大上述遮挡面积，可以使氙灯2所发出的光的中波段的辐照度被衰减得更多，通过减小上述遮挡面积，可以使氙灯2所发出的光的中波段的辐照度被衰减得更少。因此，通过控制第一滤光片3的移动，能够调节太阳模拟器光谱的中波段的辐照度；
35.第二滤光片4，呈矩形，用于衰减长波段(950nm-1800nm)的辐照度。该第二滤光片4具有轴向，和第一滤光片3一样被构造为遮挡氙灯2的出光面的一部分面积，可以移动，和第一滤光片同理可以改变氙灯2的被遮挡面积，使得长波段的辐照度衰减的更多或者更少，因此，通过控制第二滤光片4的移动，能够调节太阳模拟器光谱的长波段的辐照度；
36.补光灯1，用于在光谱长波段的辐照度相对于am0光谱过弱时，补充长波段(950nm-1800nm)。在该实施例中，补光灯1由卤素灯构成，经过滤光后留下长波段(950nm-1800nm)；
37.电源系统，用于向氙灯2和补光灯1提供电力，并分别控制氙灯2和补光灯1的亮度；
38.控制装置，用于控制第一滤光片3和第二滤光片4的移动。
39.在根据本技术的一个实施例中，第一滤光片3呈等腰三角形，且顶角为锐角。控制装置例如可以为步进电机，等腰三角形的底边可以作为步进电机的推进边。
40.在根据本技术的一个实施例中，氙灯2和补光灯1的数量可根据实际需要进行调整，。
41.在根据本技术的一个实施例中，氙灯2上可以具有固定的am0基础滤光片，用于氙灯光谱向am0光谱的初步调节。
42.在根据本技术的一个实施例中，所述补光灯为卤素灯，也可以根据需要补光的具体波段，采用其他类型的光源作为补光灯。
43.根据本技术的一个实施例还提供了一种上述太阳模拟器光谱的调整方法，包括以下步骤：
44.s1：点亮氙灯2，通过调节氙灯2的亮度，使太阳模拟器的光谱中的短波段(350nm-760nm)的辐照度匹配于am0光谱的短波段的辐照度；
45.s2：通过控制装置控制第一滤光片3的移动，以调节氙灯2的出光面被第一滤光片3所遮挡的遮挡面积，从而调节太阳模拟器的光谱的中波段(760nm-950nm)的辐照度，以使太阳模拟器的出射光谱的中波段的辐照度匹配于am0光谱的中波段的辐照度；
46.s3：通过控制第二滤光片4和补光灯1使太阳模拟器的出射光谱的长波段的辐照度匹配于am0光谱的长波段的辐照度。具体步骤包括：若太阳模拟器的出射光谱的长波段的辐照度高于am0光谱的长波段的辐照度，则通过控制第二滤光片4的移动而调节氙灯2的出光面被第二滤光片4所遮挡的遮挡面积，从而使太阳模拟器的光谱的长波段的辐照度降低，从而匹配于am0光谱的长波段的辐照度；若太阳模拟器的出射光谱的长波段的辐照度低于am0光谱的长波段的辐照度，则点亮补光灯1并调节补光灯1的功率，从而使太阳模拟器的光谱的长波段的辐照度升高，从而匹配于am0光谱的长波段的辐照度。
47.根据本技术的一个实施例提供的太阳模拟器中，通过设置可移动的第一衰减滤光片3和第二衰减滤光片4，以及长波段补光灯1，可实现太阳模拟器的三段光谱之间的独立调节，从而使太阳模拟器的光谱匹配于am0光谱。
48.根据本技术的一个实施例提供的太阳模拟器及其光谱的调整方法中，使用标准子电池对太阳模拟器的光谱进行调整。氙灯2的短波段、氙灯2的中波段、氙灯2的长波段分别对应顶、中、底三结标准子电池。
49.理想情况下，滤光片能够实现仅对部分波段的透过，而对其他波段完全截至。然而实际上，任何滤光片都做不到完全截止而不影响其他的谱段能量。所以，在实际应用中，尤其是在对匹配精度要求较高的情况下，本技术提供的太阳模拟器光谱的调整方法中，需要反复迭代逼近，最终实现太阳模拟器光谱与am0光谱的高精度匹配。根据本技术的一个实施例提供的太阳模拟器高精度光谱调整方法包括：
50.s1：点亮氙灯2，通过调节氙灯2的亮度，使太阳模拟器的光谱中的短波段(350nm-760nm)的辐照度匹配于am0光谱的短波段的辐照度；
51.s2：通过控制装置控制第一滤光片3的移动，以调节氙灯2的出光面被第一滤光片3所遮挡的遮挡面积，从而调节太阳模拟器的光谱的中波段(760nm-950nm)的辐照度，以使太阳模拟器的出射光谱的中波段的辐照度匹配于am0光谱的中波段的辐照度。由于非理想情况下，第一滤光片3可能会对短波段的辐照度造成微量的衰减，因此需要确认短波段的辐照度是否仍匹配于am0光谱的短波段的辐照度；
52.s3：确认短波段的辐照度是否仍匹配于am0光谱的短波段的辐照度，若匹配，则行
进至步骤s4；若不匹配，则重复步骤s1-s2，直到短波段和中波段的辐照度均匹配于am0光谱的短波段和中波段的辐照度，即通过反复调整氙灯2的功率和第一滤光片3的位置，使太阳模拟器的光谱中的短波段和中波段的辐照度均分别匹配于am0光谱的短波段和中波段的辐照度；
53.s4：通过控制第二滤光片4和补光灯1使太阳模拟器的出射光谱的长波段的辐照度匹配于am0光谱的长波段的辐照度。具体步骤包括：若太阳模拟器的出射光谱的长波段的辐照度高于am0光谱的长波段的辐照度，则通过控制第二滤光片4的移动而调节氙灯2的出光面被第二滤光片4所遮挡的遮挡面积，从而使太阳模拟器的光谱的长波段的辐照度降低，从而匹配于am0光谱的长波段的辐照度；若太阳模拟器的出射光谱的长波段的辐照度低于am0光谱的长波段的辐照度，则点亮补光灯1并调节补光灯1的功率，从而使太阳模拟器的光谱的长波段的辐照度升高，从而匹配于am0光谱的长波段的辐照度；
54.s5：确认短波段和中波段的辐照度是否均仍匹配于am0光谱的短波段和中波段的辐照度，若均匹配，则行进至步骤s6；若不匹配，则重复步骤s1-s4，直到短波段、中波段和长波段的辐照度均匹配于am0光谱的短波段、中波段和长波段的辐照度，即通过反复调整氙灯2的功率和第一滤光片3、第二滤光片4的位置，使太阳模拟器的光谱中的短波段、中波段和长波段的辐照度均分别匹配于am0光谱的短波段、中波段和长波段的辐照度。
55.s6：调整结束。
56.根据本技术的一个实施例，其中，中波段、中波段、长波段的划分范围并不限于350nm-760nm、760nm-950nm、950nm-1800nm。实际使用中，可根据待测试的太阳电池的顶、中、底三个子电池的响应光谱的范围而调节短波段、中波段、长波段的划分范围。
57.在根据本技术的另一个实施例中，还可以将am0光谱划分为三个以上的波段。例如可以将am0光谱划分为n个波段，n为4、5、或6。相应的，在将am0光谱划分为n个波段的情况下，在太阳模拟器光源系统中设置n-1个可移动的滤光片，并设置n-2个补光灯，可实现n段光谱之间的独立、连续可调。
58.例如，在一个实施例中，可将am0光谱划分为4个波段，按波长值从小到大的顺序排列，分别为第一波段、第二波段、第三波段和第四波段。在太阳模拟器光源系统中设置3个可移动的滤光片，即第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片。第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片可为楔形。第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片分别用于衰减第二波段、第三波段和第四波段的辐照度。通过控制第一滤光片的移动，能够调节第一滤光片的遮挡面积，从而调节太阳模拟器光谱的第二波段的辐照度。通过控制第二滤光片的移动，能够调节第二滤光片的遮挡面积，从而调节太阳模拟器光谱的第三波段的辐照度。通过调节第三滤波片，能够调节第三滤光片的遮挡面积，从而调节太阳模拟器光谱的第四波段的辐照度。
59.在太阳模拟器光源系统中设置2个补光灯，即第一补光灯和第二补光灯。其中，第一补光灯用于补充第三波段，第二补光灯用于补充第四波段。
60.该实施例提供的太阳模拟器光源系统的调整方法包括以下步骤：
61.s1：点亮氙灯，通过调节氙灯的亮度，使太阳模拟器的光谱中的第一波段的辐照度匹配于am0光谱的第一波段的辐照度；
62.s2：通过控制装置控制第一滤光片的移动，以调节氙灯的出光面被第一滤光片所遮挡的遮挡面积，从而调节太阳模拟器的光谱的第二波段的辐照度，以使太阳模拟器的出
射光谱的第二波段的辐照度匹配于am0光谱的第二波段的辐照度；
63.s3：通过控制装置控制第二滤光片和第一补光灯使太阳模拟器的出射光谱的第三波段的辐照度匹配于am0光谱的第三波段的辐照度；
64.s4：通过控制装置控制第三滤光片和第二补光灯使太阳模拟器的出射光谱的第四波段的辐照度匹配于am0光谱的第四波段的辐照度。
65.根据本技术的一个实施例提供的太阳模拟器中，通过某一个波段的滤光片和补光灯的配合，使太阳模拟器的该波段的辐照度减小或增大，从而调节该波段的辐照度，使该波段的辐照度匹配于am0光谱的该波段的辐照度。例如上述实施例中，利用第二滤光片和第一补光灯的配合，调节太阳模拟器的第三波段的辐照度；利用第三滤光片和第二补光灯的配合，调节太阳模拟器的第四波段的辐照度。
66.根据本技术的一个实施例，还提供了一种太阳模拟器高精度光谱调整方法，包括：
67.s1：点亮氙灯，通过调节氙灯的亮度，使太阳模拟器的光谱中的第一波段的辐照度匹配于am0光谱的第一波段的辐照度；
68.s2：控制第一滤光片的移动，以调节氙灯的出光面被第一滤光片所遮挡的遮挡面积，以使太阳模拟器的出射光谱的第二波段的辐照度匹配于am0光谱的第二波段的辐照度；
69.s3：确认第一波段的辐照度是否仍匹配于am0光谱的第一波段的辐照度，若匹配，则行进至步骤s4；若不匹配，则重复步骤s1-s2，直到第一波段和第二波段的辐照度均匹配于am0光谱的短波段和中波段的辐照度；
70.s4：控制第二滤光片和第一补光灯使太阳模拟器的出射光谱的第三波段的辐照度匹配于am0光谱的第三波段的辐照度；
71.s5：确认第一波段和第二波段的辐照度是否均仍匹配于am0光谱的第一波段和第二波段的辐照度，若均匹配，则行进至步骤s6；若不匹配，则重复步骤s1-s4，直到第一波段、第二波段和第三波段的辐照度均匹配于am0光谱的第一波段、第二波段和第三波段的辐照度；
72.s6：调整结束。
73.由此可见，在将am0光谱划分为n个波段(n大于等于3)的情况下，在太阳模拟器光源系统中设置n-1个可移动的滤光片，并设置n-2个补光灯，在这种实施例提供的太阳模拟器高精度光谱调整方法中，首先利用氙灯和第一滤光片的配合，使太阳模拟器的出射光谱的第一波段和第二波段的辐照度均匹配于am0光谱的第一波段和第二波段的辐照度。
74.然后，利用第二滤光片和第一补光灯使太阳模拟器的出射光谱的第三波段的辐照度匹配于am0光谱的第三波段的辐照度，并确认太阳模拟器的出射光谱的第一波段和第二波段的辐照度是否均匹配于am0光谱的第一波段和第二波段的辐照度。
75.若均匹配，则继续利用第三滤光片和第二补光灯使太阳模拟器的出射光谱的第四波段的辐照度匹配于am0光谱的第四波段的辐照度。若不匹配，则利用上述方法依次使第一至第三波段的辐照度配于am0光谱的第一至第三波段的辐照度。
76.然后，继续利用第三滤光片和第二补光灯使太阳模拟器的出射光谱的第四波段的辐照度匹配于am0光谱的第四波段的辐照度，并确认太阳模拟器的出射光谱的第一至第三波段的辐照度是否均匹配于am0光谱的第一至第三波段的辐照度。若均匹配，则继续利用下一个滤光片和下一个补光灯使太阳模拟器的出射光谱的第四波段的辐照度匹配于am0光谱
的第四波段的辐照度。若不匹配，则利用上述方法依次使第一至第四波段的辐照度配于am0光谱的第一至第四波段的辐照度。
77.以此类推，直到使用第n-1滤光片和第n-2补光灯使第一至第n波段的辐照度配于am0光谱的第一至第n波段的辐照度。
78.根据本技术的一个实施例，其中，能够相对于氙灯移动的滤光片的形状不限于楔形、等腰三角形。只要能够遮挡氙灯的出光面的一部分，且遮挡面积能够随滤光片的移动而发生改变，均可实现本技术的技术方案。例如，可移动的滤光片还可以为矩形。当可移动滤光片为矩形时，滤光片的移动方向优选为沿着氙灯的灯管的延伸方向。
79.根据本技术的一个实施例，其中，第一滤光片和第二滤光片在氙灯的出光方向上重叠设置。第一滤光片和第二滤光片也可以在氙灯的出光方向上并排设置，即相互不重叠。
80.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
81.以上所述仅为本技术示意性的具体实施方式，并非用以限定本技术的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本技术的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本技术保护的范围。