地面太阳辐射受大气层、时间、地理、气候等环境因素影响很大，很难及时获得稳定的、可重复的、可控的阳光，无法满足定量实验、仪器标定、性能测试等要求。因此，常采用太阳模拟器作为模拟太阳辐射物理特性与几何特性的实验或定标设备。
发光二极管（LED）以其高效环保、安全稳定逐等特点渐成为太阳模拟器的热点光源。目前，LED太阳模拟器主要实现了特定平面上的3A特性以及变化的地面太阳光谱的模拟，在满足一个太阳常数（100mW/cm2）照度的要求下难以模拟阳光的几何特性。
近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所熊大曦团队基于大功率垂直结构窄带LED光源，设计了分布式高导热单晶COB封装，实现了高光功率密度稳定输出。
图1 太阳模拟器图形摘要
同时，提出了一种使用超半球齐明透镜对大功率LED全孔径集光的方法，搭建了一套曲面多源积分准直系统，完成了全光谱光源在体积空间范围内的准直匀光。研究人员采用了多晶硅太阳能电池对户外阳光和相等条件下的太阳模拟器进行对照实验，验证了太阳模拟器的光谱准确性和方位一致性。
该研究提出的太阳模拟器在至少5cm×5cm测试平面内实现了的3A级照明与1个太阳常数辐照度。在光束中心位置，工作距5cm到10cm范围内，辐照度体积空间不均匀性低于0.2%，准直光束发散角为±3°，辐照度时间不稳定性低于0.3%。可以在体积空间范围内实现匀光照明，其输出光束在测试区域满足余弦定律。
图2 不同峰值波长的LED阵列
此外，研究人员还开发了任意太阳光谱拟合与控制软件，首次实现了不同条件下地面太阳光谱与太阳方位的同时模拟。这些特点使它可作为太阳能光伏产业、光化学、光生物等领域重要研究工具。
图3 工作距离为100mm时，垂直于光束的目标表面辐照度分布。(a)实测电流值归一化三维模型分布；（b）A级（小于2%）辐照度不均匀性（黄色区域）分布图；（c）B级（小于5%）辐照度不均匀性（黄色区域）分布图；(D)光斑实拍图
研究成果以LED-based solar simulator for terrestrial solar spectra and orientations为题发表在Solar Energy上。
来源： 苏州生物医学工程技术研究所
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