地面太陽輻射受大氣層、時間、地理、氣候等環境因素影響很大，很難及時獲得穩定的、可重複的、可控的陽光，無法滿足定量實驗、儀器標定、效能測試等要求。因此，常採用太陽模擬器作為模擬太陽輻射物理特性與幾何特性的實驗或定標裝置。發光二極體（LED）以其高效環保、安全穩定逐等特點漸成為太陽模擬器的熱點光源。目前，LED太陽模擬器主要實現了特定平面上的3A特性以及變化的地面太陽光譜的模擬，在滿足一個太陽常數（100mW/cm2）照度的要求下難以模擬陽光的幾何特性。
近日，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所熊大曦團隊基於大功率垂直結構窄帶LED光源，設計了分散式高導熱單晶COB封裝，實現了高光功率密度穩定輸出。同時，提出了一種使用超半球齊明透鏡對大功率LED全孔徑集光的方法，搭建了一套曲面多源積分準直系統，完成了全光譜光源在體積空間範圍內的準直勻光。研究人員採用了多晶矽太陽能電池對戶外陽光和相等條件下的太陽模擬器進行對照實驗，驗證了太陽模擬器的光譜準確性和方位一致性。
該研究提出的太陽模擬器在至少5cm×5cm測試平面內實現了的3A級照明與1個太陽常數輻照度。在光束中心位置，工作距5cm到10cm範圍內，輻照度體積空間不均勻性低於0.2%，準直光束髮散角為±3°，輻照度時間不穩定性低於0.3%。可以在體積空間範圍內實現勻光照明，其輸出光束在測試區域滿足餘弦定律。此外，研究人員還開發了任意太陽光譜擬合與控制軟體，首次實現了不同條件下地面太陽光譜與太陽方位的同時模擬。這些特點使它可作為太陽能光伏產業、光化學、光生物等領域重要研究工具。
研究成果以LED-based solar simulator for terrestrial solar spectra and orientations為題發表在Solar Energy上。
圖1 太陽模擬器圖形摘要
圖2 不同峰值波長的LED陣列
圖3 工作距離為100mm時，垂直於光束的目標表面輻照度分佈。(a)實測電流值歸一化三維模型分佈；（b）A級（小於2%）輻照度不均勻性（黃色區域）分佈圖；（c）B級（小於5%）輻照度不均勻性（黃色區域）分佈圖；(D)光斑實拍圖
來源：中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
