专利名称：一种辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统结构，特别涉及一种辐照面大小与准直角度可变的太阳
模拟器光学器件。
背景技术：
太阳模拟器是光学领域中常用的一种模拟太阳光照明的光学设备，在不同的应用场合，对其特性和参数具有不同的要求。近年来随着太阳光伏行业的不断发展，尤其是在最新一代聚光光伏领域中，须使用辐照度均匀，准直角度较小的太阳模拟器对电池片、组件及系统等进行检测。然而，目前绝大多数太阳模拟器的准直角度受系统结构的制约，固定在一个较大的数值且不能改变，以及对大面积辐照情况下，太阳模拟器的系统结构复杂且庞大。在太阳模拟器的光学设计中，为了同时满足辐照度均匀，准直性高，以及辐照面积一定大小的太阳模拟器始终十分困难。为了给不同尺寸大小的聚光镜提供更加接近于太阳光的均匀照射与准直角度的太阳模拟器，解决聚光光伏领域中对聚光组件及系统效率进行实时实地有效的检测问题，我们设计了这样一种辐照面大小及辐照度值可调，准直角度可缩小到
O.28度(实际太阳光半角)的太阳模拟器。
发明内容
本发明是针对太阳模拟器的光学设计中，同时满足辐照度均匀，准直性高，以及辐照面积一定大小的太阳模拟器始终十分困难的问题，提出了一种辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件，可用于对不同大小面积的太阳模拟照射、也可用于对准直角度要求较高的太阳模拟器的适用场合。利用两组透镜组合的特定结构，通过改变其中一个透镜的焦距值，或改变两透镜焦距比值，可解决对不同辐照面大小的辐照和不同辐照准直度的辐照需求问题。同时，这种双透镜组合的特定结构形式，将辐照面均匀转化为辐照空间体均匀。本发明的技术方案为一种辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件，包括椭球面反光碗、导光管、短焦距会聚透镜、长焦距准直透镜，位于椭球面反光碗第一个焦点上的球形氙灯光源被椭球面反光碗反射后汇聚在其椭球面第二焦点处，形成一定大小的光斑，进入导光管，经过导光管多次反射并在后出射端形成均匀辐照面，出射光经由短焦距会聚透镜会聚，该短焦距会聚透镜到导光管出射后端面的距离为其焦距值F1，短焦距会聚透镜出射光用大口径长焦距准直透镜准直出射，该长焦距准直透镜到前短焦距会聚透镜的距离为长焦距准直透镜焦距值F2与Fl之和。所述短焦距会聚透镜和长焦距准直透镜可用两组焦距值不同的透镜组或平板菲涅尔透镜。所述大口径长焦距准直透镜的焦距F2与短焦距会聚透镜的焦距Fl的比值大小为H，导光管的出射端面大小为A，导光管的光束入射角为Θ，当准直透镜出射的总光通量为W时，则最终出射辐照面大小为ΠΑ，出射角度为ω=θ/η，辐照度值E=W/ηΑ。
本发明的有益效果在于本发明一种辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件，能对辐照面积大小及辐照度值进行改变，同时在增大辐照面积而不改变辐照均匀度的前提下，提高准直性。其设计合理，结构简单，具体测量中操作方便，实用性强， 能对不同面积大小的被检测物提供实时实地的有效测量。
图I为本发明太阳模拟器球形氙灯源会聚角示意图2为本发明太阳模拟器导光管多次反射形成均匀辐照面示意图及其均匀性示意图；图3为本发明辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件结构示意图。
具体实施例方式如图I所示太阳模拟器球形氙灯源会聚角示意图，球形氙灯光源I位于椭球面反光碗的第一个焦点上，光线经过椭球面反光碗的反射后汇聚在第二个焦点上。如图2所示太阳模拟器导光管多次反射形成均匀辐照面示意图及其均匀性示意图，辐照面为图中的A面。如图3所示辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件结构示意图，位于椭球面反光碗第一个焦点上的球形氙灯光源I被椭球面反光碗2反射后会聚在其椭球面第二焦点处形成一定大小的光斑，进入导光管3后多次反射并在后出射端形成均匀辐照面，经由短焦距会聚透镜4会聚，该短焦距会聚透镜4到导光管3出射后端面的距离为其焦距值F1，最后用大口径长焦距准直透镜5准直出射，该长焦距准直透镜5到前短焦距会聚透镜4的距离为长焦距准直透镜5焦距值F2与Fl之和。大口径长焦距准直透镜5的焦距F2与短焦距透镜焦距4的焦距Fl的比值大小为η，导光管3的出射端面大小为Α，导光管3的光束入射角为Θ，当假定准直透镜出射的总光通量为W时，则最终出射辐照面大小为ΠΑ，出射角度为ω=θ/η，辐照度值E=W/nA。该实施例中短焦距会聚透镜4和长焦距准直透镜5可以为两块焦距值不同的平板菲涅尔透镜，前聚焦透镜4到导光管3出射端的距离为其焦距值F1，后准直透镜5到聚焦透镜4的距离为F1+F2，即长焦距准直透镜5的前焦面始终位于会聚透镜4的后焦平面处，保证两透镜的位置，通过改变前聚焦透镜4的焦距Fl或改变准直透镜5的焦距F2，获得不同辐照面积大小及辐照度值的小角度出射光斑。本发明利用椭球面反光碗2对球形氙灯光源I进行会聚后，通过矩形导光管3多次反射形成辐照度均匀面，再由聚焦透镜4与准直透镜5组合形式的光学结构，将辐照面均匀转化为空间体均匀，同时，利用两组透镜的不同焦距比，可调其出射面大小，增大两透镜焦距比值，可实现准直性更高的太阳模拟器。该光学系统结构下的太阳模拟器在聚光光伏领域中实现了对不同尺寸的聚光镜及其组件、系统实时有效的测量，方法实用简单。
权利要求
1.一种辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件，其特征在于，包括椭球面反光碗(2)、导光管(3)、短焦距会聚透镜(4)、长焦距准直透镜(5)，位于椭球面反光碗(2)第一个焦点上的球形氙灯光源(I)被椭球面反光碗(2)反射后汇聚在其椭球面第二焦点处，形成一定大小的光斑，进入导光管(3)，经过导光管(3)多次反射并在后出射端形成均匀辐照面，出射光经由短焦距会聚透镜(4)会聚，该短焦距会聚透镜(4)到导光管(3)出射后端面的距离为其焦距值F1，短焦距会聚透镜(4)出射光用大口径长焦距准直透镜(5)准直出射，该长焦距准直透镜(5)到前短焦距会聚透镜(4)的距离为长焦距准直透镜(5)焦距值F2与Fl之和。
2.根据权利要求I所述辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件，其特征在于，所述短焦距会聚透镜(4)和长焦距准直透镜(5)可用两块焦距值不同的透镜组或平板菲涅尔透镜。
3.根据权利要求I所述辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件，其特征在于，所述大口径长焦距准直透镜(5)的焦距F2与短焦距会聚透镜(4)的焦距Fl的比值大小为Π，导光管(3)的出射端面大小为A，导光管(3)的光束入射角为Θ，当准直透镜出射的总光通量为W时，则最终出射辐照面大小为ΠΑ，出射角度为ω= θ / η，辐照度值E=W/ ηΑ。
全文摘要
本发明涉及一种辐照面大小与准直角度可变的太阳模拟器光学器件，球形氙灯光源经过椭球面反光碗反射聚焦后进入导光管，利用两组透镜组合的特定结构，通过改变其中一个透镜的焦距值，或改变两透镜焦距比值，可解决对不同辐照面大小的辐照需求和不同辐照准直度的辐照需求问题。同时，这种双透镜组合的特定结构形式，将辐照面均匀转化为辐照空间体均匀。本发明可用于对不同大小面积的太阳模拟照射、也可用于对准直角度要求较高的太阳模拟器的适用场合。其设计合理，结构简单，具体测量中操作方便，实用性强。
文档编号F21V13/00GK102943995SQ20121050504
公开日2013年2月27日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者李湘宁, 王瑜, 孙惠, 樊露青 申请人:上海理工大学