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太阳模拟器的光学设计与应用研究

作　者: 万松
导　师: 徐林
学　校: 上海交通大学
专　业: 光学工程
关键词: 太阳模拟器辐射光谱双光源稳态太阳模拟器 CPV太阳模拟器 LED太阳模拟器串联电阻改进斜率法
分类号: O439
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

太阳能模拟器是一种用灯光源来模拟太阳辐射的装置。本文通过对不同太阳模拟器的光源特性分析,设计并实现了一种双光源稳态太阳模拟器,并对两种特殊太阳模拟器进行了初步光学分析。最后,以脉冲太阳模拟器为基础,对太阳电池串联电阻测试进行了研究。本文主要内容可分为四部分:①不同光源对太阳能模拟器设计的影响,包括第二章;②用于光老练和热斑测试的双光源稳态太阳能模拟器,包括第三章;③两种特殊模拟器的初步光学设计,包括第四章;④太阳电池串联电阻及其提取算法的研究,包括第五章。在第一部分,我们首先阐述并总结了目前不同光源太阳模拟器的特点,对这些光源的放电特性、发光光谱、管壁和反射材料进行总结,重点研究了不同光源的发光光谱及其对太阳能模拟器设计的影响。在第二部分,根据薄膜电池老练和光伏电池热斑实验的要求,通过对两种光源的发光光谱研究,提出了一种长弧稳态氙灯与金卤灯相结合的大面积稳态太阳模拟器。它在1.2m×2m有效辐照面上,实现了:光强在600-1000W/m~2范围内可调,光谱匹配度达到C级,光均匀性达到B级(±5%),光不稳定性达到A级(±2%)的性能要求。在第三部分,研究了两种特殊的太阳模拟器。①HCPV(高倍聚光电池)组件用太阳模拟器:通过Tracepro仿真,研究了HCPV组件输出特性与太阳入射角的关系,得出HCPV模拟器在光线准直性方面的特殊要求;通过仿真,得出点光源相较于线光源更适于准直模拟器设计结论;通过仿真对比,得出椭圆聚光反射镜比球面反射镜有更高的能量利用率结论。②LED太阳模拟器:通过多峰高斯函数拟合,研究LED模拟器的光谱匹配;通过朗伯光源的辐照特性,研究了LED太阳模拟器的辐照均匀性。在第四部分,我们主要研究了:在当前商用高效电池串联电阻普遍小于10mOhm(毫欧)情况下,如何快速、准确的测量太阳电池的串联电阻。本文提出了一种改进的开路电压点斜率法(简称:斜率法)的串联电阻提取算法,利用Lambert W函数显化太阳电池的电流电压关系的方式,将它和其他三种方法下得到的串联电阻值进行了比较。通过实验的方式,我们验证了模拟分析的结果,给出了一定的理论解释,并指出了当前太阳模拟器测试结果偏大的原因。通过分析,我们得出结论:在这四种方法中,改进斜率法具有测试方便、结果可靠、不重复度小等特点。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第一章太阳模拟技术发展进展  8-16
  1.1 光伏技术的发展及产业前景  8-10
  1.2 太阳模拟器及其发展状况  10-15
    1.2.1 太阳模拟器的用途与简介  10-12
    1.2.2 太阳模拟器的分类及其使用场景  12-14
    1.2.3 太阳模拟器的生产现状  14-15
  1.3 本文研究的内容与创新之处  15-16
第二章太阳模拟器的光源  16-32
  2.1 太阳模拟器光源种类  16-17
  2.2 气体放电灯  17-28
    2.2.1 气体放电灯的伏安特性  17-18
    2.2.2 气体放电灯的辐射光谱特性  18-20
    2.2.3 金卤灯  20-24
    2.2.4 氙灯  24-28
  2.3 固体光源  28-30
    2.3.1 溴钨灯  28-29
    2.3.2 LED 光源  29-30
  2.4 太阳模拟器光源的选择  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章双光源稳态太阳模拟器设计  32-41
  3.1 引言  32-33
  3.2 光谱分析  33-34
    3.2.1 单个光源的光谱  33-34
    3.2.2 双光源合成后的光谱  34
  3.3 辐照均匀性设计  34-37
    3.3.1 氙灯的均匀性设计  35-36
    3.3.2 金卤灯均匀性设计  36-37
  3.4 辐照稳定性设计  37
  3.5 模拟器的实物及光学测试结果  37-40
    3.5.1 稳态太阳模拟器实物及结构  37-38
    3.5.2 光谱测试  38
    3.5.3 辐照均匀性测试  38-39
    3.5.4 辐照稳定性测试  39-40
  3.6 本章小结  40-41
第四章新型太阳模拟器设计  41-56
  4.1 HCPV 组件室内测试用太阳模拟器设计  41-47
    4.1.1 聚光系统及其光学特性  41-42
    4.1.2 HCPV 组件定额及其对太阳模拟器的要求  42-44
    4.1.3 光线准直性仿真设计  44-47
  4.2 LED 模拟器  47-54
    4.2.1 LED 太阳模拟器优势及研究进展  47-49
    4.2.2 本文提出的LED 太阳模拟器及其设计思路  49-50
    4.2.3 LED 太阳模拟器布局及均匀性设计  50-54
    4.2.4 LED 太阳模拟器实现  54
  4.3 本章小结  54-56
第五章基于脉冲太阳模拟器的太阳电池串联电阻研究  56-65
  5.1 引言  56
  5.2 太阳电池串联电阻及其对太阳电池性能的影响  56-59
    5.2.1 太阳电池等效电路模型  56-57
    5.2.2 基于Lambert’s W 函数的太阳电池串联电阻分析  57-59
  5.3 串联电阻的提取方法  59-61
    5.3.1 改进开路电压点斜率法（简称斜率法）  59
    5.3.2 面积法  59-60
    5.3.3 最大功率点法  60
    5.3.4 双光强法  60
    5.3.5 各方法的仿真对比  60-61
  5.4 各方法的实验对比  61-64
    5.4.1 实验过程  61-62
    5.4.2 实验结果及分析  62-64
  5.5 本章小结  64-65
第六章全文总结及展望  65-68
  6.1 本文的主要结论  65
  6.2 太阳模拟器的发展方向  65-68
参考文献  68-74
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  74-75
致谢  75-77

太阳模拟器的光学设计与应用研究

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