【摘要】：太陽光是生活中最常見的光源,也是最清潔的能源,但是太陽光會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化,模擬出穩(wěn)定可靠的太陽光在很多行業(yè)領(lǐng)域有重要的價(jià)值,太陽光模擬器就是用于模擬太陽光的標(biāo)準(zhǔn)光源。太陽能電池測(cè)試是常見的教學(xué)實(shí)驗(yàn),太陽能電池測(cè)試需要太陽光模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)光源。傳統(tǒng)的太陽光模擬器采用氙燈作為光源,氙燈由于需要20kV的高壓?jiǎn)?dòng),具有一定的危險(xiǎn)性,不利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用,因而研制一種適用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的太陽光模擬器具十分重要的意義。本文主要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的LED太陽光模擬器。LED光源光譜全彩,通過多種LED組合可以很好的匹配太陽光光譜,而且工作電壓低,使用壽命長(zhǎng),亮度易于控制,安全性高,十分適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)合下使用。論文從仿真到設(shè)計(jì)再到軟硬件實(shí)現(xiàn),詳細(xì)闡述了LED太陽光模擬器的制作過程。仿真部分基于遺傳算法搜索出了最優(yōu)的光譜匹配結(jié)果,然后利用這個(gè)結(jié)果產(chǎn)生數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光譜匹配算法。硬件部分主要包括LED太陽光模擬器的設(shè)計(jì)、LED太陽光模擬器的驅(qū)動(dòng)電源即多通道可調(diào)節(jié)低壓恒流電源的電路設(shè)計(jì)以及加工實(shí)現(xiàn),軟件部分主要包括基于stm32平臺(tái)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和基于Qt的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。最后對(duì)LED太陽光模擬器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試,并且應(yīng)用到太陽能電池測(cè)試系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的LED太陽光模擬器實(shí)現(xiàn)了A級(jí)的光譜匹配,基本能夠滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要,但仍有改進(jìn)的空間,在論文最后給出了自己的改進(jìn)思路。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM914.4;TN312.8
【圖文】：

發(fā)光強(qiáng)度也比較高，但也存在以下問題：一是與太陽光光譜匹配度低，如圖1-2 所示，是鹵素?zé)舻墓庾V圖，可以看出鹵鎢燈發(fā)出的光線大部分是紅外光，紅外波段能量遠(yuǎn)大于太陽光，缺少藍(lán)紫光，可見光波段能量占比也很少；二是亮度調(diào)節(jié)范圍較窄，鹵鎢燈可以調(diào)光，但是調(diào)光范圍十分有限，因?yàn)辂u鎢燈是通過發(fā)熱來發(fā)光，必須保證燈絲足夠高的溫度，因?yàn)闇囟冗^低時(shí)，不僅僅會(huì)使得色溫更低，還可能終止鹵鎢循環(huán)，影響燈泡正常工作；三是慮光系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，需設(shè)計(jì)慮光系統(tǒng)，過濾掉能量過多的紅外輻射光線；四是穩(wěn)定性差，鹵鎢循環(huán)過程中，一些鹵化鎢會(huì)附著在燈泡內(nèi)壁導(dǎo)致鹵鎢燈泡發(fā)黑，影響鹵鎢燈的光輸出；五是使用壽命短，鹵鎢燈的失效原因和白熾燈類似，主要是燈絲蒸發(fā)后逐漸變細(xì)，時(shí)間長(zhǎng)后可能會(huì)熔斷，雖然鹵鎢燈的壽命相較白熾燈有所提高，但是相較 LED 等其他光源，壽命仍然偏低；六是發(fā)光效率低，與白熾燈類似大部分

形成放電通道，產(chǎn)生電弧光，然后在較低的工作電壓下保持穩(wěn)定的弧光放電。氙燈光譜圖如下圖1-3 所示，紅線是氙燈發(fā)光的光譜，黃線是標(biāo)準(zhǔn)太陽光光譜，可以看出，氙燈發(fā)光的光譜與標(biāo)準(zhǔn)太陽光十分近似，只是在部分波長(zhǎng)有很高的尖峰。圖 1-3 氙燈光譜圖利用氙燈作為太陽光模擬器的光源存在的主要優(yōu)點(diǎn)如下：一是光譜匹配度高，氙燈的色溫在 6000K 左右，與太陽光十分近似，從上圖 1-3 中可以看出，氙燈光譜與am1.5g 標(biāo)準(zhǔn)太陽光光譜十分近似，光譜匹配度很高；二是氙燈的光響應(yīng)速度快，氙燈是通過瞬間產(chǎn)生的 20kV 高壓脈沖將氙氣電離形成發(fā)光的電弧，不需要預(yù)熱就能達(dá)到穩(wěn)定的光輸出；三是氙燈的發(fā)光亮度十分高，具有很高的發(fā)光效率，十分適合制作大面積的太陽光模擬器。利用氙燈制作太陽光模擬器也有一些缺陷：一是氙燈需要高達(dá) 20kV的電壓來啟動(dòng)，具有一定的危險(xiǎn)性，不適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)合使用；二是穩(wěn)定性較差，氙燈需要 20kV 的高壓來啟動(dòng)

2 LED 與太陽光光譜匹配仿真單個(gè) LED 的發(fā)光光譜與太陽光光譜差別較大，單色 LED 的光譜為一個(gè)單峰，而通常的白光 LED 其發(fā)光原理為藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉而組合成白光，白光 LED 的光譜與 am1.5g 標(biāo)準(zhǔn)太陽光依然差別很大。為了盡可能好地讓 LED 陣列的光譜與太陽光光譜形成匹配，本章設(shè)計(jì)了算法對(duì) LED 與太陽光光譜匹配進(jìn)行了仿真分析。2.1 LED 光源的光線追跡原理光線追蹤是幾何光學(xué)常用的技術(shù)手段之一，它是跟蹤光線從光源出發(fā)，通過介質(zhì)，最終照射到物體表面的一種研究方法。為了分析 LED 陣列光譜與 am1.5g 標(biāo)準(zhǔn)太陽光的匹配，需要對(duì) LED 光照射到測(cè)試面的光譜進(jìn)行計(jì)算，多種 LED 光在測(cè)試面組合，形成最終的 LED 陣列的組合光譜。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

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本文編號(hào)：2802586