LED太陽光模擬技術(shù)研究.pdf

1、自然界的太陽光因受到日地距離、大氣層、天氣、時間等因素的影響,太陽光譜和輻照強度存在不可預(yù)測的變化。太陽光模擬器是模擬太陽光輻照特性的試驗與測試設(shè)備,利用太陽光模擬器,可以在實驗室內(nèi)模擬自然太陽光,可獲得穩(wěn)定、可控的模擬太陽光,已廣泛應(yīng)用于航天器的空間環(huán)境模擬試驗、太陽電池的檢測與標(biāo)定、工程材料的老化試驗等領(lǐng)域。
　　 目前,用于模擬太陽光的人工光源主要是與太陽光譜分布較為接近的鹵鎢燈、氙燈等光源,因其發(fā)光原理的制約,存在著光譜

2、匹配精度低、時間穩(wěn)定性差、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、使用壽命短等缺陷。本文基于LED具有光譜全彩、可控性好、穩(wěn)定性強以及光輸出調(diào)節(jié)范圍寬等技術(shù)特色,采用多個不同光譜能量分布的LED組成面陣光源,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)混光合成來模擬太陽光。該方法采用多組程控恒流源驅(qū)動不同的LED組,使得模擬太陽光輸出輻照度穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)快捷;通過調(diào)整個各LED組的驅(qū)動電流,可方便地實現(xiàn)輸出光譜的分布形態(tài),滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用時光譜匹配度的不同要求;使用面陣光源代替氙燈,可

3、大大簡化光學(xué)系統(tǒng),有效降低太陽光模擬器的制造成本。
　　 本文依據(jù)太陽光模擬器光譜匹配度的設(shè)計需求,通過LED光譜數(shù)值分析方法的研究,構(gòu)建了LED驅(qū)動電流與光輸出關(guān)系模型、以及LED太陽光模擬器的驅(qū)動控制模型;對LED太陽光模擬器的驗證裝置進行了性能測評,并利用該裝置、程控電子負(fù)載等測量裝置,進行了太陽電池模型參數(shù)提取實驗。實驗結(jié)果表明了LED作為太陽光模擬器人工光源的技術(shù)可行性。具體內(nèi)容概括如下:
　　 (1)LED光

4、譜數(shù)值分析模型
　　 針對LED發(fā)光機理復(fù)雜,光譜呈現(xiàn)高度的非線性,提出了一種基于T-S模糊模型的LED光譜數(shù)值分析方法:首先,采用一種自適應(yīng)勢函數(shù)聚類算法辨識LED光譜的T-S模糊模型結(jié)構(gòu),并利用遞推最小二乘法辨識模型的結(jié)構(gòu)參數(shù);其次,構(gòu)建了一種基于混沌搜索的粒子群算法(CPSO),用于優(yōu)化LED光譜T-S模型。LED光譜數(shù)值分析實驗結(jié)果表明:所建立的LED光譜模型具有較高擬合精度,光譜模型的光輻照度、峰值波長、半波寬、色溫等

5、反映LED光譜特征的參數(shù)與LED實測光譜曲線相應(yīng)參數(shù)相一致。
　　 (2)LED驅(qū)動電流與光輸出關(guān)系模型
　　 以小功率藍(lán)光LED和大功率暖白LED作為實驗對象,利用LED光譜測試與分析系統(tǒng),基于LED光譜數(shù)值分析方法,獲得了不同驅(qū)動電流下LED光譜T-S模糊模型參數(shù)樣本數(shù)據(jù)集。將該數(shù)據(jù)集作為LED驅(qū)動電流與光輸出關(guān)系模型的建模樣本,采用回歸統(tǒng)計分析方法,建立了LED光譜T-S模糊模型參數(shù)與驅(qū)動電流的關(guān)系模型,并分別采用

6、F檢驗、相關(guān)系數(shù)、殘余標(biāo)準(zhǔn)差進行了回歸分析顯著性檢驗。最后,以實測的LED光譜檢驗樣本對LED驅(qū)動電流與光輸出關(guān)系模型進行了模型測試和校驗,結(jié)果表明:LED驅(qū)動電流與光輸出的關(guān)系模型能估計在不同驅(qū)動電流下的LED光譜的T-S模糊模型參數(shù)。利用估計的模型參數(shù),計算LED光譜,其光譜半波寬、色溫、輻照度LED光學(xué)特征參數(shù)與實測光譜的相應(yīng)參數(shù)具有較高的一致性。
　　 (3)LED太陽光模擬器驅(qū)動控制模型
　　 LED發(fā)出的光是

7、非相干的,因此LED太陽光模擬器的光輸出是多組LED發(fā)光的線性疊加?；贚ED驅(qū)動電流與光輸出的關(guān)系模型,可獲得多LED太陽光模擬器的驅(qū)動控制的模型:反映各組LED的驅(qū)動電流與LED太陽光模擬器光輸出的關(guān)系,為LED恒流驅(qū)動電源提供工作參數(shù)。本文中,基于LED驅(qū)動電流與光輸出關(guān)系模型,設(shè)計了一種能綜合反映太陽光輻照輸出和光譜匹配度的適應(yīng)度函數(shù),采用混沌搜索粒子群算法求解多LED太陽光模擬器的驅(qū)動控制模型參數(shù),以實現(xiàn)LED太陽光模擬器的輻

8、照輸出的調(diào)整與控制。在實際建模過程中,就LED光譜的主要分布區(qū)域、LED輸出功率范圍,現(xiàn)有LED的市場采購情況、以及實驗室現(xiàn)有的儀器設(shè)備等因素,選擇了大功率暖白LED、大功率冷白LED、小功率藍(lán)光LED、小功率紅光LED作為建模實驗對象,建立模擬太陽光的可見光波段光譜,并實現(xiàn)光輻照輸出可調(diào)整控制的LED太陽光模擬器驅(qū)動控制模型。建模實驗結(jié)果表明:多組LED構(gòu)成的面陣光源,在可見光波段,以及在不同輻照度輸出下,滿足了太陽光模擬器光譜匹配度

9、的設(shè)計要求,驗證了多LED光源作為太陽光模擬器人工光源的技術(shù)可行性。
　　 (4)驗證裝置測評及太陽能電池模型參數(shù)提取實驗
　　 簡述了LED太陽光模擬器驗證裝置構(gòu)成及基本工作原理,并對該裝置的太陽光光譜匹配度、輻照度、輻照空間不均勻度、輻照時間不穩(wěn)定度等主要性能參數(shù)進行測試和評價。
　　 提出了一種基于混沌搜索粒子群算法提取太陽能電池模型參數(shù)的方法:利用LED太陽光模擬器驗證裝置、程控電子負(fù)載等測量裝置,獲得太