太阳能模拟器的概念与常见问题FAQ

太阳能模拟器的概念与常见问题FAQ

太阳能模拟器是一种在实验室环境中提供稳定、可控光源的设备，其光谱分布和强度与自然太阳光具有可量化的相似性。这种设备在多个领域都有广泛应用，包括生物技术、农业、环境工程、建筑、材料科学和能源科学等。本文将详细介绍太阳能模拟器的概念、太阳光谱的组成、空气质量（AM）的定义及其对太阳光谱的影响，以及不同光谱标准的区别。

太阳能模拟器概述

什么是太阳能模拟器？What is a Solar Simulator? Sciencetech太阳能模拟器是一种光源，它与自然太阳光在光谱分布和强度方面具有可量化的相似性，也可称为人造太阳或太阳光模拟器。Sciencetech进口太阳光模拟器的目的是在实验室环境中提供稳定、可控的光源，可用于测试任何对光敏感的材料或工艺，还与广泛领域的许多不同应用有关（见表1），常见的三个相似领域是：光谱匹配、空间不均匀性和时间不稳定性。

表1.按领域选择的太阳能模拟器应用。

太阳光谱的组成

太阳发出的电磁辐射中有一部分是可见光，太阳辐射的光谱类似于一个约5,800K的黑体，红外线、可见光和紫外线光谱包含99.9%的能量。

按照波长递增的顺序，太阳光谱被分为五个区域：

• UVC（紫外C）：紫外的波长范围在100nm到280nm之间，这种辐射之所以被称为紫外线，是因为它的频率高于紫光（因此人眼也看不见）。由于被大气吸收，到达地球表面的能量很少。在杀菌灯中，这种辐射光谱具有杀菌能力。

• UVB（紫外B）：UVB的波长范围在280到315nm之间。与紫外C一样，也会被地球大气层大量吸收，并参与形成臭氧层的光化学过程。

• UVA（紫外A）：UVA的波长范围在315到400nm之间。这一波段用于治疗牛皮癣的PUVA疗法和美容性人工日光浴（日光浴亭和日光浴床），因为它对DNA的伤害较小。

• 可见光：可见光波段从400到 760nm，这个范围是肉眼可见的，是太阳总辐照度光谱中重要的部分。

• 红外：红外线辐射的波长范围为700nm到1mm，这一波长范围是到达地球的电磁辐射的重要组成部分。科学家根据波长将红外线范围分为三种类型：

• 红外A：760nm至1400nm

• 红外B：1400nm至3000nm

• 红外C：3000nm至1mm

如图1所示，太阳光谱也会因时间、大气厚度和云层厚度等因素而变化，天空的散射和周围环境的反射也会产生大量漫射光。

图1：无大气吸收和大气吸收气体影响后的太阳光谱(240nm-2.5um)。水(H2O)、O2、O3和CO2有显著的吸收作用。

空气质量（AM）的定义

气团是指地球大气层对地球表面接收到的太阳光的影响程度。大气层以不同的效率衰减不同波长的光线，因此当光线穿过厚度不断增加的大气层时，光谱的形状会逐渐发生变化（见图2），目标上的总辐照度也会降低。

图2：太阳光穿过不同厚度的大气层，取决于地球表面的入射角度。

在一天中的不同时间和不同纬度，相对于地球上的观察者而言，太阳的仰角会发生变化，光线穿过的大气层厚度也会发生变化。

空气质量（AM）公式：AM=1/cos(θ) θ 是太阳与地面的夹角。

一些通过一定厚度的大气层接收到的光谱已经标准化，以便于参考：

• AM0：在地球大气层外的太空光谱被称为"AM0"，意为"零大气层"，有时也被称为"地外标准"，用于太空应用的太阳能电池，如卫星或航天器上使用的太阳能电池，通常使用AM0光谱匹配进行表征。

• AM1.0：在海平面上，以尽可能短的距离直接穿过地球大气层后的光谱被定义为"AM1.0"，意为"一个大气层"。

• AM1.5：在海平面上，穿过1.5倍可能最小厚度的大气层后的光谱，这相当于太阳天顶角θ=48.2°。AM1.5下的日光照度为109,870lux（相当于1000.4W/m2）。

表2. ASTM E927-19中三种标准光谱的所有区间辐照度之比

图3：标准化太阳光谱显示AM0、AM1.5G和AM1.5D气团的辐照度（单位：W/m2/nm）和波长（单位：nm）。数据来自SMARTS。

AM0太阳模拟器

AM0模拟器是一种太阳光模拟器，旨在使其光谱特性和总辐照度与AM0光谱相匹配。这对于评估用于空间应用的光敏材料至关重要，因为在空间应用中，最大限度地提高重量效率是一个关键问题。

AM0光谱匹配（见上图3）与陆地（AM1.5等）光谱匹配明显不同，含有更多比例的紫外和红外辐射。总辐照度也更高，为1367W/m2。

准直度是衡量太阳模拟器发出的光的平行程度的标准（请参阅下文有关准直度的更多信息）。太阳的准直度约为全角0.5度。虽然太阳能模拟器相关标准中没有规定光源的准直度，但许多空间应用可能对入射光的入射角高度敏感，需要模拟反射光或漫射光很少的情况，使用准直光源进行测试可能会使这些应用受益。

AM1.5D和AM1.5G光谱

到达地球表面的太阳辐射会受到大气层和地球及其周围环境的影响。如图4所示，辐射到达地球表面时可能是直接辐射，也可能是漫射辐射：

• 直接辐射：从太阳直接到达地球表面而不改变方向的辐射。

• 漫射：辐射在到达目标之前，已经被大气中的气体、颗粒等散射，改变了方向。

• 全局辐射：在目标平面上同时考虑直接辐射和漫射辐射。

图4：直接辐射和漫射辐射。漫射辐射可通过与蒸汽、空气中的颗粒等相互作用而产生。

全局辐射是目标接收到的直接辐射和漫射辐射的组合。

直接辐射和漫射辐射对目标的影响用AM1.5D和AM1.5G表示：

• AM1.5D：当太阳光无阻碍地穿过1.5倍最小大气厚度时到达目标平面的直接辐射。

• AM1.5G：到达目标平面的直接辐射和漫射辐射，包括从太阳无阻碍通过的辐射，以及周围环境中气体、颗粒、表面等漫射或反射的辐射。

直接辐射和漫射辐射之间的关系为：Global=Direct*cos(θ)+Diffuse

AM1.5G和AM1.5D的辐照度

辐照度使用SMARTS 2.9.2计算，使用的是IEC 60904-3-2019国际标准中选择的输入值。三种参考光谱的辐照度值定义如下（见表3）：

表3.三种参考光谱的辐照度值

在光伏和太阳能电池电流-电压测试中，AM1.5G是标准太阳光谱，也是最常用的光谱。

在聚光光伏设备中，太阳能电池通常只能感应和转换太阳辐射的直接成分。因此，AM1.5D光谱是该行业的标准光谱，也是常用的光谱。

太阳强度和太阳常数

太阳常数是测量地球大气层顶部单位面积太阳总辐照量平均值的通量密度。这是在垂直于射线的表面上测量的，并且是在与太阳保持恒定距离（1AU）的情况下测量的。

整个地球接收到的功率为1.74×1017W，相当于其总横截面积127,400,000 km2。

由于太阳黑子等太阳活动，太阳常数并非物理常数；其变化范围约为每年1%，但为了保持一致，AM0采用了一个静态值。太阳常数的模拟值为1367W/m2，也称为AM0条件下的单日辐照度（见图5）。

图5：太阳常数等于进入大气层时的太阳辐照度（也称为AM0强度），公认值为1367W/m2。

"太阳"一词用于表示太阳辐照度值，参照特定光谱的公认辐照度标准，非常方便。一个太阳的辐照度是太阳在目标表面（如AM1.5的地球表面）的辐照度。如果太阳模拟器在目标上产生的辐照度是标准的某个倍数，则称为多"太阳"太阳模拟器，例如AM1.5G的辐照度为1000W/m2。辐照度为2500W/m2的太阳模拟器称为"2.5个太阳"太阳模拟器（2500/1000=2.5）。