تحليل تصميم النظام البصري لمحاكاة الطاقة الشمسية LED

يحتاج تصميم النظام البصري لمحاكاة الطاقة الشمسية LED إلى المعالجة “نظام مصدر الضوء – مكثف – التكامل البصري – مرآة موازية”. من خلال التعاون بين مكونات متعددة, فهو يحاكي الإشعاع الشمسي ويوازن الموازاة, التوحيد والمطابقة الطيفية. يستخدم نظام مصدر الضوء عدسة موازية محددة لتقليل زاوية الانحراف إلى حدود 2 درجة ويطابق الطيف وفقًا لـ AM1.5. يستخدم المكثف مرآة مكافئة لتقليل الخسارة, يستخدم التكامل البصري الانعكاس لتوزيع الضوء, وتبعث المرآة الموازية بقعة ضوء متوازية. الاعتماد على المجموعة تقريبًا 20 سنوات من الخبرة في مجال البحث والتطوير في مجال معدات الاختبار المتطورة, حقق Luminbox الخاص بـ Zicuang Measurement and Control تغطية لثلاثة مسارات فنية: قاد, مصابيح الهالوجين, ومصابيح زينون. سيوضح النص التالي تفاصيل تصميم النظام البصري لمحاكاة الطاقة الشمسية LED.
تكوين ومبدأ عمل جهاز محاكاة الطاقة الشمسية LED

1_upscayl_3x_high-fidelity-4x.png
رسم تخطيطي للهيكل البصري لمحاكاة الطاقة الشمسية LED
يتكون جهاز محاكاة الطاقة الشمسية LED بشكل أساسي من مصدر ضوء LED, عدسة موازية ذات زاوية صغيرة, مرآة مكافئة, التكامل البصري وما إلى ذلك. عندما يعمل جهاز محاكاة الطاقة الشمسية LED, يتحول ضوء لامبرت المنبعث من مصدر ضوء LED إلى شعاع ضوء متوازي بعد مروره عبر العدسة المتوازية. يتقارب شعاع الضوء هذا بواسطة المرآة المكافئة ويدخل إلى التكامل البصري, حيث تحدث انعكاسات متعددة. يشكل كل انعكاس مصدر ضوء افتراضي, ويتم تحقيق الضوء الموحد في النهاية من خلال تراكب مصادر ضوء افتراضية متعددة. ثم يخرج شعاع الضوء الموحد بالتوازي من خلال المرآة المكافئة ويشكل سطح إشعاع موحد على سطح الاختبار على مسافة معينة. عند النظر إليها من اتجاه الضوء الساقط, يبدو كما لو أنه قادم من “مسافة لا نهاية لها” من الشمس, وبالتالي محاكاة الإشعاع الشمسي.
تصميم نظام مصدر الضوء

تصميم الضوء المتوازي
منحنى ما بعد التوزيع الموازي لـ 2_upscayl_3x_high-fidelity-4x.png
يتبع الضوء المنبعث من LED توزيعًا لامبرتيًا وله زاوية تباعد كبيرة (نصف الزاوية عادة ما يكون أكبر من 60 درجة), وبالتالي يتطلب التوزيع البصري الثانوي لتحقيق موازاة مسار الضوء. في التصميم, تم اعتماد عدسة موازية ذات زاوية صغيرة تعتمد على نظرية مصادر الضوء السطحية والأشعة الهامشية. مادة العدسة مصنوعة من مادة البولي ميثيل ميثاكريلات مع معامل انكسار يبلغ 1.49, التي لديها نفاذية الضوء العالية وتكلفة المعالجة المنخفضة. من خلال تنظيم انكسار الضوء بواسطة العدسة, زاوية التباعد (نصف زاوية) يمكن تقليل الضوء إلى 2 درجة. يضمن هذا التصميم أن الضوء يسقط بشكل مركّز داخل فتحة المتكامل البصري, تحسين معدل استخدام الطاقة الضوئية بشكل كبير ووضع الأساس لتوزيع الضوء بشكل موحد وموازاة لاحقة.

2. التصميم الطيفي
المطابقة الطيفية هي المؤشر الأساسي لمحاكاة الضوء الطبيعي. يجب أن يعتمد اختيار شرائح LED ودمجها على الطيف الشمسي القياسي AM1.5. يغطي التصميم النطاق الطيفي من 300 نانومتر إلى 1100 نانومتر, ويتم اختيار شرائح LED أحادية النطاق في ثمانية نطاقات رئيسية (300-400نانومتر, 400-500نانومتر, 500-600نانومتر, 600-700نانومتر, 700-800نانومتر, 800-900نانومتر, 900-1000نانومتر, 1000-1100نانومتر) وترتيبها في مجموعة على الركيزة. من خلال التحكم بدقة في تيار القيادة ومخرجات شدة الضوء لرقائق LED الخاصة بكل نطاق, يمكن تحقيق تطابق عالٍ مع طيف AM1.5, تلبية المتطلبات الطيفية لسيناريوهات التطبيق المختلفة.
تصميم عدسة المكثف

3_upscayl_3x_high-fidelity-4x.png
محاكاة تركيز المرآة المكافئة
يعتمد المكثف على مرآة مكافئة, خصائصها البصرية هي كما يلي: أشعة الضوء موازية لمحور التماثل, بعد التفكير, يمكن أن تتقارب جميعها في بؤرة واحدة دون انحراف هندسي, كما أنه يرضي إمكانية عكس المسار البصري (يمكن لأشعة الضوء المنبعثة من التركيز أن تشكل ضوءًا متوازيًا بعد الانعكاس). يجب أن تتوافق معلمات التصميم مع مجموعة العدسات المتوازية لضمان إمكانية تقارب مخرجات الضوء المتوازية بواسطة العدسة المتوازية بكفاءة مع موضع التركيز البؤري, ويتوافق موضع التركيز بدقة مع منفذ الإدخال الخاص بمكون تجانس الضوء اللاحق, التقليل من فقدان الطاقة الضوئية.

تصميم التكامل البصري

كمكون أساسي للضوء الموحد, يقوم التكامل البصري بتحويل الضوء غير المنتظم بعد التقارب إلى شعاع منتظم من خلال الانعكاسات الكلية المتعددة على جدرانه الداخلية. مبدأ الضوء الموحد هو أنه عندما ينعكس الضوء الساقط على الجدار الداخلي لقضيب خلط الضوء, عديد “مصادر الضوء الافتراضية” تتشكل, ويتم تحقيق توحيد الضوء المنبعث في النهاية من خلال تراكب مصادر ضوء افتراضية متعددة. في التصميم, ثلاث معلمات تحتاج إلى النظر فيها: أولاً, الشكل المقطعي, يمكن للمقطع العرضي المربع أو السداسي المنتظم أن يحقق تجانسًا أعلى للإضاءة; ثانية, الطول, وقت طويل جدًا سيؤدي إلى زيادة فقدان الطاقة الضوئية, والقصير جدًا سيؤدي إلى عدم كفاية الضوء الموحد; ثالث, التوزيع المكاني والزاوي للضوء الساقط.
تصميم عاكس الموازاة

على الرغم من أن الضوء بعد تجانسه بواسطة المتكامل البصري يتمتع بتوحيد ممتاز, فهو يحتاج إلى المرور عبر مرآة موازية لتحقيق مخرجات متوازية لبقعة ضوئية كبيرة الحجم. على الرغم من أن نظام التصوير الخاص بمحاكي الطاقة الشمسية لا يهدف إلى تحسين جودة التصوير, ستؤدي الانحرافات الكبيرة إلى تقليل معدل استخدام الطاقة الضوئية لسطح التشعيع لنظام المحاكاة الشمسية. لذلك, في التصميم, يمكن استخدام مرآة مكافئة للموازاة. تم فتح الجزء العلوي من المرآة المكافئة, ويتم وضع منفذ الإخراج الخاص بالمتكامل البصري في بؤرة المرآة المكافئة.
في ملخص, إن تصميم النظام البصري لمحاكي الطاقة الشمسية LED هو مشروع هندسي يتطلب تنسيقًا دقيقًا بين جميع المكونات الأساسية: يعمل نظام مصدر الضوء على تقليل زاوية الاختلاف من خلال عدسة موازية, وتتطابق الرقائق متعددة النطاقات مع طيف AM1.5. تقوم عدسة المكثف بتوصيل التركيز لتقليل فقدان الطاقة الضوئية. يضمن المتكامل البصري توزيعًا موحدًا للضوء مع معلمات معقولة. يحقق العاكس المتوازي في النهاية مخرجًا لبقعة ضوء متوازية كبيرة الحجم. كل رابط يلتزم بشكل وثيق بهدف “نقل الضوء بكفاءة ومحاكاة دقيقة”, توفير الدعم بالمعدات للبحث التجريبي والابتكار التكنولوجي في المجالات ذات الصلة.

وحدة Heyi ذات المساحة الكبيرة LED لمحاكاة الطاقة الشمسية PCB

يحقق جهاز محاكاة الطاقة الشمسية LED ذو المساحة الكبيرة وكامل الطيف Heyi من شركة Heyi للقياس والتحكم اختراقًا ثلاثيًا في التشعيع الموحد, طيف دقيق وتشغيل مستقر مع أداء شامل A+AA+. لقد حصل على شهادة موثوقة ويوفر حل إضاءة كامل الطيف موثوق به للغاية وموحد لاختبار المواد, تعزيز تقدم اختبار نشاط التحفيز الضوئي نحو دقة أعلى وقابلية تكرار.