LED太陽(yáng)光模擬技術(shù)研究.pdf

1、自然界的太陽(yáng)光因受到日地距離、大氣層、天氣、時(shí)間等因素的影響,太陽(yáng)光譜和輻照強(qiáng)度存在不可預(yù)測(cè)的變化。太陽(yáng)光模擬器是模擬太陽(yáng)光輻照特性的試驗(yàn)與測(cè)試設(shè)備,利用太陽(yáng)光模擬器,可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬自然太陽(yáng)光,可獲得穩(wěn)定、可控的模擬太陽(yáng)光,已廣泛應(yīng)用于航天器的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)、太陽(yáng)電池的檢測(cè)與標(biāo)定、工程材料的老化試驗(yàn)等領(lǐng)域。
　　 目前,用于模擬太陽(yáng)光的人工光源主要是與太陽(yáng)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(shí)間穩(wěn)定性差、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)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(qiáng)以及光輸出調(diào)節(jié)范圍寬等技術(shù)特色,采用多個(gè)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(lái)模擬太陽(yáng)光。該方法采用多組程控恒流源驅(qū)動(dòng)不同的LED組,使得模擬太陽(yáng)光輸出輻照度穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)快捷;通過(guò)調(diào)整個(gè)各LED組的驅(qū)動(dòng)電流,可方便地實(shí)現(xiàn)輸出光譜的分布形態(tài),滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)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(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng),有效降低太陽(yáng)光模擬器的制造成本。
　　 本文依據(jù)太陽(yáng)光模擬器光譜匹配度的設(shè)計(jì)需求,通過(guò)LED光譜數(shù)值分析方法的研究,構(gòu)建了LED驅(qū)動(dòng)電流與光輸出關(guān)系模型、以及LED太陽(yáng)光模擬器的驅(qū)動(dòng)控制模型;對(duì)LED太陽(yáng)光模擬器的驗(yàn)證裝置進(jìn)行了性能測(cè)評(píng),并利用該裝置、程控電子負(fù)載等測(cè)量裝置,進(jìn)行了太陽(yáng)電池模型參數(shù)提取實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了LED作為太陽(yáng)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(duì)LED發(fā)光機(jī)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(shì)函數(shù)聚類(lèi)算法辨識(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)、半波寬、色溫等

5、反映LED光譜特征的參數(shù)與LED實(shí)測(cè)光譜曲線相應(yīng)參數(shù)相一致。
　　 (2)LED驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)對(duì)象,利用LED光譜測(cè)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(dòng)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L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電流與光輸出關(guān)系模型的建模樣本,采用回歸統(tǒng)計(jì)分析方法,建立了LED光譜T-S模糊模型參數(shù)與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系模型,并分別采用

6、F檢驗(yàn)、相關(guān)系數(shù)、殘余標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了回歸分析顯著性檢驗(yàn)。最后,以實(shí)測(cè)的LED光譜檢驗(yàn)樣本對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流與光輸出關(guān)系模型進(jìn)行了模型測(cè)試和校驗(yàn),結(jié)果表明:LED驅(qū)動(dòng)電流與光輸出的關(guān)系模型能估計(jì)在不同驅(qū)動(dòng)電流下的LED光譜的T-S模糊模型參數(shù)。利用估計(jì)的模型參數(shù),計(jì)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(shí)測(cè)光譜的相應(yīng)參數(shù)具有較高的一致性。
　　 (3)LED太陽(yáng)光模擬器驅(qū)動(dòng)控制模型
　　 LED發(fā)出的光是

7、非相干的,因此LED太陽(yáng)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(dòng)電流與光輸出的關(guān)系模型,可獲得多LED太陽(yáng)光模擬器的驅(qū)動(dòng)控制的模型:反映各組LED的驅(qū)動(dòng)電流與LED太陽(yáng)光模擬器光輸出的關(guān)系,為L(zhǎng)ED恒流驅(qū)動(dòng)電源提供工作參數(shù)。本文中,基于LED驅(qū)動(dòng)電流與光輸出關(guān)系模型,設(shè)計(jì)了一種能綜合反映太陽(yáng)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(yáng)光模擬器的驅(qū)動(dòng)控制模型參數(shù),以實(shí)現(xiàn)LED太陽(yáng)光模擬器的輻

8、照輸出的調(diào)整與控制。在實(shí)際建模過(guò)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(chǎng)采購(gòu)情況、以及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象,建立模擬太陽(yáng)光的可見(jiàn)光波段光譜,并實(shí)現(xiàn)光輻照輸出可調(diào)整控制的LED太陽(yáng)光模擬器驅(qū)動(dòng)控制模型。建模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:多組LED構(gòu)成的面陣光源,在可見(jiàn)光波段,以及在不同輻照度輸出下,滿足了太陽(yáng)光模擬器光譜匹配度

9、的設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了多LED光源作為太陽(yáng)光模擬器人工光源的技術(shù)可行性。
　　 (4)驗(yàn)證裝置測(cè)評(píng)及太陽(yáng)能電池模型參數(shù)提取實(shí)驗(yàn)
　　 簡(jiǎn)述了LED太陽(yáng)光模擬器驗(yàn)證裝置構(gòu)成及基本工作原理,并對(duì)該裝置的太陽(yáng)光光譜匹配度、輻照度、輻照空間不均勻度、輻照時(shí)間不穩(wěn)定度等主要性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。
　　 提出了一種基于混沌搜索粒子群算法提取太陽(yáng)能電池模型參數(shù)的方法:利用LED太陽(yáng)光模擬器驗(yàn)證裝置、程控電子負(fù)載等測(cè)量裝置,獲得太