一、项目概述

科迎法针对光伏板（PV）性能测试需求，设计一套基于全光谱LED光源的太阳光模拟器系统。系统可模拟AM1.5G太阳光谱，在100x100cm的有效测试面积上提供15-1000 W/m2可调辐照度，并支持入射角15度步进调节以模拟日间光照变化，同时具备温度控制功能，可评估光伏板在不同光照角度、不同辐照强度和不同温度条件下的发电性能。

1.1设计输入

1.2设计标准

IEC 61215地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型

IEC 61646地面用薄膜光伏组件设计鉴定和定型

IEC 60904-9太阳光模拟器性能要求（光谱匹配度、辐照度均匀性、时间稳定性）

ASTM E927太阳光模拟器标准规范

二、光源系统设计

2.1光源选型与排布

系统采用6块全光谱LED灯板，以2行3列方式排布，覆盖100x100cm的测试面积。每块灯板尺寸约500x340mm，灯板间留有5mm间隙用于散热和安装。灯板采用多波段LED芯片组合方案，涵盖紫外（300-400nm）、可见光（400-700nm）和近红外（700-1200nm）全波段，光谱匹配度满足IEC 60904-9 A级要求。

图1 光源排布示意图（俯视+侧视）

2.2全光谱LED光谱特性

全光谱LED灯板通过365nm紫外LED、450nm蓝光LED、530nm绿光LED、630/660nm红光LED、730/850/940nm近红外LED的多芯片组合，合成连续光谱输出。各波段LED独立驱动，可通过上位机软件调节各波段功率配比，实现光谱微调和辐照度控制。

图2 全光谱LED与AM1.5G太阳光谱匹配

光谱匹配度按IEC 60904-9标准六个波段评估：300-400nm、400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-900nm、900-1100nm。通过优化各波段LED数量配比和驱动电流，各波段光谱匹配度偏差控制在0.75-1.25范围内，达到A级标准。

2.3 LED驱动与辐照度调节

6块LED灯板由统一的恒流驱动电源供电，总电功率约3000W（满功率输出时）。驱动电源支持0-100%功率连续调节，通过PWM调光方式实现辐照度15-1000 W/m2范围内无级可调。每块灯板配置独立的温度传感器，当灯板温度超过70度时自动降功率保护。

2.4辐照度均匀性设计

LED灯板采用密集排布和多芯片混光设计，配合30cm工作距离，在100x100cm测试面上实现高均匀度照明。灯板边缘LED芯片数量略增（边缘补偿），抵消边缘辐照度衰减。出厂前采用9点法测量均匀性，保证不均匀度<=2%（A级标准要求<=5%）。

图3 辐照均匀性9点法测量示意

9点法测量数据示例（设定辐照度1000 W/m2）显示值1003 W/m2，最小值975 W/m2，不均匀度1.4%，远优于IEC 60904-9 A级标准要求的5%。

三、入射角调节系统设计

3.1设计原理

入射角定义为光源与光伏板法线之间的夹角。当夹角为0度时，光线垂直入射光伏板表面，对应正午太阳直射；当夹角增大时，模拟太阳从正午到日出/日落的变化。系统采用光伏板旋转方案：光伏板安装于伺服驱动旋转台上，通过步进电机驱动光伏板绕水平轴旋转，实现15-90度范围内15度步进的角度调节。光源阵列固定不动，始终保持向下照射。

图4 入射角调节示意图（90度/45度/15度三个典型位置）

3.2旋转机构设计

旋转机构采用精密行星齿轮减速步进电机驱动，配以高刚度回转支承轴承。电机通过联轴器连接旋转轴，旋转轴两端安装于轴承座上，轴承座固定于承重基座。光伏板安装在旋转轴上方的安装平台上，安装平台可适配不同尺寸的光伏板。

3.3日间光照模拟

上位机软件内置日间光照模拟程序，可设置测试时间段（如6:00-18:00），软件根据时间自动计算对应的太阳高度角，并控制旋转台调节光伏板角度。同时根据角度变化自动调整LED辐照度（考虑大气衰减效应），模拟真实的日间辐照变化曲线。每个角度位置停留时间和辐照度均可自定义。

四、温度控制系统设计

光伏板的发电效率与温度密切相关，晶体硅光伏板温度每升高1度，输出功率下降约0.4%。因此，温度控制是光伏板性能测试中的关键环节。本系统采用半导体（TEC）温控方案，在光伏板背面施加精确的温度控制。

图5 温度控制系统示意图

4.1温控平台设计

温控平台安装于旋转台上方、光伏板下方，由半导体TEC模块阵列、散热翅片和水冷板组成。TEC模块通过帕尔帖效应实现加热和制冷双向控温：正向通电时制冷（冷却光伏板），反向通电时加热（升温光伏板）。TEC背面紧贴水冷散热板，通过循环水冷机带走TEC热量。

4.2温度监测

光伏板背面四角各安装1只PT100铂电阻温度传感器（精度正负0.1度），实时监测光伏板表面温度分布。TEC温控仪采集4路温度信号，以平均值为控制目标，通过PID算法调节TEC模块的电流方向和大小，实现精确控温。当任一传感器温度超过设定阈值正负5度时触发报警。

五、机械结构设计

图6 设备整体机械结构示意图

5.1整体结构

设备采用立式框架结构，主体由铝型材框架搭建，外形尺寸（宽x深x高）约1200x1200x1800mm。结构分为三层：上层为LED光源舱（含LED灯板和散热系统），中层为测试区（含旋转台、温控平台和光伏板），下层为电气控制柜（含驱动器、PLC、温控仪等）。

5.2光源舱

光源舱位于设备顶部，内部安装6块LED灯板和配套散热风扇。灯板安装面板采用铝合金板材（厚度5mm），表面黑色阳极氧化处理。灯板下方设有保护玻璃（高透石英玻璃，300-1100nm透过率>92%），防止测试过程中意外碰撞损坏LED灯板。光源舱侧面开设通风百叶窗，配合散热风扇排出LED热量。

5.3旋转台与温控平台

旋转台采用高刚度回转支承结构，承载光伏板和温控平台的合计重量（约25kg）。旋转轴水平布置，光伏板可绕水平轴在15-90度范围内旋转。温控平台紧贴光伏板背面，随光伏板一同旋转。旋转台的电缆和冷却水管通过滑环和旋转接头引出，避免旋转过程中管线缠绕。

5.4承重基座

基座采用80x80mm铝型材搭建框架，上覆10mm铝合金面板。基座内部安装电气控制柜、水冷机和排风系统。基座底部安装4个ф100mm万向轮（含刹车）和4个M16可调地脚，便于设备移动和调平。

六、电气控制系统设计

图7 系统总体架构框图

6.1供电系统

设备总供电为AC 220V单相（电流约25A）或AC 380V三相（电流约10A/相），总功率约5kW。进线配置63A断路器+漏电保护器（30mA/0.1s）。LED驱动电源为独立回路（约3000W），温控系统为独立回路（约2000W），控制系统为独立回路（约200W），各回路独立保护。

6.2控制器选型

采用工业PC+PLC分布式控制架构。工业PC（研祥或同等品牌）运行上位机测试软件，负责人机交互、数据采集和测试流程管理。西门子S7-1200 PLC负责底层设备控制，包括LED驱动、旋转台伺服、温控仪通信和传感器采集。PC与PLC之间通过以太网通信。

6.3安全设计

设备设置多重安全保护：急停按钮（3处，操作面板2处+设备侧面1处），按下即切断全部动力电源。光源舱门联锁开关，打开时光源自动关闭。旋转台限位开关，防止超行程运动。过温保护（TEC温度>90度切断电源）。漏电保护（30mA动作）。设备外壳可靠接地，接地电阻<0.1欧姆。

七、软件系统设计

7.1软件架构

上位机软件基于LabVIEW或Python开发，采用模块化架构，包含参数设置模块、设备控制模块、数据采集模块、测试流程模块和报告生成模块。软件界面支持中文显示，操作逻辑简洁直观。

7.2核心功能

7.3日间模拟测试流程

典型日间模拟测试流程：操作员在软件中设置测试日期、地理位置（经纬度）和测试模式->软件自动计算全天太阳轨迹和辐照度曲线->点击启动后，系统自动按时间序列调节角度（15度步进）和辐照度->每个角度位置到达后自动进行IV曲线测试->全天测试完成后自动生成日间发电性能报告。整个过程无需人工干预。

——方案设计书结束——

原创作者：上海科迎法电气科技有限公司