LED-卤素混合光源在太阳能模拟器中的应用与性能评估

 

光热材料在界面太阳能蒸汽生成、海水淡化等领域的应用需长期稳定性测试，这对太阳能模拟器的光谱匹配、空间均匀性和时间稳定性提出严苛要求。传统光源难以兼顾长寿命、低成本与高精度模拟。本文聚焦LED - 卤素（HAL）混合光源模拟器实验，研究其通过光谱互补与热控技术突破性能瓶颈，为光热材料长期测试提供新方案，与LuminBox全光谱太阳模拟器的技术演进契合。

混合太阳能模拟器的设计

luminbox

LED 模块和 LED - HAL 混合配置的示意图

研究团队提出的LED-HAL 混合配置以100W 暖白光 LED 模块为主光源（含磷光涂层蓝光芯片），搭配两个 50W 卤素灯，通过光学元件实现光谱互补与性能优化：

01热管理系统
 

采用 32 孔水射流冲击冷却 LED 基板，将温度波动控制在 ±1°C 内，确保发光效率稳定（26%-29%）。

02光学配件
 

准直透镜：将LED 发散光束转化为平行光，提升空间均匀性（LED 单独使用时均匀性 2.43%，Class-A）。

中性密度（ND）滤镜：通过衰减50% 光强，拓宽LED 光谱范围，使LED-ND 组合光谱偏差从 ±60% 降至 ±35%（Class-B）。

03光源布局
 

卤素灯与 LED 呈对称分布，夹角30°，通过光谱混合使 LED-HAL 组合偏差缩小至 ±24%；引入 ND 滤镜后，LED-ND-HAL 组合实现 ±16% 偏差，达到 Class-A 标准。

混合太阳能模拟器的关键性能指标

luminbox

光谱匹配：LED-ND-HAL配置的光谱匹配性最佳，达到Class-A标准（75-125%匹配范围）

时间不稳定性：在3小时内光强波动<2%，满足Class-A要求。

空间均匀性：LED-ND-HAL配置的空间非均匀性为2.59%（Class-A）。

光热材料的制备和与光谱特性

luminbox

 

光热材料的微观结构及光学性能差异

01样品制备
 

未涂层（UC）：单层纯棉织物包裹聚苯乙烯圆盘，保留天然孔隙。

碳烟涂层（CC）：棉织物浸入碳烟- 乙醇悬浮液（1mg/mL），超声处理后干燥，形成50μm 涂层。

02光学性能
 

UC：300-1100nm 吸光度 0.3-0.5，反射率 40%-50%。

CC：吸光度≥0.9，反射率 < 5%，全光谱高效吸收。

混合太阳能模拟器的测试验证

luminbox

混合太阳能模拟器在光热材料测试中的有效性

为了验证该混合模拟器的实用价值，研究团队以碳烟涂层棉织物（CC）为对象，对比裸露水界面（B）、未涂层织物（UC）的蒸发性能：

温度分布：CC配置显示出最强的热局域化效应，其顶部界面温度（TCC1）在30分钟后达到~43°C，显著高于UC（~34°C）和裸水（~29°C）。这直接证明了涂层材料对提升界面温度的关键作用。

蒸发速率：CC配置的蒸发通量最高，达到~1.27 kg·m⁻²·h⁻¹，分别是UC和裸水配置的约2倍和近3倍。

转换效率(η)：基于蒸发量、汽化潜热和模拟器输入能量计算，CC配置的η明显高于UC和B配置，结果与研究报道的同类光热材料性能高度吻合，验证了该混合模拟器在评估光热材料核心性能指标方面的准确性和可靠性。

研究证实，LED-HAL 混合光源太阳光模拟器通过光谱互补与热控技术，突破了传统模拟器在长期测试中的性能瓶颈，为光热材料研发提供了可靠工具。随着全球对可再生能源与可持续技术的需求激增，太阳光模拟器将成为连接基础研究与工程应用的核心桥梁。

Luminbox 全光谱准直型太阳光模拟器

luminbox

 

Luminbox 全光谱准直型太阳光模拟器为跨行业材料提供高精度老化测试与性能验证，能精准模拟自然光环境，支持光谱/ 亮度 / 色温调控。

全光谱覆盖：350nm-1100nm 光谱，贴近自然光权重

高动态亮度：2 米处 20,000-150,000Lux，满足 HUD 亮度响应测试

强光抗扰验证：直射模拟复现图像模糊/ 重影问题场景

多场景适应：支持日间/ 夜间 / 隧道等光照动态切换测试

Luminbox 全光谱准直型太阳光模拟器以精密光学的工程化应用，可有效缩短从基础研究到工业验证的周期，为材料化学迭代提供了可靠的“人工太阳” 测试。将实验室级创新转化为产业化能力，助力能源材料、环境技术、航空航天等领域的技术革新。