航天器电源测试丨基于AM0太阳模拟器实现三波段光谱独立调节设计

 

在航天器的漫长征程中，太阳电池是维持其运转的核心能源。与地面不同，太空中的太阳电池需在极端环境下高效工作数十年，这对电池性能测试提出了严苛要求。然而，传统太阳模拟器基于地面光谱标准（AM1.5G），与太空的真实光照环境（AM0光谱）存在显著差异，导致测试结果无法真实反映电池在轨性能。如何精准模拟太空中的“阳光”，成为航天电源技术发展的关键难题。

AM0光谱

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AM0光谱指地球大气层外的太阳光谱，其波长范围覆盖350~1800 nm，能量分布与地面AM1.5G光谱差异显著。例如，AM0在近红外波段的能量占比更高，而传统模拟器因光源限制难以覆盖这一范围。对于三结砷化镓太阳电池（由GaInP、GaAs、Ge等材料叠层构成），每个子电池仅吸收特定波段的光，若模拟光谱失配，将导致各子电池电流失衡，最终影响整体效率和可靠性。因此，开发与AM0光谱高度匹配的太阳模拟器，是提升航天电源测试精度的必经之路。

 

 

表 1 太阳模拟器的等级划分

氙灯、卤素灯光源设计

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研究团队提出了一种基于氙灯和卤素灯混合光源的创新设计，通过分波段独立调控，首次实现了AM0光谱的精准模拟。其核心思路如下：

氙灯：可见光与紫外的核心光源

氙灯光谱在350~950 nm波段与AM0高度接近，但在800~950 nm存在能量过高的峰状谱。为此，团队引入动态负反馈系统：将晶硅太阳电池作为传感器，实时监测氙灯输出，并通过插入楔形滤光片（770~860 nm窄带截止）抑制近红外峰值，同时提升可见光波段（350~760 nm）的能量占比。系统通过PID控制电路自动调节氙灯电流，确保调整后光谱符合A级匹配标准（误差±25%以内）。

卤素灯：近红外的辅助光源

氙灯在1000~1800 nm波段的能量严重不足，而卤素灯恰能填补这一缺口。通过集成吸收型滤光片（截止波长1000 nm以下），卤素灯仅输出近红外能量，并通过恒压控制系统独立调节强度。由于卤素灯对氙灯反馈系统干扰极小，第三波段（950~1800 nm）可实现独立调控，最终使混合光源覆盖AM0全光谱范围。

 

 

卤素灯控制系统图

误差小于0.5%：光谱调控的实测验证

光源系统的光谱图

 

 

为验证设计效果，团队对三结砷化镓电池的三个子电池进行标定测试。初始未调节时，中电池和底电池的短路电流分别偏高4.1%和4.6%。通过调整滤光片插入比例（削弱第二波段）和卤素灯电流（降低第三波段），最终使三个子电池的测试值与标定值误差均小于0.5%，完全满足A级光谱匹配要求。

 

 

表2 本文设计光源系统的光谱测试结果评级

 

 

意义与展望：为航天器注入“真实阳光”

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该设计首次实现了AM0光谱下三波段的独立可调，解决了传统模拟器光谱范围窄、能量分布失真的问题。其优势在于：

高精度：光谱匹配误差控制在±25%以内，达到国际A级标准；

低成本：混合光源方案避免使用昂贵激光或特殊灯源，结构简单易推广；

灵活性：三波段独立调节功能可适配不同材料组合的多结太阳电池测试需求。

 

 

未来，随着深空探测任务的扩展，对高效太阳电池的需求将愈加迫切。这项技术不仅为航天器电源系统的可靠性保驾护航，也为新型太阳电池的研发提供了精准测试平台。

Luminbox 全光谱准直型太阳光模拟器

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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。

 

 

1.全光谱覆盖：350nm-1100nm 光谱，贴近自然光权重

 

 

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

 

 

3.强光抗扰验证：直射模拟复现图像模糊 / 重影问题场景

 

 

4.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系统可集成于模拟近地轨道及深空环境的多功能实验舱，为航天装备测试提供精准光辐照条件。

本文研究原文出处：《基于 AM0 太阳模拟器 3 波段光谱独立可调的设计》