太阳光模拟器是一种能在室内环境精确模拟太阳光辐射特性的设备。它通过人工光源复现太阳光的准直性、辐照均匀性及光谱分布，有效克服了自然太阳光受时间、气候、地域限制以及总辐照度不可调节等固有缺点。太阳模拟器广泛应用于：
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航空航天、军工设备环境测试；
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光伏与太阳能电池特性研究；
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材料（含汽车内外饰）老化性能评估（包括整车阳光模拟测试）；
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环境研究与光学检测；
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光电响应型器件与材料特性测试；
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生物化学、光催化降解加速研究；
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皮肤与化妆用品光敏性检测；
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基础光学研究（如表面光电压谱、光热实验）。
一、应用领域：选购模拟器的核心
太阳模拟器有着广泛的应用，选购太阳模拟器首先要考虑应用在哪个方面。
1）航空航天、军工设备环境测试：复现极端辐照与热应力耦合环境。 模拟太空/地表高强度紫外线（UV）、红外热辐射（IR）及昼夜交变循环，验证材料结构变形、电子器件失效阈值及光学系统在极端光热冲击下的可靠性。
2）光伏与太阳能电池特性研究：构建AM1.5G光谱基准下的光电转化标尺。精确复现ASTM/IEC标准光谱（尤其300-1100nm波段），提供稳定的 1000W/m²标定辐照 ，测量电池转换效率（I-V曲线）、量子效率（QE）及衰减率，排除自然光不稳定对数据的影响。
3）材料（含汽车内外饰）老化性能评估（包括整车阳光模拟测试）：加速光降解与多因子耦合老化。通过增强UV波段比例（UVA/UVB）及温湿度联控，模拟数年户外暴晒效果。在整车舱中同步实现 全光谱热辐射+表面温度梯度+材料形变 ，揭示塑料/涂层/橡胶等材料的黄变、脆化机理。
4）环境研究与光学检测：可控人工气候室的光源核心。为大气模拟舱提供 可调光谱强度 （如沙尘环境高红外辐射、极地弱紫外线），研究污染物光化学反应路径或校准遥感探测器。
5）光电响应型器件与材料特性测试：激发电子能带跃迁的"光扳机"。用脉冲/稳态光源触发半导体、光电传感器的载流子生成，测量响应速度（ns级）、暗电流、光谱灵敏度，为光电晶体管、CCD、光敏电阻等提供设计依据。
6）生物化学、光催化降解加速研究：驱动分子级光反应的能量引擎。精确控制特定波长（如405nm激活光催化剂，254nm分解污染物），量化反应动力学参数（量子产率、降解速率），比自然光实验效率提升10-100倍。
7）皮肤与化妆用品光敏性检测：量化紫外辐射的生物损伤阈值。在ISO 23698标准下模拟UVA/UVB辐射，检测防晒剂SPF值、护肤品光毒性及光致敏性，避免配方成分在阳光下引发过敏反应。
8）基础光学研究（如表面光电压谱、光热实验）：提供单色/宽谱探针光。通过单色仪耦合实现 5nm级窄带光谱扫描 ，分析材料表面电势、光生载流子迁移率，或测量纳米材料的光热转换效率（如光热肿瘤治疗研究）。
9）农业植物培育实验室： 要求精准模拟光周期与PAR光谱分布，而非高强度辐照。
二、辐照面积：照亮尺寸
面积决定核心硬件配置：您需要照亮多大尺寸的样品？是小型材料样片还是整辆车？辐照面积直接决定了光源的配置方案（如灯具数量），需结合照射距离和目标强度进行阵列设计与优化。
1）小面积（<1㎡）：可单灯精准控制，成本可控。
2）大型平面（如整车测试舱）：需阵列式灯具组合，方案设计涉及：
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灯具类型与数量（LED/Xe灯阵列）
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空间布局拓扑（兼顾均匀性与光损失）
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照射距离与光路优化（避免边缘衰减）
三、辐照强度：量级与分布
实验需要的光照强度区间是多少？常用单位是 W/m²。例如，模拟赤道正午阳光常设为 600-1200 W/m² 。明确范围是选择光源功率和光学设计的依据。
1）典型范围：植物生长（200~800 W/m²）低于整车暴晒（最高达1200 W/m²以上）。
****2）"1个太阳"基准：1000 W/m²为常见工业标尺，但不代表必须值。
3）不均匀度等级核心指标，AAA级需控制在≤±2%偏差。整平面要求高均匀性，局部点光源应用可放宽。
四、光源选择
1）氙灯
氙灯是一种高强度气体放电灯，通过瞬间产生的高压使气体发生电离，形成放电通道，产生电弧光，然后在较低的工作电压下保持稳定的弧光放电。红线是氙灯发光的光谱，黄线是标准太阳光光谱，可以看出，氙灯发光的光谱与标准太阳光十分近似，只是在部分波长有很高的尖峰。
利用氙灯作为太阳光模拟器的光源存在的主要优点如下：
++a:光谱匹配度高++，氙灯的色温在 6000K 左右，与太阳光十分近似，从上图 1-3 中可以看出，氙灯光谱与am1.5g 标准太阳光光谱十分近似，光谱匹配度很高；
++b:氙灯的光响应速度快++，氙灯是通过瞬间产生的 20kV 高压脉冲将氙气电离形成发光的电弧，不需要预热就能达到稳定的光输出；
++c:氙灯的发光亮度十分高++，具有很高的发光效率，十分适合制作大面积的太阳光模拟器。
利用氙灯制作太阳光模拟器也有一些缺陷：
++a:氙灯需要高达 20kV 的电压来启动，具有一定的危险性，不适合实验教学场合使用；++
++b:稳定性较差，++氙灯需要20kV 的高压来启动，启动器在长时间容易发生故障，而且灯泡容易失效，故障率相对较高；
++c:光学结构复杂++，氙灯的光谱中有许多远远偏离的尖峰，需要设计复杂的滤光结构将这些尖峰过滤掉。
2）金属卤化物弧光灯
卤钨灯，又称卤素灯、石英灯等，是对白炽灯的一种改进，卤钨灯在玻璃外壳中充有碘或者溴等卤族元素气体。卤钨灯的工作原理为： 与白炽灯类似，卤钨灯也是通过灯丝发热而发光，不同的是卤钨灯的灯丝在发热时，部分钨原子受热蒸发，移动到玻璃外壳附近后，由于外壳温度较低钨原子又降温和卤素原子结合在一起，形成卤化钨，卤化钨在高温时并不稳定，在随着热流回到灯丝附近后，卤化钨遇热分解，又重新分离为钨原子和卤素蒸汽，这样钨原子又重新回到了灯丝上，弥补被蒸发的部分。这种钨原子循环往复运动使得卤钨灯的寿命比白炽灯更长，而且由于工作温度更高，发光的亮度、色温以及发光效率都高于白炽灯。
利用卤钨灯作为太阳光模拟器光源，在可见光至近红外范围内具有连续稳定的发光光谱，发光强度也比较高，但也存在以下问题：
a：与太阳光光谱匹配度低，上图是卤素灯的光谱图，可以看出卤钨灯发出的光线大部分是红外光，红外波段能量远大于太阳光，缺少蓝紫光，可见光波段能量占比也很少；
b:亮度调节范围较窄，卤钨灯可以调光，但是调光范围十分有限，因为卤钨灯是通过发热来发光，必须保证灯丝足够高的温度，因为温度过低时，不仅仅会使得色温更低，还可能终止卤钨循环，影响灯泡正常工作；
c:滤光系统设计复杂，需设计滤光系统，过滤掉能量过多的红外辐射光线；
d:稳定性差，卤钨循环过程中，一些卤化钨会附着在灯泡内壁导致卤钨灯泡发黑，影响卤钨灯的光输出；
e:使用寿命短，卤钨灯的失效原因和白炽灯类似，主要是灯丝蒸发后逐渐变细，时间长后可能会熔断，虽然卤钨灯的寿命相较白炽灯有所提高，但是相较 LED 等其他光源，寿命仍然偏低；
f:发光效率低，与白炽灯类似大部分电能转化为了热能，只有少部分能量转化为了光能，发光效率远低于氙灯和LED 灯；
h:预热时间长，卤钨灯是通过灯丝发热来发光，在灯丝温度低时发光色温也低，必须等待灯丝温度足够高时，才有足够高的色温。
3）LED
LED 全称是发光二极管，是一种能够发光的半导体器件，LED 的主要发光部件是由 PN 结组成的，PN 结由电子（带负电）多的 N 型半导体和空穴（带正电）多的 P 型半导体结合而成，当向 PN 结施加正向电压时，电子就会移动并在结合部再次结合，在结合的过程中产生大量的能量，而这些能量以光的形式释放出来。LED 的发光是自发辐射的过程，其发光的波长仅仅与 PN 的材料有关，而与电流的大小无关。对于白光LED，通常是由蓝光 LED 激发黄色荧光粉从而形成白光。
利用 LED 作为太阳光模拟器的光源具有如下优点：
a:光谱范围广，目前市场上已有多种波长的 LED 成熟产品，通过不同波长的 LED 组合，可覆盖太阳光的整个光谱范围；
b:安全稳定可控，LED 工作的电压很低，使用低压恒流源驱动，相对于氙灯采用高压脉冲启动，更加安全稳定可控；
c:使用寿命长，LED 光源的寿命约为几万小时，远比卤钨灯氙灯等光源寿命长；
d:亮度调节范围广，LED 的亮度可以通过电流来控制，电流的大小仅仅影响 LED 发光的亮度，不会影响 LED 发光的波长，因此LED 太阳光模拟器的总辐照度调节范围很大。
**利用 LED 光源制作太阳光模拟器也有一些缺点：**单个 LED 的发光光谱范围十分有限，为了与太阳光光谱匹配，需要用很多 LED 进行组合，因此需要对各种 LED 进行独立的驱动，最终组合成太阳光，因此采用 LED 光源制作的太阳光模拟器的驱动电源会比较复杂。另外，多种不同 LED 光线之间的混光，以及 LED 的散热等问题也是需要考虑到的缺陷。
随着 LED 产业的发展成熟，驱动、散热、混光、控制等问题逐步得到解决，LED 太阳光模拟器已经逐渐成为太阳光模拟器未来发展的方向。我国是光伏产业大国，也是 LED 制造大国，研制 LED 太阳光模拟器，不仅有助于降低太阳能电池生产测试的成本，而且有助于产业间和合作共赢。采用稳定可靠的 LED 太阳光模拟器作为测试时的标准光源，对于提升产品品质也有重要意义。同时，LED 光源的高安全性，也使得其更适合实验教学。
五、性能国际标准
太阳光模拟器的国际标准：ASTM E927-10，IEC 60904-9和JIS。根据标准可将太阳模拟器分为A、B、C三个等级。其中A级是最好的，B/C级次之。太阳模拟器一般采用氙弧灯作为光源，使用滤光片，反射镜和其它光学器件从而模拟出太阳光。其中有三个重要的参数指标：光照匹配度、辐照不均匀性、辐照时间不稳定性 。
|--------|-----------|--------|----------|
| 等级 | 光谱匹配度 | 辐照不均匀度 | 辐照时间不稳定性 |
| A | 0.75-1.25 | < 2% | < 2% |
| B | 0.6-1.4 | < 5% | < 5% |
| C | 0.4-2.0 | < 10% | < 10% |
1 ）光谱匹配度： 表示太阳模拟器的光谱（每个波长上的功率分布）与真实太阳光谱的接近程度。很多原因造成了太阳光谱和强度在地表不同地方的差异。通常，太阳光要穿过大气层到达地面，而大气层对阳光是有影响的，比如不同波长的光被大气层中气体分子吸收速率不同，对反射、折射、散射等等的影响也不同；地球上不同纬度地方，太阳光的入射角度不同，使阳光在大气层中的路径长度不一，对阳光的影响程度也是不同。因此，我们需要为太阳模拟器选取不同AM滤光片来使其发出来的光束更加接近所选地的阳光。比如，选取AM 0 来模拟太空中的阳光，选取AM1.5G来模拟中纬度地区的阳光等。（更多消息：太阳能研究中 AM 参数的深度剖析：AM 0、AM1.0、AM 1.5 及 AM 1.5G 的全方位解读）
AM1.5G标准太阳光谱分布与其分段占比分别如上图所示，其对应的太阳模拟器光谱匹配度级等级评定标准如下表所示。
|----|-----------|
| 等级 | 光谱匹配度 |
| A | 0.75-1.25 |
| B | 0.6-1.4 |
| C | 0.4-2.0 |
2） 辐照不均匀性： 表示太阳模拟器参数的光束在空间上的均匀程度。均匀性不好的模拟器会影响测试的结果，一般情况下导致测试值比实际值偏小。真实的太阳光在空间分布中是非常均匀的，但人造的光源并并不是。根据ASTM的规定，太阳模拟器辐照不均匀度的计算公式如下：
太阳模拟器辐照不均匀度等级评定标准如下表：
|----|--------|
| 等级 | 辐照不均匀度 |
| A | < 2% |
| B | < 5% |
| C | < 10% |
3 ）辐照时间不稳定性： 表示太阳模拟器光束辐照度在时间上的稳定性。真实的阳光辐照度在一段（短）时间内是非常稳定的，因此太阳模拟器的辐照度也应具有一定的稳定性。辐照稳定度对测试结果的可参考性提供了前提。
|----|----------|
| 等级 | 辐照时间不稳定性 |
| A | 2% |
| B | 5% |
| C | 10% |
Solar Light 生产设计的太阳能模拟器均符合ASTM E927-10，IEC 60904-9和JIS，光谱匹配/时间不稳定度/辐照不均匀度均达A类标准（AAA级）。
六、光学几何
工作距离（WD）与准直半角构成关键光学组合：
****工作距离偏离：导致光斑扩散和强度衰减，直接影响均匀性等级达标。
****准直半角（CAA）：角度越小，平行性越高（如光学器件标定需CAA<5°）。大角度适用于均匀热环境模拟。
****照射方向：水平布置易实现大面积覆盖，垂直照射更匹配标准测试台（如光伏组件I-V曲线测试）。
总的来讲，太阳光模拟器不仅是灯具组合，更是光谱控制算法 + 热管理 + 光学设计 + 工业标准理解的集成工程系统。仅看灯具数量或功率，忽略核心性能参数和验证标准，可能导致设备闲置或测试结果偏差。