大功率太陽(yáng)光模擬器

高度準直的菲涅爾太陽(yáng)模擬器，用于空間環(huán)境模擬

太陽(yáng)模擬器設計為產(chǎn)生高度準直的光，并被開(kāi)發(fā)為在真空室內運行。

Highly collimated Fresnel Solar simulator for space environment simulation

The solar simulator was designed to produce highly collimated light and was developed to operate inside a vacuum chamber.

一家太空機構的研究人員與Sciencetech聯(lián)絡(luò )，以定制設計一種能夠放置在真空室內的大功率準直太陽(yáng)模擬器。該太陽(yáng)能模擬器將成為一個(gè)更大的系統的一部分，該系統旨在在受控實(shí)驗室中模擬地球外環(huán)境。

目標區域：直徑36厘米的圓形照明區域

工作距離：距太陽(yáng)模擬器出口面30厘米

光譜匹配：AM0光譜匹配（ASTM標準地球儀光譜）

照射目標：1400W / m ²

空間不均勻度：±5％（根據ASTM E927-05）

時(shí)間穩定性：±2％（根據ASTM E927-05）

構思和設計系統

光學(xué)設計與實(shí)現

開(kāi)發(fā)了許多射線(xiàn)追蹤模型來(lái)評估所提出的太陽(yáng)模擬器設計的光學(xué)特性。經(jīng)過(guò)多次迭代，提出了合適的光學(xué)設計以達到要求的規格。

光線(xiàn)路徑模擬可為太陽(yáng)模擬器的輸出獲得高準直度

發(fā)展歷程

實(shí)現準直角

在系統的核心，一個(gè)2.5 kW的氙弧燈被用來(lái)收集帶有球形后反射器的燈罩的光。準直角是通過(guò)包含菲涅耳透鏡系統的復雜光學(xué)組件獲得的。

通過(guò)測量穿過(guò)放置在反射鏡焦平面上的各種尺寸的孔徑的光功率的大小，可以確定模擬光線(xiàn)的準直角。

當從太陽(yáng)模擬器發(fā)出的光在非常薄的石英板（表面反射率為4％）上以45°反射時(shí)進(jìn)行。從石英板反射的光被具有已知焦距的鍍鋁球面鏡后向反射。將尺寸從1.5毫米到15毫米的光圈放置在球面鏡的焦平面上，并使用NIST可追蹤硅探測器測量通過(guò)光圈出射的光功率。

使用菲涅爾透鏡系統進(jìn)行的測試，以達到所需的大功率太陽(yáng)光模擬器

可接受的準直定義為落入0.7度準直半徑內的光功率的> 50％。通過(guò)這種光學(xué)設計，我們能夠在準直角的±0.7度內獲得超過(guò)80％的光功率。

系統的準直測量顯示在±0.7度內的光功率> 80％

實(shí)現真空兼容性

為了將太陽(yáng)能模擬器安裝在真空室內，要求其具有防泄漏功能。真空兼容的太陽(yáng)能模擬器外殼是由Sciencetech工程師設計的。冷卻液和電氣組件的外殼穿通孔專(zhuān)門(mén)為確保真空兼容而設計。太陽(yáng)能模擬器的壁和外殼由SAE 304不銹鋼制成，并進(jìn)行了電拋光。太陽(yáng)能模擬器外殼是由的真空系統工程公司專(zhuān)門(mén)制造的，并通過(guò)密封的低靈敏度為2X10 -10 cc / sec的質(zhì)譜儀檢漏儀進(jìn)行密封測試。

前部光學(xué)輸出使用了直徑為15英寸（15英寸）的石英窗口。采購了高質(zhì)量的壓力窗口以制造此光學(xué)輸出窗口。

將太陽(yáng)模擬器的外殼超壓至2個(gè)大氣壓，并監控12小時(shí)以檢查是否存在任何潛在泄漏。

前部光學(xué)輸出使用了直徑為15英寸（15英寸）的石英窗口。窗口尺寸是研究和計算的結果。采購了高質(zhì)量的壓力窗以制造光學(xué)輸出窗。

將太陽(yáng)模擬器的外殼超壓至2個(gè)大氣壓，并監控12小時(shí)以檢查是否存在任何潛在泄漏。

開(kāi)發(fā)與測試

實(shí)現系統的溫度穩定性

以下是終用戶(hù)對系統溫度進(jìn)行維護的要求。

●太陽(yáng)模擬器的燈封必須保持在230°C以下。但是，當將太陽(yáng)模擬器放置在真空室內時(shí)，無(wú)法執行傳統的強制空氣冷卻。

●傳統上與這種類(lèi)型的模擬器一起使用的菲涅耳光學(xué)元件必須保持在80°C以下的溫度下。

●燈殼需要一些冷卻，這只能通過(guò)使空氣或氣體流過(guò)燈殼來(lái)完成。

測試溫度穩定性

Sciencetech工程師認為，*好的方法是建造一個(gè)壓力容器以容納模擬器和光學(xué)器件。壓力容器允許將冷液體泵入腔室，并引導至一系列散熱器，這些散熱器通過(guò)穿過(guò)散熱器的強制空氣在腔室內進(jìn)行熱傳遞。用裝滿(mǎn)去離子水的水循環(huán)器冷卻燈座的陽(yáng)極和陰極。

由于Sciencetech于為復雜的工程問(wèn)題提供*佳解決方案，因此我們專(zhuān)門(mén)建造了一個(gè)測試室來(lái)執行這些冷卻實(shí)驗。在建立成功的冷卻系統之前，我們經(jīng)歷了一系列失敗的原型，燒壞的燈和電源。

控制電子設備經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計，可與太陽(yáng)能模擬器集成在一起。內置了內部系統溫度傳感器和冷卻液流量傳感器，以在任何組件發(fā)生故障時(shí)保護系統。溫度傳感器也放置在外殼內部的兩個(gè)不同位置，以監控內部空氣溫度。

另一個(gè)溫度傳感器用于監視用于冷卻燈頭的再循環(huán)器中水浴的溫度。

萬(wàn)一燈座或外殼內部出現過(guò)熱情況，可使用邏輯電路關(guān)閉燈。邏輯電路用于設置溫度點(diǎn)并控制繼電器，以防在發(fā)生過(guò)熱事件時(shí)切斷燈的電源。

測試與安裝

質(zhì)量控制和安裝

構建了終的太陽(yáng)模擬器系統，并進(jìn)行了一系列測試，以證明殼體保持所需溫度和真空兼容性的能力。所有光學(xué)設計測試均提前進(jìn)行，以確保滿(mǎn)足終用戶(hù)要求的所需光功率，光譜匹配，準直角和其他規格。

該系統在終用戶(hù)的設備上經(jīng)過(guò)了現場(chǎng)驗收測試程序，并由Sciencetech的服務(wù)工程師安裝。