高度準直的菲涅爾太陽模擬器，用于空間環境模擬

太陽模擬器設計為產生高度準直的光，并被開發為在真空室內運行。

客戶需求

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(yi)(yi)家(jia)太(tai)(tai)空(kong)機構(gou)的(de)研究人(ren)員與Sciencetech聯絡，以(yi)定(ding)制設計(ji)一(yi)(yi)種能夠放置在(zai)真空(kong)室(shi)內(nei)的(de)大(da)功率準直太(tai)(tai)陽(yang)(yang)模(mo)擬器(qi)。該太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能模(mo)擬器(qi)將成為一(yi)(yi)個更大(da)的(de)系統的(de)一(yi)(yi)部分，該系統旨在(zai)在(zai)受控(kong)實驗室(shi)中模(mo)擬地(di)球外環境。

目(mu)標區域(yu)：直徑36厘米(mi)的圓形照明區域(yu)

工作(zuo)距離：距太陽模擬器(qi)出(chu)口面30厘(li)米

光(guang)(guang)譜(pu)匹(pi)配(pei)：AM0光(guang)(guang)譜(pu)匹(pi)配(pei)（ASTM標準地球儀光(guang)(guang)譜(pu)）

照射目標：1400W / m ²

空間(jian)不均勻度：±5％（根(gen)據ASTM E927-05）

時間穩定性：±2％（根(gen)據ASTM E927-05）

構思(si)和設計系統

光學設計與實現

開(kai)發了許多(duo)射線(xian)追蹤模型來評估所提出的(de)太陽模擬器設計的(de)光學特性。經過多(duo)次迭代(dai)，提出了合適(shi)的(de)光學設計以達到要求(qiu)的(de)規格。

光(guang)線路徑(jing)模擬可為太陽(yang)模擬器(qi)的輸出獲(huo)得(de)高(gao)準(zhun)直(zhi)度

發展歷程

實現準直角

在系統(tong)的核心，一個2.5 kW的氙弧燈(deng)被(bei)用(yong)來(lai)收集帶(dai)有球形后反射器的燈(deng)罩的光。準(zhun)直角是通過包含菲涅耳透鏡系統(tong)的復(fu)雜光學組(zu)件獲得的。

通過測量穿過放置在(zai)反射鏡(jing)焦平(ping)面上的各種尺寸的孔徑(jing)的光功率(lv)的大小，可以確定模擬光線的準直角。

當從太陽模擬器發出的(de)光(guang)在(zai)非常(chang)薄的(de)石英板(ban)（表面反(fan)射(she)(she)率(lv)為4％）上以(yi)45°反(fan)射(she)(she)時進行。從石英板(ban)反(fan)射(she)(she)的(de)光(guang)被具有已知焦距的(de)鍍鋁球面鏡(jing)后向反(fan)射(she)(she)。將(jiang)尺寸從1.5毫(hao)米到(dao)15毫(hao)米的(de)光(guang)圈放置在(zai)球面鏡(jing)的(de)焦平面上，并使用NIST可追(zhui)蹤硅探(tan)測器測量通過(guo)光(guang)圈出射(she)(she)的(de)光(guang)功率(lv)。

使(shi)用菲涅爾透鏡(jing)系統進行的(de)測(ce)試，以達到(dao)所需的(de)高準直(zhi)度

可接(jie)受的準直定義為(wei)落入0.7度準直半徑(jing)內(nei)的光功(gong)率的> 50％。通過這(zhe)種光學設(she)計，我(wo)們能夠在準直角的±0.7度內(nei)獲得超過80％的光功(gong)率。

實現真空兼容性

為了將太(tai)陽能模擬器(qi)安(an)裝在真(zhen)空(kong)(kong)室內(nei)，要求其具有防泄漏(lou)功能。真(zhen)空(kong)(kong)兼容(rong)(rong)的(de)(de)太(tai)陽能模擬器(qi)外(wai)(wai)殼(ke)是(shi)由(you)Sciencetech工程師設計的(de)(de)。冷(leng)卻液和電氣組件的(de)(de)外(wai)(wai)殼(ke)穿通孔專門(men)為確保(bao)真(zhen)空(kong)(kong)兼容(rong)(rong)而(er)設計。太(tai)陽能模擬器(qi)的(de)(de)壁(bi)和外(wai)(wai)殼(ke)由(you)SAE 304不銹鋼制成，并進行(xing)了電拋光。太(tai)陽能模擬器(qi)外(wai)(wai)殼(ke)是(shi)由(you)的(de)(de)真(zhen)空(kong)(kong)系統工程公(gong)司專門(men)制造的(de)(de)，并通過密(mi)封的(de)(de)低靈敏度為2X10 -10 cc / sec的(de)(de)質譜儀檢漏(lou)儀進行(xing)密(mi)封測試。

前部光學輸出使用了直徑為15英(ying)寸(cun)（15英(ying)寸(cun)）的(de)石英(ying)窗口(kou)。采購了高質(zhi)量(liang)的(de)壓力窗口(kou)以制造(zao)此光學輸出窗口(kou)。

將(jiang)太陽(yang)模擬(ni)器的(de)外殼(ke)超壓至2個大氣壓，并監控12小時以檢(jian)查是否存在(zai)任何潛在(zai)泄漏。

前部光學(xue)輸(shu)出(chu)使(shi)用了直徑為(wei)15英寸（15英寸）的(de)石英窗(chuang)口。窗(chuang)口尺(chi)寸是研(yan)究和計(ji)算的(de)結(jie)果。采購了高質(zhi)量的(de)壓(ya)力窗(chuang)以(yi)制(zhi)造光學(xue)輸(shu)出(chu)窗(chuang)。

將太陽模擬器的外殼超壓至2個(ge)大氣壓，并監控(kong)12小時以檢查是否存在(zai)任(ren)何潛在(zai)泄漏。

開發與測試

實現系統的溫度穩定性

以下是終(zhong)用戶對系統溫度(du)進行維護的要求。

●太(tai)陽(yang)模擬(ni)器的燈封必須保持在(zai)230°C以下。但是，當(dang)將(jiang)太(tai)陽(yang)模擬(ni)器放置在(zai)真(zhen)空室內時，無(wu)法執行傳(chuan)統的強制空氣冷卻。

●傳統上與(yu)這種類型的模擬器(qi)一起使用的菲涅耳光學(xue)元件必須(xu)保持在80°C以下的溫度下。

●燈殼需要一些冷(leng)卻，這只能通過使空氣或氣體流過燈殼來完成。

測試溫度穩定性

Sciencetech工(gong)程師認為，*好的(de)(de)方法(fa)是建造一個壓(ya)力容(rong)器以容(rong)納模擬器和(he)光學器件。壓(ya)力容(rong)器允許將(jiang)冷(leng)液體泵入腔(qiang)室，并(bing)引導至一系(xi)列散熱(re)(re)器，這些(xie)散熱(re)(re)器通過穿(chuan)過散熱(re)(re)器的(de)(de)強制(zhi)空氣在腔(qiang)室內進行熱(re)(re)傳(chuan)遞。用(yong)裝滿(man)去離子水(shui)的(de)(de)水(shui)循環器冷(leng)卻燈座的(de)(de)陽極和(he)陰(yin)極。

由于(yu)Sciencetech于(yu)為復雜(za)的工程問題提供*佳解決(jue)方案，因此我(wo)們(men)專門建(jian)造了一(yi)個(ge)測試室來執行這些冷卻(que)實(shi)驗。在建(jian)立(li)成功的冷卻(que)系統之(zhi)前(qian)，我(wo)們(men)經歷(li)了一(yi)系列失敗的原型(xing)，燒壞的燈和電源。

控制電子設(she)備經(jing)過專門設(she)計，可與太(tai)陽能模擬(ni)器(qi)(qi)集成在一起。內置(zhi)(zhi)了內部系統溫(wen)度傳感器(qi)(qi)和(he)冷卻(que)液流量傳感器(qi)(qi)，以在任何(he)組(zu)件發生(sheng)故障時保護系統。溫(wen)度傳感器(qi)(qi)也放置(zhi)(zhi)在外殼內部的兩(liang)個不同位置(zhi)(zhi)，以監控內部空氣溫(wen)度。

另一個(ge)溫(wen)(wen)度(du)傳感器用于監視用于冷(leng)卻燈頭的(de)再循環器中水浴的(de)溫(wen)(wen)度(du)。

萬一(yi)燈座或外殼內(nei)部出現過熱(re)情(qing)況，可使用邏(luo)輯電路關閉燈。邏(luo)輯電路用于設置溫度點并(bing)控制繼(ji)電器，以防在(zai)發生過熱(re)事(shi)件時切斷燈的電源。

測試與(yu)安裝

質量控制和安裝

構建了終的(de)太陽模擬器系統，并進(jin)行了一系列測試，以(yi)證(zheng)明殼體(ti)保(bao)持所需(xu)溫度和真空兼容性的(de)能(neng)力。所有光學設計測試均提前進(jin)行，以(yi)確(que)保(bao)滿(man)足(zu)終用戶要求的(de)所需(xu)光功率，光譜匹配，準(zhun)直角和其他規格。

該系統(tong)在終用戶的(de)(de)設備上經過了現(xian)場驗收測試程序，并由Sciencetech的(de)(de)服務工(gong)程師安裝(zhuang)。