大功率太陽光模擬器

高(gao)度準(zhun)直的菲(fei)涅爾太陽模擬器，用于空(kong)間環境模擬

太陽(yang)模擬(ni)器(qi)設計為產生高(gao)度準(zhun)直的光，并(bing)被開發(fa)為在真(zhen)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(yi)家太空(kong)(kong)機(ji)構的(de)(de)(de)研究(jiu)人(ren)員與Sciencetech聯絡，以(yi)定(ding)制設(she)計一(yi)種能夠放(fang)置在真空(kong)(kong)室內的(de)(de)(de)大功(gong)率準直太陽模(mo)擬器。該太陽能模(mo)擬器將成為(wei)一(yi)個更(geng)大的(de)(de)(de)系(xi)統的(de)(de)(de)一(yi)部(bu)分，該系(xi)統旨在在受控實驗室中模(mo)擬地球外環境。

目標區(qu)域：直徑36厘米的(de)圓(yuan)形(xing)照明區(qu)域

工作距離(li)：距太(tai)陽模(mo)擬(ni)器出口面30厘米

光(guang)譜匹(pi)配：AM0光(guang)譜匹(pi)配（ASTM標準地球儀光(guang)譜）

照射目標：1400W / m ²

空間不均勻度：±5％（根據ASTM E927-05）

時間穩定性：±2％（根據ASTM E927-05）

構思和設計系統

光學設計與實現

開發了許多(duo)射線追蹤模(mo)型來評(ping)估所提出的(de)太陽模(mo)擬器設(she)計的(de)光學特(te)性。經過多(duo)次迭代，提出了合(he)適的(de)光學設(she)計以達到要(yao)求的(de)規格。

光線路徑模擬(ni)可為太陽模擬(ni)器的輸出獲得高準直度

發展歷程

實現準直角

在系統的(de)(de)核心，一個2.5 kW的(de)(de)氙(xian)弧燈被用(yong)來收(shou)集(ji)帶有球形后反射器的(de)(de)燈罩的(de)(de)光。準直角(jiao)是通(tong)過包(bao)含菲涅耳透鏡系統的(de)(de)復(fu)雜(za)光學(xue)組件獲得的(de)(de)。

通過測量穿過放置在(zai)反射鏡焦平面上(shang)的(de)各(ge)種(zhong)尺寸的(de)孔(kong)徑的(de)光(guang)功(gong)率的(de)大(da)小，可以確定(ding)模擬光(guang)線的(de)準直角。

當從(cong)太陽模擬器(qi)發出的(de)(de)光(guang)在(zai)非(fei)常薄的(de)(de)石英板（表面反(fan)射率為(wei)4％）上以45°反(fan)射時進(jin)行。從(cong)石英板反(fan)射的(de)(de)光(guang)被具有已知(zhi)焦距的(de)(de)鍍鋁(lv)球(qiu)(qiu)面鏡(jing)后向反(fan)射。將尺寸從(cong)1.5毫米(mi)到15毫米(mi)的(de)(de)光(guang)圈放置在(zai)球(qiu)(qiu)面鏡(jing)的(de)(de)焦平(ping)面上，并使用NIST可追蹤硅探測(ce)器(qi)測(ce)量通過光(guang)圈出射的(de)(de)光(guang)功率。

使用菲涅爾透鏡系統進行的測試，以達到所需的大功率太陽光模擬器

可(ke)接受的準直(zhi)定義為落入0.7度準直(zhi)半徑內(nei)的光(guang)功率的> 50％。通過(guo)這(zhe)種光(guang)學設計，我們能夠(gou)在準直(zhi)角的±0.7度內(nei)獲得(de)超過(guo)80％的光(guang)功率。

系統的(de)(de)準(zhun)直(zhi)測量(liang)顯示在±0.7度內的(de)(de)光(guang)功率> 80％

實現真空兼容性

為了(le)將太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)模(mo)擬器(qi)安裝在真空室內，要求其具有防泄漏功能(neng)(neng)。真空兼容(rong)的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)模(mo)擬器(qi)外殼(ke)是由(you)Sciencetech工程師設計(ji)的(de)(de)。冷卻液和電氣組件的(de)(de)外殼(ke)穿通孔專門為確(que)保真空兼容(rong)而設計(ji)。太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)模(mo)擬器(qi)的(de)(de)壁(bi)和外殼(ke)由(you)SAE 304不銹鋼(gang)制成，并進行了(le)電拋光。太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)模(mo)擬器(qi)外殼(ke)是由(you)的(de)(de)真空系統工程公(gong)司專門制造的(de)(de)，并通過(guo)密封的(de)(de)低靈(ling)敏度(du)為2X10 -10 cc / sec的(de)(de)質(zhi)譜(pu)儀檢漏儀進行密封測(ce)試。

前部光學輸出使(shi)用了直(zhi)徑(jing)為15英寸（15英寸）的石英窗口。采購了高質量的壓(ya)力窗口以制(zhi)造此光學輸出窗口。

將太陽模擬器的外殼超壓至2個大氣壓，并監控12小時以(yi)檢查是否存在任何(he)潛在泄漏。

前部光(guang)學輸(shu)出(chu)使用(yong)了直(zhi)徑為15英(ying)寸(cun)(cun)（15英(ying)寸(cun)(cun)）的(de)石英(ying)窗(chuang)口。窗(chuang)口尺寸(cun)(cun)是研(yan)究和計算(suan)的(de)結(jie)果。采購了高質量的(de)壓力(li)窗(chuang)以(yi)制造光(guang)學輸(shu)出(chu)窗(chuang)。

將太(tai)陽模擬器的(de)外殼超壓至(zhi)2個大氣壓，并監控12小時以檢查(cha)是否存在任何(he)潛在泄漏。

開發與測試

實現系統的溫度穩定性

以下(xia)是終用戶對系統溫(wen)度進行維護的(de)要求。

●太(tai)陽模(mo)擬器的燈封必(bi)須保持在(zai)230°C以下(xia)。但是，當將太(tai)陽模(mo)擬器放置在(zai)真空室(shi)內時，無(wu)法執行傳(chuan)統(tong)的強制空氣冷卻(que)。

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

●燈(deng)殼需要一些(xie)冷卻，這只能通過使空氣(qi)或氣(qi)體流過燈(deng)殼來完成。

測試溫度穩定性

Sciencetech工程(cheng)師認為，*好的(de)(de)方法(fa)是(shi)建造一(yi)個壓力容器(qi)以容納模(mo)擬(ni)器(qi)和光學器(qi)件。壓力容器(qi)允許將(jiang)冷(leng)液(ye)體(ti)泵(beng)入腔室，并引導至一(yi)系列散(san)(san)熱(re)器(qi)，這些散(san)(san)熱(re)器(qi)通過穿過散(san)(san)熱(re)器(qi)的(de)(de)強(qiang)制空氣(qi)在腔室內進行熱(re)傳遞。用裝滿去離子水的(de)(de)水循環器(qi)冷(leng)卻燈座的(de)(de)陽極和陰極。

由于(yu)Sciencetech于(yu)為復雜的(de)工程問題(ti)提供*佳解決方案，因此(ci)我(wo)(wo)們專門建造了一(yi)個測試(shi)室來執行這些冷(leng)(leng)卻實驗。在建立成(cheng)功的(de)冷(leng)(leng)卻系統之前，我(wo)(wo)們經歷了一(yi)系列(lie)失敗的(de)原型(xing)，燒壞的(de)燈和電源。

控制電子(zi)設(she)備經過(guo)專門設(she)計，可與太陽(yang)能模(mo)擬(ni)器集成在(zai)(zai)一(yi)起(qi)。內(nei)置(zhi)(zhi)了內(nei)部(bu)系(xi)統(tong)溫(wen)度(du)傳感器和冷卻(que)液流量(liang)傳感器，以在(zai)(zai)任何組件(jian)發(fa)生故障時保(bao)護系(xi)統(tong)。溫(wen)度(du)傳感器也放(fang)置(zhi)(zhi)在(zai)(zai)外殼內(nei)部(bu)的(de)兩個不(bu)同(tong)位置(zhi)(zhi)，以監控內(nei)部(bu)空氣溫(wen)度(du)。

另一個(ge)溫度(du)傳感器用于監視用于冷卻(que)燈頭的再循環器中(zhong)水(shui)浴的溫度(du)。

萬一燈(deng)座或外殼內部出現過熱情況，可(ke)使(shi)用邏(luo)輯電(dian)(dian)路(lu)關閉燈(deng)。邏(luo)輯電(dian)(dian)路(lu)用于設置溫度點(dian)并控制(zhi)繼電(dian)(dian)器，以防在發(fa)生過熱事件時切斷(duan)燈(deng)的電(dian)(dian)源。

測試與安裝

質量控制和安裝

構建了終的太陽模擬器系統，并進(jin)行了一系列測試，以證明殼體(ti)保(bao)持所(suo)需(xu)溫度(du)和真空(kong)兼容性的能力。所(suo)有光(guang)學設計測試均提(ti)前進(jin)行，以確保(bao)滿足終用戶(hu)要求的所(suo)需(xu)光(guang)功(gong)率，光(guang)譜匹配，準直(zhi)角和其他(ta)規格。

該系統在終用戶的(de)設備上經過了現場(chang)驗(yan)收測試程(cheng)序，并由Sciencetech的(de)服務工程(cheng)師安(an)裝。