高度準直的太陽模擬器

高度準直的太陽模擬器，具有自動移動光束角移動

Highly Collimated Solar Simulator with automated beam angle movement

太(tai)陽模(mo)擬(ni)器(qi)是(shi)為美國國家航天局開(kai)發的(de)(de)。該機構有一系列(lie)需要進行太(tai)陽模(mo)擬(ni)的(de)(de)項目(mu)，而當(dang)一個有嚴格要求(qiu)的(de)(de)新(xin)項目(mu)出現時(shi)，他們便與Sciencetech聯絡，以提供(gong)一個高(gao)度(du)*確(que)的(de)(de)太(tai)陽模(mo)擬(ni)系統(tong)。

客(ke)戶要求

幾(ji)年前，該客戶一些成員具有使用Sciencetech高(gao)度準直的(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能模擬(ni)器之(zhi)一的(de)動(dong)手(shou)經驗。對于在(zai)發射(she)之(zhi)前測試其衛星(xing)傳感器的(de)新(xin)項目，他們(men)需要此太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能模擬(ni)器更大，更復雜的(de)版本(ben)。他們(men)聯系了Sciencetech公司，詢問我們(men)是否可以提供一個在(zai)輻(fu)照度，準直角和光譜匹配方面與太(tai)(tai)陽(yang)(yang)極為接近的(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)模擬(ni)器。

此外，他(ta)們希望自(zi)動(dong)化以(yi)X，Y，Z和(he)2個旋(xuan)轉(zhuan)角(jiao)度來操縱太陽能模(mo)擬器。初的(de)(de)討(tao)論考慮了(le)幾種(zhong)自(zi)動(dong)化實(shi)施方(fang)式，初的(de)(de)工(gong)程分析確定(ding)了(le)氙氣短弧(hu)燈的(de)(de)物理局限性使其(qi)很難滿足所(suo)需的(de)(de)準直(zhi)規(gui)范以(yi)及其(qi)他(ta)標準。Sciencetech確定(ding)了(le)實(shi)現重要(yao)規(gui)格的(de)(de)方(fang)法，并將其(qi)介(jie)紹給客(ke)戶。準則(ze)和(he)標準獲得批準，Sciencetech啟動(dong)了(le)該(gai)項(xiang)目的(de)(de)設(she)計。

準(zhun)直全(quan)角：0.69°內90％功率

目(mu)標尺(chi)寸(cun)：直(zhi)徑33cm

空間非均勻性：2.95％（*）

時間不穩定：1.5％（*）

強度：1366W/m²（AM0光譜匹配）

衰減強度：1.366W/m²（衰減至0.1％）

輸(shu)出方(fang)向(xiang)：臥(wo)式

構思(si)和設計系統

在(zai)設計(ji)過(guo)程中，我們結合了光學建模和(he)數學分析的(de)方(fang)法(fa)來解決多方(fang)面的(de)挑戰，即如何制作具有大目標(biao)面積(ji)，比(bi)光譜匹配和(he)發(fa)散(san)角接近太陽的(de)高度(du)均勻且強(qiang)度(du)高的(de)光源。

光源的光線追(zhui)跡(ji)路徑(jing)

光學設計結構

橢圓形的后反(fan)射(she)器收集了大部分的燈發射(she)，并聚(ju)焦到(dao)均勻的光(guang)導(dao)管中。該光(guang)導(dao)管通過全(quan)內反(fan)射(she)引導(dao)光(guang)，許多反(fan)射(she)用于(yu)混合光(guang)線(xian)，從而使輸出更(geng)加(jia)均勻。一(yi)系(xi)列的透鏡和(he)轉(zhuan)向鏡用于(yu)將光(guang)引導(dao)到(dao)準直鏡，準直鏡反(fan)射(she)光(guang)以形成近乎平行的光(guang)線(xian)，從而在目標平面產生高輻照度(du)和(he)低光(guang)束發散度(du)。

太(tai)陽模擬器的(de)輸出(chu)光譜與AM0光譜的(de)關系

光學模(mo)(mo)擬軟件模(mo)(mo)擬目標區域上的輻照度分布

自動運動控制的機械設計

我們(men)的客戶需要整(zheng)個(ge)(ge)太陽能模擬器在5個(ge)(ge)軸(zhou)(zhou)（X，Y和Z）以及2個(ge)(ge)旋轉(zhuan)軸(zhou)(zhou)上(shang)進行自動(dong)運(yun)動(dong)。此外(wai)，整(zheng)個(ge)(ge)系統需要在無(wu)塵室內運(yun)行，因此必須隔離(li)太陽能模擬器的空氣(qi)冷(leng)卻系統。

為(wei)了滿足(zu)這些自(zi)(zi)動化(hua)目標，Sciencetech設(she)計(ji)了一個自(zi)(zi)動化(hua)的(de)機械平臺(tai)和定制軟件，并(bing)提供了特殊(shu)的(de)冷卻設(she)計(ji)，儀器組件和外殼設(she)計(ji)來(lai)滿足(zu)這些需求。

電動(dong)(dong)運(yun)動(dong)(dong)系(xi)統已(yi)構建并經(jing)過測試(shi)，其軟件(jian)(jian)是在內(nei)部(bu)創建的。運(yun)動(dong)(dong)系(xi)統，外殼，軟件(jian)(jian)和(he)光學元件(jian)(jian)均根據客戶對所有(you)5個運(yun)動(dong)(dong)軸的要(yao)求完成，并且包含軟件(jian)(jian)GUI，以便于控制。

太陽模(mo)擬器的移(yi)動系統可按(an)照我們的機械工程(cheng)師(shi)的設想在(zai)5個軸

上提供整個太陽模擬(ni)器的自動運動

太陽模(mo)擬器(qi)系統的圖紙，其中包括與ISO7兼(jian)容的無塵室(shi)外殼，

并描(miao)述了(le)從系統輸出發出的(de)高(gao)度準直(zhi)的(de)射(she)線

原型設(she)計與開發

高功(gong)率的6.5kW氙弧燈被用(yong)作模擬(ni)太(tai)陽輻射的基(ji)礎光(guang)源(yuan)。氙氣(qi)燈光(guang)譜使用(yong)空(kong)氣(qi)濾清器進行(xing)了修改，以(yi)滿足(zu)AM0光(guang)譜匹(pi)配標準。

輻照度(du)可低至其全功率(lv)的0.1％，并且(qie)幾(ji)乎連續(xu)衰(shuai)減，從而保(bao)持了空間(jian)均勻性，光譜(pu)匹配和時間(jian)穩定性。

在短期，中期和(he)內測量了時(shi)間穩定性(xing)，并符(fu)合*規(gui)范。

我們在0.69°全(quan)角內(nei)以90％的功率實現了高(gao)(gao)度準(zhun)直。高(gao)(gao)準(zhun)直度在距太陽(yang)模擬(ni)器輸(shu)出若干(gan)距離處提(ti)供(gong)了一(yi)個(ge)均勻的點。

30分鐘內測得的輻照度的時間(jian)穩定(ding)性(xing)

太陽模擬器(qi)輸出相對于準直角的輻射度(du)測量。

潔凈室要求

整個(ge)系統(tong)被(bei)密封(feng)以用于潔凈室，包括隔離的(de)空氣冷卻系統(tong)，以防(fang)止污染(ran)潔凈室環境。整個(ge)系統(tong)符合ISO5級(ji)潔凈室標準。

驗收測試和安裝(zhuang)

由于經常與(yu)客(ke)(ke)戶團隊(dui)聯(lian)系(xi)，Sciencetech的(de)(de)工程(cheng)(cheng)師可以對(dui)(dui)設計進行修改，以確(que)保(bao)(bao)更好地過(guo)渡到客(ke)(ke)戶，并幫助客(ke)(ke)戶對(dui)(dui)所(suo)訂購設備的(de)(de)功能充滿信心。終(zhong)的(de)(de)驗(yan)收(shou)測試是與(yu)客(ke)(ke)戶的(de)(de)工程(cheng)(cheng)師共同創建的(de)(de)，以確(que)保(bao)(bao)儀器在設備離開Sciencetech時即能在所(suo)需的(de)(de)參數范圍內(nei)運(yun)行。硬件(jian)和軟件(jian)的(de)(de)終(zhong)集(ji)成在終(zhong)用戶的(de)(de)設施中完成，并且該設備通過(guo)了*批準的(de)(de)驗(yan)收(shou)測試。