高度準(zhǔn)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(shè)計(jì)為產(chǎn)生高度準(zhǔn)直的光，并被開(kāi)發(fā)為在真空室內(nèi)運(yùn)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.
一家*太空機(jī)構(gòu)的研究人員與sciencetech聯(lián)絡(luò)，以定制設(shè)計(jì)一種能夠放置在真空室內(nèi)的大功率準(zhǔn)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(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)旨在在受控實(shí)驗(yàn)室中模擬地球外環(huán)境。
目標(biāo)區(qū)域：直徑36厘米的圓形照明區(qū)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(biāo)準(zhǔn)地球儀光譜）
照射目標(biāo)：1400w / m 2
空間不均勻度：±5％（根據(jù)astm e927-05）
時(shí)間穩(wěn)定性：±2％（根據(jù)astm e927-05）
構(gòu)思和設(shè)計(jì)系統(tǒng)
光學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
開(kāi)發(fā)了許多射線追蹤模型來(lái)評(píng)估所提出的太陽(yáng)模擬器設(shè)計(jì)的光學(xué)特性。經(jīng)過(guò)多次迭代，提出了合適的光學(xué)設(shè)計(jì)以達(dá)到要求的規(guī)格。
光線路徑模擬可為太陽(yáng)模擬器的輸出獲得高準(zhǔn)直度
發(fā)展歷程
實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直角
在系統(tǒng)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(zhǔn)直角是通過(guò)包含菲涅耳透鏡系統(tǒng)的復(fù)雜光學(xué)組件獲得的。
通過(guò)測(cè)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，可以確定模擬光線的準(zhǔn)直角。
當(dāng)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(cè)器測(cè)量通過(guò)光圈出射的光功率。
使用菲涅爾透鏡系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試，以達(dá)到所需的高準(zhǔn)直度
可接受的準(zhǔn)直定義為落入0.7度準(zhǔn)直半徑內(nèi)的光功率的> 50％。通過(guò)這種光學(xué)設(shè)計(jì)，我們能夠在準(zhǔn)直角的±0.7度內(nèi)獲得超過(guò)80％的光功率。
實(shí)現(xiàn)真空兼容性
為了將太陽(yáng)能模擬器安裝在真空室內(nèi)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。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)能模擬器外殼是由專(zhuān)業(yè)的真空系統(tǒng)工程公司專(zhuān)門(mén)制造的，并保證通過(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(cè)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(gòu)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(jiān)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(jì)算的結(jié)果。采購(gòu)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(jiān)控12小時(shí)以檢查是否存在任何潛在泄漏。
開(kāi)發(fā)與測(cè)試
實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性
以下是終用戶對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行維護(hù)的要求。
●太陽(yáng)模擬器的燈封必須保持在230°c以下。但是，當(dāng)將太陽(yáng)模擬器放置在真空室內(nèi)時(shí)，無(wú)法執(zhí)行傳統(tǒng)的強(qiáng)制空氣冷卻。
●傳統(tǒng)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(cè)試溫度穩(wěn)定性
sciencetech工程師認(rèn)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(dǎo)至一系列散熱器，這些散熱器通過(guò)穿過(guò)散熱器的強(qiáng)制空氣在腔室內(nèi)進(jìn)行熱傳遞。用裝滿去離子水的水循環(huán)器冷卻燈座的陽(yáng)極和陰極。
由于sciencetech致力于為復(fù)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(cè)試室來(lái)執(zhí)行這些冷卻實(shí)驗(yàn)。在建立成功的冷卻系統(tǒng)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(shè)備經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可與太陽(yáng)能模擬器集成在一起。內(nèi)置了內(nèi)部系統(tǒng)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(hù)系統(tǒng)。溫度傳感器也放置在外殼內(nèi)部的兩個(gè)不同位置，以監(jiān)控內(nèi)部空氣溫度。
另一個(gè)溫度傳感器用于監(jiān)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(nèi)部出現(xiàn)過(guò)熱情況，可使用邏輯電路關(guān)閉燈。邏輯電路用于設(shè)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(cè)試與安裝
質(zhì)量控制和安裝
構(gòu)建了終的太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)，并進(jìn)行了一系列測(cè)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(shè)計(jì)測(cè)試均提前進(jìn)行，以確保滿足終用戶要求的所需光功率，光譜匹配，準(zhǔn)直角和其他規(guī)格。
該系統(tǒng)在終用戶的設(shè)備上經(jīng)過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試程序，并由sciencetech的服務(wù)工程師安裝。