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高度準(zhǔn)直的菲涅爾太陽模擬器，用于空間環(huán)境模擬

太陽光模擬器設(shè)計(jì)為產(chǎn)生高度準(zhǔn)直的光，并被開發(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)的研究人員與我們聯(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)直太陽模擬器。該太陽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/m2

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)

開發(fā)了許多射線追蹤模型來評(píng)估所提出的太陽模擬器設(shè)計(jì)的光學(xué)特性。經(jīng)過多次迭代，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的氙弧燈被用來收集帶有球形后反射器的燈罩的光。準(zhǔn)直角是通過包含菲涅耳透鏡系統(tǒng)的復(fù)雜光學(xué)組件獲得的。

通過測(cè)量穿過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80％的光功率。

系統(tǒng)的準(zhǔn)直測(cè)量顯示在±0.7度內(nèi)的光功率> 80％ 

實(shí)現(xiàn)真空兼容性

為了將太陽能模擬器安裝在真空室內(nèi)，要求其具有防泄漏功能。真空兼容的太陽能模擬器外殼是由我們的工程師設(shè)計(jì)的。冷卻液和電氣組件的外殼穿通孔專門為確保真空兼容而設(shè)計(jì)。太陽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。太陽能模擬器外殼是由**的真空系統(tǒng)工程公司專門制造的，并**通過密封的**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。采購了高質(zhì)量的壓力窗口以制造此光學(xué)輸出窗口。

將太陽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。采購了高質(zhì)量的壓力窗以制造光學(xué)輸出窗。

將太陽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。

? 太陽模擬器的燈封必須保持在230°C以下。但是，當(dāng)將太陽模擬器放置在真空室內(nèi)時(shí)，無法執(zhí)行傳統(tǒng)的強(qiáng)制空氣冷卻。

? 傳統(tǒng)上與這種類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，這只能通過使空氣或氣體流過燈殼來完成。

測(cè)試溫度穩(wěn)定性

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，這些散熱器通過穿過散熱器的強(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)器冷卻燈座的陽極和陰極。

由于我們**于為復(fù)雜的工程問題提供**解決方案，因此我們專門建造了一個(gè)測(cè)試室來執(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)過專門設(shè)計(jì)，可與太陽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。

萬一燈座或外殼內(nèi)部出現(xiàn)過熱情況，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。