Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

<< Назад                     << Назад в Услуги

Опубликовано 21.12.2016 г.

Испытание на воздействие солнечного излучения

Ос­новными параметрами, характеризующими воздействие солнечной радиации, являются: спектральное распределение энергии излучения, а также интенсивность излучения, или поверхностная плотность пото­ка энергии излучения. Интенсивность солнечного излучения, характе­ризуемая солнечной энергией, приходящейся на единицу поверхнос­ти, перпендикулярной солнечным лучам на среднем расстоянии от Солнца вне земной атмосферы, называют солнечной постоянной Е0.

Она зависит от степени поглощения и рассеяния радиации в атмос­фере. Рекомендуется значение суммарной радиации у земной поверх­ности при нахождении Солнца в зените принимать равным 1,12 кВт/м2. Отсюда следует, что для обеспечения эквивалентного теплового воз­действия необходимо скорректировать интенсивность искусственного источника Еех, таким образом, чтобы Еех = 1,12аesex, где аes — коэффициент поглощения изделием излучения искусственного ис­точника, зависящий от его спектрального распределения энергии излучения; аex — коэффициент поглощения изделием излучения сум­марной солнечной радиации, зависящей от ее спектрального распре­деления энергии.

Для проведения испытаний на воздействие солнечной радиа­ции необходимо в заданной плоскости измерения обеспечить излу­чение, воспринимаемое испытуемым изделием, с интенсивнос­тью 1,12 кВт/м2 и определенным спектральным распределением энергии (табл. 1). В указанное значение интенсивности должны также входить излучения, полученные за счет отражения от стенок камеры, однако не должны входить инфракрасные излучения от на­греваемых стенок камер.

Наряду с рассмотренными к параметрам камер солнечной радиа­ции относятся: температура, скорость циркуляции воздуха и его от­носительная влажность. Температура воздуха в камере при облуче­нии во время темной фазы должна достигать 40 или 55 °С в зависимости от метода испытаний, воспроизводящего предполагаемые условия эк­сплуатации.

Таблица 1

Спектральное распределение энергии излучения и допустимые отклонения

 Наименование параметра

Интервал спектра

УФ-В*

УФ-А

Видимый

Инфракрасный

 Длина волны, мкм

0,28-0,32

0,32-0,40

0,40-0,52

0,52-0,64

0,64-0,78

0,78-3,00

 Интенсивность  излучения, Вт/м2

5

63

220

186

174

492

 Допустимое отклонение,  %

± 35

± 25

± 10

± 10

± 10

± 20

 *Энергия излучения с длиной волны короче 0,30 мкм, достигающего земной поверхности,  незначительна и   ею можно пренебречь.

Поскольку для испытаний применяются камеры с принудительной циркуляцией воздуха, необходимо учитывать возмож­ность охлаждения изделий и термопреобразователей под действием воздушного потока. Даже столь малая скорость циркуляции воздуха, как, например, 1 м/с, может вызвать уменьшение температуры пе­регрева более чем на 20%.

В качестве искусственных источников солнечного излучения исполь­зуются одна или несколько специальных ламп, а также ряд оптичес­ких элементов (рефлекторов, светофильтров и т. д.), обеспечиваю­щих получение требуемого спектра и заданной интенсивности излучения. Источники излучения различаются по физической при­роде излучения. Они могут быть основаны на нагревании, на прин­ципе электролюминесценции, на одновременном использовании на­грева и электролюминесценции.

К источникам излучения, основанным на нагревании, относят­ся вольфрамовые лампы. Вакуумные или газонаполненные вольфрамо­вые лампы большую часть своей энергии излучают в области коротковолновых инфракрасных лучей и почти не излучают ультрафиолетовых лучей, что ограничивает их применение. Так, например, вакуумная лампа при температуре вольфрамовой нити Т = 2500 К имеет максимум излучения в области X = 1,15 мкм, а газонаполненная лампа при температуре нити Т= 3000 К — в области X = 0,96 мкм. Если принять всю энергию, излучаемую вакуумной лампой, за 100%, то только 7— 12% приходится на видимую часть спектра, а остальная часть, за исключением небольших потерь, излучается в виде инфракрасных лучей.

Лампы с вольфрамовой нитью в колбе из кварцевого стекла с галогенным наполнителем обладают лучшей стабильностью рабочих характеристик на протяжении всего срока службы. Поскольку в солнечном спектре приблизительно 50% энергии приходится на видимую и ультрафиолетовую части спектра, что соответствует длинам волн короче 0,7 мкм (рис. 1), использование вольфрамовых ламп целесообразно только в случаях, когда необходимо воспроизведение инфракрасного и теплового воздействий.

 

Рис. 1. Спектральное распределение излучения: 1 — вольфрамовой лам­пы накаливания; 2 — солнечной радиации, когда Солнце находится в зени­те; 3 — солнечной радиации при слабой облачности

В отличие от источников излучения, основанных на нагревании и дающих сплошной спектр, электролюминесцентные излучатели имеют прерывистый спектр. Они характеризуются высокоинтенсивным селективным излучением в очень узкой области спектра, зависящей от газового заполнения. Люминесценция представляет собой свечение, возникающее в процессе перехода различных видов энергии в энер­гию излучения вне зависимости от теплового состояния излучающего вещества, и поэтому люминесцентные излучатели называют источ­никами холодного света. Явление холодного свечения (электролюми­несценция) возникает при прохождении электрического тока через разреженный инертный газ или через пары ртути, при этом происхо­дят столкновения электронов и ионов в процессе их движения в элек­трическом поле. Указанное явление используется в газоразрядной труб­ке, представляющей собой стеклянный или кварцевый баллон, наполненный под давлением газом или парами некоторых металлов. В баллон впаиваются металлические электроды, к которым подводится напряжение, необходимое для возникновения разряда.

В испытательных камерах используются также ртутные лампы, называемые иногда ртутно-паровыми лампами, так как дуговой разряд происходит в парах ртути. В них наряду с электронным током возникает ионный ток, проходящий от анода к катоду. Однако, по­скольку скорость электронов значительно больше скорости ионов, плотность электронного тока больше, чем ионного, и поэтому об­щий разрядный ток ртутной дуги определяется в основном электрон­ным током. При возрастании плотности тока возникает ионизация.

В зависимости от давления паров ртути, при котором происхо­дит ртутно-дуговой разряд, различают лампы трех видов: низкого, высокого и сверхвысокого давления. Ртутные лампы низкого давле­ния являются электролюминесцентными излучателями, они обеспе­чивают излучение в ультрафиолетовой части спектра. В ртутных лам­пах высокого и сверхвысокого давления излучение происходит за счет ртутно-парового разряда, нагрева кварцевого стекла баллона, а так­же люминесценции. Эти лампы излучают главным образом в длин­новолновой инфракрасной (ИК) части спектра. Причем с ростом давления линейчатый спектр переходит в сплошной, что сопровож­дается относительным возрастанием излучения коротковолновых ин­фракрасных лучей. Ртутные лампы (особенно сверхвысокого давле­ния) характеризуются большим КПД, доходящим до 75%, малыми эксплуатационными расходами и большим сроком службы (до 8000 ч). К недостаткам можно отнести ограниченную возможность регулиро­вания режимов возникновения отказов вследствие конденсации па­ров при понижении температуры и т. д.

К люминесцентным относятся также и ксеноновые излучатели, обеспечивающие получение спектра, наиболее приближающегося к солнечному (рис. 2). Спектр излучения зависит от длины разряд­ных промежутков, мощности ламп, их геометрической формы и раз­меров. Так, при коротких разрядных промежутках относительная энергия излучения больше, чем при длинных, и она в большей сте­пени сосредоточена в ИК части спектра. Потребляемая мощность ксеноновых излучателей и эксплуатационные расходы весьма значи­тельны. Теоретический срок службы порядка 5000 ч.

Дуговые лампы основаны на использовании дугового разряда, об­разующегося между двумя угольными или графитовыми электрода­ми. Они позволяют получить спектр излучения, имеющий максимум 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 Х, мкм

  

Рис. 2. Спектральное распределение излучения: 1 — ксеноновой газораз­рядной лампы высокого давления; 2 — солнечной радиации, когда Солнце находится в зените; 3 — солнечной радиации при слабой облачности

в области коротковолновой части инфракрасного излучения (0,7— 0,8 мкм) и пик в начале ультрафиолетовой части спектра. Недостат­ками дуговых ламп являются постепенное затухание вольтовой дуги, приводящее к ограниченному времени непрерывной работы, а также недостаточная локализация и фиксация источника излучения.

Сравнение спектра солнечного излучения со спектрами ламп, применяемых для его имитации, показывает их недостаточное совпа­дение. В то время как солнечный свет дает приблизительно непре­рывный (сплошной) спектр, все искусственные источники имеют определенные спектральные линии. В связи с этим для получения необходимого спектра излучения применяют светофильтры, которые могут быть стеклянными и жидкостными, абсорбционными и интерфе­ренционными. Выбор светофильтра зависит от источника излучения и его использования. Предпочтение отдается стеклянным фильтрам. К недостаткам стеклянных фильтров можно отнести неодинаковую оптическую плотность стекол, тенденцию к изменению спектраль­ных характеристик под воздействием интенсивного ультрафиолетово­го излучения.

Стеклянные адсорбционные фильтры основаны на способности ряда оптических материалов к избирательному поглощению в одной или нескольких областях спектра излучения. Примерами таких фильтров являются фильтры из цветных оптических стекол, окрашенных плас­тмасс, а также ряда других оптических материалов. Недостатки ука­занных фильтров — малая контрастность и крутизна фронтов спект­ральной характеристики.

В ряде случаев находят применение многослойные стеклянные ин­терференционные светофильтры, действие которых основано на ин­терференции лучей, многократно отражающихся и проходящих через тонкие слои прозрачных материалов. Подбирая показатели прелом­ления, толщины и число этих слоев, можно получать различные све­тофильтры с почти произвольными спектральными свойствами. Ин­терференционные фильтры меньше нагреваются и обычно более стабильны, чем абсорбционные.

Хорошие результаты дает комбинация интерференционных и абсор­бционных светофильтров. Таким образом, спектр излучения ксено­новой лампы может быть откорректирован с помощью комбинации абсорбционных светофильтров для инфракрасной и ультрафиолето­вой областей.

Большая удаленность Солнца от Земли приводит к тому, что сол­нечные лучи падают на земную поверхность параллельно, в то время как искусственные источники излучения находятся на сравнительно близком расстоянии от поверхности испытуемого изделия и не обес­печивают аналогичного направления лучей. Вследствие этого для обеспечения равномерного распределения интенсивности излучения в плоскости измерения необходимо применение рефлектора в виде параболического вогнутого зеркала. При этом важное значение име­ет конструкция используемой лампы. Так, при использовании ксе­ноновой лампы возможно образование теней от ее электродов и опор. Иногда для обеспечения равномерности облучения используют ксе­ноновую лампу с длинным разрядным промежутком, укрепленную в желобообразном параболическом рефлекторе (рис. 3).

Источники излучения в камерах солнечной радиации рекоменду­ется размещать вне их рабочего объема, за специальным остеклени­ем, с одной стороны, исключающим воздействие на изделие боль­шого количества теплоты, выделяемой лампами, и загрязнение испытуемых изделий озоном, образующимся в результате ультрафио­летового (УФ) излучения ксеноновых, дуговых и других ламп, а с другой стороны, уменьшающим воздействие повышенной влажнос­ти в испытательной камере на оптические элементы. Попадание озо­на и других газов в рабочий объем камеры может оказывать значи­тельное влияние на процессы деградации некоторых материалов.

 

Рис. 3. Излучатель, имитирующий солнечное излучение: 1 — излучения ультрафиолетового и видимого спектра; 2 — ИК излучение; 3 — ксеноновая лампа; 4 — зеркало УФ излучения; 5 — зеркало излучения видимого спектра; 6 — оболочка из кварцевого стекла с избирательно отражающим слоем ИК излучения; 7— дополнительный фильтр УФ излучения; 8— параболический рефлектор; 9 — образцовая поверхность

Методы испытаний на воздействие солнечного излучения. Испы­тания на воздействие солнечного излучения проводят для определения его влияния на тепловые, механические, химические, электрохими­ческие и другие явления, происходящие в испытуемых изделиях.

В нормативной документации на изделие необходимо указывать способы установки его в камеру (на опорных стойках либо на основа­нии, обладающем определенной теплопроводностью), обеспечива­ющие необходимое положение относительно направления излучения. Действие сол­нечного облучения на испытуемое изделие существенно зависит от состояния его поверхности, определяющего характер поглощения, поэтому необходимо, чтобы оно отвечало требованиям испытаний, например отсутствию загрязнений поверхности (масляных пленок, ПЫЛИ И Т. Д.).

После стабилизации изделия в нормальных климатических усло­виях в течение заданного времени его тщательно осматривают и из­меряют значения определенных параметров, стабильность которых зависит от воздействия солнечной радиации.

Изделие устанавливают в камеру в положение, при котором наи­более уязвимые элементы его конструкции будут обращены к источ­никам излучения. При этом должна исключаться возможность экра­нирования излучения источника или отраженного излучения.

В зависимости от цели испытаний находят применение три ме­тода их проведения (рис. 4).

Метод А (рис. 4, а) применяется, когда основной интерес представляют результаты теплового воздействия. Метод характеризу­ется 24-часовым циклом, состоящим из 8-часовой фазы облучения и 16-часовой темновой фазы. За указанный период времени обеспечи­вается получение изделием дозы облучения 8,96 кВт/м2, что прибли­жается к наиболее жестким естественным условиям. Температура воз­духа в камере должна повышаться за 2 ч до начала фазы облучения. Увеличение фазы облучения свыше 8 ч ускоряет воздействие радиа­ции по сравнению с естественными условиями.

 

Рис. 4. Режимы облучения и температуры при трех методах испытаний на воздействие солнечной радиации

Продолжительность испытаний (число циклов) зависит от габаритных размеров и массы испытуемых изделий. В общем случае рекомендуются три цикла ис­пытаний, однако при испытаниях крупногабаритных изделий требу­ется увеличить число циклов для достижения максимальной внутрен­ней температуры и выявления процессов деградации.

Метод В (рис. 4, б) применяется, когда основной интерес пред­ставляют процессы деградации. Метод характеризуется 24-часовым цик­лом, который состоит из 20-часовой фазы облучения и 4-часовой тем — новой фазы. При этом доза облучения составляет 22,4 кВт/м2 за цикл.

Известно, что фотохимические процессы деградации материа­лов, красок, пластмасс зависят также от влажности окружающей среды, поэтому иногда в начале 20-часовой фазы облучения возмож­но одновременное воздействие влажного тепла (относительная влаж­ность 93±3% при t = 40±2 °С).

Метод С (рис. 4, в) применяется, когда необходимо оценить только фотохимический эффект, а циклические тепловые нагрузки не имеют значения. Метод характеризуется непрерывным 24-часо­вым облучением и считается упрощенным. При этом методе могут быть не выявлены процессы деградации, обусловленные цикличес­кими тепловыми нагрузками.

При реализации всех трех методов интегральная поверхностная плотность потока излучения должна быть равна 1,120 кВт/м2 + 10% (в том числе поверхностная плотность потока ультрафиолетовой части спектра 68 Вт/м2). Спектральное распределение должно соответство­вать данным, указанным в табл. 6.5.

Во время фазы облучения температуру воздуха в камере повыша­ют приблизительно с постоянной скоростью и поддерживают на уровне 40 или 55 °С с точностью ±2 °С. При проведении испытаний с одно­временным воздействием влажности необходимо указывать период, в течение которого она должна поддерживаться: а) во время фаз об­лучения; б) в период темновых фаз; в) в течение всей продолжитель­ности испытаний.

Продолжительность испытаний (число циклов) зависит от цели испытаний, ее рекомендуют выбирать из следующего ряда: 3, 5, 10, 56 циклов. Сокращать продолжительность испытаний за счет увели­чения поверхностной плотности потока (интенсивности) излучения не рекомендуется.

В нормативной документации на изделие следует указывать, дол­жно ли оно функционировать в процессе испытаний и значения ка­ких параметров необходимо измерять.

В случаях, когда требуется проводить испытания солнечных ба­тарей, систем слежения за Солнцем и других изделий, предназна­ченных для космических исследований, необходимо обеспечение точной коллимации лучей от излучателя (т. е. оптическая ось рефлектора должна составлять прямой угол с поверхностью изделия).

Подробную информацию можно получить связавшись с нами по телефону
+7(49244) 9-82-38; +7(49244) 6-74-44 или отправить свой вопрос на наш электронный адрес me68@mail.ru.

Наши услуги

Аккредитация

Презентация

Реквизиты