Роль и экспериментальное применение ксеноновых ламп в солнечных имитаторах

Ксеноновые лампы, являясь основным компонентом солнечных имитаторов, являются незаменимыми инструментами в современных научных исследованиях и промышленности. Они способны «воспроизводить» естественный солнечный свет в лабораторных условиях и точно его контролировать, что позволяет проводить глубокие исследования взаимодействия света с веществом. Это стимулирует развитие множества передовых направлений — от новой энергетики до освоения космоса.

Ксеноновые лампы: основной инструмент для моделирования солнечных спектров

Основная причина, по которой ксеноновые лампы являются предпочтительным источником света для солнечных имитаторов, заключается в их непрерывном спектре и сходстве со спектром солнца. При разряде ксенона в электрической дуге высокого давления он излучает непрерывный спектр, охватывающий ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны, что близко к спектральному распределению солнечного света. Для достижения более высокой точности моделирования солнечные имитаторы обычно оснащаются сложными оптическими системами, включая:

• Фильтры: Используется для точной подгонки исходного спектра ксеноновой лампы, обеспечивая его высокое соответствие международным стандартам (таким как AM1.5G, глобальный стандарт спектра Air Mass 1.5). Это гарантирует, что имитируемый солнечный свет у поверхности Земли имеет спектральные компоненты, практически идентичные реальным условиям.
• Оптические формирующие устройства: Такие элементы, как линзы и зеркала, используются для фокусировки или рассеивания светового луча, обеспечивая высокую равномерность облучения в целевой зоне тестирования. Эта равномерность имеет решающее значение для измерения общей эффективности оптоэлектронных устройств.
• Системы управления интенсивностью света: Достигните точного контроля над освещенностью (интенсивностью света), регулируя мощность ксеноновой лампы или используя диафрагмы, имитирующие условия различного климата или интенсивности солнечного излучения.

Эта точная возможность управления дает ксеноновые лампы-симуляторы солнца непревзойденные преимущества:

• Высокая воспроизводимость и сопоставимость: Каждый эксперимент можно проводить в идентичных и контролируемых условиях освещения, что гарантирует точность результатов и сопоставимость данных между различными исследовательскими учреждениями. Это имеет решающее значение для установления отраслевых стандартов и содействия международному сотрудничеству.
• Возможность ускоренного тестирования: Увеличивая интенсивность имитируемого света, можно имитировать процесс старения материалов, который в реальных условиях наружного применения занял бы годы или даже десятилетия, в течение недель или месяцев, что значительно сокращает циклы разработки и проверки новых материалов и изделий.
• Контролируемая среда в помещении: Позволяет избежать влияния неконтролируемых факторов, таких как изменения погодных условий на открытом воздухе и сезонные колебания, на результаты эксперимента, что позволяет исследователям больше сосредоточиться на влиянии самого света на образец.

Широкое экспериментальное применение имитаторов солнечной энергии на основе ксеноновых ламп

Солнечные имитаторы на основе ксеноновых ламп играют незаменимую роль в нескольких ключевых областях, выступая мощным двигателем технического прогресса.

1. Тестирование и характеристика новых фотоэлектрических (PV) устройств

Фотоэлектрические технологии лежат в основе нынешнего глобального энергетического перехода. Солнечные имитаторы с ксеноновыми лампами являются важнейшими инструментами в исследовании, разработке и производстве фотоэлектрических элементов и модулей:

• Характеристика эффективности фотоэлектрических элементов: Измеряет кривые вольт-амперной характеристики (ВАХ) различных солнечных элементов (например, кристаллического кремния, тонкопленочных, перовскитных, органических элементов) для оценки их напряжение холостого хода (Voc​), ток короткого замыкания (ИСК), максимальная точка мощности (Pmax), и коэффициент заполнения (FF), тем самым точно рассчитывая эффективность фотоэлектрического преобразования ячейки.
• Анализ квантовой эффективности (EQE/IQE): Измеряет способность клетки реагировать на различные длины волн света, помогая глубже понять механизмы поглощения света и переноса заряда клеткой, обеспечивая основу для оптимизации структуры материалов и устройств.
• Исследования долгосрочной стабильности и деградации: Моделирует влияние длительного воздействия света на производительность фотоэлектрических устройств, оценивая их срок службы и надежность, особенно для новых материалов, таких как перовскиты, стабильность которых при высоких температурах, высокой влажности и воздействии света является актуальной темой исследований.
• Сертификационные испытания фотоэлектрических модулей: Солнечные имитаторы, соответствующие международным стандартам, таким как IEC и ASTM, являются обязательным оборудованием для сертификации фотоэлектрических модулей, поступающих на рынок, гарантируя соответствие продукции проектным характеристикам и стандартам безопасности.

2. Исследование старения материалов и атмосферостойкости

Стойкость материалов к воздействию солнечного света является ключевым фактором, определяющим перспективы их применения. Солнечные имитаторы с ксеноновыми лампами предоставить мощную исследовательскую платформу для материаловедов:

• Испытания на ускоренное старение и атмосферостойкость: Широко применяются в таких областях, как производство покрытий, пластмасс, резины, текстиля, строительных материалов, а также деталей интерьера и экстерьера автомобилей. Моделируя синергетическое воздействие факторов окружающей среды, таких как солнечный свет, температура и влажность, эти испытания ускоряют оценку явлений старения материалов, таких как изменение цвета, растрескивание, меление и ухудшение механических свойств. Это критически важно для разработки новых материалов, устойчивых к атмосферным воздействиям.
• Оценка эффективности солнцезащитного средства: Используется для точного определения Фактор защиты от солнца (SPF) и Уровень защиты от UVA-излучения (PA) солнцезащитных кремов, солнцезащитной одежды и других товаров, гарантируя их соответствие запросам потребителей и нормативным требованиям.
• Исследование фотохромных материалов: Изучает механизм изменения цвета или оптических свойств материалов под воздействием света, например, в умных окнах и оптических датчиках.
• Исследования биодеградации: Оценивает влияние воздействия света на процесс деградации биоразлагаемых материалов.

3. Моделирование космической среды

В необъятной Вселенной космические корабли и спутники сталкиваются с экстремальными условиями солнечной радиации. Солнечные имитаторы с ксеноновыми лампами являются незамеченными героями освоения космоса:

• Испытания радиационной стойкости материалов космических аппаратов: Имитирует сильное ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение в космосе для проверки ухудшения характеристик внешних материалов, покрытий и солнечных панелей космических аппаратов при длительном космическом воздействии, гарантируя их надежность в экстремальных условиях.
• Проверка системы терморегулирования: Оценивает эффективность работы систем терморегулирования космических аппаратов (например, радиаторов, тепловых трубок) при различных условиях теплового потока путем моделирования углов падения солнечного излучения и его интенсивности.
• Моделирование условий Марса/Луны: Объединяет вакуумные и низко-/высокотемпературные системы для создания более полной среды лунной или марсианской поверхности, проверяя эксплуатационные характеристики посадочных модулей и марсоходов в условиях экстремальных перепадов температур и радиации, предоставляя критически важные данные для миссий по исследованию дальнего космоса.

4. Исследования фотокатализа и фотохимии

Солнечные имитаторы с ксеноновыми лампами также играют важную роль в управлении экологией и разработке новых катализаторов:

• Фотокаталитическое разложение загрязняющих веществ: Моделирует фотокаталитические реакции, инициируемые солнечным светом, для изучения эффективности и механизма действия новых фотокатализаторов (например, TiO2, g-C3N4) при разложении органических загрязнителей и ионов тяжелых металлов в воде или воздухе.
• Фотокаталитическое расщепление воды для производства водорода: Моделирует фотокаталитическое расщепление воды с использованием солнечной энергии для производства водорода, исследует эффективные и устойчивые технологии производства водорода, предлагая решения для будущих энергетических систем.
• Исследования фотохимии атмосферы: Моделирует процессы фотохимического превращения аэрозолей и летучих органических соединений (ЛОС) в атмосфере под воздействием солнечного света, помогая понять и предсказать образование и эволюцию загрязнения воздуха.

5. Рост растений и сельскохозяйственные исследования

В биологических и сельскохозяйственных исследованиях, ксеноновые лампы-симуляторы солнца также имеют свои уникальные применения:

• Исследования фотобиологии растений: Моделирует влияние различной интенсивности и спектров света на рост растений, эффективность фотосинтеза, морфологическое развитие, цветение и плодоношение, а также синтез вторичных метаболитов, обеспечивая научную основу для оптимизации условий сельскохозяйственного производства.
• Исследование фотореакции микроорганизмов: Изучает рост, метаболизм и синтез продуктов микроорганизмов (например, водорослей) при различных условиях освещенности, например, для производства биотоплива.

Заключение

Благодаря технологическому прогрессу, солнечные имитаторы на основе ксеноновых ламп развиваются в сторону повышения точности, расширения спектрального диапазона, увеличения площади освещения и более интеллектуального управления. В будущем они продолжат играть незаменимую экспериментальную роль в продвижении чистой энергии, высокопроизводительных материалов, освоении космоса и обеспечении устойчивого развития окружающей среды, обеспечивая человечеству постоянную экспериментальную поддержку в исследовании тайн света и использовании его силы.

О Кеми

Компания Anhui Kemi Instrument Co., Ltd., основанная в 2014 году, — высокотехнологичное предприятие, специализирующееся на исследованиях, разработках и производстве научно-исследовательских приборов. Располагая производственными мощностями площадью 10 000 квадратных метров, компания обслуживает более 20 000 научно-исследовательских учреждений по всему миру, включая ведущие университеты Китая. Kemi Instrument предлагает высококачественное оборудование и решения, разработанные по индивидуальному заказу, в сотрудничестве с ведущими поставщиками и университетами. Компания стремится стать мировым лидером в области научно-исследовательских приборов.