Simulátory slunečního světla druhé generace

Simulátory slunečního světla (solar simulators) jsou speciálně vyvinuté zdroje světla, které co nejpřesněji simulují spektrum slunečního záření. Vytvářejí homogenní svazek rovnoběžných (kolimovaných) světelných paprsků se spektrální charakteristikou velmi podobnou slunečnímu světlu, který dopadá na osvětlovanou plochu. Simulace slunečního světla musí splňovat požadavky mnoha přísných mezinárodních standardů jako např. ASTM 927-91, IEC 904-9 nebo JISC C 8912, protože se využívá zejména v náročných technologických procesech.

Jako zdroj bodového záření se v simulátorech slunečního světla obvykle používají xenonové výbojky, protože jejich spektrum se v porovnání s jinými dostupnými zdroji nejvíce blíží spektru slunečního světla. Xenonová výbojka je umístěna v ohnisku elipsoidního reflektoru, který soustřeďuje více než 70 % jejího světelného toku (obr. 1). Záření je zaostřeno do speciálního optického homogenizátoru, který vytváří rovnoměrný rozbíhavý (divergentní) svazek světla. Tento svazek světla je zrcátkem vychýlen o 90° a dopadá na soustavu spojných čoček, vytvářející výstupní svazek rovnoběžných paprsků. Optické vybavení simulátoru obsahuje všechna zařízení, která jsou nutná k zajištění požadovaného spektrálního tvaru, rovnoměrnosti a úrovně osvětlení. Základní koncepce simulátoru slunečního světla je dlouho známa a ve světě standardně používána. Inženýři nedávno založené firmy Abet Technologies, která patří do skupiny LOT-OrielDarmstadt/SRN navrhli a realizovali mnoho zlepšení. Především optimal izovali tvar elipsoidního reflektoru pro použitý typ xenonové výbojky, podstatně zmenšili počet optických ploch v dráze světelných paprsků, zvýšili účinnost soustředění světla a použitím počítačového programu pro návrh optického systému redukovali počet nesouosých paprsků. Výsledek se dostavil: vznikl podstatně zdokonalený simulátor slunečního světla druhé generace LSO, jehož světelná účinnost je nejméně dvakrát větší než u standardně konstruovaného simulátoru. Jinými slovy, nový simulátor LSO má stejnou světelnou výtěžnost jako standardní systém s dvojnásobným příkonem. Simulátory řady LSO se vyznačují typickou homogenitou > 95 % (třída B podle IEC 904-9) a vyhovují nejvyšším požadavkům na stabilitu a souhlas se slunečním spektrem (třída A podle IEC 904-9).

Firma Abet Technologies vyrábí simulátory slunečního světla řady LSO ve čtyřech základních verzích s rozměrem osvětlené plochy od 50 × 50 do 200 × 200 mm, které lze vhodnými filtry modifikovat pro různé světelné podmínky (např. pro různou výšku slunce nad obzorem). Všechny části simulátoru slunečního světla, tj. síťový zdroj, xenonová výbojka, elektronicky řízená uzávěrka, a kompletní optické vybavení (obr. 2) jsou umístěny v kompaktním krytu o rozměrech přibližně 350 × 500 × 750 mm. Speciální podpěra zvedá přístroj do základní pracovní výšky 200 mm nad rovinou osvětlení. Rovnoměrnost osvětlení zůstává velmi dobře zachována až do vzdálenosti 1,2 m od pracovní roviny. Simulátor se obvykle používá jako samostatně stojící jednotka. Může však být také zavěšen shora a použit bez podpěry v případech, kdy je zapotřebí volný přístup k osvětlené pracovní ploše. Na přání je možné simulátory LSO vybavit světelnou zpětnou vazbou s detektorem světla umístěným v optické části simulátoru. Detektor trvale monitoruje úroveň osvětlení, které dopadá na osvětlenou pracovní plochu. Jakmile výbojka zestárne nebo se optické komponenty zapráší a signál přijímaný detektorem se zmenší, smyčka elektronické zpětné vazby upraví příkon xenonové výbojky tak, aby byla zaručena konstantní úroveň osvětlení pracovní plochy.

Teplota baňky xenonové výbojky nesmí ani po delší době provozu překročit 600 až 900 °C, protože by baňka nevydržela vysoký tlak způsobený nadměrnou teplotou. S ohledem na běžnou oxidaci přívodních vodičů nesmí teplota patice výbojky překročit 230 °C. Proto výbojky s příkonem 200 W a vyšším vyžadují nucené chlazení spodní připojovací části a výbojky s příkonem nad 500 W vyžadují i chlazení baňky. Jakýkoliv prach a částice špíny přiváděné do optického systému mohou zhoršit činnost simulátoru a zkrátit dobu života důležitých optických komponent. Proto se v simulátorech řady LSO používají chladicí ventilátory s velmi účinným filtrem HEPA (High Efficiency Particulate Absorbing), které prodlužují dobu života choulostivých optických komponent.

Veškeré prvky pro seřízení optických komponent jsou účelně umístěny na zadní straně krytu přístroje. Jsou vybaveny uzamykatelnými indikačními stupnicemi, které informují uživatele o aktuálním nastavení a zaručují stabilní činnost po seřízení. Zaostřovat a středit přístroj je možné plynule a velmi jemně, což umožňuje optimalizovat velikost výstupního svazku světelných paprsků a úroveň osvětlení podle konkrétního použití. Výměna poškozené nebo již slabé xenonové výbojky nevyžaduje žádné speciální nářadí. Při zaostřování výbojky není pracovník vystaven žádné nebezpečné úrovni osvětlení. Při návrhu simulátoru nové generace byl kladen velký důraz na bezpečnost a spolehlivost provozu. Při poruše větráku, která by mohla způsobit přehřátí výbojky, systém bezpečnostního blokování simulátor okamžitě vypne. Podobně je tomu v případě, kdy obsluha za provozu otevře kryt simulátoru: přístroj se automaticky odpojí od sítě pro vyloučení ohrožení obsluhy nebezpečným napětím, proudem nebo zářením. Simulátory slunečního světla LSO uvádí na trh společnost LOT-Oriel Darmstadt. Bližší informace lze nalézt na webové adrese www.lot-oriel.com

[Solarsimulation zweite Generation. Spektrum. Fachinformation von LOT Oriel Darmstadt. Mrz 2007, č. 105, s. 1–2.]

Ing. Karel Kabeš

Obr. 1. Dráha paprsků v simulátoru slunečního světla (Foto: LOT-Oriel)
Obr. 2. Optická část simulátoru slunečního světla (Foto: LOT-Oriel)

Celý příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde