CN101493429B

CN101493429B - 太阳光照射模拟试验装置

Info

Publication number: CN101493429B
Application number: CN2009100463642A
Authority: CN
Inventors: 徐勤; 寇玉德; 邹锡林; 刘雄; 唐雅芳; 王晔
Original assignee: SHANGHAI JIANKE TECHNICAL ASSESSMENT OF CONSTRUCTION CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI JIANKE TECHNICAL ASSESSMENT OF CONSTRUCTION CO Ltd
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: CN101493429A

Abstract

一种太阳光照射模拟装置，包括电源控制单元，功率调整器，传感器，灯墙，控制主机及显示器。功率调整器通过传感器接收灯墙向被测物体所辐射的辐射强度，经过处理后传送给控制主机，控制主机经过与设置目标值进行对比并将其结果返回到功率调整器，功率调整器根据其返回的结果调整光源控制单元供给灯墙的功率，控制灯墙的辐射强度。解决了光源强度不易控制的一系列难题。灯墙发射模拟太阳辐射光谱的光波，使得试验更符合实际的自然环境，试验更真实可靠。

Description

太阳光照射模拟试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种太阳光模拟试验装置。尤其适合于建筑幕墙的热工性能的测试。也可广泛应用于太阳能电池测试、材料测试、生物测试、环境研究、光降解加速测试以及化妆皮肤用品的测试等。

背景技术

建筑幕墙是现代建筑***护结构，是室内外环境的分界面，除了必须具备早期建筑的围护结构的安全、遮风、挡雨的防护功能之外，还要通过调整幕墙结构来控制室内外声、光、热等各种形式的能量的流通来实现所需要的舒适度。因而幕墙的热工性能不仅仅是保温性能，从传热学角度来看；当室外温度小于室内设定的舒适性温度时，幕墙要阻挡室内的热量向室外散失，称为幕墙的保温性能；当室外温度大于室内设定的舒适性温度时，幕墙要阻挡室外的热量向室内传递，称为幕墙的隔热性能。

进入21世纪以来，能源问题日趋严重，玻璃幕墙作为一种建筑***护结构，其传热耗热量及冷风渗透耗热量所产生的热损失占全部建筑能耗的40％～50％。由此用于加热或冷却所消耗的电力能源也不断增加，这与能源发展战略是相悖的。如果玻璃幕墙采用合理的结构则可大幅降低能量损耗。

建筑幕墙(建筑门窗)传热通常是以辐射、对流、导热三种方式同时进行，是综合作用的效果。还要考虑太阳辐射热。在实际的幕墙结构中，不仅存在由两侧空气温差引起的热损失，而且还存在由太阳辐射引起的热损失以及由天空辐射引起的热损失。太阳辐射通过幕墙、进入室内的热量是造成夏季室内过热的主要原因。

目前常用的太阳光模拟器大多是通过氙光灯照射到反光镜组上，通过镜面的反射和折射等一系列动作，形成具有一部分太阳光的光束然后再照射到被测物体上，这种装置不容易操作，局限性较大。比如，受外界环境因素影响比较大。另外最大缺点就是不容易控制光源的强度。太阳光的热量主要集中在红外波段。对于建筑幕墙而言，太阳光照射有两个技术参数：照射物表面温度T(单位：℃)和日光辐射最大强度值I(单位：W/m²)。现有设备都只提供前者，没有提供后者的参数。有的装置提供发光强度，(单位：为cd)。还有的装置提供辐照度，(单位为lux)。但这些参数和日光辐射最大强度值I(单位：W/m²)没有直接的换算公式。

英国Standard test methods for building envelopes(测试标准)中第18子项STANDARD THERMAL CYCLING REGIME对幕墙的热工测试有明确的要求：“加热阶段所用的红外灯应以Imax+50/-0W/m²的亮度，即辐射能量的中等强度，均衡照射样品外表面。加热阶段还应提供通风孔，使样品外表层的气温不超过Tmax+5/-0℃。”。

发明内容

本发明试验装置的目的就是模拟太阳光的照射，通过调节使其符合世界各地的日照情况。并解决光源强度不容易控制的难题。

本发明为了达到上述的目的，所采取的技术方案是：

提供一种太阳光照射模拟试验装置，包括与电源连接的电源控制单元，与电源控制单元相连接的功率调整器，分别与功率调整器相连接的传感器，灯墙和控制主机，与控制主机相连接的显示器；所述功率调整器通过传感器接收灯墙向被测物体辐射的热量，经过处理后传送给控制主机；控制主机对其传送的信号与设置目标信号进行对比，对比的结果再返回功率调整器并通过显示器显示或报警；功率调整器根据返回的结果调整电源控制单元控制电源对灯墙的供电功率，及控制灯墙的辐照光强。

所述灯墙包括墙板及分布在墙板上的灯泡；所述分布在墙板上的灯泡发射模拟太阳辐射光谱的光波或者发射单色光波。

本发明的太阳光照射模拟试验装置有显著的效果。

●如上述的结构，本发明的太阳光照射模拟试验装置中包括与电源控制单元连接的功率调整器，功率调整器能够通过电源控制单元实时调整控制电源对灯墙的供电功率，即控制灯墙的发光强度。因此，本发明的试验装置解决了光源强度不容易控制的一系列难题。

●如上述的结构，本发明太阳光照射模拟试验装置中包括与功率调整器相连接的灯墙，灯墙上分布着发射包括太阳辐射光谱光波的灯泡。因此，所述的灯墙模拟出太阳光中各个波段的光谱，真实地再现太阳光辐射的特性。所以，通过本发明的试验装置测试的数据更能接近实际太阳光(日光)的性能特征，更加符合建筑材料以后所要面临的自然环境。

●如上述的结构，本发明太阳光照射模拟试验装置中包括在灯墙上的灯泡可根据试验要求发射不同波段光谱的光波。所以本发明应用广泛，如应用于太阳能电池测试、材料测试、生物测试、环境研究、光降解加速测试以及化妆皮肤用品等的测试。

●如上述的结构，本发明太阳光照射模拟试验装置具有显著的经济效益，传统的烘烤方式一般设备功率大约在100KW，而且操作很费时费力，而本发明的太阳光照射模拟试验装置，功率仅为36KW，操作灵活方便，按一个小时的时间计算，与传统的方式相比，本发明就可以节省64kw/1小时的能量，而且本发明最大的特点，就是能真实地再现了太阳光的不同波段，真实地利用光波进行照射，而不是烘烤。

●如上述的结构，本发明太阳光照射模拟试验装置因为灯墙可以模拟太阳光辐照并辐照的功率可以调整控制，它能够及时为建设者或测试者提供真实可靠的科学数据，为在建筑行业中的材料性能测试方面填补了很多的空白。

●如上述的结构，本发明的太阳光照射模拟试验装置具有结构简单，操作方便，光波波段齐全，真实地再现了自然界中太阳光的性能，而且本发明的试验装置不受测试现场的外界环境因素所干扰。

●如上述的结构，本发明的太阳光照射模拟试验装置完全符合上述的模拟太阳光照射，提供两个技术参数：照射物表面温度T(单位：℃)和日光辐射最大强度值I(单位：W/m²)。符合Standard test methods forbuilding envelopes中第18子项的STANDARD THERMAL CYCLINGREGIME的要求：“加热阶段所用的红外灯应以Imax+50/-0W/m²的亮度，即辐射能量的中等强度，均衡照射样品外表面。加热阶段还应提供通风孔，使样品外表层的气温不超过Tmax+5/-0℃”。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图；

图2是本发明试验装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本发明的结构特征。

如图1、图2所示，本发明的试验装置包括与电源(在本实施例中电源为外部供电***)连接的电源控制单元3，与电源控制单元3相连接的功率调整器1，分别与功率调整器1相连接的传感器5，灯墙6和控制主机2(在本实施例中控制主机2为PCL主机)，与控制主机2相连接的显示器4；所述功率调整器1通过传感器5接收灯墙6向被测物体所辐射的热量，经过功率调整器1处理后的温度信号传送给控制主机2；控制主机2对其温度信号与设置目标温度进行对比，对比的结果再返回功率调整器1并通过显示器4显示或报警；功率调整器1根据返回的结果调整电源控制单元3控制电源对灯墙6的供电功率，即调整控制灯墙6的辐照强度。

本试验装置可根据使用要求范围通过功率调整器1任意调整灯墙的功率范围。其功率调整器1是整个装置的核心部件。在本实施例中，功率调整器1内包括精密温度控制模块和PID闭环控制***。该功率调整器1是型号为LDS60，又名工业级SCR三相功率调整器(调功器)，由台湾桦特公司生产提供。具有额定工作电压高达480VAC保险丝熔断，输入缺相侦测保护功能、智能风扇，内置过热保护恢护电路功能、多种输入讯号控制(0-5V，0-10V，0-20mA，4-20mA)或者手动(外部VR)调整、SCR背靠高耐冲击输入、内置快速半导体级熔断器，压敏电阻保护，瞬间突波保护功能、整机模具成型结构，免螺丝上掀式面板设计数字化，采用最新单片机设计原理，数字化功率调整。

如图1、2所示，功率调整器1与传感器5、控制(PLC)主机2以及灯墙6相连接，传感器收集到信号后会及时把信号传送到功率调整器，功率调整器根据自身携带的PID闭环控制***实时对自身接受的信号进行处理，处理后的数据(以4-20mA的信号方式)传送到控制(PLC)主机，控制(PLC)主机再根据此时的数据进行对比运算，然后把对比结果通过显示器显示出来(或者报警)，操作人员可以很直观的看到操作现场的实时数据，而且操作人员可以通过功能调节器自身的装置实现自我功率调整，从而根据测试现场的需要来模拟太阳光的光照强度，功率大时对应的光照强度大，反之对应的光照强度小。从而真实地再现自然光的光照效果。

本发明试验装置的控制主机通过显示器可以同时显示温度与功率，用户可以根据自己的需要选择所需的数据。

如图1、2所示，本发明试验装置的电源控制单元3直接与外部供电***相连接，功率调整器1再与电源控制单元3相连接，该功率调整器1为其核心部件。传感器5接到功率调整器1的第一接口，功率调整器1的负载端与灯墙6相连接，功率调整器1的通讯口与控制主机2相连接，控制主机2连接到显示器4。

对于本发明试验装置来说，工作区域辐射均匀性是光谱的特性，一般设备是很难实现的。我们采用了功率调整器自身优良的PID控制功能，来及时接收传感器反馈的信号，时时更改灯墙的输出功率，使外部因素对测试材料的影响降低到最小。该太阳模拟器输出光的时间稳定性是为了保证光强的波动不会影响材料的测试效率。即使没有光密度控制***，同样可以达到相应的标准。

本发明试验装置可根据使用要求范围任意调整功率范围，其功率调整器可以由钓钩悬挂起来，这样上下操纵十分自如，便捷。

如图1、2所示，功率调整器1通过接收到传感器5传出的信号后，通过自身的闭环控制回路，进行数据运算，运算后的结果再传输到PLC主机；PLC主机控制程序，负责对电源的管理、记录灯墙点灯的时间、电源输出的数据、对电源状态进行监视、发现异常进行报警，同时对辐照度进行测量，根据功率调整器发出的信号，发出调整电源的输出，以实现光强的自动控制，并通过显示器显示光源辐射的结果，使得试验过程很直观。在本实施例中，功率调整器采用大功率程控单元，单台为36kW功率，程控单元具有恒流工作模式，可以根据PLC主机的命令，自动控制输出电流的强度和稳定性。电源的内部输出锁定功能对电源控制具有最高优先级，利用该功能来实现灯墙保护。在本实施例中，辐照度采用辐照传感器进行相对测量，输出为0～1V的电压信号，信号引出到容器外，通过数字多用表输入到PLC主机。PLC主机的控制程序每10s对辐照度测量信号进行一次采样，计算出辐照度和辐照不稳定度并进行显示和存储，同时控制程序还根据辐照度实际值与设定值的偏差，通过功率调整器调整电源输出电流值并驱动电源输出，实现闭环的辐照度定值控制。功率控制器本身也是辐照度控制的关键环节，利用功率调整器本身的恒流输出功能，可以确保电源输出电流值的精确和稳定，进而确保灯墙发光的稳定。这种电流反馈与辐照度反馈组成的两级反馈闭环控制***，既可以实现辐照不稳定度的控制，也可以实现辐照度的控制和调整。本发明的试验装置以功率调整器为核心，功率调整器内每一个***单元形成一个闭环控制回路。温度传感器测量控制回路的当前温度，然后根据一定的控制算法，计算出每一控制回路的输出，来调整加热功率的大小，实现闭环的定点温度控制。用PLC主机与功率调整器实现目标温度的设置、温度监视报警和控制参数的自整定等。

在本实施例中，所述电源控制单元包括三相控制开关和保护器，如图2所示。所述传感器为辐照传感器或温度传感器。

如图1、2所示，所述灯墙包括墙板及分布在墙板上的灯泡。所述分布在墙板上的灯泡发射包括太阳辐射光谱的光波，或者发射单色光波。例如，通过在灯泡上装有滤光片或窄波透光片等方式，使灯墙发射包含太阳光谱——红(700纳米)、橙(620纳米)、黄(580纳米)、绿(510纳米)、蓝-靛(470纳米)、紫(420纳米)。其中，红外波段占48.3％，可见光波段占43％，紫外波段占8.7％。

在本实施例中，墙板尺寸为：10m*1m，灯距为：235mm，灯泡数量为：160个，每平方米为16个灯泡。灯泡为发射红外线灯泡。测量其本发明试验装置(灯墙)的特性如表1、2、3、4、5所示。其中表1是对于本发明试验装置的空间分布均匀性、光谱匹配度和时间稳定性的测量。表2、3、4、5均为现场实际测试数据。

如表1所示，空间分布均匀性(Irradiance uniformity)符合标准ASTME 927-91(为Specification for Solar Simulation for Terrestrial PV Testing——陆地光伏的太阳能模拟测试规范的标准)为B级(Class B)，符合标准IEC 904-9(为Solar Simulator Performance Requirements——太阳模拟器性能要求的标准)为B级(Class B)；光谱匹配度(AM 1.5G Spectralmatch)符合标准ASTM 927-91为A级(Class A)，符合标准IEC 904-9为A级(Class A)；时间稳定性(Temporal stability)符合标准ASTM 927-91为A级(Class A)，符合标准IEC 904-9为A级(Class A)。从表1中看出本发明的试验装置是完全符合ASTM 927-91和IEC 904-9标准要求的。

表1

Irradiance uniformity	空间分布均匀性
				ASTM 927-91	Class B
	IEC 904-9	Class B
			AM 1.5G Spectral match	光谱匹配度
	ASTM 927-91	Class A
				IEC 904-9	Class A
Temporal stability	时间稳定性
				ASTM 927-91	Class A
	IEC 904-9	Class A

表2为现场实际测试数据1：

表3为现场实际测试数据2：

表4为现场实际测试数据3：

表5为现场实际测试数据4：

从上述表2、3、4、5的现场实际测试的数据上看，本发明的试验装置中灯墙上的功率W和辐射热W/m²是可以任意调节和控制的。如果，当被测物体距离灯墙500mm处，要求被测物体上的温度为80℃，则控制主机设置被测物体上的温度为80℃并计算出相应的灯墙的功率输送给功率调制器，功率调制器按此数据调整电源控制单元控制电源提供该功率给灯墙，而且一直保持该功率直到控制主机更改数据为止。所以当控制主机没有更改数据时，当被测物体上的温度升至80℃时，电源会自动断开，即试验装置会自行关闭，保持恒温(误差范围为1度)；当被测物体上的温度低于80℃时，电源会自行接通，恢复供电。依次循环。

Claims

1.一种太阳光照射模拟试验装置，包括与电源连接的电源控制单元，其特征在于包括与电源控制单元相连接的功率调整器，与功率调整器输入接口相连接的传感器，与功率调整器负载端相连接的灯墙，与功率调整器通讯口相连接的控制主机，与控制主机相连接的显示器；所述功率调整器内部含有PID闭环控制***；

所述功率调整器通过传感器接收灯墙向被测物体辐射的热量，经过处理后传送给控制主机，控制主机对其所接收的信号与设置目标信号进行对比，对比的结果再返回功率调整器并通过显示器显示或报警；功率调整器根据返回的结果调整电源控制单元控制电源对灯墙的供电功率，控制灯墙辐照的辐射强度。

2.根据权利要求1所述的太阳光照射模拟试验装置，其特征在于所述灯墙包括墙板及分布在墙板上的灯泡。

3.根据权利要求2所述的太阳光照射模拟试验装置，其特征在于分布在墙板上的灯泡发射模拟太阳辐射光谱的光波，或者发射单色光波。

4.根据权利要求1所述的太阳光照射模拟试验装置，其特征在于所述功率调整器内部含有精密温度控制模块。