Solarsimulation und Materialtestung.

Solarsimulation wird eingesetzt, um die Auswirkungen von Sonnenlicht auf bestimmte zu bestrahlende Objekte zu untersuchen. Anders als bei Freilandversuchen mit starken zeitlichen Schwankungen können hier Messungen unter definierten, kontinuierlichen, tages- und jahreszeitlich unabhängigen Bedingungen durchgeführt und auch reproduziert werden.

Das Spektrum des auf der Erde eintreffenden Sonnenlichts reicht von etwa 300 nm bis ca. 4.000 nm. Es gliedert sich in UV-C, UV-B, UV-A, die sichtbaren und infraroten Bereiche. Diese Strahlung, besonders die kurzwellige, hat Auswirkungen auf die meisten modernen Werkstoffe.

Zur Prüfung der Werkstoffe können die Werkstoffe nun der Sonnenbestrahlung in sogenannten Freifeld-Bewitterungsanlagen ausgesetzt werden oder eben in speziellen Klimakammern mit integrierter Sonnensimulation. In diesen Kammern können auch zusätzlich weitere Umweltbedingungen realisiert werden wie Kälte, Hitze, Regen und Höhe.

Normen zur Reproduzierung von Sonnenstrahlung

Das Tageslicht variiert deutlich abhängig von der Tageszeit, vom Sonnenstand, vom Wetter, der Jahreszeit und der geografischen Lage. Um Sonnenstrahlung reproduzierbar nachzubilden, wurden entsprechende Spektren nach CIE 20 – 80 von 270 – 3000 nm festgelegt bzw. in ähnlicher Form in Normen, wie z.B. die DIN 75220 (Aging Automobile Components), MIL-STD 810 (Environmental Test on Military Field), IEC 68 (Grundlegende Umweltprüfverfahren), SC03-Test (EPA Motor Vehicle Emissions Test). Qualitätstests zur künstlichen Beanspruchung der Materialien von PV-Modulen sind in den Richtlinien IEC 61215 bzw. IEC 61646 geregelt.

Welche Produkte eignen sich zur Sonnensimulation?

Künstlich und im Einklang mit den Normen lässt sich Sonnenlicht nun mit verschiedenen Beleuchtungstechnologien realisieren. Zu erwähnen wären Halogenmetalldampflampen, Xenonstrahler, LED-Beleuchtung und, wenn es nur auf den Einfluss der Wärmestrahlung ankommt, sogar nur reine Infrarotstrahler.

Halogenmetalldampflampen sind eine ausgereifte Technologie, die seit den 80er Jahren für größere Solarsimulatoren in Klimaprüfkammern verwendet wird. Diese Art von Entladungslampen ist mit einer Mischung aus Argon, Quecksilber und Metallhalogeniden gefüllt, die beim Zünden unter Bildung eines Plasmas verdampfen. Nach einigen Minuten erreicht das Plasma ein thermisches Gleichgewicht und emittiert ein quasi-kontinuierliches Spektrum ähnlich der globalen Sonnenstrahlung, was durch Filterung noch verbessert werden kann.

Halogenmetalldampflampen bieten einen höheren Wirkungsgrad als optisch gefilterte Xenon-Lampen und sind für eine großflächige Beleuchtung besser geeignet, auch wenn die Xenon-Lampen in den UV- und sichtbaren Teilen des Spektrums die bessere spektrale Anpassung an die natürliche Sonnenstrahlung aufweisen. Außerdem emittieren Halogenmetalldampflampen im Vergleich zu Xenon geringere Mengen an Infrarot, was das Wärmemanagement erleichtert.

Bei Halogenmetalldampflampen ist die spektrale Strahlungsverteilung direkt von der Plasmatemperatur abhängig, welche wiederum von Abkühlung/Erwärmung der Leuchten oder Änderungen der Betriebsleistung beeinflusst wird. Dimmen ist darum kaum möglich, die Bestrahlungsstärke wird durch die Entfernung bzw. die Zahl der Leuchten bestimmt.