Soltårnet udsætter materialer for intens varme for at teste termisk respons

Sandia National Laboratories bruger sit soltårn til at hjælpe med at vurdere virkningen af ​​ekstreme temperaturændringer på materialer.

Testene, nu på deres andet år, drage fordel af Sandias National Solar Thermal Test Facility evne til at simulere en meget hurtig temperaturstigning efterfulgt af et lige så hurtigt fald. Testen er for luftvåbnet og vil fortsætte i mindst endnu et år.

Forskere satte en 4 x 4 tommer prøve af kompositmateriale, kaldet en kupon, ind i et testkammer, udsæt det derefter for en burst af intens varme. Forskellige kuponer er lavet af forskellige typer materialer.

Specialovne kan nå de nødvendige temperaturer, men ovne kan ikke varme op eller køle ned hurtigt. "Og det er svært bare at stikke en kupon ind rigtig hurtigt og så tage den ud, " sagde testingeniør Josh Christian. "Vores anlæg er virkelig gode til at levere en hurtig rampehastighed for disse varmekurver, og vi kan også producere en slæbende kurve ved at flytte vores spejle på en sådan måde at fjerne varmen fra prøven."

Kuponen placeres flugt med en væg i et testkammer, dybest set en kasse, vendt mod et kvartsvindue, der tillader varmen fra spejlene. Testene, som bruger omkring en fjerdedel af heliostatfeltet, kan ændre varmeniveauer efter behov.

I første omgang, skydeskodder foran vinduet lukkes. Soltårnsteamet fokuserer reflekteret lys fra heliostaterne på et kalibreringspanel og bruger en varmefluxmåler til at måle den effekt, der vil ramme prøven. Så flytter de det reflekterede lys over på skodderne. Når klar, skodderne åbnes og lukkes meget hurtigt for at producere de nødvendige varmekurver på prøven. På samme tid, en vindtunnel med en blæser i den ene ende tvinger luft hen over prøven, simulering af konvektiv køling. Konvektiv køling påvirker opvarmningshastigheden, da med konvektiv køling, materialer overlever længere tid under intens varme.

Prøven kan opvarmes flere gange

Forskere kan udsætte en prøve for varme flere gange for at etablere materialeresponstærskler efter eksponering.

"Varmen går ind, vi lukker, det er slutningen på testen, " sagde Christian. "Vi gør dette gentagne gange, 10 til 30 gange om dagen."

Før og efter en test, et andet Sandia-hold tjekker prøven med en 3-D-scanner, som bestemmer om den varme producerede bobler eller tekstur ændrer sig i materialet, sagde Christian.

Endnu en gruppe Sandia-forskere tager reflektionsmålinger - hvor meget lys der reflekteres fra overfladen. For eksempel, hvis en prøve absorberer 90 procent af lyset og reflekterer 10 procent, så opvarmede 10 procent af lyset det ikke. Josh sagde, at det er vigtigt, fordi i det virkelige liv, materialer med høj reflektionsværdi opvarmes langsommere.

Et tredje hold bruger ikke -destruktive metoder til at kigge inde i prøven efter en test, kontrollere for ændringer under overfladen, hvilket er særligt vigtigt for komplekse strukturer lavet af flere forskellige materialer.

Testen fortsætter hele året

Tests fortsætter året rundt, men Air Force-programmet tester ikke hver dag, da soltårnet også laver tests for andre programmer. Sidste sommer, for eksempel, Christian skønnede, at der var afsat 30 til 40 dage til projektet. Testene fortsætter om vinteren, men testperioderne er kortere på grund af solens vinkel til spejlene.

"For vores anlæg, dette er en stor test, der er begyndt at blive rutine, da vi har testet hundredvis af prøver, sagde Christian, som har arbejdet på tårnet i otte år.

Projektet har også ført til forbedringer ved National Solar Thermal Test Facility, inklusive en ny sporingsalgoritme for heliostaterne og avancerede teknikker til karakterisering af varmeflux, som giver forskerne mulighed for at kvantificere den varme, der påføres prøver. At kende den nøjagtige varme, der anvendes, er afgørende for at forstå, hvilke forhold materialer kan overleve, og forskere udviklede nye værktøjer til at hjælpe med at udføre denne analyse.

Spejlene bevæger sig med solen for at holde et reflekteret sted på soltårnet, "men vi fandt ud af, at på bestemte tidspunkter af året og tidspunkter af dagen, stedet ville ikke være, hvor vi forudsagde det på grund af ufuldkommenheder i, hvordan spejlene blev installeret, " sagde Christian. Så han sagde, forskere udviklede algoritmer til at forbedre sporingen, som ikke kun hjælper Air Force -projektet, men også Sandias tårn generelt og potentielt andre faciliteter, der bruger heliostatistikker, såsom websteder, der genererer strøm.

Tårnet har lavet tests for andre bureauer, inklusive NASA, og andre projekter for flyvevåbnet. Sandia startede test for dette projekt sidste år. "Nu er det blevet en succes både på vores side og på deres side, " sagde Christian.