Wprowadzenie: Dlaczego kalibracja symulatora słonecznego ma znaczenie

W testowaniu modułów fotowoltaicznych niezawodny pomiar zaczyna się od jednej rzeczy: odpowiednio skalibrowanego symulatora słonecznego. Jeśli moc wyjściowa symulatora nie jest dokładnie kontrolowana, zmierzona moc, prąd i wydajność modułu mogą odbiegać od rzeczywistej wartości. Na rynku, gdzie moduły o mocy 500 W i wyższej są już powszechne, nawet błąd 0,5% może mieć znaczenie komercyjne.

Symulator słoneczny to urządzenie zaprojektowane do odtwarzania światła słonecznego w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Jest szeroko stosowany do testowania wydajności modułów PV, zwłaszcza w warunkach STC (Standard Test Conditions). Mówiąc prosto, jest to główne źródło światła w profesjonalnych testach elektrycznych PV.

Rysunek 1 Symulator słoneczny A+ A+ A+

Źródło obrazu: Internet

Kalibracja irradiancji w warunkach STC

W większości prac kalibracyjnych w laboratorium pierwszym celem jest irradiancja. W warunkach STC symulator powinien być ustawiony na 1000 W/m² z widmem AM1.5G i temperaturą ogniwa 25°C.

W branży PV powszechnie stosuje się ogniwo WPVS jako Podstawowe urządzenie referencyjne. Kwalifikowane instytuty metrologiczne, takie jak PTB czy NREL, dostarczają skalibrowany prąd zwarciowy (Isc) ogniwa WPVS dla irradiancji AM1.5G i 1000 W/m². Ta wartość kalibracji jest zgodna z Międzynarodowym Układem Jednostek Miar, a jej niepewność może wynosić nawet około 0,5%.

Ze względu na tę identyfikowalność i stabilność, ogniwo WPVS jest często używane do przenoszenia niskiej niepewności kalibracji na wtórne urządzenia odniesienia.

Jednak kalibracja symulatora słonecznego na poziomie modułu nie polega tylko na ustawieniu jednej liczby w oprogramowaniu. Obszar testowy jest duży, często około 2,6 m × 1,5 m lub nawet 3 m × 2 m. Przed ostateczną regulacją natężenia napromienienia należy zmierzyć punktowo rozkład natężenia na płaszczyźnie testowej. Zgodnie z IEC 60904-9, obszar testu nierównomierności powinien obejmować co najmniej 80% obszaru testowego symulatora. Następnie można obliczyć średnie natężenie napromienienia całej płaszczyzny testowej i wykorzystać je jako podstawę kalibracji.

Rysunek 2 Ogniwo WPVS

Źródło obrazu: Internet

Monitorowanie ogniwa referencyjnego WPVS: Małe błędy pozycji mają znaczenie

Podczas kalibracji ogniwo WPVS jest zwykle umieszczane w pozycji ogniwa referencyjnego, aby monitorować natężenie napromienienia w czasie rzeczywistym podczas pracy symulatora. Sygnał prądowy z ogniwa WPVS jest przekształcany na sygnał napięciowy za pomocą wzmacniacza lub rezystora, a następnie odczytywany przez system symulatora.

Kalibracja jest zakończona poprzez dostosowanie odpowiedniego parametru oprogramowania. Na przykład niektóre symulatory Halm używają ustawienia wartości kalibracji, podczas gdy niektóre systemy Pasan używają ustawień czułości. W niektórych systemach zależność między prądem a czułością jest podawana bezpośrednio jako wzór konwersji.

Ale jest jeden łatwo przeoczony szczegół: ogniwo referencyjne jest często umieszczane poza głównym obszarem testowym. Natężenie napromienienia w tym miejscu może być niższe niż średnie natężenie napromienienia na płaszczyźnie testowej modułu. Jeśli wartość metrologiczna jest używana bezpośrednio bez kompensacji, rzeczywiste natężenie napromienienia w obszarze testowym modułu może stać się zbyt wysokie, co wpłynie na zmierzoną moc.

Nawet jeśli ogniwo referencyjne jest umieszczone wewnątrz obszaru testowego, problem nie znika całkowicie. Dla symulatora klasy A+ z nierównomiernością poniżej 1%, ogniwo referencyjne jest często umieszczane w pobliżu krawędzi strefy testowej. Może to nadal wprowadzać odchylenie około 0,5% do 1%. W testach PV nie jest to mała liczba.

Temperatura ogniwa referencyjnego również musi być kontrolowana blisko 25°C. Chociaż współczynnik temperaturowy Isc jest zwykle stosunkowo mały, wahania temperatury nadal przyczyniają się do niepewności pomiaru. Jeśli celem jest precyzja, wpływ temperatury powinien być maksymalnie zredukowany.

Rysunek 3 Obszar testowy symulatora słonecznego i położenie ogniwa referencyjnego

Kalibracja przy różnych poziomach natężenia promieniowania

Ogniwa WPVS są nie tylko stabilne; oferują również dobrą liniowość. Dzięki temu są przydatne do kalibracji natężenia symulatora przy różnych poziomach światła. Na przykład, jeśli docelowe natężenie wynosi 200 W/m², skalibrowaną wartość Isc przy 1000 W/m² można pomnożyć przez 0,2, aby uzyskać oczekiwany prąd odniesienia.

W przypadku symulatorów słonecznych z lampą ksenonową duże zmiany natężenia często osiąga się za pomocą różnych filtrów. Po zmianie filtrów zaleca się ponowny pomiar nierównomierności natężenia, ponieważ rozkład optyczny może się zmienić wraz z intensywnością.

Kalibracja spektralna: symulatory ksenonowe i LED

W przypadku symulatorów słonecznych ksenonowych widmo jest determinowane głównie przez źródło lampy i filtry optyczne. W większości laboratoriów widmo nie może być swobodnie regulowane. Dlatego właściwą metodą jest użycie skalibrowanego spektrometru do pomiaru widma w kilku pozycjach w obszarze testowym. Zgodnie z IEC 60904-4 wymagane są co najmniej cztery punkty pomiarowe.

Kluczem nie jest uzyskanie idealnego widma tylko w jednym miejscu, ale potwierdzenie, że symulator spełnia wymaganą klasę spektralną w odpowiednim obszarze testowym.

Rysunek 4 Pozycje pomiaru widma

Symulatory słoneczne oparte na diodach LED są bardziej elastyczne. Ich rozkład spektralny można zazwyczaj regulować za pomocą oprogramowania, co ułatwia spełnienie wymagań spektralnych klasy A+ w normie IEC 60904-9. Mimo to odchylenie spektralne, często omawiane w kontekście oceny SPD, powinno być utrzymywane na jak najniższym poziomie.

Jedną z praktycznych kwestii jest to, że symulatory LED są zwykle zbudowane z wielu płytek obwodów LED. Może to prowadzić do zauważalnej nierównomierności spektralnej na płaszczyźnie testowej. Z tego powodu lepiej jest mierzyć więcej punktów, zamiast polegać tylko na minimalnym wymaganiu.

Kolejna ważna kwestia: symulatory LED mogą osiągać duże zmiany natężenia bez filtrów, ale ich widmo może się zmieniać przy różnych poziomach natężenia. Za każdym razem, gdy ustawienie natężenia zmienia się znacząco, widmo powinno być ponownie sprawdzone, a nie zakładane, że pozostaje niezmienione.

Podsumowanie: Kalibracja jest podstawą pomiarów PV

Kalibracja symulatora słonecznego jest jednym z fundamentów dokładnych testów modułów PV. W laboratorium głównym celem jest uzyskanie precyzyjnego pomiaru, a następnie przeniesienie wysokiej jakości wartości kalibracyjnych na wtórne urządzenia referencyjne.

W liniach produkcyjnych strategia kalibracji może być inna, ponieważ prędkość, powtarzalność, stabilność sprzętu i kontrola procesu fabrycznego stają się częścią systemu pomiarowego. Ale podstawowa zasada pozostaje taka sama: źródło światła musi być kontrolowane, weryfikowane i zrozumiane.

Zarówno kalibracja irradiancji, jak i pomiar widma wymagają starannej pracy. Pozycja ogniwa referencyjnego, niejednorodność obszaru testowego, zmiany filtrów, rozkład widmowy LED i kontrola temperatury mogą wpływać na końcowy wynik mocy. W testach PV małe błędy nie pozostają małe na długo.

Opinia Ooitech

Jako dostawca sprzętu współpracujący z liniami produkcyjnymi modułów słonecznych, Ooitech postrzega kalibrację symulatora słonecznego nie jako jednorazowe ustawienie, ale jako część całego systemu kontroli jakości fabryki. W przypadku produkcji modułów o wysokiej przepustowości, tester IV i symulator słoneczny muszą być dopasowane do jasnych procedur kalibracyjnych, stabilnych urządzeń referencyjnych i praktycznego szkolenia operatorów; w przeciwnym razie dokładność laboratoryjna może nie przełożyć się na powtarzalność linii produkcyjnej. Prawdziwym wyzwaniem jest zrównoważenie precyzji z codzienną wydajnością produkcji, zwłaszcza gdy zaawansowane technologie modułów i wyższe moce znamionowe sprawiają, że małe odchylenia pomiarowe są bardziej widoczne.