Kalibracja PV: Jak skalibrować symulator słoneczny

Krótka odpowiedź: Kalibracja symulatora słonecznego sprawia, że każda ocena modułu produkowanego na Twojej linii jest identyfikowalna. Kalibracja ustawia natężenie napromieniowania i widmo symulatora względem urządzenia referencyjnego, dzięki czemu pomiar przy 1000 W/m2 i 25 °C oznacza to samo na Twojej linii, co w laboratorium certyfikacyjnym. Procedura jest zgodna z IEC 60904 i obejmuje ogniwo lub moduł referencyjny o znanej kalibracji, mierzony pod symulatorem i porównywany z jego deklarowaną wartością. Kluczowe wymagania to stabilne natężenie napromieniowania w całej płaszczyźnie pomiarowej, widmo zgodne z referencyjnym oraz kontrolowana temperatura. Typowe wartości robocze obejmują urządzenie referencyjne skalibrowane w zakresie od 200 W do 500 W oraz pomiary prądu do około 1 A. Symulator, który wypada z kalibracji, nie ulega głośnej awarii; po cichu błędnie ocenia moduły, dlatego okres kalibracji jest elementem zgodności.

Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech

Wprowadzenie: Dlaczego Symulator słoneczny Kalibracja ma znaczenie

W testowaniu modułów fotowoltaicznych niezawodny pomiar zaczyna się od jednej rzeczy: prawidłowo skalibrowanego symulatora słonecznego. Jeśli moc wyjściowa symulatora nie jest dokładnie kontrolowana, mierzona moc modułu, prąd i wydajność 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, szczególnie w warunkach STC, czyli Standardowych Warunkach Testowych. Mówiąc prościej, jest to główne źródło światła w profesjonalnych testach elektrycznych PV.

Rysunek 1 Symulator słoneczny A+ A+ A+

Źródło obrazu: Internet

Kalibracja natężenia napromieniowania w warunkach STC

W większości prac kalibracyjnych w laboratorium pierwszym celem jest natężenie napromieniowania. W warunkach STC symulator należy wyregulować do 1000 W/m² ze spektrum AM1.5G i temperaturą ogniwa 25°C.

W branży PV ogniwo WPVS jest powszechnie stosowane jako Podstawowe urządzenie referencyjne. Wykwalifikowane instytuty metrologiczne, takie jak PTB lub NREL, dostarczają skalibrowany prąd zwarcia, czyli Isc, ogniwa WPVS w warunkach AM1.5G i natężenia napromieniowania 1000 W/m². Ta wartość kalibracyjna jest spójna z Międzynarodowym Układem Jednostek, a jej niepewność może wynosić zaledwie około 0,5%.

Ze względu na tę spójność i stabilność ogniwo WPVS jest często używane do przenoszenia wartości kalibracyjnej o niskiej niepewności na wtórne urządzenia referencyjne.

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 końcową regulacją natężenia napromienienia rozkład natężenia napromienienia na płaszczyźnie testowej należy zmierzyć punkt po punkcie. Zgodnie z IEC 60904-9 obszar badania niejednorodności 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 przez wzmacniacz lub rezystor, a następnie odczytywany przez system symulatora.

Kalibrację przeprowadza się, dostosowując odpowiedni parametr oprogramowania. Na przykład niektóre symulatory Halm wykorzystują ustawienie wartości kalibracyjnej, podczas gdy niektóre systemy Pasan wykorzystują ustawienia czułości. W niektórych systemach zależność między prądem a czułością jest podawana bezpośrednio jako wzór przeliczeniowy.

Istnieje jednak łatwo pomijany 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 zostanie użyta bezpośrednio bez kompensacji, rzeczywiste natężenie napromienienia w obszarze testowym modułu może stać się zbyt wysokie, co wpłynie na zmierzoną moc.

Nawet jeśli ogniwo referencyjne zostanie umieszczone wewnątrz obszaru testowego, problem nie zniknie całkowicie. W przypadku symulatora klasy A+ o niejednorodności poniżej 1% ogniwo referencyjne jest często umieszczane w pobliżu krawędzi strefy testowej. Nadal może to wprowadzać odchylenie około 0,5% do 1%. W testowaniu 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 należy w miarę możliwości ograniczyć.

Rysunek 3 Obszar testowy symulatora słonecznego i pozycja ogniwa referencyjnego

Kalibracja przy różnych poziomach natężenia napromienienia

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

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

Kalibracja spektralna: symulatory ksenonowe i LED

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

Kluczowe jest nie to, aby widmo wyglądało idealnie tylko w jednym miejscu, ale aby potwierdzić, że symulator spełnia wymaganą klasę spektralną w odpowiednim obszarze testowym.

Rysunek 4 Pozycje pomiaru widma

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

Jednym z praktycznych problemów jest to, że symulatory LED są zwykle zbudowane z wielu płytek obwodów LED. Może to prowadzić do zauważalnej nierównomierności spektralnej w całej płaszczyźnie testowej. Z tego powodu lepiej jest zmierzyć więcej punktów, zamiast polegać wyłącznie na minimalnym wymaganiu.

Kolejna ważna kwestia: symulatory LED mogą osiągać duże zmiany natężenia napromienienia bez filtrów, ale ich widmo może nadal zmieniać się przy różnych poziomach napromienienia. Za każdym razem, gdy ustawienie napromienienia zmienia się znacząco, należy ponownie sprawdzić widmo, zamiast zakładać, że pozostaje niezmienione.

Podsumowanie: Kalibracja to podstawa pomiarów PV

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

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

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

Opinia Ooitech

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