Введение: Почему важна калибровка солнечного симулятора

При тестировании фотоэлектрических модулей надежные измерения начинаются с одного: правильно откалиброванного солнечного симулятора. Если выходная мощность симулятора не контролируется точно, измеренные мощность, ток и эффективность модуля могут отклоняться от истинных значений. На рынке, где модули мощностью 500 Вт и выше уже распространены, даже ошибка в 0,5% может иметь коммерческое значение.

Солнечный симулятор — это устройство, предназначенное для воспроизведения солнечного света в контролируемых лабораторных условиях. Он широко используется для тестирования производительности ФЭ-модулей, особенно при STC (стандартных условиях испытаний). Проще говоря, это основной источник света для профессионального электрического тестирования ФЭ.

Рисунок 1 Солнечный симулятор класса A+ A+ A+

Источник изображения: Интернет

Калибровка облученности в условиях STC

Для большинства лабораторных калибровочных работ первой целью является облученность. В условиях STC симулятор должен быть настроен на 1000 Вт/м² со спектром AM1.5G и температурой элемента 25°C.

В фотоэлектрической промышленности в качестве первичного эталонного устройстваобычно используется элемент WPVS. Квалифицированные метрологические институты, такие как PTB или NREL, предоставляют калиброванный ток короткого замыкания (Isc) элемента WPVS при облученности AM1.5G и 1000 Вт/м². Это калибровочное значение прослеживается до Международной системы единиц, и его неопределенность может составлять всего около 0,5%.

Благодаря этой прослеживаемости и стабильности, WPVS-элемент часто используется для передачи калибровочного значения с низкой неопределенностью вторичным эталонным устройствам.

Однако калибровка солнечного симулятора на уровне модуля заключается не только в установке одного числа в программном обеспечении. Тестовая область велика, часто около 2.6 м × 1.5 м или даже 3 м × 2 м. Перед окончательной регулировкой облученности необходимо измерить распределение облученности по тестовой плоскости точка за точкой. Согласно IEC 60904-9, зона тестирования неравномерности должна охватывать не менее 80% тестовой площади симулятора. После этого можно рассчитать среднюю облученность всей тестовой плоскости и использовать ее в качестве основы для калибровки.

Рисунок 2 WPVS-элемент

Источник изображения: Интернет

Мониторинг эталонного WPVS-элемента: значение малых ошибок позиционирования

Во время калибровки WPVS-элемент обычно размещается в позиции эталонного элемента для мониторинга облученности в реальном времени при работе симулятора. Токовый сигнал от WPVS-элемента преобразуется в сигнал напряжения через усилитель или резистор, а затем считывается системой симулятора.

Калибровка завершается настройкой соответствующего параметра программного обеспечения. Например, некоторые симуляторы Halm используют настройку калибровочного значения, а некоторые системы Pasan — настройки чувствительности. В некоторых системах соотношение между током и чувствительностью предоставляется непосредственно в виде формулы преобразования.

Но есть одна легко упускаемая из виду деталь: эталонный элемент часто размещается за пределами основной тестовой области. Облученность в этом положении может быть ниже средней облученности по тестовой плоскости модуля. Если использовать метрологическое значение напрямую без компенсации, фактическая облученность в тестовой области модуля может стать слишком высокой, что повлияет на измеренную мощность.

Даже если эталонный элемент размещен внутри тестовой области, проблема полностью не исчезает. Для симулятора класса A+ с неравномерностью менее 1% эталонный элемент часто располагается у края тестовой зоны. Это все еще может привести к отклонению около 0.5%–1%. В PV-тестировании это немалое число.

Температура эталонного элемента также должна контролироваться близко к 25°C. Хотя температурный коэффициент Isc обычно относительно мал, колебания температуры все равно вносят вклад в неопределенность измерений. Если точность является целью, влияние температуры должно быть максимально снижено.

Рисунок 3 Область тестирования солнечного симулятора и положение эталонного элемента

Калибровка при различных уровнях облученности

Элементы WPVS не только стабильны, но и обладают хорошей линейностью. Это делает их полезными для калибровки облученности симулятора при различных уровнях интенсивности света. Например, если целевая облученность составляет 200 Вт/м², то калиброванное значение Isc при 1000 Вт/м² можно умножить на 0,2, чтобы получить ожидаемый эталонный ток.

Для ксеноновых солнечных симуляторов большие изменения облученности часто достигаются с помощью различных фильтров. После смены фильтров рекомендуется повторно измерить неравномерность облученности, так как оптическое распределение может измениться вместе с интенсивностью.

Спектральная калибровка: ксеноновые и LED-симуляторы

Для ксеноновых солнечных симуляторов спектр в основном определяется источником лампы и оптическими фильтрами. В большинстве лабораторий спектр нельзя свободно регулировать. Поэтому правильным методом является использование калиброванного спектрометра для измерения спектра в нескольких точках тестовой области. Согласно IEC 60904-4, требуется как минимум четыре точки измерения.

Ключевой момент — не сделать спектр идеальным только в одном месте, а подтвердить, что симулятор соответствует требуемому спектральному классу во всей тестовой области.

Рисунок 4 Положения спектральных измерений

Светодиодные солнечные симуляторы более гибкие. Их спектральное распределение обычно можно регулировать с помощью программного обеспечения, что упрощает выполнение спектральных требований класса A+ в IEC 60904-9. Тем не менее, спектральное отклонение, часто обсуждаемое через оценку SPD, должно быть как можно ниже.

Одна практическая проблема заключается в том, что LED-симуляторы обычно состоят из нескольких светодиодных плат. Это может привести к заметной спектральной неравномерности по тестовой плоскости. По этой причине лучше измерять больше точек, а не полагаться только на минимальные требования.

Еще один важный момент: LED-симуляторы могут достигать больших изменений облученности без фильтров, но их спектр может изменяться при разных уровнях облученности. При значительном изменении настройки облученности спектр следует проверять снова, а не предполагать, что он остался неизменным.

Резюме: Калибровка — основа измерений фотоэлектрических элементов

Калибровка солнечного симулятора является одной из основ точного тестирования фотоэлектрических модулей. В лаборатории основная цель — достичь точных измерений, а затем передать высококачественные калибровочные значения вторичным эталонным устройствам.

На производственных линиях стратегия калибровки может отличаться, поскольку скорость, повторяемость, стабильность оборудования и контроль технологического процесса становятся частью измерительной системы. Но основной принцип остается неизменным: источник света должен контролироваться, проверяться и быть понятным.

Как калибровка облученности, так и спектральные измерения требуют тщательной работы. Положение эталонного элемента, неравномерность тестовой области, смена фильтров, спектральное распределение светодиодов и контроль температуры могут повлиять на конечный результат измерения мощности. В фотоэлектрическом тестировании малые ошибки не остаются малыми надолго.

Мнение Ooitech

Как поставщик оборудования, работающий с производственными линиями солнечных модулей, Ooitech рассматривает калибровку солнечного симулятора не как разовую настройку, а как часть всей системы контроля качества на заводе. Для высокопроизводительного производства модулей тестер IV и солнечный симулятор должны быть согласованы с четкими процедурами калибровки, стабильными эталонными устройствами и практическим обучением операторов; в противном случае лабораторная точность может не перейти в повторяемость на производственной линии. Реальная задача — сбалансировать точность с повседневной эффективностью производства, особенно когда передовые технологии модулей и более высокие номинальные мощности делают малые отклонения в измерениях более заметными.