PV-kalibrering: Hur man kalibrerar en solsimulator

Snabbt svar: Att kalibrera en solsimulator är det som gör varje modulbetyg som din linje producerar spårbart. Kalibreringen ställer in simulatorns irradians och spektrum mot en referensenhet så att en mätning vid 1000 W/m2 och 25 °C betyder samma sak på din linje som i ett certifieringslaboratorium. Proceduren följer IEC 60904 och innefattar en referenscell eller modul med en känd kalibrering, mätt under simulatorn och jämförd med dess angivna värde. Nyckelkrav är stabil irradians över testplanet, ett spektrum som matchar referensen och kontrollerad temperatur. Typiska arbetsvärden inkluderar en referensenhet kalibrerad i intervallet 200 W till 500 W och strömmätningar upp till cirka 1 A. En simulator som driver ur kalibrering misslyckas inte högljutt; den felbetygsätter moduler tyst, vilket är anledningen till att kalibreringsintervallet är en efterlevnadspunkt.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Introduktion: Varför Solar Simulator kalibrering är viktigt

Vid testning av fotovoltaiska moduler börjar tillförlitlig mätning med en sak: en korrekt kalibrerad solsimulator. Om simulatorns uteffekt inte styrs noggrant kan den uppmätta moduleffekten, strömmen och verkningsgraden alla avvika från det verkliga värdet. På en marknad där 500 W-moduler och moduler med högre effekt redan är vanliga kan även ett fel på 0,5 % bli kommersiellt betydelsefullt.

En solsimulator är en anordning utformad för att återge solljus under kontrollerade laboratorieförhållanden. Den används i stor utsträckning för prestandatestning av PV-moduler, särskilt under STC, eller Standard Test Conditions. Enkelt uttryckt är den den huvudsakliga ljuskällan bakom professionell elektrisk PV-testning.

Figur 1 A+ A+ A+ solsimulator

Bildkälla: Internet

Bestrålningskalibrering under STC

För de flesta laboratoriekalibreringsarbeten är det första målet bestrålning. Under STC bör simulatorn justeras till 1000 W/m² med ett AM1.5G-spektrum och en celltemperatur på 25°C.

Inom PV-industrin används vanligtvis en WPVS-cell som primär referensenhet. Kvalificerade metrologiinstitut som PTB eller NREL tillhandahåller den kalibrerade kortslutningsströmmen, eller Isc, för WPVS-cellen under AM1.5G och 1000 W/m² bestrålning. Detta kalibreringsvärde är spårbart till Internationella måttenhetssystemet, och dess osäkerhet kan vara så låg som cirka 0,5 %.

På grund av denna spårbarhet och stabilitet används WPVS-cellen ofta för att överföra ett kalibreringsvärde med låg osäkerhet till sekundära referensenheter.

Kalibrering av solsimulatorer på modulnivå handlar dock inte bara om att ställa in ett nummer i programvaran. Testytan är stor, ofta runt 2,6 m × 1,5 m eller till och med 3 m × 2 m. Före slutlig justering av bestrålningsstyrkan bör bestrålningsfördelningen över testplanet mätas punkt för punkt. Enligt IEC 60904-9 bör den icke-uniforma testytan täcka minst 80 % av simulatorns testyta. Därefter kan medelbestrålningsstyrkan för hela testplanet beräknas och användas som grund för kalibrering.

Figur 2 WPVS-cell

Bildkälla: Internet

WPVS-referenscellövervakning: Små positionsfel har betydelse

Under kalibrering placeras WPVS-cellen vanligtvis vid referenscellens position för att övervaka bestrålningsstyrkan i realtid under simulatorns drift. Strömsignalen från WPVS-cellen omvandlas till en spänningssignal via en förstärkare eller resistor, och läses sedan av simulatorsystemet.

Kalibreringen slutförs genom att justera relevant programvaruparameter. Till exempel använder vissa Halm-simulatorer ett kalibreringsvärde, medan vissa Pasan-system använder känslighetsinställningar. I vissa system anges sambandet mellan ström och känslighet direkt som en omvandlingsformel.

Men det finns en lätt förbisedd detalj: referenscellen placeras ofta utanför huvudtestområdet. Bestrålningsstyrkan på den positionen kan vara lägre än medelbestrålningsstyrkan över modulens testplan. Om mätvärdet används direkt utan kompensation kan den faktiska bestrålningsstyrkan i modulens testområde bli för hög, vilket påverkar den uppmätta effekten.

Även om referenscellen placeras inuti testområdet försvinner inte problemet helt. För en A+-klass simulator med icke-uniformitet under 1 % placeras referenscellen ofta nära kanten av testzonen. Detta kan fortfarande introducera en avvikelse på cirka 0,5 % till 1 %. Inom PV-testning är detta inte en liten siffra.

Temperaturen på referenscellen behöver också kontrolleras nära 25°C. Även om temperaturkoefficienten för Isc vanligtvis är relativt liten, bidrar temperaturfluktuationer fortfarande till mätosäkerhet. Om precision är målet bör temperaturens påverkan minskas så mycket som möjligt.

Figur 3 Solsimulatorns testområde och referenscellens position

Kalibrering vid olika bestrålningsnivåer

WPVS-celler är inte bara stabila; de erbjuder också god linjäritet. Detta gör dem användbara för att kalibrera simulatorns bestrålningsstyrka vid olika ljusintensitetsnivåer. Till exempel, om målbestrålningsstyrkan är 200 W/m², kan det kalibrerade Isc-värdet vid 1000 W/m² multipliceras med 0,2 för att få den förväntade referensströmmen.

För solsimulatorer med xenonlampa uppnås ofta stora irradiansförändringar med olika filter. Efter byte av filter rekommenderas att omätning av irradiansens ojämnhet görs, eftersom den optiska fördelningen kan ändras tillsammans med intensiteten.

Spektral kalibrering: Xenon- och LED-simulatorer

För xenonsolsimulatorer bestäms spektrumet huvudsakligen av lampkällan och optiska filter. I de flesta laboratorier kan spektrumet inte justeras fritt. Därför är den korrekta metoden att använda en kalibrerad spektrometer för att mäta spektrumet på flera positioner i testområdet. Enligt IEC 60904-4 krävs minst fyra mätpunkter.

Nyckeln är inte att få spektrumet att se perfekt ut på endast en plats, utan att bekräfta att simulatorn uppfyller den erforderliga spektralklassen över det relevanta testområdet.

Figur 4 Spektrala mätpositioner

LED-baserade solsimulatorer är mer flexibla. Deras spektrala fördelning kan vanligtvis justeras via programvara, vilket gör det lättare att uppfylla A+ spektralkraven i IEC 60904-9. Ändå bör spektralavvikelsen, som ofta diskuteras genom SPD-relaterad utvärdering, hållas så låg som möjligt.

En praktisk fråga är att LED-simulatorer normalt är byggda av flera LED-kretskort. Detta kan leda till märkbar spektral ojämnhet över testplanet. Av denna anledning är det bättre att mäta fler punkter istället för att bara förlita sig på minimikravet.

En annan viktig punkt: LED-simulatorer kan uppnå stora irradiansförändringar utan filter, men deras spektrum kan fortfarande ändras vid olika irradiansnivåer. Närhelst irradiansinställningen ändras avsevärt bör spektrumet kontrolleras igen snarare än antas förbli oförändrat.

Sammanfattning: Kalibrering är grunden för PV-mätning

Kalibrering av solsimulatorer är en av grunderna för noggrann PV-modultestning. I laboratoriet är huvudsyftet att uppnå exakt mätning och sedan överföra högkvalitativa kalibreringsvärden till sekundära referensenheter.

I produktionslinjer kan kalibreringsstrategin vara annorlunda eftersom hastighet, repeterbarhet, utrustningsstabilitet och fabriksprocesskontroll alla blir en del av mätsystemet. Men kärnprincipen förblir densamma: ljuskällan måste kontrolleras, verifieras och förstås.

Både irradianskalibrering och spektral mätning kräver noggrant arbete. Referenscellens position, ojämnhet i testområdet, filterbyten, LED-spektralfördelning och temperaturkontroll kan alla påverka det slutliga effektresultatet. Vid PV-testning förblir små fel inte små särskilt länge.

Ooitechs syn

Som utrustningsleverantör som arbetar med produktionslinjer för solcellsmoduler ser Ooitech solsimulatorkalibrering inte som en engångsinställning, utan som en del av hela fabrikens kvalitetskontrollsystem. För högeffektiv modultillverkning måste IV-testaren och solsimulatorn matchas med tydliga kalibreringsrutiner, stabila referensenheter och praktisk operatörsutbildning; annars kanske laboratorieprecision inte överförs till repeterbarhet i produktionslinjen. Den verkliga utmaningen är att balansera precision med daglig tillverkningseffektivitet, särskilt när avancerad modulteknologi och högre effektklasser gör små mätavvikelser mer synliga.