مقدمه: چرا کالیبراسیون شبیه‌ساز خورشیدی اهمیت دارد

در تست ماژول فتوولتائیک، اندازه‌گیری قابل اعتماد با یک چیز شروع می‌شود: یک شبیه‌ساز خورشیدی که به درستی کالیبره شده است. اگر خروجی شبیه‌ساز به طور دقیق کنترل نشود، توان، جریان و بازده اندازه‌گیری شده ماژول می‌توانند از مقدار واقعی دور شوند. در بازاری که ماژول‌های 500 وات و توان بالاتر رایج هستند، حتی خطای 0.5% نیز می‌تواند از نظر تجاری قابل توجه باشد.

شبیه‌ساز خورشیدی دستگاهی است که برای بازتولید نور خورشید در شرایط آزمایشگاهی کنترل‌شده طراحی شده است. این دستگاه به طور گسترده برای تست عملکرد ماژول PV، به ویژه تحت STC یا شرایط تست استاندارد استفاده می‌شود. به زبان ساده، این منبع نور اصلی در پشت تست الکتریکی حرفه‌ای PV است.

شکل 1 شبیه‌ساز خورشیدی A+ A+ A+

منبع تصویر: اینترنت

کالیبراسیون تابش تحت STC

برای بیشتر کارهای کالیبراسیون آزمایشگاهی، اولین هدف تابش است. تحت STC، شبیه‌ساز باید به 1000 W/m² با طیف AM1.5G و دمای سلول 25 درجه سانتی‌گراد تنظیم شود.

در صنعت PV، یک سلول WPVS معمولاً به عنوان دستگاه مرجع اولیهاستفاده می‌شود. مؤسسات اندازه‌شناسی معتبر مانند PTB یا NREL جریان اتصال کوتاه کالیبره‌شده یا Isc سلول WPVS را تحت AM1.5G و تابش 1000 W/m² ارائه می‌دهند. این مقدار کالیبراسیون قابل ردیابی به سیستم بین‌المللی واحدها است و عدم قطعیت آن می‌تواند تا حدود 0.5% پایین باشد.

به دلیل این قابلیت ردیابی و پایداری، سلول WPVS اغلب برای انتقال مقدار کالیبراسیون با عدم قطعیت کم به دستگاه‌های مرجع ثانویه استفاده می‌شود.

با این حال، کالیبراسیون شبیه‌ساز خورشیدی در سطح ماژول فقط به تنظیم یک عدد در نرم‌افزار نیست. ناحیه آزمایش بزرگ است، اغلب حدود 2.6 m × 1.5 m یا حتی 3 m × 2 m. قبل از تنظیم نهایی شدت تابش، توزیع شدت تابش در سراسر صفحه آزمایش باید نقطه به نقطه اندازه‌گیری شود. طبق استاندارد IEC 60904-9، ناحیه آزمایش غیریکنواختی باید حداقل 80% از ناحیه آزمایش شبیه‌ساز را پوشش دهد. پس از آن، میانگین شدت تابش کل صفحه آزمایش قابل محاسبه و به عنوان مبنای کالیبراسیون استفاده می‌شود.

شکل 2 سلول WPVS

منبع تصویر: اینترنت

پایش سلول مرجع WPVS: خطاهای موقعیت کوچک اهمیت دارند

در طول کالیبراسیون، سلول WPVS معمولاً در موقعیت سلول مرجع قرار می‌گیرد تا شدت تابش بلادرنگ را در حین کار شبیه‌ساز پایش کند. سیگنال جریان از سلول WPVS از طریق یک تقویت‌کننده یا مقاومت به سیگنال ولتاژ تبدیل شده و سپس توسط سیستم شبیه‌ساز خوانده می‌شود.

کالیبراسیون با تنظیم پارامتر نرم‌افزاری مربوطه تکمیل می‌شود. به عنوان مثال، برخی شبیه‌سازهای Halm از تنظیم مقدار کالیبراسیون استفاده می‌کنند، در حالی که برخی سیستم‌های Pasan از تنظیمات حساسیت استفاده می‌کنند. در برخی سیستم‌ها، رابطه بین جریان و حساسیت مستقیماً به عنوان یک فرمول تبدیل ارائه می‌شود.

اما یک جزئیات به راحتی نادیده گرفته می‌شود: سلول مرجع اغلب در خارج از ناحیه آزمایش اصلی قرار می‌گیرد. شدت تابش در آن موقعیت ممکن است کمتر از میانگین شدت تابش در صفحه آزمایش ماژول باشد. اگر مقدار اندازه‌گیری شده مستقیماً بدون جبران استفاده شود، شدت تابش واقعی در ناحیه آزمایش ماژول ممکن است بیش از حد بالا شود که بر توان اندازه‌گیری شده تأثیر می‌گذارد.

حتی اگر سلول مرجع در داخل ناحیه آزمایش قرار گیرد، مشکل کاملاً از بین نمی‌رود. برای یک شبیه‌ساز کلاس A+ با غیریکنواختی کمتر از 1%، سلول مرجع اغلب در نزدیکی لبه ناحیه آزمایش قرار می‌گیرد. این هنوز هم می‌تواند انحرافی در حدود 0.5% تا 1% ایجاد کند. در آزمایش PV، این عدد کوچکی نیست.

دمای سلول مرجع نیز باید نزدیک به 25°Cکنترل شود. اگرچه ضریب دمایی Isc معمولاً نسبتاً کوچک است، نوسان دما همچنان به عدم قطعیت اندازه‌گیری کمک می‌کند. اگر دقت هدف است، تأثیر دما باید تا حد امکان کاهش یابد.

شکل 3 ناحیه تست شبیه‌ساز خورشیدی و موقعیت سلول مرجع

کالیبراسیون در سطوح مختلف تابش

سلول‌های WPVS نه تنها پایدار هستند، بلکه خطی بودن خوبی نیز دارند. این ویژگی آن‌ها را برای کالیبراسیون تابش شبیه‌ساز در سطوح مختلف شدت نور مفید می‌سازد. به عنوان مثال، اگر تابش هدف 200 وات/متر مربعباشد، مقدار Isc کالیبره شده در 1000 W/m² را می‌توان در 0.2 ضرب کرد تا جریان مرجع مورد انتظار به دست آید.

برای شبیه‌سازهای خورشیدی لامپ زنون، تغییرات بزرگ تابش اغلب با فیلترهای مختلف انجام می‌شود. پس از تعویض فیلترها، توصیه می‌شود یکنواختی تابش دوباره اندازه‌گیری شود، زیرا توزیع نوری ممکن است همراه با شدت تغییر کند.

کالیبراسیون طیفی: شبیه‌سازهای زنون و LED

برای شبیه‌سازهای خورشیدی زنون، طیف عمدتاً توسط منبع لامپ و فیلترهای نوری تعیین می‌شود. در بیشتر آزمایشگاه‌ها، طیف قابل تنظیم آزادانه نیست. بنابراین، روش صحیح استفاده از یک طیف‌سنج کالیبره شده برای اندازه‌گیری طیف در چندین موقعیت در ناحیه تست است. طبق IEC 60904-4، حداقل چهار نقطه اندازه‌گیری مورد نیاز است.

نکته کلیدی این نیست که طیف فقط در یک مکان عالی به نظر برسد، بلکه تأیید این است که شبیه‌ساز کلاس طیفی مورد نیاز را در کل ناحیه تست مربوطه برآورده می‌کند.

شکل 4 موقعیت‌های اندازه‌گیری طیفی

شبیه‌سازهای خورشیدی مبتنی بر LED انعطاف‌پذیرتر هستند. توزیع طیفی آن‌ها معمولاً از طریق نرم‌افزار قابل تنظیم است و برآورده کردن الزامات طیفی A+ در IEC 60904-9 را آسان‌تر می‌کند. با این حال، انحراف طیفی، که اغلب از طریق ارزیابی مرتبط با SPD مورد بحث قرار می‌گیرد، باید تا حد امکان کم نگه داشته شود.

یک نگرانی عملی این است که شبیه‌سازهای LED معمولاً از چندین برد مدار LED ساخته می‌شوند. این می‌تواند منجر به ناهمگنی طیفی قابل توجهی در سراسر صفحه تست شود. به همین دلیل، بهتر است نقاط بیشتری اندازه‌گیری شود تا اینکه فقط به حداقل نیاز تکیه شود.

نکته مهم دیگر: شبیه‌سازهای LED می‌توانند تغییرات بزرگ تابش را بدون فیلتر ایجاد کنند، اما طیف آن‌ها ممکن است در سطوح مختلف تابش تغییر کند. هر زمان که تنظیم تابش به طور قابل توجهی تغییر می‌کند، طیف باید دوباره بررسی شود، نه اینکه فرض شود بدون تغییر باقی می‌ماند.

خلاصه: کالیبراسیون پایه و اساس اندازه‌گیری PV است

کالیبراسیون شبیه‌ساز خورشیدی یکی از پایه‌های تست دقیق ماژول PV است. در آزمایشگاه، هدف اصلی دستیابی به اندازه‌گیری دقیق و سپس انتقال مقادیر کالیبراسیون با کیفیت بالا به دستگاه‌های مرجع ثانویه است.

در خطوط تولید، استراتژی کالیبراسیون می‌تواند متفاوت باشد زیرا سرعت، تکرارپذیری، پایداری تجهیزات و کنترل فرآیند کارخانه همگی بخشی از سیستم اندازه‌گیری می‌شوند. اما اصل اصلی ثابت می‌ماند: منبع نور باید کنترل، تأیید و درک شود.

هم کالیبراسیون تابش و هم اندازه‌گیری طیفی نیاز به کار دقیق دارند. موقعیت سلول مرجع، غیریکنواختی ناحیه تست، تغییر فیلترها، توزیع طیفی LED و کنترل دما همگی می‌توانند بر نتیجه نهایی توان تأثیر بگذارند. در تست PV، خطاهای کوچک برای مدت طولانی کوچک نمی‌مانند.

دیدگاه Ooitech

به عنوان یک تأمین‌کننده تجهیزات که با خطوط تولید ماژول خورشیدی کار می‌کند، Ooitech کالیبراسیون شبیه‌ساز خورشیدی را نه به عنوان یک تنظیم یک‌باره، بلکه به عنوان بخشی از کل سیستم کنترل کیفیت کارخانه می‌بیند. برای تولید ماژول با توان بالا، تستر IV و شبیه‌ساز خورشیدی باید با روال‌های کالیبراسیون واضح، دستگاه‌های مرجع پایدار و آموزش عملی اپراتور مطابقت داشته باشند؛ در غیر این صورت، دقت آزمایشگاهی ممکن است به تکرارپذیری خط تولید تبدیل نشود. چالش واقعی ایجاد تعادل بین دقت و کارایی روزانه تولید است، به ویژه زمانی که فناوری‌های پیشرفته ماژول و رتبه‌های توان بالاتر، انحرافات کوچک اندازه‌گیری را بیشتر نمایان می‌کنند.