معايرة الخلايا الكهروضوئية: كيفية معايرة محاكي الشمس لاختبار موثوق للوحدات
جدول المحتويات
مقدمة: لماذا تعتبر معايرة محاكي الشمس مهمة
في اختبار الوحدات الكهروضوئية، يبدأ القياس الموثوق بشيء واحد: محاكي شمس معاير بشكل صحيح. إذا لم يتم التحكم في مخرجات المحاكي بدقة، فإن طاقة الوحدة والتيار والكفاءة المقاسة يمكن أن تنحرف جميعها عن القيمة الحقيقية. في سوق حيث الوحدات بقدرة 500 واط وما فوق شائعة بالفعل، حتى خطأ بنسبة 0.5% يمكن أن يصبح ذا أهمية تجارية.
محاكي الشمس هو جهاز مصمم لإعادة إنتاج ضوء الشمس في ظروف مختبرية خاضعة للرقابة. يستخدم على نطاق واسع لاختبار أداء الوحدات الكهروضوئية، خاصة تحت STC، أو ظروف الاختبار القياسية. بكلمات بسيطة، هو مصدر الضوء الرئيسي وراء الاختبار الكهربائي الكهروضوئي الاحترافي.
الشكل 1 محاكي شمس A+ A+ A+
مصدر الصورة: الإنترنت
معايرة الإشعاع تحت STC
بالنسبة لمعظم أعمال المعايرة المختبرية، الهدف الأول هو الإشعاع. تحت STC، يجب ضبط المحاكي على 1000 واط/م² مع طيف AM1.5G ودرجة حرارة خلية تبلغ 25 درجة مئوية.
في صناعة الطاقة الكهروضوئية، تُستخدم خلية WPVS بشكل شائع كـ جهاز مرجعي أساسي. توفر معاهد القياس المؤهلة مثل PTB أو NREL تيار الدائرة القصيرة المعاير، أو Isc، لخلية WPVS تحت إشعاع AM1.5G و1000 واط/م². قيمة المعايرة هذه قابلة للتتبع إلى النظام الدولي للوحدات، وعدم اليقين فيها يمكن أن يصل إلى حوالي 0.5%.
بسبب هذا التتبع والاستقرار، غالبًا ما تُستخدم خلية WPVS لنقل قيمة معايرة منخفضة عدم اليقين إلى الأجهزة المرجعية الثانوية.
ومع ذلك، فإن معايرة محاكي الشمس على مستوى الوحدة لا تتعلق فقط بتعيين رقم واحد في البرنامج. منطقة الاختبار كبيرة، غالبًا حوالي 2.6 م × 1.5 م أو حتى 3 م × 2 مقبل التعديل النهائي للإشعاعية، يجب قياس توزيع الإشعاعية عبر مستوى الاختبار نقطة بنقطة. وفقًا للمعيار IEC 60904-9، يجب أن تغطي منطقة اختبار عدم التجانس 80% على الأقل من منطقة اختبار المحاكي. بعد ذلك، يمكن حساب متوسط الإشعاعية لمستوى الاختبار بأكمله واستخدامه كأساس للمعايرة.
الشكل 2 خلية WPVS
مصدر الصورة: الإنترنت
مراقبة الخلية المرجعية WPVS: أخطاء الموضع الصغيرة مهمة
أثناء المعايرة، عادةً ما يتم وضع خلية WPVS في موضع الخلية المرجعية لمراقبة الإشعاعية في الوقت الفعلي أثناء تشغيل المحاكي. يتم تحويل الإشارة الحالية من خلية WPVS إلى إشارة جهد من خلال مضخم أو مقاوم، ثم يتم قراءتها بواسطة نظام المحاكي.
يتم إكمال المعايرة عن طريق ضبط معلمة البرنامج ذات الصلة. على سبيل المثال، تستخدم بعض محاكيات Halm إعداد قيمة المعايرة، بينما تستخدم بعض أنظمة Pasan إعدادات الحساسية. في بعض الأنظمة، يتم توفير العلاقة بين التيار والحساسية مباشرة كصيغة تحويل.
لكن هناك تفصيل يسهل التغاضي عنه: غالبًا ما يتم وضع الخلية المرجعية خارج منطقة الاختبار الرئيسية. قد تكون الإشعاعية في ذلك الموضع أقل من متوسط الإشعاعية على مستوى اختبار الوحدة. إذا تم استخدام القيمة المقاسة مباشرة دون تعويض، فقد تصبح الإشعاعية الفعلية في منطقة اختبار الوحدة مرتفعة جدًا، مما سيؤثر على القدرة المقاسة.
حتى إذا تم وضع الخلية المرجعية داخل منطقة الاختبار، فإن المشكلة لا تختفي تمامًا. بالنسبة لمحاكي من الفئة A+ مع عدم تجانس أقل من 1%، غالبًا ما يتم وضع الخلية المرجعية بالقرب من حافة منطقة الاختبار. هذا يمكن أن يؤدي إلى انحراف حوالي 0.5% إلى 1%. في اختبار الخلايا الكهروضوئية، هذا ليس رقمًا صغيرًا.
يجب أيضًا التحكم في درجة حرارة الخلية المرجعية لتكون قريبة من 25°C. على الرغم من أن معامل درجة الحرارة لـ Isc عادة ما يكون صغيرًا نسبيًا، فإن تقلب درجة الحرارة لا يزال يساهم في عدم اليقين في القياس. إذا كانت الدقة هي الهدف، فيجب تقليل تأثير درجة الحرارة قدر الإمكان.
الشكل 3 منطقة اختبار المحاكي الشمسي وموضع الخلية المرجعية
المعايرة عند مستويات إشعاعية مختلفة
خلايا WPVS ليست مستقرة فقط؛ بل توفر أيضًا خطية جيدة. هذا يجعلها مفيدة لمعايرة إشعاعية المحاكي عند مستويات شدة ضوء مختلفة. على سبيل المثال، إذا كانت الإشعاعية المستهدفة هي 200 واط/م²، يمكن ضرب قيمة Isc المعايرة عند 1000 واط/م² في 0.2 للحصول على التيار المرجعي المتوقع.
بالنسبة لمحاكيات الطاقة الشمسية بمصباح الزينون، غالبًا ما يتم تحقيق تغييرات كبيرة في الإشعاعية باستخدام مرشحات مختلفة. بعد تغيير المرشحات، يُنصح بإعادة قياس عدم انتظام الإشعاعية، لأن التوزيع البصري قد يتغير مع الشدة.
المعايرة الطيفية: محاكيات الزينون وLED
بالنسبة لمحاكيات الطاقة الشمسية بالزينون، يتم تحديد الطيف بشكل أساسي بواسطة مصدر المصباح والمرشحات البصرية. في معظم المختبرات، لا يمكن ضبط الطيف بحرية. لذلك، الطريقة الصحيحة هي استخدام مطياف معاير لقياس الطيف في عدة مواضع في منطقة الاختبار. وفقًا لمعيار IEC 60904-4، يلزم أربع نقاط قياس على الأقل.
المفتاح ليس جعل الطيف يبدو مثاليًا في موقع واحد فقط، بل التأكد من أن المحاكي يلبي الفئة الطيفية المطلوبة على منطقة الاختبار ذات الصلة.
الشكل 4 مواضع القياس الطيفي
محاكيات الطاقة الشمسية القائمة على LED أكثر مرونة. يمكن عادةً ضبط توزيعها الطيفي من خلال البرمجيات، مما يسهل تلبية متطلبات الطيف A+ في معيار IEC 60904-9. ومع ذلك، يجب إبقاء الانحراف الطيفي، الذي غالبًا ما يُناقش من خلال تقييم SPD، عند أدنى مستوى ممكن.
من المخاوف العملية أن محاكيات LED تُبنى عادةً من لوحات دوائر LED متعددة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى عدم انتظام طيفي ملحوظ عبر مستوى الاختبار. لهذا السبب، من الأفضل قياس نقاط أكثر بدلاً من الاعتماد فقط على الحد الأدنى من المتطلبات.
نقطة مهمة أخرى: يمكن لمحاكيات LED تحقيق تغييرات كبيرة في الإشعاعية بدون مرشحات، لكن طيفها قد يتغير عند مستويات إشعاعية مختلفة. كلما تغير إعداد الإشعاعية بشكل كبير، يجب فحص الطيف مرة أخرى بدلاً من افتراض بقائه دون تغيير.
الخلاصة: المعايرة هي أساس قياس الخلايا الكهروضوئية
معايرة محاكي الطاقة الشمسية هي أحد أسس اختبار الوحدات الكهروضوئية الدقيق. في المختبر، الهدف الرئيسي هو تحقيق قياس دقيق ثم نقل قيم معايرة عالية الجودة إلى الأجهزة المرجعية الثانوية.
في خطوط الإنتاج، يمكن أن تكون استراتيجية المعايرة مختلفة لأن السرعة والتكرار واستقرار المعدات والتحكم في عمليات المصنع تصبح جميعها جزءًا من نظام القياس. لكن المبدأ الأساسي يبقى كما هو: يجب التحكم في مصدر الضوء والتحقق منه وفهمه.
تتطلب معايرة الإشعاع وقياس الطيف عملاً دقيقًا. يمكن أن يؤثر موضع الخلية المرجعية، وعدم تجانس منطقة الاختبار، وتغييرات المرشحات، والتوزيع الطيفي للـ LED، والتحكم في درجة الحرارة على نتيجة الطاقة النهائية. في اختبار الخلايا الكهروضوئية، لا تبقى الأخطاء الصغيرة صغيرة لفترة طويلة.
رؤية Ooitech
بصفتها مورّدًا للمعدات يعمل مع خطوط إنتاج الوحدات الشمسية، ترى Ooitech أن معايرة محاكي الشمس ليست إعدادًا لمرة واحدة، بل جزءًا من نظام مراقبة الجودة الكامل في المصنع. بالنسبة لتصنيع الوحدات عالي الإنتاجية، يجب أن يكون جهاز اختبار IV ومحاكي الشمس متوافقين مع إجراءات معايرة واضحة، وأجهزة مرجعية مستقرة، وتدريب عملي للمشغلين؛ وإلا فقد لا تترجم الدقة المخبرية إلى قابلية تكرار على خط الإنتاج. التحدي الحقيقي هو الموازنة بين الدقة وكفاءة التصنيع اليومية، خاصة عندما تجعل تقنيات الوحدات المتقدمة وتصنيفات الطاقة الأعلى الانحرافات الصغيرة في القياس أكثر وضوحًا.
