مقدمة: لماذا تعتبر معايرة محاكي الطاقة الشمسية مهمة

في اختبار الوحدات الكهروضوئية، يبدأ القياس الموثوق به بشيء واحد: محاكي طاقة شمسية تمت معايرته بشكل صحيح. إذا لم يتم التحكم في خرج المحاكي بدقة، فإن القدرة المقاسة للوحدة والتيار والكفاءة 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 الطاقة الشمسية هو جهاز مصمم لإعادة إنتاج ضوء الشمس في ظروف مختبرية محكومة. 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 طاقة شمسية A+ A+ A+

مصدر الصورة: الإنترنت

معايرة الإشعاع تحت STC

بالنسبة لمعظم أعمال المعايرة المخبرية، الهدف الأول هو الإشعاع. تحت STC، يجب ضبط المحاكي على 1000 واط/م² مع طيف AM1.5G ودرجة حرارة خلية تبلغ 25°C.

في صناعة PV، 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 AM1.5G وإشعاع 1000 واط/م². قيمة المعايرة هذه قابلة للتتبع إلى النظام الدولي للوحدات، ويمكن أن يكون عدم يقينها منخفضًا حتى حوالي 0.5%.

بسبب هذه القابلية للتتبع والثبات، غالبًا ما تُستخدم خلية WPVS لنقل قيمة معايرة منخفضة عدم اليقين إلى أجهزة مرجعية ثانوية.

ومع ذلك، فإن معايرة محاكي الطاقة الشمسية على مستوى الوحدة لا تقتصر على تعيين رقم واحد في البرنامج. منطقة الاختبار كبيرة، غالبًا حوالي 2.6 م × 1.5 م أو حتى 3 م × 2 م. قبل ضبط الإشعاع النهائي، يجب قياس توزيع الإشعاع عبر مستوى الاختبار نقطة بنقطة. وفقًا لـ IEC 60904-9، يجب أن تغطي منطقة اختبار عدم التجانس 80% على الأقل من منطقة اختبار المحاكي. بعد ذلك، يمكن حساب متوسط الإشعاع لمستوى الاختبار بالكامل واستخدامه كأساس للمعايرة.

الشكل 2 خلية WPVS

مصدر الصورة: الإنترنت

مراقبة الخلية المرجعية WPVS: أخطاء الموضع الصغيرة مهمة

أثناء المعايرة، توضع خلية WPVS عادةً في موضع الخلية المرجعية لمراقبة الإشعاع في الوقت الفعلي أثناء تشغيل المحاكي. يتم تحويل الإشارة الحالية من خلية WPVS إلى إشارة جهد من خلال مضخم أو مقاوم، ثم تُقرأ بواسطة نظام المحاكي.

تكتمل المعايرة بضبط معلمة البرنامج ذات الصلة. على سبيل المثال، تستخدم بعض محاكيات Halm إعداد قيمة معايرة، بينما تستخدم بعض أنظمة Pasan إعدادات الحساسية. في بعض الأنظمة، تُعطى العلاقة بين التيار والحساسية مباشرة كصيغة تحويل.

لكن هناك تفصيل يسهل التغاضي عنه: غالبًا ما توضع الخلية المرجعية خارج منطقة الاختبار الرئيسية. قد يكون الإشعاع في ذلك الموضع أقل من متوسط الإشعاع على مستوى اختبار الوحدة. إذا تم استخدام القيمة المترولوجية مباشرة دون تعويض، فقد يصبح الإشعاع الفعلي في منطقة اختبار الوحدة مرتفعًا جدًا، مما سيؤثر على القدرة المقاسة.

حتى إذا وُضعت الخلية المرجعية داخل منطقة الاختبار، فإن المشكلة لا تختفي تمامًا. بالنسبة لمحاكي من الفئة A+ مع عدم تجانس أقل من 1%، غالبًا ما توضع الخلية المرجعية بالقرب من حافة منطقة الاختبار. قد يؤدي هذا إلى انحراف يبلغ 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 حرارة Isc عادة ما يكون صغيرًا نسبيًا، إلا أن تقلب درجة الحرارة لا يزال يساهم في عدم يقين القياس. إذا كانت الدقة هي الهدف، فيجب تقليل تأثير درجة الحرارة قدر الإمكان.

الشكل 3 منطقة اختبار المحاكي الشمسي وموقع الخلية المرجعية

المعايرة عند مستويات إشعاع مختلفة

خلايا WPVS ليست مستقرة فحسب؛ بل توفر أيضًا خطية جيدة. وهذا يجعلها مفيدة لمعايرة إشعاع المحاكي عند مستويات شدة ضوئية مختلفة. على سبيل المثال، إذا كان الإشعاع المستهدف هو 200 واط/م²، يمكن ضرب قيمة Isc المعايرة عند 1000 واط/م² في 0.2 للحصول على التيار المرجعي المتوقع.

بالنسبة لمحاكيات الطاقة الشمسية بمصابيح الزينون، غالبًا ما يتم تحقيق تغييرات كبيرة في الإشعاع باستخدام مرشحات مختلفة. بعد تغيير المرشحات، يُوصى بإعادة قياس عدم انتظام الإشعاع، لأن التوزيع البصري قد يتغير مع الشدة.

المعايرة الطيفية: محاكيات الزينون و LED

بالنسبة لمحاكيات الطاقة الشمسية بالزينون، يتم تحديد الطيف بشكل أساسي بواسطة مصدر المصباح والمرشحات البصرية. في معظم المختبرات، لا يمكن تعديل الطيف بحرية. لذلك، الطريقة الصحيحة هي استخدام مقياس طيف معاير لقياس الطيف في عدة مواضع في منطقة الاختبار. وفقًا لـ IEC 60904-4، يلزم وجود 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 مواقع القياس الطيفي

محاكيات الطاقة الشمسية القائمة على LED أكثر مرونة. يمكن عادةً ضبط توزيعها الطيفي من خلال البرامج، مما يسهل تلبية متطلبات الطيف A+ في IEC 60904-9. ومع ذلك، يجب أن يظل الانحراف الطيفي، الذي غالبًا ما يُناقش من خلال التقييم المتعلق بـ SPD، منخفضًا قدر الإمكان.

أحد المخاوف العملية هو 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 المزيد من النقاط بدلاً من الاعتماد فقط على الحد الأدنى من المتطلبات.

نقطة مهمة أخرى: يمكن لمحاكيات LED تحقيق تغييرات كبيرة في الإشعاع بدون مرشحات، لكن طيفها قد يتغير عند مستويات إشعاع مختلفة. كلما تغير إعداد الإشعاع 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 الألواح الكهروضوئية الدقيق. في المختبر، الهدف الرئيسي هو تحقيق قياس دقيق ثم نقل قيم المعايرة عالية الجودة إلى الأجهزة المرجعية الثانوية.

في خطوط الإنتاج، يمكن أن تكون استراتيجية المعايرة مختلفة لأن السرعة، والتكرار، واستقرار المعدات، والتحكم في عملية المصنع تصبح جميعها جزءًا من نظام القياس. لكن المبدأ الأساسي يظل كما هو: يجب التحكم في مصدر الضوء والتحقق منه وفهمه.

تتطلب كل من معايرة الإشعاع وقياس الطيف عملًا دقيقًا. يمكن أن يؤثر موضع الخلية المرجعية، وعدم انتظام منطقة الاختبار، وتغييرات المرشحات، والتوزيع الطيفي لمصابيح LED، والتحكم في درجة الحرارة على نتيجة الطاقة النهائية. في اختبار الألواح الكهروضوئية، لا تبقى الأخطاء الصغيرة صغيرة لفترة طويلة.

رؤية Ooitech

كمورد للمعدات يعمل مع خطوط إنتاج الألواح الشمسية، ترى Ooitech أن معايرة محاكي الطاقة الشمسية ليست إعدادًا لمرة واحدة، بل هي جزء من نظام مراقبة الجودة في المصنع بأكمله. بالنسبة لتصنيع الألواح عالية الإنتاجية، يجب أن يتوافق جهاز اختبار IV ومحاكي الطاقة الشمسية مع إجراءات معايرة واضحة، وأجهزة مرجعية مستقرة، وتدريب عملي للمشغلين؛ وإلا فقد لا تترجم دقة المختبر إلى تكرار في خط الإنتاج. التحدي الحقيقي هو الموازنة بين الدقة وكفاءة التصنيع اليومية، خاصة عندما تجعل تقنيات الألواح المتقدمة وتصنيفات الطاقة الأعلى انحرافات القياس الصغيرة أكثر وضوحًا.