PV-kalibratie: hoe een zonnesimulator te kalibreren voor betrouwbare moduletesten

Inleiding: Waarom zonnesimulatorkalibratie belangrijk is

Bij het testen van fotovoltaïsche modules begint betrouwbare meting met één ding: een goed gekalibreerde zonnesimulator. Als de simulatoruitvoer niet nauwkeurig wordt geregeld, kunnen de gemeten modulevermogen, stroom en efficiëntie allemaal afwijken van de werkelijke waarde. In een markt waar 500 W en modules met een hoger vermogen al gebruikelijk zijn, kan zelfs een fout van 0,5% commercieel significant worden.

Een zonnesimulator is een apparaat dat is ontworpen om zonlicht te reproduceren onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden. Het wordt veel gebruikt voor het testen van de prestaties van PV-modules, vooral onder STC, of Standard Test Conditions. In eenvoudige woorden: het is de belangrijkste lichtbron achter professionele PV-elektrische testen.

Figuur 1 A+ A+ A+ zonnesimulator

Afbeeldingsbron: Internet

Bestralingskalibratie onder STC

Voor de meeste laboratoriumkalibratiewerkzaamheden is het eerste doel bestraling. Onder STC moet de simulator worden ingesteld op 1000 W/m² met een AM1.5G-spectrum en een celtemperatuur van 25°C.

In de PV-industrie wordt een WPVS-cel vaak gebruikt als Primair Referentieapparaat. Gekwalificeerde metrologische instituten zoals PTB of NREL leveren de gekalibreerde kortsluitstroom, of Isc, van de WPVS-cel onder AM1.5G en 1000 W/m² bestraling. Deze kalibratiewaarde is traceerbaar naar het Internationale Stelsel van Eenheden en de onzekerheid kan zo laag zijn als ongeveer 0,5%.

Vanwege deze traceerbaarheid en stabiliteit wordt de WPVS-cel vaak gebruikt om een kalibratiewaarde met lage onzekerheid over te dragen naar secundaire referentieapparaten.

Kalibratie van een zonnesimulator op module-niveau gaat echter niet alleen over het instellen van één getal in de software. Het testgebied is groot, vaak ongeveer 2,6 m × 1,5 m of zelfs 3 m × 2 m. Voordat de uiteindelijke instraling wordt aangepast, moet de instralingsverdeling over het testvlak punt voor punt worden gemeten. Volgens IEC 60904-9 moet het niet-uniformiteitstestgebied ten minste 80% van het simulator-testgebied beslaan. Daarna kan de gemiddelde instraling van het gehele testvlak worden berekend en als basis voor kalibratie worden gebruikt.

Figuur 2 WPVS-cel

Afbeeldingsbron: Internet

WPVS-referentiecelbewaking: kleine positiefouten zijn van belang

Tijdens kalibratie wordt de WPVS-cel meestal op de referentiecelpositie geplaatst om de real-time instraling tijdens simulatorwerking te bewaken. Het stroomsignaal van de WPVS-cel wordt via een versterker of weerstand omgezet in een spanningssignaal en vervolgens door het simulatorsysteem uitgelezen.

De kalibratie wordt voltooid door de relevante softwareparameter aan te passen. Sommige Halm-simulatoren gebruiken bijvoorbeeld een kalibratiewaarde-instelling, terwijl sommige Pasan-systemen gevoeligheidsinstellingen gebruiken. In bepaalde systemen wordt de relatie tussen stroom en gevoeligheid direct als conversieformule gegeven.

Maar er is een gemakkelijk over het hoofd gezien detail: de referentiecel wordt vaak buiten het hoofdtestgebied geplaatst. De instraling op die positie kan lager zijn dan de gemiddelde instraling over het module-testvlak. Als de meetwaarde direct wordt gebruikt zonder compensatie, kan de werkelijke instraling in het module-testgebied te hoog worden, wat de gemeten vermogen beïnvloedt.

Zelfs als de referentiecel binnen het testgebied wordt geplaatst, verdwijnt het probleem niet volledig. Voor een A+-klasse simulator met een niet-uniformiteit onder 1% wordt de referentiecel vaak nabij de rand van de testzone geplaatst. Dit kan nog steeds een afwijking van ongeveer 0,5% tot 1% introduceren. In PV-testen is dit geen klein getal.

De temperatuur van de referentiecel moet ook dicht bij 25°Cworden geregeld. Hoewel de temperatuurcoëfficiënt van Isc meestal relatief klein is, draagt temperatuurfluctuatie nog steeds bij aan meetonzekerheid. Als precisie het doel is, moet de temperatuursinvloed zoveel mogelijk worden verminderd.

Figuur 3 Zonnesimulator testgebied en referentiecelpositie

Kalibratie bij verschillende bestralingsniveaus

WPVS-cellen zijn niet alleen stabiel; ze bieden ook een goede lineariteit. Dit maakt ze nuttig voor het kalibreren van de simulatorbestraling bij verschillende lichtintensiteitsniveaus. Als de doelbestraling bijvoorbeeld 200 W/m²is, kan de gekalibreerde Isc-waarde bij 1000 W/m² worden vermenigvuldigd met 0,2 om de verwachte referentiestroom te verkrijgen.

Voor xenonlamp-zonnesimulatoren worden grote bestralingsveranderingen vaak bereikt met verschillende filters. Na het wisselen van filters wordt aanbevolen om de bestralingsnon-uniformiteit opnieuw te meten, omdat de optische verdeling kan veranderen samen met de intensiteit.

Spectrale kalibratie: Xenon- en LED-simulatoren

Voor xenon-zonnesimulatoren wordt het spectrum voornamelijk bepaald door de lampbron en optische filters. In de meeste laboratoria kan het spectrum niet vrij worden aangepast. Daarom is de juiste methode om een gekalibreerde spectrometer te gebruiken om het spectrum op verschillende posities in het testgebied te meten. Volgens IEC 60904-4 zijn ten minste vier meetpunten vereist.

Het gaat er niet om het spectrum op slechts één locatie perfect te laten lijken, maar om te bevestigen dat de simulator voldoet aan de vereiste spectrale klasse over het relevante testgebied.

Figuur 4 Spectrale meetposities

LED-gebaseerde zonnesimulatoren zijn flexibeler. Hun spectrale verdeling kan meestal worden aangepast via software, waardoor het gemakkelijker is om te voldoen aan de A+ spectrale vereisten in IEC 60904-9. Toch moet de spectrale afwijking, die vaak wordt besproken via SPD-gerelateerde evaluatie, zo laag mogelijk worden gehouden.

Een praktische zorg is dat LED-simulatoren normaal gesproken zijn opgebouwd uit meerdere LED-printplaten. Dit kan leiden tot merkbare spectrale non-uniformiteit over het testvlak. Om deze reden is het beter om meer punten te meten in plaats van alleen te vertrouwen op de minimale vereiste.

Een ander belangrijk punt: LED-simulatoren kunnen grote bestralingsveranderingen bereiken zonder filters, maar hun spectrum kan nog steeds veranderen bij verschillende bestralingsniveaus. Wanneer de bestralingsinstelling aanzienlijk verandert, moet het spectrum opnieuw worden gecontroleerd in plaats van aan te nemen dat het ongewijzigd blijft.

Samenvatting: Kalibratie is de basis van PV-meting

Kalibratie van de zonnesimulator is een van de fundamenten van nauwkeurig PV-moduletesten. In het laboratorium is het hoofddoel het bereiken van precieze meting en vervolgens het overdragen van hoogwaardige kalibratiewaarden naar secundaire referentieapparaten.

In productielijnen kan de kalibratiestrategie anders zijn omdat snelheid, herhaalbaarheid, apparatuurstabiliteit en fabrieksprocesbeheersing allemaal deel uitmaken van het meetsysteem. Maar het kernprincipe blijft hetzelfde: de lichtbron moet worden gecontroleerd, geverifieerd en begrepen.

Zowel bestralingssterktekalibratie als spectrale meting vereisen zorgvuldig werk. Referentiecelpositie, niet-uniformiteit van het testgebied, filterwisselingen, LED-spectrale verdeling en temperatuurregeling kunnen allemaal het uiteindelijke vermogensresultaat beïnvloeden. Bij PV-testen blijven kleine fouten niet lang klein.

Ooitech's Visie

Als leverancier van apparatuur die werkt met productielijnen voor zonnepanelen, ziet Ooitech kalibratie van de zonnesimulator niet als een eenmalige instelling, maar als onderdeel van het gehele kwaliteitscontrolesysteem van de fabriek. Voor hoogwaardige moduleproductie moeten de IV-tester en de zonnesimulator worden afgestemd met duidelijke kalibratieroutines, stabiele referentieapparaten en praktische operator training; anders kan laboratoriumnauwkeurigheid zich niet vertalen in herhaalbaarheid op de productielijn. De echte uitdaging is om precisie te balanceren met dagelijkse productie-efficiëntie, vooral wanneer geavanceerde moduletechnologieën en hogere vermogensclassificaties kleine meetafwijkingen zichtbaarder maken.