Einleitung: Warum die Kalibrierung von Sonnensimulatoren wichtig ist

Bei der Prüfung von Photovoltaikmodulen beginnt eine zuverlässige Messung mit einer Sache: einem ordnungsgemäß kalibrierten Sonnensimulator. Wenn die Ausgangsleistung des Simulators nicht genau kontrolliert wird, können die gemessene Modulleistung, der Strom und der Wirkungsgrad vom wahren Wert abweichen. In einem Markt, in dem 500-W- und leistungsstärkere Module bereits üblich sind, kann selbst ein Fehler von 0,5 % kommerziell bedeutsam werden.

Ein Sonnensimulator ist ein Gerät, das entwickelt wurde, um Sonnenlicht unter kontrollierten Laborbedingungen zu reproduzieren. Es wird häufig für die Leistungsprüfung von PV-Modulen verwendet, insbesondere unter STC (Standard Test Conditions). Einfach ausgedrückt ist es die Hauptlichtquelle für professionelle elektrische PV-Prüfungen.

Abbildung 1 A+ A+ A+ Sonnensimulator

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Bestrahlungsstärkekalibrierung unter STC

Bei den meisten Laborkalibrierungsarbeiten ist das erste Ziel die Bestrahlungsstärke. Unter STC sollte der Simulator auf 1000 W/m² mit einem AM1.5G-Spektrum und einer Zelltemperatur von 25 °C eingestellt werden.

In der PV-Industrie wird üblicherweise eine WPVS-Zelle als primäres Referenzgerätverwendet. Qualifizierte Metrologieinstitute wie PTB oder NREL liefern den kalibrierten Kurzschlussstrom (Isc) der WPVS-Zelle unter AM1.5G und 1000 W/m² Bestrahlungsstärke. Dieser Kalibrierwert ist auf das Internationale Einheitensystem rückführbar, und seine Unsicherheit kann bei etwa 0,5 % liegen.

Aufgrund dieser Rückverfolgbarkeit und Stabilität wird die WPVS-Zelle häufig verwendet, um einen Kalibrierwert mit geringer Unsicherheit auf sekundäre Referenzgeräte zu übertragen.

Die Kalibrierung eines Solarsimulators auf Modulebene besteht jedoch nicht nur darin, eine Zahl in der Software einzustellen. Die Testfläche ist groß, oft etwa 2,6 m × 1,5 m oder sogar 3 m × 2 m. Vor der endgültigen Einstrahlungsanpassung sollte die Einstrahlungsverteilung über die Testebene punktuell gemessen werden. Gemäß IEC 60904-9 sollte der Nichtgleichförmigkeits-Testbereich mindestens 80 % der Simulator-Testfläche abdecken. Danach kann die durchschnittliche Einstrahlung der gesamten Testebene berechnet und als Grundlage für die Kalibrierung verwendet werden.

Abbildung 2 WPVS-Zelle

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WPVS-Referenzzellen-Überwachung: Kleine Positionsfehler sind wichtig

Während der Kalibrierung wird die WPVS-Zelle normalerweise an der Position der Referenzzelle platziert, um die Echtzeit-Einstrahlung während des Simulatorbetriebs zu überwachen. Das Stromsignal der WPVS-Zelle wird über einen Verstärker oder Widerstand in ein Spannungssignal umgewandelt und dann vom Simulatorsystem ausgelesen.

Die Kalibrierung wird durch Anpassen des entsprechenden Softwareparameters abgeschlossen. Beispielsweise verwenden einige Halm-Simulatoren eine Kalibrierwerteinstellung, während einige Pasan-Systeme Empfindlichkeitseinstellungen verwenden. In bestimmten Systemen wird die Beziehung zwischen Strom und Empfindlichkeit direkt als Umrechnungsformel angegeben.

Aber es gibt ein leicht übersehenes Detail: Die Referenzzelle wird oft außerhalb des Haupttestbereichs platziert. Die Einstrahlung an dieser Position kann niedriger sein als die durchschnittliche Einstrahlung über die Modultestebene. Wenn der Messwert ohne Kompensation direkt verwendet wird, kann die tatsächliche Einstrahlung im Modultestbereich zu hoch werden, was die gemessene Leistung beeinflusst.

Selbst wenn die Referenzzelle innerhalb des Testbereichs platziert wird, verschwindet das Problem nicht vollständig. Bei einem A+-Klassen-Simulator mit einer Ungleichförmigkeit unter 1 % wird die Referenzzelle oft nahe dem Rand der Testzone positioniert. Dies kann immer noch eine Abweichung von etwa 0,5 % bis 1 % verursachen. In der PV-Prüfung ist das keine kleine Zahl.

Die Temperatur der Referenzzelle muss ebenfalls nahe 25°Cgeregelt werden. Obwohl der Temperaturkoeffizient von Isc normalerweise relativ klein ist, trägt Temperaturschwankung dennoch zur Messunsicherheit bei. Wenn Präzision das Ziel ist, sollte der Temperatureinfluss so weit wie möglich reduziert werden.

Abbildung 3 Testbereich des Sonnensimulators und Position der Referenzzelle

Kalibrierung bei verschiedenen Bestrahlungsstärken

WPVS-Zellen sind nicht nur stabil; sie bieten auch eine gute Linearität. Dies macht sie nützlich für die Kalibrierung der Simulator-Bestrahlungsstärke bei verschiedenen Lichtintensitätsstufen. Wenn die Zielbestrahlungsstärke beispielsweise 200 W/m²beträgt, kann der kalibrierte Isc-Wert bei 1000 W/m² mit 0,2 multipliziert werden, um den erwarteten Referenzstrom zu erhalten.

Bei Xenon-Lampen-Sonnensimulatoren werden große Bestrahlungsstärkeänderungen oft mit verschiedenen Filtern erreicht. Nach dem Wechsel der Filter wird empfohlen, die Bestrahlungsstärke-Gleichmäßigkeit erneut zu messen, da sich die optische Verteilung zusammen mit der Intensität ändern kann.

Spektrale Kalibrierung: Xenon- und LED-Simulatoren

Bei Xenon-Sonnensimulatoren wird das Spektrum hauptsächlich durch die Lampenquelle und optische Filter bestimmt. In den meisten Laboren kann das Spektrum nicht frei eingestellt werden. Daher besteht die korrekte Methode darin, ein kalibriertes Spektrometer zu verwenden, um das Spektrum an mehreren Positionen im Testbereich zu messen. Gemäß IEC 60904-4 sind mindestens vier Messpunkte erforderlich.

Der Schlüssel liegt nicht darin, das Spektrum an nur einem Ort perfekt erscheinen zu lassen, sondern zu bestätigen, dass der Simulator die erforderliche Spektralklasse über den relevanten Testbereich erfüllt.

Abbildung 4 Spektrale Messpositionen

LED-basierte Sonnensimulatoren sind flexibler. Ihre spektrale Verteilung kann normalerweise über Software eingestellt werden, was es einfacher macht, die A+-Spektralanforderungen in IEC 60904-9 zu erfüllen. Dennoch sollte die spektrale Abweichung, die oft durch SPD-bezogene Bewertung diskutiert wird, so gering wie möglich gehalten werden.

Ein praktisches Problem ist, dass LED-Simulatoren normalerweise aus mehreren LED-Leiterplatten aufgebaut sind. Dies kann zu einer merklichen spektralen Ungleichmäßigkeit über die Testebene führen. Aus diesem Grund ist es besser, mehr Punkte zu messen, anstatt sich nur auf die Mindestanforderung zu verlassen.

Ein weiterer wichtiger Punkt: LED-Simulatoren können große Bestrahlungsstärkeänderungen ohne Filter erreichen, aber ihr Spektrum kann sich dennoch bei verschiedenen Bestrahlungsstärken ändern. Wann immer die Bestrahlungsstärkeeinstellung signifikant geändert wird, sollte das Spektrum erneut überprüft werden, anstatt anzunehmen, dass es unverändert bleibt.

Zusammenfassung: Kalibrierung ist die Grundlage der PV-Messung

Die Kalibrierung von Sonnensimulatoren ist eine der Grundlagen für genaue PV-Modultests. Im Labor besteht der Hauptzweck darin, präzise Messungen zu erreichen und dann hochwertige Kalibrierwerte auf sekundäre Referenzgeräte zu übertragen.

In Produktionslinien kann die Kalibrierstrategie anders sein, da Geschwindigkeit, Wiederholbarkeit, Gerätestabilität und Fabrikprozesskontrolle alle Teil des Messsystems werden. Aber das Kernprinzip bleibt dasselbe: Die Lichtquelle muss kontrolliert, verifiziert und verstanden werden.

Sowohl die Bestrahlungsstärkekalibrierung als auch die spektrale Messung erfordern sorgfältige Arbeit. Referenzzellenposition, Testfeld-Inhomogenität, Filterwechsel, spektrale Verteilung der LEDs und Temperaturkontrolle können alle das endgültige Leistungsergebnis beeinflussen. Bei PV-Tests bleiben kleine Fehler nicht lange klein.

Ooitech's Sicht

Als Ausrüstungslieferant, der mit Solarmodul-Produktionslinien arbeitet, betrachtet Ooitech die Kalibrierung von Sonnensimulatoren nicht als einmalige Einstellung, sondern als Teil des gesamten Qualitätskontrollsystems der Fabrik. Für die Hochdurchsatz-Modulfertigung müssen der IV-Tester und der Sonnensimulator mit klaren Kalibrierroutinen, stabilen Referenzgeräten und praktischer Schulung des Bedienpersonals abgestimmt sein; andernfalls kann die Labormessgenauigkeit nicht in die Wiederholbarkeit der Produktionslinie übertragen werden. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, die Präzision mit der täglichen Fertigungseffizienz in Einklang zu bringen, insbesondere wenn fortschrittliche Modultechnologien und höhere Leistungsklassen kleine Messabweichungen sichtbarer machen.