W pierwszej części artykułu przedstawiliśmy dwa rodzaje symulatorów słonecznych. Pierwszy zbudowany w oparciu o źródła światła w postaci lamp ksenonowych oraz dugi ze źródłem światła w postaci modułów z diodami LED. O ile dopasowanie widma dla lampy ksenonowej, wyposażonej w odpowiedni zestaw filtrów, jest jednakowe dla tego typu urządzeń, to w przypadku oświetlaczy zbudowanych w oparciu o diody LED zależy od ich liczby i rodzaju.
Urządzenie MBJ wyposażono w moduły zbudowane z 22 diod, dla których widmo pokazano na rysunku 3 [1].
Rys. 3. Widmo źródła światła w symulatorze MBJ (moduł 22 LED) źródło MBJ [1]
Z powyższego zestawienia parametrów można wyciągnąć wniosek, że główną wadą symulatora opartego na ksenonowych lampach błyskowych jest bardzo krótki czas pomiaru. Jednak symulator Endeas 650LAB pozwala na wyznaczanie parametrów elektrycznych dla wysokowydajnych modułów PV zbudowanych w oparciu o ogniwa typu HJT, TOPCon oraz IBC. Ogniwa tego typu mają co prawda wysoką pojemność wewnętrzną, ale urządzenie dokonuje pomiarów przy dokładnie zoptymalizowanej długości impulsu błyskowego z użyciem opatentowanej przez Endeas metodzie kompensacji pojemności (CAC).
Warto w tym miejscu przybliżyć (w dość uproszczony sposób) opis problemu pomiaru ogniw o wysokiej pojemności wewnętrznej oraz rozwiązanie proponowane przez firmę Endeas [2]. Wysokowydajne moduły zbudowane na bazie ogniw takich jak PERC, HJT, TOPCon i IBC podczas pomiaru z użyciem krótkiego błysku zazwyczaj mają niedoszacowaną moc maksymalną. To w praktyce oznacza, że producenci sprzedają swoje produkty o niższej mocy, a tym samym w niższej cenie. Trudność w dokładnym zmierzeniu tych modułów wynika z dużej pojemności ogniw PV. Problem ten nie wstępuje w ogniwach wcześniejszych generacji, ale pojawia się w najnowszych i związany jest z bardzo efektywną pasywacją powierzchni oraz bardzo długim czasem życia nośników mniejszościowych w krzemie. W rezultacie, gdy stosowane są krótkie impulsy błyskowe, „ładowanie i rozładowywanie” ogniwa podczas pomiarów zniekształca zmierzoną krzywą IV i obniża moc maksymalną. Firma Endeas opracowała rozwiązanie, które można zastosować w testerach błyskowych ze stosunkowo krótkimi impulsami błyskowymi. Metoda kompensacji pojemności (CAC) umożliwia dokładne pomiary krzywej IV i mocy wysokowydajnych modułów fotowoltaicznych (PV) za pomocą symulatorów energii słonecznej QuickSun® wykorzystujących impuls błyskowy krótszy niż 40 milisekund.
Podczas błysku system pomiarowy wyznacza krzywą I-V poprzez szybkie zmiany napięcia od wartości dla obwodu otwartego (Voc) aż do zwarcia. Podczas tych zmian napięcia rejestrowany jest indukowany prąd wyjściowy.
Rys. 4. Charakterystyki prądowo napięciowe dla wysokowydajnego ogniwa PV o napięciu Voc = 720 mV. Linia niebieska – charakterystyka I-V dla kierunku zmian napięcia „w przód”, Linia różowa – charakterystyka I-V dla kierunku zmian napięcia „w tył”, Linia niebieska – charakterystyka I-V dla stanu ustalonego.
Źródło: Endeas [2]
Na rysunku 4 pokazano charakterystyki I-V zmierzone podczas pomiarów, w trakcie których napięcie wyjściowe zmieniano zarówno w kierunku „do przodu”, jak i „do tyłu”. Artefakty pomiarowe spowodowane gromadzeniem ładunku (pojemnościowego) w ogniwie słonecznym są widoczne wokół punktu mocy maksymalnej (MP). W porównaniu z symulowaną krzywą I-V dla stanu ustalonego, zmiany napięcia „do przodu” powodują niedoszacowanie prądu wyjściowego. Natomiast zmiany napięcia „wstecz” powodują zawyżenie zmierzonego prądu.
Rysunek 5 przedstawia obwód zastępczy typowego wysokowydajnego ogniwa fotowoltaicznego. Obwód ten zawiera elementy stanu ustalonego i elementy pojemnościowe powodujące artefakty pomiarowe podczas krótkich impulsów błyskowych.
Rys. 5. Schemat zastępczy wysokowydajnego ogniwa PV zawierający elementy pojemnościowe. Źródło: Endeas [2]
Zmiany prądu płynącego przez diody i rezystancję bocznika zależą wyłącznie od napięcia. Są one niezależne od szybkości, z jaką napięcie jest zmieniane podczas impulsu błyskowego. Natomiast prąd płynący przez kondensatory zależy nie tylko od napięcia, ale także od szybkości jego zmian. To sprawia, że ogniwo zachowuje się inaczej w zależności od szybkości, z jaką napięcie jest zmieniane podczas impulsu błyskowego. W tradycyjnych ogniwach fotowoltaicznych elementy pojemnościowe (kondensatory) są pomijalne, co umożliwia zmianę napięcia w dowolnym stopniu. W przypadku najnowszych, wysokowydajnych technologii fotowoltaicznych już tak nie jest. W metodzie CAC mierzy się pojemność ogniwa lub modułu fotowoltaicznego. Wynik opiera się na wyznaczeniu prądu i napięcia podczas normalnego impulsu błyskowego. Obserwując, jak zachowuje się zmierzony prąd podczas pomiaru w trybie zmian napięcia „do przodu” i kolejnego rozładowywania urządzenia, metoda ta umożliwia dokładny pomiar pojemności urządzenia. Po wyznaczeniu pojemności i wyeliminowaniu jej wpływu konstruowana jest krzywa I-V
w stanie ustalonym oraz wyliczana moc maksymalna.
Metoda CAC umożliwia skrócenie czasu zmian napięcia poniżej 20 ms, nawet w przypadku pomiaru najnowocześniejszych ogniw słonecznych o wysokiej zawartości Voc. W ten sposób można wykonać pomiary w ramach pojedynczego impulsu błyskowego o długości 40 ms. Jest to ponadto ogromna zaleta techniczna z punktu widzenia trwałości systemu flash i całkowitego czasu testowania. Metoda CAC jest dostępna we wszystkich aktualnych modelach symulatorów energii słonecznej QuickSun® firmy Endeas.
Podsumowując, obecnie symulatory promieniowania słonecznego zarówno te zbudowane w oparciu o lampy ksenonowe jak i diody LED mogą spełniać wymagania normy IEC 60904-9 Ed. 3 dla klasy A+A+A+. Największa wada symulatorów ksenonowych, czyli krótki błysk pomiarowy, może zostać wyeliminowana za pomocą metod numerycznych.
Jednak wraz z rozwojem technologii LED to symulatory z takim źródłem światła mogą lepiej odzwierciedlać widmo słoneczne i to prawdopodobnie do nich należy przyszłość pomiarów parametrów modułów PV.
W artykule wykorzystano ogólnodostępne materiały oraz informacje z: