ИМИТАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SOLAR RADIATION SIMULATOR

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к устройствам, позволяющим имитировать реальное солнечное излучение искусственными источниками света для измерения параметров и характеристик фотоэлементов и фотоэлектрических (ФЭ) модулей с концентраторами солнечного излучения, а также позволяет использовать импульсный имитатор солнечного излучения при сборке ФЭ модулей с концентраторами.
Известен имитатор солнечного излучения (см. патент RU №2088500, МПК B64G 7/00, опубликован 1997.08.27), содержащий отражатель, источник света, конденсор, выравниватель яркости и коллиматор, блок задания режима излучения, датчик излучения и лампу накаливания малой мощности. Также дополнительно введено по N-1 отражателей, источников света, конденсоров, выравнивателей яркости и коллиматоров. При этом каждые i-e (i=1,…,N) отражатель, источник излучения, конденсор, выравниватель яркости и коллиматор установлены последовательно. Фокус каждого i-го конденсатора совмещен с фокусом соответствующего i-го отражателя. Отражатели выполнены в виде части эллипсоида вращения, а выравниватель яркости - в виде многогранных, например шестигранных, призм со сферическими торцами. Призмы каждого i-го выравнивателя яркости установлены в одном корпусе с i-ми конденсором и коллиматором параллельно с контактом по граням. Каждый i-й корпус с возможностью смещения в осевом направлении объединен в i-й модуль с i-ми источником излучения и отражателем. Каждый i-й модуль установлен на общей раме с возможностью перемещения в плоскость общей рамы и поворота относительно этой плоскости. Лампа накаливания малой мощности установлена на общей раме с возможностью фиксации в фокусе каждого i-го отражателя. Фокальные плоскости коллиматоров совмещены, а датчик излучения размещен в совмещенной фокальной плоскости и соединен с блоком задания режима излучения.
Недостатками известного имитатора солнечного излучения являются усложненность конструкции, необходимость настройки большого числа элементов, значительные габариты.
Известен имитатор солнечного излучения на основе ксеноновых дуговых ламп непрерывного свечения (см. патент US №5568366, МПК F21V 7/00, 22.10.1996), содержащий несколько ламповых модулей, оптических конденсоров и линз, направляющих световые пучки в фокальную точку, поворотное концентрирующее зеркало, состоящее из нескольких сегментов, которые поворачивают излучение каждого из ламповых модулей и направляют его в фокальную точку вакуумной камеры, содержащей концентратор, суммирующий излучение от всех ламповых модулей.
Недостатками данного устройства являются его громоздкость, сложность технического обслуживания из-за необходимости отвода большого количества тепла и трудность получения высококоллимированных световых потоков большой апертуры, необходимых для измерения характеристик фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения.
2
Известно устройство для тестирования солнечных элементов (см. заявка US №20020014886, МПК G01R 31/00, 07.02.2002), состоящее из трех источников света: импульсной ксеноновой лампы и двух галогенных ламп, трех детекторов излучения, трех оптических систем и измерительной системы. Излучение каждого из источников света выделяется в свой спектральный диапазон, в котором контролируется интенсивность излучения, а затем фокусируется на область измерения площадью около 400 см. Суммарная освещенность и спектральный состав светового потока на поверхности фотоэлемента может варьироваться в широких пределах для синтезирования спектра излучения, максимально приближенного к стандартному солнечному спектру.
Недостатками этого устройства являются малая выходная апертура выходящего светового потока и невозможность преобразовать его в параллельный световой поток, имитирующий солнечное излучение для освещения ФЭ модулей с концентраторами.
Известен имитатор солнечного излучения (см. заявка US №20080223441, МПК H01L 31/00, 18.09.2008), представляющий собой конструкцию, содержащую источник света и некое количество фокусирующих зеркал определенной формы и конфигурации, направляющих излучение источника света на фотоприемную площадку. В качестве источника света используется ксеноновая импульсная лампа-вспышка, излучение от которой попадает на большое количество сферических или цилиндрических зеркал, отражающих световые потоки, при этом между фотоприемной площадкой и зеркалами устанавливаются различные широкополосные и узкополосные интерференционные светофильтры на разные спектральные области, коэффициенты пропускания света которых подобраны таким образом, чтобы спектр суммарного излучения на фотоприемной площадке наиболее точно соответствовал спектру солнечного излучения.
Недостатками известного имитатора солнечного излучения являются малая выходная апертура светового потока и невозможность сконцентрировать суммарное световое излучение от лампы-вспышки в малом телесном угле, соответствующем расходимости солнечного излучения.
2
th
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к заявляемому техническому решению является имитатор солнечного излучения на основе импульсной ксеноновой лампы с большой апертурой выходного светового потока площадью 0,5×0,5 м (см. "Terrestrial Concentrator PV Moduls based on GalnP/GaAs/Ge TJ Cells and Minilens Panels". - Proceedings of the 4 Wold Conference on Photovoltaic Energy Conversion. - Hawaii, May 7-12, 2006, pp.632-635). В данном устройстве в качестве коллиматора используется линза Френеля. Между лампой-вспышкой и линзой Френеля помещен стеклянный светофильтр, корректирующий спектр излучения лампы-вспышки и позволяющий приблизить этот спектр к спектру солнечного излучения. Между линзой Френеля и ФЭ модулем с концентраторами помещается также специальный нейтральный светофильтр переменной плотности, выравнивающий интенсивность выходящего светового потока по площади. Кроме того, в этом устройстве на одной оптической оси с лампой-вспышкой установлен светодиод, свет от которого позволяет предварительно визуализировать ход лучей от лампы-вспышки.
Недостатками данного имитатора солнечного излучения являются существенная неравномерность освещения по всему полю коллимированного излучения, которую очень трудно скорректировать с помощью нейтрального светофильтра без больших потерь в интенсивности излучения, а также отсутствие возможности оптимизации взаимного положения элементов периферийных компонентов модуля при монтаже, не предусмотрена защита вспомогательного источника света (светодиода) от разрушающего воздействия излучения лампы-вспышки.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, являлась разработка такого имитатора солнечного излучения, который бы обеспечивал возможность юстировки взаимного положения отдельных элементов ФЭ модулей с концентраторами, а также положения всего ФЭ модуля относительно измерительной системы и позволял повысить точность измерения выходных фотоэлектрических параметров ФЭ модулей с концентраторами при освещении от источника света со спектром, близким к солнечному.
Поставленная задача решается тем, что имитатор солнечного излучения включает расположенные последовательно на одной оптической оси светодиод, излучающий в диапазоне длин волн 650±20 нм и соединенный световодом с первым светофильтром, поглощающим свет с длиной волны меньше 620 нм, импульсную ксеноновую лампу, диафрагму, второй светофильтр, корректирующий спектр излучения импульсной ксеноновой лампы, линзу Френеля и пространственный фильтр для выравнивания плотности светового потока по площади. Фокусное расстояние F линзы Френеля связано с расстоянием L между диафрагмой и светоизлучающей поверхностью импульсной ксеноновой лампы соотношением:
;
2
где Р - плотность мощности излучения импульсной ксеноновой лампы, Вт/м,
2
W - плотность мощности имитируемого солнечного излучения, Вт/м. Диаметр d отверстия диафрагмы составляет (0,0100-0,0115)·F, см. Первый светофильтр имеет рассеивающую свет поверхность, обращенную к импульсной ксеноновой лампе, и гладкую поверхность, обращенную к светодиоду.
Между световодом и обращенной к нему гладкой поверхностью первого светофильтра может быть помещена иммерсионная среда в виде прозрачного силикона, а светодиод подключен к источнику переменного тока либо к источнику импульсного тока с заданной частотой повторения импульсов.
Пространственный фильтр, выравнивающий плотность светового потока, должен иметь независимый от длины волны излучения, но переменный по площади коэффициент пропускания света, обратно пропорциональный локальной мощности светового потока. Это условие может быть выполнено несколькими способами.
Пространственный фильтр может быть выполнен в виде стеклянной пластины или пленки, прозрачной для спектра лампы-вспышки, на которую нанесены непрозрачные для всех длин волн спектра лампы-вспышки концентрические окружности с толщиной линий 0,15-0,40 мм, с центром на оптической оси имитатора. Локальная частота нанесения окружностей пропорциональна локальной плотности светового потока, выходящего из линзы Френеля. Линейные размеры стеклянной пластины или пленки равны размерам линзы Френеля.
Концентрические окружности могут быть выполнены из штрихов, разделенных прозрачными для света участками.
Пространственный фильтр может быть выполнен в виде стеклянной пластины или пленки, прозрачной для спектра лампы-вспышки, на которую нанесены непрозрачные для всех длин волн спектра лампы-вспышки сплошные или штриховые линии, радиально расходящиеся из центра, лежащего на оптической оси имитатора, толщиной 0,15-0,40 мм. Частота нанесения которых пропорциональна локальной плотности светового потока, выходящего из линзы Френеля. При этом линейные размеры стеклянной пластины или пленки равны размерам линзы Френеля.
Пространственный фильтр может быть выполнен в виде стеклянной пластины или пленки, прозрачной для спектра лампы-вспышки, на которую нанесен рисунок в виде непрозрачных для всех длин волн спектра лампы-вспышки точек размерами 0,15-0,40 мм, частота нанесения которых пропорциональна локальной плотности светового потока, выходящего из линзы Френеля.
Пространственный фильтр может быть выполнен в виде стеклянной пластины или пленки, прозрачной для спектра лампы-вспышки, на которую нанесен рисунок в виде непрозрачных для всех длин волн спектра лампы-вспышки хаотически расположенных штриховых линий размерами 0,15-0,40 мм. Средняя частота нанесения штриховых линий пропорциональна локальной плотности светового потока, выходящего из линзы Френеля.
Пространственный фильтр, выравнивающий плотность светового потока, должен иметь независимый от длины волны излучения, но переменный по площади коэффициент пропускания света, обратно пропорциональный локальной мощности светового потока. Размеры затеняющих свет элементов фильтра должны быть намного больше длины волны падающего света, чтобы пренебречь дифракцией света, и намного меньше линейных размеров линз ФЭ модуля, чтобы обеспечить равномерную засветку последних.
Приведенное выше соотношение параметров L и F обеспечивает наиболее равномерное распределение мощности коллимированного светового потока, выходящего из линзы Френеля при заданном значении плотности мощности имитируемого солнечного излучения, при этом пространственный фильтр, выравнивающий плотность светового потока, будет иметь минимальный уровень поглощения света.
Диаметр диафрагмы d должен быть в 100-115 раз меньше величины F. Данное соотношение обеспечивает угловую расходимость светового потока из оптической системы имитатора, отличающуюся от угловой расходимости лучей от диска Солнца не более чем на 7%.
Выбор в качестве дополнительного источника света красного светодиода с длиной волны 650±20 нм обусловлен тем обстоятельством, что данный спектральный диапазон попадает на стык спектральных диапазонов поглощения первого и второго каскадов трехкаскадного фотоэлемента, и при облучении фотоэлементов светом с такой длиной волны в первом и втором каскаде трехкаскадного фотоэлемента будут генерироваться носители тока, а при учете «мягкой» вольт-амперной характеристики третьего каскада через фотоэлемент будет протекать электрический ток. В двухкаскадных и однокаскадных фотоэлементах излучение в данном спектральном диапазоне также эффективно преобразуется в электрический ток.
Между импульсной ксеноновой лампой и красным светодиодом устанавливается красный светофильтр, который поглощает свет с длиной волны короче 620 нм и защищает светодиод от разрушающего коротковолнового видимого и ультрафиолетового излучения лампы-вспышки. Матовая рассеивающая поверхность красного светофильтра является вторичным источником красного излучения, световые лучи от которой распространяются по тому же оптическому пути, что и лучи от импульсной ксеноновой лампы. Форма и размеры красного светофильтра выбраны таким образом, чтобы свет красного светодиода равномерно рассеивался матовой поверхностью светофильтра и, проходя через диафрагму, освещал всю поверхность линзы Френеля.
а
В случае, когда линейные размеры светофильтра  будут меньше размеров, удовлетворяющих соотношению , то свет от светодиода, проходя через диафрагму, будет попадать только на центральную часть линзы Френеля, а периферийные участки ФЭ модуля с концентраторами не будут освещены. Увеличение размеров фильтра выше требуемых приводит к уменьшению плотности светового излучения с поверхности светофильтра и увеличению потерь света за счет того, что часть лучей не попадает на поверхность линзы Френеля.
Для уменьшения потерь света от светодиода между световодом и гладкой поверхностью светофильтра может быть помещена просветляюще иммерсионная среда, например прозрачный силикон.
Применение светодиода с вышеперечисленными параметрами позволяет использовать импульсный имитатор солнечного излучения при сборке ФЭ модулей с концентраторами и обеспечивает точную общую юстировку и взаимную юстировку элементов модуля по величине электрического сигнала фотоэлементов при освещении их светом красного светодиода. Для улучшения соотношения сигнал/шум при измерении сигналов фотоэлементов красный светодиод может быть запитан от импульсного или переменного источника тока. Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где
на фиг.1 показано схематичное изображение имитатора солнечного излучения;
на фиг.2 изображен ход лучей от импульсной ксеноновой лампы;
на фиг.3 показан ход лучей от светодиода,
sc
oc
m
amb
c
sc
oc
m
amb
c
2
2
на фиг.4 приведены вольт-амперные характеристики фотоэлектрического модуля с концентраторами при натурных и лабораторных измерениях (кривая 1 - натурные испытания, I=1,79 A, V=35,2 В, P=50,63 Вт, FF=80,3%, Eff=25,5%, T=10°C, E=860 Вт/м; кривая 2 - импульсный имитатор, I=1,78 A, V=35,63 В, P=50,35 Вт, FF=79%, Eff=25,35%, T=22°C, E=862 Вт/м).
Заявляемый имитатор солнечного излучения для измерения характеристик ФЭ модуля 1 с концентраторами (см. фиг.1) содержит расположенные последовательно на одной оптической оси 2: светодиод 3, световод 4, первый светофильтр 5, поглощающий свет с длиной волны меньше 620 нм, импульсную ксеноновую лампу 6, диафрагму 7, второй светофильтр 8, корректирующий спектр излучения импульсной ксеноновой лампы 6, линзу Френеля 9 и пространственный фильтр 10 для выравнивания плотности светового потока по площади. Светодиод 3 излучает красный свет в диапазоне длин волн 650±20 нм. Фокусное расстояние F линзы Френеля 9 связано с расстоянием L между диафрагмой 7 и светоизлучающей поверхностью импульсной ксеноновой лампы 6 соотношением:
2
где Р - плотность мощности излучения импульсной ксеноновой лампы, Вт/м,
2
W - плотность мощности имитируемого солнечного излучения, Вт/м.
а
Диаметр d отверстия диафрагмы 7 составляет (0,0100-0,0115)·F, см. Первый светофильтр 5 имеет рассеивающую свет поверхность 11, обращенную к импульсной ксеноновой лампе 6, и гладкую поверхность 12, обращенную к светодиоду 3. Между световодом 4 и обращенной к нему гладкой поверхностью 12 первого светофильтра 5 может быть помещена иммерсионная среда 13 в виде прозрачного силикона, а светодиод 3 подключен к источнику переменного тока (на чертеже не показан) либо к источнику импульсного тока с заданной частотой повторения импульсов. Пространственный фильтр 10, выравнивающий плотность светового потока, имеет коэффициент пропускания света, независимый от длины волны излучения, но переменный по площади, обратно пропорциональный локальной мощности светового потока. При этом линейный размер  первого светофильтра 5 и его расстояние l от диафрагмы 7 связаны соотношением .
При работе заявляемого имитатора солнечного излучения (см. фиг.2) свет от импульсной ксеноновой лампы 6 проходит через отверстие диафрагмы 7, расположенной на расстоянии фокуса F от линзы Френеля 9, которая преобразует расходящийся световой пучок при соблюдении указанных выше соотношений в квазипараллельный с угловой расходимостью, равной угловой расходимости солнечного излучения, затем на фотоприемную площадку ФЭ модуля 1 с концентраторами, в котором преобразуется в электрический сигнал, регистрируемый системой измерения (на чертеже не показана). Второй светофильтр 8 корректирует спектр импульсной ксеноновой лампы 6, приближая его к спектру солнечного излучения, а пространственный фильтр 10, расположенный между линзой 9 Френеля и ФЭ модулем 1, выравнивает плотность излучения, выходящего из линзы Френеля 9. Свет от светодиода 3 (см. фиг.3) через световод 4 и гладкую поверхность 12 красного первого светофильтра 5 попадает на матовую поверхность 11 светофильтра 5, рассеивающую излучение. Красный первый светофильтр 5 в данном устройстве является вторичным источником излучения с размерами а, свет от которого проходит через прозрачный баллон импульсной ксеноновой лампы 6 и диафрагму 7 и попадает на линзу Френеля 9 по тому же оптическому пути, что и свет от импульсной ксеноновой лампы 6. Он так же преобразуется линзой Френеля 9 и оптической системой ФЭ модуля 1, как и свет импульсной ксеноновой лампы 6. Поэтому свет от светодиода 3 используется в имитаторе для визуализации хода лучей импульсной ксеноновой лампы 6 при установке и юстировке ФЭ модуля 1 с концентраторами, а также при сборке ФЭ модуля импульсной ксеноновой лампы 6 для взаимной юстировки его элементов.
2
Был изготовлен опытный образец заявляемого имитатора солнечного излучения. Он был выполнен на основе импульсной ксеноновой лампы-вспышки. Для преобразования светового потока была использована линза Френеля размерами 50×50 см и фокусным расстоянием 780 мм. Между линзой Френеля и лампой-вспышкой на расстоянии 780 мм от линзы Френеля была установлена металлическая диафрагма с диаметром отверстия 7,5 мм. Расстояние от диафрагмы до светящейся поверхности лампы-вспышки составляло 3,5 м. Позади лампы-вспышки на одной оптической оси с диафрагмой и линзой Френеля на расстоянии 11 мм от диафрагмы был установлен красный светофильтр диаметром 7 мм и толщиной 3 мм, изготовленный из стекла КС-19. Далее на той же оптической оси помещался светодиод, излучающий на длине волны 645 нм. Свет от светодиода вводился в красный светофильтр через кварцевый штапик диаметром 5 мм, служивший световодом. Между красным светофильтром и кварцевым штапиком помещалась иммерсионная среда в виде жидкого силикона. Между диафрагмой и линзой Френеля был установлен светофильтр, корректирующий спектр лампы-вспышки, а на поверхности линзы Френеля - пространственный фильтр, для выравнивания оптической плотности излучения, выходящего из линзы Френеля.
2
2
Изготовленный образец имитатора солнечного излучения позволял получать квазипараллельный световой пучок размерами 50×50 см, с плотностью излучения 1000 Вт/м±20% и неравномерностью плотности излучения ±3%. Угловая расходимость светового пучка составляла 33 угловые минуты, спектральный состав был близок к солнечному излучению. На данном имитаторе были проведены испытания ФЭ модуля с концентраторами, результаты которых приведены на фиг.4. Как видно из хода кривых, приведенных на фиг.4, получено хорошее соответствие результатов измерений, проводимых на данном имитаторе солнечного излучения и в натурных условиях.