Сончев симулатор

Сончев симулатор (исто така симулатор за вештачко сонце или сончева светлина) ― уред кој обезбедува осветлување приближно на природната сончева светлина. Целта на сончевиот симулатор е да обезбеди контролирана внатрешно испитана постројка под лабораториски услови. Може да биде користен за испитување на какви било постапки или материјали кои се светлосно чувствителни, вклучувајќи сончеви ќелии, заштита од сонце, козметика, пластика, воздухопловновселенски материјали, рак на кожата, биолуминисценција, фотосинтеза, третман на вода, разградување на сурова нафта, и образување слободни радикали. Сончевите симулатори се користени во широк опсег на истражувачки области, вклучувајќи фотобиологија, фотооксидација, фоторазградување, фотоволтаици, и фотокатализа.
1 Класификација
Стандардите што ги специфицираат барањата за изведба на сончеви симулатори што се користени при фотоволтаично испитување се IEC 60904-9, ASTM E927-19, и JIS C 8912. Овие стандарди ги специфицираат следните димензии на контрола на светлината од сончев симулатор:
# спектрална содржина (квантифицирана како спектрално совпаѓање)
# просторна униформност
# временска стабилност
# Спектрално покривање (SPC) (само IEC 60904-9:2020)
# Спектрално отстапување (SPD) (само IEC 60904-9:2020)
Сончевиот симулатор е наведен според неговите изведби во првите три од горенаведените димензии, секоја во една од трите класи: A, B или C. (Четвртата класификација, A+, била воведена во изданието на IEC 60904-9 од 2020 година и е применувано само за сончеви симулатори оценети во спектрален опсег од 300 nm до 1200 nm.) За ASTM E927-19, ако сончевиот симулатор е надвор од критериумите A, B, C, тој с сметан за класа U (некласифициран; unclassified). Иако овие стандарди првично биле дефинирани посебно за фотоволтаично испитување, метриката што ја вовеле станала вообичаен начин за пошироко специфицирање на сончевите симулатори во други примени и индустрии.
Спецификациите ASTM E927-19 потребни за секоја класа и димензија се дефинирани во Табела 1 подолу. Спецификациите на класата А за состанување на сончев симулатор во сите три димензии се нарекувани сончев симулатор од класа ААА (се однесува на првите три димензии наведени погоре).
+Табела 1: Класификација на сончеви симулатори, Класификација, Спектрално совпаѓање (сите интервали), Просторна нерамномерност на озраченоста, Временска нестабилност на озраченост, Применливи стандарди
Класа А+, 0,875-1,125, 1%, 1%, IEC 60904-9:2020, од 300 nm–1200 nm
Класа А, 0,75-1,25, 2%, 2%, IEC 60904-9, ASTM E927, JIS C 8912
Класа Б, 0,6-1,4, 5%, 5%, IEC 60904-9, ASTM E927, JIS C 8912
Класа В, 0,4-2,0, 10%, 10%, IEC 60904-9, ASTM E927, JIS C 8912
Класа U (некласифицирана), > 2.0, > 10%, > 10%, ASTM E927
Стандардот ASTM E927-19 специфицира дека секогаш кога овој формат со тројни букви се користи за да биде опишан сончев симулатор, треба јасно да биде разјаснето која класификација е применувана за секоја метрика на сончеви симулатори (на пр. сончев симулатор од класа ABA треба да биде јасно кои параметри се класа А наспроти Б).
Стандардот IEC 60904-9 одредува дека трите букви мора да бидат по редослед на спектрално совпаѓање, нерамномерност и временска нестабилност.
1.1 Спектрално совпаѓање
Спектралното совпаѓање на сончевиот симулатор е пресметувано со споредување на неговиот излезен спектар со интегрираното зрачење во неколку интервали на бранова должина. Референтниот процент на вкупното зрачење е прикажан подолу во Табела 2 за стандардните копнени спектри на воздушна маса 1.5G и воздушна маса 1.5D и за вонземскиот спектар, AM 0. Подолу е заплетот на овие два спектра.
Спектрален однос на совпаѓање на сончев симулатор, <math>R_{SM}</math> (т.е. однос на спектрално совпаѓање), е неговото процентуално излезно зрачење поделено со она на референтниот спектар во тој интервал на бранова должина. На пример, ако сончев симулатор емитира 17,8 проценти од неговото вкупно зрачење во 400 nm–500 nm опсег, би имал a <math>R_{SM}</math> во тој интервал на бранова должина од 0,98. Ако сончевиот симулатор постигне спектрален однос на совпаѓање <math>R_{SM}</math> помеѓу 0,75 и 1,25 за сите интервали на бранова должина, сметано е дека има спектрално совпаѓање од класа А.
+Табела 2: Процент на вкупна зрачење за три стандардни спектри на АСТМ, Интервал на бранова должина [nm], AM1.5D, AM1.5G, AM0
300–400, без спецификации, без спецификации, 4,67%
400–500, 16,75%, 18,21%, 16,80%
500–600, 19,49%, 19,73%, 16,68%
600–700, 18,36%, 18,20%, 14,28%
700–800, 15,08%, 14,79%, 11,31%
800–900, 12,82%, 12,39%, 8,98%
900–1100, 16,69%, 15,89%, 13,50%
1100–1400, без спецификации, без спецификации, 12,56%
Овие интервали на бранови должини првенствено биле наменети за примена на сончеви симулатори за тестирање на силициумски фотоволтаици, па оттука спектралниот опсег преку кој биле дефинирани интервалите бил ограничен главно на првично развиениот регион на примање на кристален силициум (400 nm–1100 nm).
Стандардите за сончеви симулатори имаат одредени барања за тоа каде треба да биде мерен спектарот на осветлување. На пример, стандардот IEC 60904-9 бара спектарот да биде мерен на четири различни места во шема дадена подолу.
Неодамнешниот развој на материјалната наука го прошири опсегот на спектрална одговорност на сончевите ќелии c-Si, multi-c-Si и CIGS на 300 nm–1200 nm. Затоа, во 2020 година, стандардот IEC 60904-9 вовел нова табела со интервали на бранова должина (дадена во Табела 3 подолу) чија цел е да го усогласи излезот од сончевиот симулатор со сегашните потреби на широк спектар на фотоволтаични уреди.
+Табела 3: Процент од вкупното зрачење за AM1.5G на IEC 60904-9:2020, Интервал на бранова должина [nm], Процент од вкупното зрачење [%]
300–470, 16.61
470–561, 16,74
561–657, 16.67
657–772, 16.63
772–919, 16.66
919–1200, 16.69
Иако горенаведената дефиниција за спектрален опсег е соодветна за да одговори на потребите за испитување на многу фотоволтаични технологии, вклучително и сончеви ќелии со тенок филм изработени од кадмиум телурид или бакар индиум галиум селенид, таа не е доволна за испитување на повеќеслојни сончеви ќелии користејќи високоефикасни III-V полупроводници кои имаат поширок опсег на примање од 300–1800 nm.
За точни спектрални податоци надвор од горенаведените опсези, табелите со податоци во ASTM G173 (за AM1.5G и AM1.5D) и ASTM E490 (за AM0) може да бидат користени како референца, но спецификациите на сончеви симулатори сè уште не важат за ништо надвор од 300 nm до 1200 nm за AM1.5G и 300 nm до 1400 nm за AM0. Многу производители на сончеви симулатори произведуваат светлина надвор од овие региони, но класификацијата на светлината во овие надворешни региони сè уште не е стандардизирана.
1.2 Просторна нерамномерност
Просторната нерамномерност на сончевиот симулатор е пресметувана преку следнава равенка, при што резултатот е процент::<math>S_{NE} = 100 \frac{\text{max}(I_s)-\text{min}(I_s)}{\text{max}(I_s)+\text{min}(I_s)}</math>
Еве, <math>I_s</math> е низа од нормализирани вредности на струја на куса врска откриена од сончева ќелија или низа сончеви ќелии. Трите стандарди за сончеви симулатори имаат малку поинакви барања за тоа како се собира низата мерења за пресметување на просторната нерамномерност. ASTM E927-19 специфицира дека полето за осветлување мора да биде мерено на минимум 64 положби. Областа на секоја пробна положба, <math>A_{TP}</math>, е областа за испитување на осветлување поделена со бројот на положби. Областа на забележувачот што е користенам мора да биде помеѓу 0,5 и 1,0 од <math>A_{TP}</math>.
1.3 Временска нестабилност
Временската нестабилност на зрачењето на сончев симулатор е пресметувана преку следнава равенка, при што резултатот е процент::<math>T_{IE} = 100 \frac{\text{max}(I_T)-\text{min}(I_T)}{\text{max}(I_T)+\text{min}(I_T)} </math>
Еве, <math>I_T</math> е низа мерења собрани во периодот на прибирање податоци. Стандардите за сончеви симулатори не го специфицираат потребниот временски интервал или честотата на земање примероци во апсолутна вредност.
1.4 Спектрално покривање
Ажурирањето на стандардот IEC 60904-9 од 2020 година ја вовело метриката на спектрална покриеност, дополнителен начин за квалификување на сончеви симулатори. Вредноста на спектралното покривање на сончевиот симулатор моментално не влијае на неговата класификација, но е барано да биде пријавено според IEC 60904-9:2020. Спектралната покриеност е пресметувана на следниов начин и се однесува на процентот на емисија на сончев симулатор што е најмалку 10 проценти од референтното зрачење на дадена бранова должина:
:<math>SPC = \left(\sum_{E_{SIM}(\lambda)>0.1\cdot E_{AM1.5}(\lambda)}E_{AM1.5}(\lambda)\cdot \Delta\lambda\Bigg/ \sum_{\text{300 nm^{\text{1200 nm E_{AM1.5}(\lambda)\cdot \Delta\lambda\right) \cdot 100\% </math>
1.5 Спектрално отстапување
Ажурирањето на стандардот IEC 60904-9 од 2020 година ја воведе метриката за спектрално отстапување, дополнителен начин за квалификување на сончеви симулатори. Вредноста на спектралното отстапување на сончевиот симулатор моментално не влијае на неговата класификација, но е барано да биде пријавено според IEC 60904-9:2020.
Спектралното отстапување е пресметувано на следниов начин и се однесува на вкупното процентуално отстапување помеѓу емитираниот спектар на сончев симулатор и референтниот спектар:
:<math>SPD = \left( \sum_{\text{300 nm^{\text{1200 nm |E_{SIM}(\lambda)-E_{AM1.5}(\lambda)|\cdot \Delta \lambda \Bigg/ \sum_{\text{300 nm^{\text{1200 nm E_{AM1.5}(\lambda)\cdot \Delta \lambda \right) \cdot 100\% </math>
2 Видови сончеви симулатори
Сончевите симулатори може да бидат поделени во две категории според нивното времетраење на емисијата: постојано (или во стабилна состојба) и блескави (или импулсни). Сончевите симулатори, исто така, понекогаш се категоризирани според бројот на светилки што се користени за создавање на спектарот: единечна или повеќесветилка.
2.1 Постојани симулатори
Првиот вид е познат облик на извор на светлина во која осветлувањето е постојано во времето, исто така познат како стабилна состојба. Спецификациите спомнати во претходните делови најдиректно се однесуваат на овој вид сончеви симулатори. Оваа категорија најчесто е користена за испитување со низок интензитет, од помалку од 1 сонце до неколку сонца. Вкупното интегрирано зрачење за спектарот AM1.5G е 1000.4 <math>W\cdot m^{-2}</math> (280 nm до 4000 nm пропусен опсег) што често е нарекувана „1 сонце“. Сончевите симулатори на постојано светло (или постојан бран) може да имаат искомбинирано неколку различни видови светилки - како што се лаковиот извор и една или повеќе халогенски светилки - за да го прошират спектарот далеку во инфрацрвеното.
Вториот вид сончеви симулатори, исто така познат како импулсен симулатор, е квалитативно сличен на фотографирањето со блескалка и користи цевки за блескање. Со вообичаено времетраење од неколку милисекунди, можни се многу високи интензитети до неколку илјади сонца. Овој вид опрема често е користен за да биде спречено непотребното собирање топлина во уредот што е испитуван. Сепак, поради брзото загревање и ладење на светилката, интензитетот и спектарот на светлина се инхерентно минливи, што го прави повтореното сигурно испитување технички потешко. Технологијата на светилки во цврста состојба, како што се светлинско емитувачки диоди, ублажуваат некои од овие проблеми за греење и ладење во блескачки сончеви симулатори. Стандардите за сончеви симулатори обезбедуваат насоки за стабилна состојба во споредба со блескавите сончеви симулатори. На пример, делот 7.1.6.3 на ASTM E927 дава насоки за мерењата на временската нестабилност за светлечки сончеви симулатори.
3 Изградба на сончев симулатор
Сончевиот симулатор се состои од три главни дела:# Извори на светлина (светилки) и извори на енергија
# Оптика и оптички филтри, за промена на зракот и добивање на саканите својства # Контролни елементи за извршување
4 Видови светилки
Неколку видови светилки се користени како извори на светлина во сончевите симулатори. Видот светилка е веројатно најважниот одредувачки фактор за ограничувањата на изведбата на сончевиот симулатор во однос на интензитетот, спектралниот опсег, шемата на осветлување, склопувањето и временската стабилност.
4.1 Лачни аргонски светилки
Лачните аргонски светилки биле користени во раните студии за симулација на Сонцето (1972) и имаат висока емисија на топлина во боја од 6500 K, добро усогласена со температурата на црното тело на сонцето, со релативно широка спектрална емисија од 275 nm до 1525 година nm. Гасот аргон под висок притисок кружи помеѓу анода и катода, со воден вител што тече по внатрешниот ѕид на кварцната цевка за да го излади работ на лакот. Лачните аргонски светилки ги носат недостатоците на краток век на траење и слаба сигурност.
4.2 Јаглеродни лачни светилки
Јаглеродните лачни светилки имаат емисија слична на AM0 и затоа се користени за сончеви симулатори дизајнирани да произведуваат екстрасончеви спектри. (Тие биле користени за првите вселенски симулатори на НАСА.) Јаглеродните лачни светилки имаат корист од ултравиолетовата емисија со повисок интензитет. Сепак, тие имаат недостаток што се претежно послаби по интензитет од слични ксенонски лачни светилки. Покрај тоа, тие имаат краток век на траење, се нестабилни за време на работата и испуштаат сина светлина со висок интензитет, неусогласена со сончевиот спектар.
4.3 Светлечки диоди
Отприлика од 2000 година, светлечките диоди станале вообичаено користени во PV сончеви симулатори. Светлечките диоди емитираат светлина кога паровите електрони-дупки се рекомбинираат. Тие се евтини и збиени со мала потрошувачка на енергија. Тие обично имаат тесен опсег од редот на 10 nm-100 nm, така што повеќе светлечки диоди мора да се комбинираат во сончев симулатор. Како таква, спектралното совпаѓање на сончевиот симулатор со светлечки диоди, во голема мера е определено од бројот и видовите светлечки диоди што се користени во неговиот дизајн. Светлечките диоди може прецизно да бидат контролирани за време на прозорците помалку од една милисекунда за постојани или блескави примени за сончеви симулатори. Дополнително, светлечките диоди имаат релативно долг животен циклус во споредба со сите други видови светилки за сончеви симулатори и се многу ефикасни во претворање енергија. Тековните истражувања и развој на светлечки диоди постојано ги намалуваат нивните трошоци и го прошируваат нивното спектрално покривање, овозможувајќи им се повеќе да бидат користени во сончеви симулатори со поширок спектар. Сончевите симулатори со светлечки диоди се единствени по тоа што нивните спектри можат да бидат подесувани електрично (со зголемување или намалување на интензитетот на различни светлечки диоди) без потреба од оптички филтри. Во споредба со ксенонските лачни светилки, светлечките диоди покажале еднакви резултати при IV испитување фотоволтаични модули со подобра стабилност, флексибилност и спектрално усогласување. Бидејќи емисијата на светлечките диоди е донекаде чувствителна на температурата на спојницата, светлечките диодите имаат недостаток што бараат соодветно топлинско управување.
4.4 Металнохалидни лачни лампи
Металните халидни лачни светилки првенствено биле развиени за употреба во филмско и телевизиско осветлување, каде што е потребна висока временска стабилност и совпаѓање на боите на дневната светлина. Меѓутоа, за истите овие својства, металните халидни лачни светилки исто така се користени во сончева симулација. Овие светилки произведуваат светлина преку празнење со висок интензитет (ПВИ) со поминување на електричен лак низ испарувана жива под висок притисок и соединенија на метал халид. Нивните недостатоци вклучуваат голема потрошувачка на енергија, високи трошоци за електронски возач, и кратки животни циклуси. Сепак, тие имаат корист од релативно ниските трошоци, и поради оваа ниска цена, многу сончеви симулатори на голема површина се изградени со оваа технологија.
4.5 Кварцно-волфрамски халогени светилки
Халогените светилки со кварц-волфрам нудат спектри кои многу се совпаѓаат со зрачењето на црното тело, иако обично со пониска температура на бојата од сонцето. Тие се вид блескава светилка каде што халоген како бром или јод го опкружува загреаното влакно од волфрам. Нивниот недостаток е тоа што имаат максимална температура на бојата од 3400 K, што значи дека произведуваат помалку улгравиолетова и повеќе инфрацрвена емисија од сончевата светлина. Тие се со висок интензитет, и со ниска цена, и се широко користени во помалку чувствителни примени како што се испитување на концентрирани сончеви собирачи.
4.6 Суперконтинуумски ласер
Ласерот со супер континуум е извор на високо-моќна, широкопојасна светлина што може да се движи од видливиот опсег до инфрацрвена. Ласерите се со висок интензитет и лесно се насочувани, но имаат недостаток на осветлување само на многу мали области. Нивните високи интензитети, сепак, овозможуваат испитување на фотоволтаични модули во примените на сончеви концентратори.
4.7 Ксенонски лачни светилки
Ксенонските лачни светилки се најчестиот вид светилки и за постојани и за блескави сончеви симулатори. Тие се вид светилка за празнење со висок интензитет (ПВИ) каде светлината е произведувана од електричен лак преку јонизиран гас ксенон под висок притисок. Овие светилки нудат висок интензитет и нефилтриран спектар кој разумно се совпаѓа со сончевата светлина. Понатаму, овие светилки не покажуваат значително поместување на спектралната рамнотежа поради разликите во моќноста, намалувајќи ја потребата за стабилност на изворот на енергија. Бидејќи тие испуштаат висок интензитет од една светилка, може да биде произведен усогласен зрак со висок интензитет од ксенонска лачна светилка. Сепак, спектарот на ксенонските лачни светилки се одликува со многу непожелни остри атомски преодни врвови, како и генерално посилна емисија во инфрацрвената светлина, што го прави спектарот помалку пожелен за некои спектрално чувствителни примени. Овие врвови на емисија обично се филтрирани со помош на стаклени филтри. Ксенонските светилки носат многу недостатоци, вклучувајќи голема потрошувачка на енергија, потреба за постојано одржување, краток животен циклус, висока цена, излезна чувствителност на нестабилност на напојувањето, ризик од експлозија на светилката поради нивната работа преку гас под висок притисок, и дишевна опасност од озон поради производство на озон од ултравиолетово зрачење.