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  阳光模拟知识

 

太阳模拟器是用来完整模拟地球表面或者太空区域中真实太阳光的一种工业化设备,太阳模拟器需要真实的还原太阳光照射特定区域的表现。

工业化的太阳模拟器具备第一层次的模拟:
1. 太阳光强度(NASA标准或ASTM标准规范)
2. 太阳光光谱(AM1.50,AM1.0, 或AM0等)
3. 照射特定区域的均匀度:真实太阳光入射到地球,在特定的工业化装备现实区域内,在没有树叶和附近垂直物遮挡下,光的强度分布是非常均匀的。
4. 照射特定区域的稳定度:真实太阳光入射到地球,在特定的工业化装备现实区域内,在特定的天气条件短时间内,比如15分钟内,光的强度是几乎不会波动的。

对特定行业的太阳模拟器,需要专业层次的模拟:
1. 太阳光的动态强度(真实还原昼夜或变化的太阳光强度)或者高倍数太阳模拟器
2. 模拟光谱区间的定义,不同行业需要对该行业特征光谱响应,或材料或生物敏感光谱段进行模拟。诸如,大于3000nm以上光谱输出的热效应,将导致部分生物敏感测试系统的大幅度测试误差。而光伏行业只对350-1100nm或400-1100nm半导体材料敏感波段进行模拟评估。小于400nm以下的光谱输出的紫外效应,将导致大部分有机材料的强烈老化。
3. 杂散光和垂直入射光比例的模拟,地球表面杂散光的比例接近20%,直射光接近80%。对平行入射的模拟系统,将不能真实模拟工业装备区域内受光的条件。

对更高级别的模拟系统:
1. 三维轮廓光模拟
2. 风速和风向
3. 工业装备的表面温度和周边环境温度
4. 湿度和气体含量

较早的太阳光模拟用于军事工业和航空航天行业,比如NASA较早开发的大型光模拟器,以及我们国家开发的军事装备太阳光老化测试系统。

新兴光伏领域太阳模拟器的设计和制造基本沿用早期相关工业的设计方法,由于大面积稳态模拟器光源设计非常复杂,另一方面,开发和使用用户一般需获得响应速度非常快的光伏电参数即可,使得单次闪光ms级的脉冲太阳光模拟器快速发展。从发光方式上可以区分为两大类:
1. 脉冲模拟器:根据脉冲宽度可区分为短脉冲和长脉冲模拟器,用以考察光伏器件的即时光电性能
2. 稳态模拟器:根据调制方式上可区分为频闪和无频闪模拟器,用于考察光伏器件的长期光电性能

对脉冲模拟器,必须配置电子负载,数据采集和计算等设备,用来测试光伏器件(包括太阳电池片,太阳电池组件等)的电性能,如Pmax, Imax, Vmax,Isc,Voc,FF,Eff, Rs, Rsh以及I-V曲线等。通过这些快速测试参数一定程度上反应出电池的短期性能。脉冲模拟的发展,使得对太阳光的光谱、均匀度和稳定度的模拟达到非常精确的等级,目前主流系统必须具备AAA级的基本要求。

高等级的稳态模拟器,也能实现脉冲模拟器的即时光电性能的采集,更重要的是进行光伏器件的长期光电性能评估。对稳态模拟器,根据进一步的系统构造出发,可分为开放式和可靠性试验箱测试系统两大类。
1. 开放式太阳模拟器:多为小型电池片模拟器或大型早期设计的模拟器。在室内安置支架型光发生器,并通过室内空调系统进行温度的平衡控制。优点:系统变换灵活。缺点:室内周边诸如空调配置投资大,温度控制波动大非常大。除了用于电池片测试的小型稳态模拟器外,对需要重复精确度高要求的光伏测试应用,正逐渐为行业淘汰。
2. 可靠性试验箱测试系统:80年代随大功率电子式功率整流电源发展,使得大面积光源阵列小型化和稳定化,在可靠性试验箱体的结合上,成为完美的工业设计,最大程度地得以模仿更多参数的太阳光输出,重复测试精度和设备稳定安全性达到了非常高的等级。

不同的规范定义了不同的模拟器要求,比如比较宽松的模拟要求如光伏行业:

一. 模拟器要求
1.总辐照度
模拟器必须能够在测试平面上达到1000W/平方米的标准辐照度(用标准电池测量),并根据需要可对辐照度在标准辐照度值上下进行80%-100%的光强调节。
2.光谱匹配
模拟器光谱辐照度分布应与标准光谱AM1.5G辐照度分布匹配。等级A的匹配度在0.75~1.25,等级B的匹配度在0.6~1.4,等级C的匹配度在0.4~2.0。
3.均匀度
在测试平面上,指定测试区域内的辐照度应该达到一定的均匀度,辐照度用合适的探测器量测。等级A的辐照均匀度<=+/-2%,等级B的辐照均匀度<=+/-5%,等级C的辐照均匀度<=+/-10%。不均匀度=+/-((最大幅照度-最小辐照度)/(最大幅照度+最小辐照度))*100%
4.辐照稳定度
数据采集期间,辐照度应该具有一定的稳定度。等级A的稳定度在<=+/-2%,等级B的稳定度在<=+/-5%,等级C的稳定度在<=+/-10%。辐照不稳定度=+/-((最大幅照度-最小辐照度)/(最大幅照度+最小辐照度))*100%
  
二. 测试规范
1. 光伏产品认证:IEC61215 和 IEC61646
2. 光伏产品安全:IEC61730 和 UL1703
3. 光伏产品性能:IEC61853 和 PTC‐PVUSA Power Rating

三. 产品概况
尚信在国内大面积稳态模拟器上与国内外机构和科研单位开发的SUN和SUV系列稳态太阳模拟器,已经提供中国光伏领先企业超过10台大面积步入式稳态太阳模拟(含快速紫外测试系统)。第一代光模拟系统具备从CCB到BBA的光模拟等级和一周内完成紫外测试的快速能力,并已经结合不同环境控制参数的综合测试模块,部分系统配置监测电性能诸如电子负载和I-V测试单元。第二代产品和服务将随光伏企业的进一步要求,持续领先推出:
1. 户内户外联合测试系统,帮助企业获得户内和真实户外光伏组件的加速老化系数
2. 高倍数太阳多参数模拟系统或超级紫外模拟用于光伏器件效率的快速衰减和封装可靠性加速老化评估
3. 太阳光动态强度自动模拟系统

 

 

 
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