p3 / Лекця 12 v ККД СЕ. мтатори СВ

Подібні прості імітатори з водяним фільтром можуть бути використані для експресного контролю якості сонячних елементів і їх груп (розмірами до 20 х 30 см) на всіх стадіях процесів виготовлення, а без водяного фільтра - для контролю якості сонячних батарей.

Спектр ламп розжарювання, застосовуваних для контролю якості сонячних батарей великої площі, може бути значно виправлений і наближений до сонячного нанесенням на внутрішню поверхню колби лампи (як перед вольфрамовою ниткою розжарення, так і ззаду неї) багатошарових інтерференційних світлофільтрів. Колба лампи оберігає світлофільтри від несприятливого впливу зовнішнього навколишнього середовища (зокрема, підвищеної вологості), а наслідків термічного впливу випромінювання вольфраму, що приводить до кристалізації шарів багатошарового світлофільтру і подальшого відшаровування його від скла, вдається уникнути, якщо ввести між діелектричними шарами світлофільтру і склом тонку напівпрозору плівку хрому, нанесену при великій швидкості конденсації в глибокому вакуумі. Осадження поступово випаровуючого шару вольфраму на скло й світлофільтри також можна запобігти, використовуючи лампу-фару з нанесеними на її колбі світлофільтрами, всередину якої вбудована малогабаритна, але досить потужна вольфрамова лампа в кварцовій оболонці. З таких ламп-фар може бути зібраний будь-який імітатор Сонця для вимірюiвання параметрів СЕ будь-якої площі.

Для вимірювання параметрів великих сонячних батарей і груп сонячних елементів зараз розроблені та вже використовуються імітатори на імпульсних ксенонових лампах. Ці імітатори не мають оптики, і рівномірність освітлення на великій опромінюваній площі (2 х 2 м і більше) досягається за рахунок значного віддалення вимірюваної батареї від лампи. Для корекції спектра застосовується інтерференційний або іноді водяний фільтр. Дуже важливо, щоб імітатор був оснащений відповідною вимірювальною апаратурою, яка повинна забезпечити за час одного імпульсу тривалістю близько 1 мс замір всіх точок вольт-амперної характеристики. Подібні імітатори створюють на площі 2,5 х 2,5 м опроміненість з нерівномірністю + - 2%.

При вимірах на імпульсних імітаторах сонячна батарея не встигає прогрітися, і її температура наближена до кімнатної.

Необхідно також коротко зупинитися на надпотужних ксенонових лампах безперервного горіння, кожна з яких (при досить гарній імітації спектру позаатмосферного сонячного випромінювання) може створити необхідну щільність потоку випромінювання у 1360 Вт/м² на поверхні сонячної батареї площею в декілька десятків квадратних метрів. Прикладом такого джерела випромінювання може служити спеціально розроблена металева ксенонова лампа надвисокого тиску потужністю 40 кВт. Лампа вибухобезпечна, забезпечена подвійним охолоджуваним водою кварцовим вікном в металевому корпусі, проте зважаючи на значну нерівномірність освітлення по площі, що досягає ± 20% на краях опромінюваної поверхні, такі лампи краще використовувати лише в пристроях для дослідження світлового старіння космічної техніки або наближеної оцінки працездатності сонячних батарей, а не при вимірюваннях їх фотоелектричних параметрів.

Для дослідницьких цілей і вибіркових вимірювань сонячних елементів, що випускаються і розробляються, використовують імітатори з високою якістю відтворення спектру і однорідності потоку. Рівномірне освітлення отримують за рахунок змішування пучків променів, яке може бути виконано кількома способами. У вітчизняному імітаторі С-1 на лампі розжарення з колірною температурою 3100 К рівномірність опромінення ± 10% на площі 20 х 30 мм отримана накладенням двох пучків випромінювання. Спектральна корекція здійснюється за допомогою кольорових оптичних стекол. За допомогою світлофільтрів досягається достатньо хороше відтворення спектру в інтервалі 0,4-1,1 мкм, однак при цьому самі світлофільтри поглинають значну частину енергії випромінювання лампи розжарювання, що вимагає майже десятикратного перевищення вихідного потоку випромінювання над імітованим та інтенсивного охолодження світлофільтрів. При повному використанні енергії випромінювання лампи розжарювання

потужністю 750 Вт за допомогою двопроменевої схеми і застосуванні спеціальної системи охолодження (світлофільтри занурюються в прозорий чотирихлористий вуглець, охолоджуваний проточною водою) виникаючі труднощі вдається подолати.

Паралельність променів в більшості сучасних імітаторів досягається за рахунок застосування коліматорів (як правило, параболоїдних дзеркал або лінз Френеля), у фокусі яких розміщується зображення тіла розжарення джерел випромінювання, яке, в свою чергу, створюється концентраторами (найчастіше еліпсоїдами з великим кутом обхвату).

Джерелом випромінювання більшості зарубіжних імітаторів служить ксенонова лампа високого тиску. Спектр корегують інтерференційними світлофільтрами, що дозволяють наблизити спектр лампи до спектру позаатмосферного Сонця.

Імітатор Спектросан Х-25 фірми Спектролаб (США), створений для вимірювань параметрів сонячних елементів, дає пучок з нерівномірністю не більше ± 2% на площі діаметром 300 мм при відстані 1,5-2 м від касети з світлофільтрами. Змінний комплект фільтрів дозволяє отримувати як позаатмосферний, так і наземний сонячні спектри, правда, дещо далекий від стандартного спектру (умови АМ1,5).

На аналогічних принципах побудовані імітатори фірми Ушіо Електрик (Японія), Оріел (США), Бош (ФРН) та ін..

Серед вітчизняних імітаторів на середні площі хороші параметри має прилад, розроблений у Всесоюзному науково-дослідному світлотехнічному інституті. Нерівномірність освітлення в цьому імітаторі не перевищує ± 2% на площі 150 х 200 мм, що досягається за допомогою змішувача, виконаного у вигляді досить протяжного (довжиною від 1 до 2 м) вертикального порожнинного дзеркального світловода з поперечним перетином, що дещо перевищує робочу площу. Імітатор, однак, не відтворює високої паралельності променів, яка характерна для позаатмосферного сонячного випромінювання. Джерелом випромінювання в цьому імітаторі служать дві метало-галогенні лампи зі спектром, близьким до сонячного – це ртутні газорозрядні лампи з добавками йоду і броміду олова. Слід зазначити, що використання в достатньо точних імітаторах позаатмосферного випромінювання Сонця пристроїв, що досить швидко змінюють у часі свої оптичні характеристики і вимагають регулярної заміни не дозволяє застосувати ці імітатори для контролю якості сонячних елементів у процесі виробництва (багатошарові інтерференційні світлофільтри, складні лампи, пропускання колб яких погіршується з часом, а характеристики випромінювання не постійні). До того ж такі імітатори не розраховані на вимірювання параметрів сонячних батарей, що мають, як правило, велику площу (декілька десятків і сотень квадратних метрів).

Складний характер наземного сонячного випромінювання при різних повітряних масах (див. рис. 1.1) робить досить важким завдання імітації такого випромінювання, навіть якщо обмежитися відтворенням стандартного сонячного випромінювання в умовах АМ1,5 в області довжин хвиль від 0,4 до 1,1 мкм.

Ймовірно, що для отримання точного спектрального розподілу стандартного наземного сонячного випромінювання необхідні більш складніші пристрої, наприклад, за допомогою монохроматора із змінною за заданою програмою щілинною діафрагмою, або відтворення наземного сонячного спектру для окремих спектральних ділянках за допомогою ксенонової або галогенної лампи, забезпечених набором змінних вузькосмугових інтерференційних світлофільтрів. Обидва способи, на жаль, створюють потік імітованого сонячного випромінювання на дуже невеликій площі в декілька квадратних мілі- або сантиметрів.

У зв'язку зі складністю точної імітації наземного сонячного випромінювання підлозі отримали широке поширення методи наближеного відтворення наземних спектрів імітаторами зі спектром випромінювання, що повторює згладжену, усереднену криву випромінювання Сонця при умовах АМ1,5. Шляхом підбору або розрахунку необхідного комплекту світлофільтрів для імітаторів позаатмосферного випромінювання будь-якої розглянутої конструкції можна домогтися досить гарного наближення до наземних сонячних спектрів за необхідної щільності потоку прямого випромінювання.

Відомий, наприклад, імітатор для вимірювання параметрів сонячних елементів, що складається з двох ламп – ксенонової і вольфрамової. У ксенонової лампи довгохвильова частину спектру (правіше 0,7 мкм) «відрізана» за допомогою фільтра на основі розчину мідного купоросу, охолоджуваного водою, а короткохвильове випромінювання вольфрамової лампи розжарювання (лівіше 0,55- 0,6 мкм) поглинається фільтром з кольорового скла. Змішування на опромінюваній поверхні сонячного елемента двох корегованих таким чином променистих потоків дає можливість при зміні потужності ламп і товщини фільтрів отримувати згладжену криву як позаатмосферного, так і наземного сонячного випромінювання.

Для наближення до спектру Сонця спектрального випромінювання звичайних ламп розжарювання може бути також застосований також рідинний оптичний фільтр на основі розчину мідного купоросу.

Можна також зробити порівняно простий наземний імітатор на лампах розжарювання зі скляними фільтрами і дифузним відбивачем, що забезпечує рівномірне освітлення розсіяним світлом, близьким до того, що спостерігається за природних умов. Як показали експерименти, такий відбивач дозволяє отримати нерівномірність, що не перевищує ± 5% на площі 40 х 40 мм. Лінзова оптика в імітаторі відсутня. Джерело випромінювання - галогенні лампи з колірною температурою 3400 К. Гарне наближення до згладженої кривої спектрального розподілу повного потоку наземного випромінювання при атмосферній масі 1,5 можна отримати за допомогою спеціальних кольорових стекол.

Більш повно реальні умови наземного сонячного випромінювання відтворюються при використанні оптичної схеми, показаної на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Оптична схема імітатора прямого і розсіяного (дифузного) потоку наземного сонячного випромінювання:

1 - вольфрамові галогенні лампи; 2 - конденсори; 3 - плоскі фацетні відбивачі;

4 - об'єктиви; 5,6 - світлофільтри для імітації спектрального складу прямого(5) і розсіяного (дифузного) (6 ) потоку випромінювання; 7 - вимірюваний сонячний елемент

Правий промінь однієї лампи і лівий промінь іншої проходять через світлофільтр і, освітлюючи сонячні елементи під кутом, близьким до нормального, імітують потік прямого сонячного випромінювання. Інша пара променів, проходячи системи корекції і потрапляючи на сонячні елементи під гострим кутом, імітує розсіяне випромінювання неба. Як показали розрахунки, спектральний розподіл випромінювання лампи розжарювання з колірною температурою 3400 К можна перетворити в спектральний розподіл прямого сонячного потоку при стандартних параметрах за допомогою світлофільтра, який складається з кількох спеціально підібраних кольорових стекол різної товщини і шару дистильованої води. Оптимізація товщини фільтрів проводиться розробником цієї схеми на ЕОМ, що дозволило досягти гарної корекції спектру ламп.