ההבדלים בין הסטנדרטים השונים המשמשים לאיפיון סימולטורים סולריים!

מאת: אד מנק, – Oriel Inst. – Newport Corp

ההבדלים בין שלושת הסטנדרטים המשמשים להערכת ביצועים של תאים סולריים והבעיתיות הנוצרת בעקבות זאת במהלך בדיקות.

היעילות של התקנים פוטו-וולטאים משתפרת יחד עם המחקרים על שיטות שונות ליצירת החומרים ולשינוי המבנה של התאים על מנת להגביר את המרת הפוטונים הפוגעים לאלקטרונים.
חוקרים פיתחו שיטות סטנדרטיות להגדרת הקריטריונים למדידת ביצועים של תאים סולריים. בבדיקות אלה בדרך כלל משתמשים במקור אור כדי לדמות את התוכן הספקטרלי, את עוצמת הקרינה ואת היציבות בזמן. עם התפתחות הטכנולוגיה של הסימולטורים הסולריים, השתפרה גם היכולת לשלוט באופן מדויק יותר על הביצועים.
השימוש בשיטות סטנדרטיות כדי לכמת עקביות ביצועים בין הסימולטורים הסולריים מאפשר השוואה ומעקב בין התוצאות על ידי מזעור הטעויות שיוצר מקור האור. שוני בהתאמה ו/או האחידות הספקטרלית בין סימולטור אחד לאחר עלול לגרום להבדלים בביצועים לכאורה של התקן פוטו-וולטאי.
השיפורים ביעילות באים בדרך כלל לידי ביטוי כעלייה קטנה מאוד, ולכן השוני שיוצר מקור האור יכול להיות משמעותי. עקביות בביצועים מאפשרת לחוקרים העוסקים בפיתוח חומרים חדשים להתקנים פוטו-וולטאים להשוות במדויק נתוני ביצועים.
קיימים שלושה סטנדרטים בהם משתמשים בכימות הביצועים של סימולטור סולרי:
הראשון – התקן של הנציבות הבינלאומית לאלקטרו טכניקה  IEC 60904-9 2 (2007) התקנים פוטו- וולטאים – חלק 9: דרישות הביצועים של סימולטורים סולריים.
השני – JIS C 8912-1998, סימולטורים סולריים לתאים סולריים ומודולים גבישיים.
השלישי – ASTM E 927-05 (2005) מפרט לסימולציה סולרית לבדיקת תאים פוטו וולטאים קרקעיים.
למרות הדמיון בניהם, ישנם הבדלים מהותיים בין שלושת הסטנדרטים האלו בכמה מהמדדים שהם מגדירים למדידת הביצועים. כתוצאה מכך, נוצר בלבול לגבי ההשוואה בין סימולטורים שעברו בדיקות התאמה באמצעות כל אחת מהשיטות השונות.
בשנת 2006, ה-IEC (הנציבות הבינלאומית לאלקטרו טכניקה) פרסם מתכונת חדשה של קריטריונים לסימולטורים סולריים המוגדרים ב-IEC 60904-9 מהדורה 2 (2007) התקנים פוטו- וולטאים – חלק 9.  קריטריונים לגבי אי-האחידות שקובע כי הקרינה צריכה להיות פחות מ-2% וכן ההגדרה של יציבות בזמן לטווח קצר וארוך, אלו הפכו למחמירים ביותר מבין שלושת הסטנדרטים הקיימים. סטנדרטים אלו נכנסו לתוקף ב-2007 והחליפו את המהדורה הראשונה שפורסמה ב-1995.
המהדורה הנוכחית של IEC 60904 הגדירה מחדש את השיטה לסיווג סימולטורים סולריים, תוך שימוש בשיטת דיווח המחייבת קטגוריות דיווח נפרדות להתאמה ספקטרלית, אי-אחידות של קרינה ויציבות בזמן. השיטה מאפיינת סימולטור סולרי על ידי הגדרת קריטריוני ביצועים בשלושה סיווגים (A, B, או C) לכל אחת משלוש הקטגוריות.
השוואה של הקריטריונים להתאמה ספקטרלית בין השיטות של IEC, JIS ו-ASTM
מראה שאין כמעט הבדלים בדרישות הביצועים.
ביצועים מסיווג A מוגדרים כאחוז הקרינה בתחום מוגדר (סל) של אורכי גל עם דיוק של25% +/-. ההגדרה הזאת מוצגת בצורה גרפית באיור 1. רוב היצרנים פיתחו דגמים של פילטרים מיוחדים  השומרים על התאמה ספקטרלית למשך אורך חייה של המנורה, תוך התחשבות בהתיישנות המנורה.
למרות שדרישות היציבות בזמן שונות בשלושת השיטות, היצרנים טיפלו בבעיות של יציבות בזמן באמצעות כמה טכניקות יעילות. השיטות האלה כוללות דגמים עם שתי מנורות, מנורות קשת קסנון מותאמות ספציפית ומערכות של משוב אור.
טכניקות אלו עוזרות להבטיח שאפשר לשלוט ביציבות בזמן באופן מספק כדי לעמוד בדרישות המחמירות ביותר.
ללא תלות בתקן שבו משתמשים להערכה, אחידות הקרינה, היא כנראה הקריטריון החשוב ביותר במידה ומדידת התאים הסולריים   נעשית לצורך השוואת ביצועי זרם ומתח בסימולטור סולרי נתון.
אפילו כשהיא נעשית בסימולטור ספציפי, אי אחידות יכולה ליצור נקודות חמות שבהן הקרינה עשויה לא להיות במצב האידיאלי של שמש אחת (1 Sun) בפילטר-AM1.5 גלובלי. אחידות סיווג A מבטיחה תוצאות עקביות, בלי קשר למיקום בשטח הבדיקה, במקרים בהם תא הדגימה קטן יותר משטח הבדיקה הכולל.
חשוב לציין שאף אחת מהשיטות לא מאפשרת הגדרה של חלק משטח הבדיקה. לדוגמה, אי אפשר להגדיר שטח קטן יותר “סיווג A בשטח זה בלבד, אבל לא בשטחים אחרים”. חייבים לבדוק את כל השטח, ורק סיווג אחד חל.
אי ההתאמה הגדולה ביותר בין השיטות היא בדרישות לאי-אחידות של הקרינה והשיטות המוגדרות למדידתה. השיטה שמגדיר IEC 60904-9 מהדורה 2 (2007) היא הקשה ביותר למילוי, עם דרישה שאי-האחידות תהיה פחות מ-2% על פני כל שטח ההארה באמצעות שיטה המחייבת מדידה של כל השטח.
השיטה של IEC לוקחת את אזור הבדיקה שהוגדר ומחייבת שיחולק ל-64 מיקומי בדיקה שווים בגודלם, ומחייבת גם שגודל הגלאי שבו משתמשים לא יהיה גדול מ-1/64 מאזור הבדיקה שהוגדר, עד למכסימום של 400 סמ”ר לסימולטורים עם שטח גדול.
השיטה של JIS לא מחייבת שהשטח כולו יחולק ויימדד באופן הדומה לזה שבשיטות של ASTM ו-IEC, אלא מספקת רשת שמוגדרת באופן שונה אם המישור המוקרן הוא ריבועי או עגול עם נקודות בדיקה קבועות. בנוסף, שטח הגלאי מוגדר כ-2 סמ”ר, או 4% מהשטח המוקרן (הקטן מהשניים). אי-אחידות המכסימלית של הקרינה  מוגדרת כ- +/-2%. לצורך הדיון הזה, מניחים שהסטנדרט של IEC מחמיר יותר לגבי אי-האחידות של הקרינה.

אפקט ריבוי הסטנדרטים
ASTMקובע מינימום של 36 מיקומי בדיקה המפוזרים באופן שווה, כשהשטח של התקן הבדיקה לא יעלה על השטח של מיקום בדיקה אחד.  גם באמצעות שיטה זאת אי-האחידות חייבת להיות 2% או פחות כדי לקבל סיווג A.
זה אומר ששטחו של התקן הבדיקה יכול להיות גדול בעד 56% בשיטה של ASTM מאשר בשטח הקבוע בשיטה של IEC.
היות והשטח גדול יותר, הדבר  מגדיל את גורם המיצוע של המדידה.
ASTM מכיר בעובדה זאת וממליץ למדוד יותר מ-36 מדידות, כתוצאה מכך, כשדוגמים את מספר הדגימות המינימלי תוך שימוש בשטח הגדול ביותר המותר, המדידה פחות רגישה מאשר בשיטה של IEC.
לכן, להגדרה של אי-אחידות סיווג A תוך שימוש בקווים המנחים של ASTM יש יותר אי-אחידות מאשר למידת אי-אחידות סיווג A לפי IEC, למרות שהקריטריונים הינם אותם קריטריונים.
אחת התוצאות של השימוש בריבוי סטנדרטים עם קריטריוני מדידה משתנים היא שבלתי אפשרי להבין לחלוטין את הביצועים של סימולטור סולרי רק על ידי הסתכלות בהגדרת הסיווג של ההתאמה הספקטרלית, אי-האחידות של הקרינה והיציבות בזמן.
החוקר צריך להתעמק יותר ולהבין כיצד הבדיקות מבוצעות על מנת להבטיח תאימות מלאה לסטנדרט. יש לבחון את הגדרת הסיווג באופן ביקורתי, וצריך להבין את המגבלות של כל סיווג.
כשמציינים סטנדרט, באיזה סטנדרט משתמשים? אם האחידות של סימולטור היא סיווג A, האם היא נבדקה בהתאם ל-ASTM, IEC או JIS? לדעת רק מה הסטנדרט זה לא כל הסיפור.
בנוסף, החוקר צריך להביא בחשבון את שטח הגלאי שבו השתמשו. ככל שהגלאי קטן יותר, מבוצע פחות מיצוע, כלומר הפרטים מדויקים יותר. אולם, אם משתמשים בגלאי קטן יותר, יש להגדיל את מספר נקודות הדגימה כד להבטיח שכל אזור הבדיקה נמדד.
החוקר צריך גם להביא בחשבון כמה נתונים נלקחו. אם לא מגדילים את מספר נקודות הדגימה, אפשר למקם את הגלאי במיקומים שונים כדי לקבל את הנתונים הטובים ביותר באותו “בלוק בדיקה”.
לבסוף, קחו בחשבון האם ההגדרה חלה על כל השדה או על חלק מהשדה. אין “שטח חלקי” בתוך שטח הבדיקה. אם חוקר בודק שטח שהוא 300 מ”מ על 300 מ”מ, ההגדרה של האחידות חלה על כל שטח הבדיקה.
החוקר גם חייב לוודא שהבדיקות המתבצעות עונות על הדרישות של הסטנדרט הנוכחי. אי אפשר להניח שנוהגים לפי הסטנדרט הנוכחי. מהדורת 1995 של התקן של IEC הוחלפה על ידי מהדורה 2007.
כשחוקר משווה ביצועים של סימולטורים, האם השוואה בין סימולטור עם סיווג AAA של ASTM לסימולטור עם סיווג AAA של IEC היא השוואה תקפה? התקן של IEC מחמיר יותר, ושיטת הבדיקה פחות נתונה לפרשנות.
למעשה, הגדרה של סיווג AAA של  ASTM עשויה להיות בעצם רק סיווג ABA אם הבדיקה נעשתה באמצעות השיטה של IEC, בגלל הבדלים בשיטת הבדיקה.

*הכתבה נמסרה באדיבות New Technology S.K. Ltd