محاكي الطاقة الشمسية

تُحسب مطابقة الطيف لجهاز محاكاة الشمس بمقارنة طيفه الناتج مع الإشعاع الشمسي المتكامل في عدة نطاقات طول موجي. يوضح الجدول 2 أدناه النسبة المئوية المرجعية للإشعاع الكلي للأطياف الأرضية القياسية AM 1.5G و AM 1.5D، والطيف خارج الغلاف الجوي AM 0. ويُظهر الجدول أدناه رسمًا بيانيًا لهذين الطيفين.

نسبة التطابق الطيفي لمحاكي الطاقة الشمسية،${\displaystyle R_{SM}}$(أي نسبة التطابق الطيفي)، وهي النسبة المئوية للإشعاع الناتج مقسومة على نسبة الإشعاع الطيفي المرجعي في نطاق الطول الموجي المحدد. على سبيل المثال، إذا كان جهاز محاكاة الطاقة الشمسية يُصدر 17.8% من إجمالي إشعاعه في نطاق 400-500  نانومتر  ، فسيكون لديه${\displaystyle R_{SM}}$في نطاق الطول الموجي 0.98. إذا حقق جهاز محاكاة الشمس نسبة مطابقة طيفية${\displaystyle R_{SM}}$إذا كانت النسبة بين 0.75 و 1.25 لجميع فترات الطول الموجي، فإنه يعتبر ذا تطابق طيفي من الفئة أ.

كانت فترات الطول الموجي هذه مخصصة في المقام الأول لتطبيق محاكاة الطاقة الشمسية لاختبار الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون ، وبالتالي فإن النطاق الطيفي الذي تم تحديد الفترات عليه كان محدودًا بشكل أساسي بمنطقة الامتصاص التي تم تطويرها في الأصل للسيليكون البلوري (400 نانومتر - 1100 نانومتر).  

تتضمن معايير محاكاة الطاقة الشمسية بعض المتطلبات المتعلقة بمواقع قياس طيف الإضاءة. فعلى سبيل المثال، يشترط معيار IEC 60904-9 قياس الطيف في أربعة مواقع مختلفة وفق النمط الموضح أدناه. ^{[ 17 ]}

أدت التطورات الحديثة في علم المواد إلى توسيع نطاق الاستجابة الطيفية للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري (c-Si) والسيليكون البلوري المتعدد (multi-c-Si) وCIGS إلى 300-1200  نانومتر  . ^{[ 17 ]} ولذلك، في عام 2020، قدم معيار IEC 60904-9 جدولًا جديدًا لفترات الأطوال الموجية (موضح في الجدول 3 أدناه) بهدف مطابقة مخرجات محاكيات الطاقة الشمسية مع الاحتياجات الحالية لمجموعة واسعة من الأجهزة الكهروضوئية. ^{[ 17 ]}

في حين أن التعريف المذكور أعلاه للنطاق الطيفي كافٍ لتلبية احتياجات الاختبار للعديد من تقنيات الخلايا الكهروضوئية ، بما في ذلك الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة المصنوعة من CdTe أو CIGS ، إلا أنه غير كافٍ لاختبار الخلايا الشمسية متعددة الوصلات باستخدام أشباه الموصلات III-V عالية الكفاءة التي تتمتع بنطاقات امتصاص أوسع من 300 إلى 1800  نانومتر.

للحصول على بيانات طيفية دقيقة خارج النطاقات المذكورة أعلاه، يمكن استخدام جداول البيانات في معيار ASTM G173 (لـ AM1.5G وAM1.5D) ^{[ 23 ]} ومعيار ASTM E490 (لـ AM0) ^{[ 24 ]} كمرجع، ولكن مواصفات أجهزة محاكاة الشمس لا تنطبق حتى الآن على أي شيء خارج نطاق 300  نانومتر إلى 1200  نانومتر لـ AM1.5G، ومن 300  نانومتر إلى 1400  نانومتر لـ AM0. ينتج العديد من مصنعي أجهزة محاكاة الشمس ضوءًا خارج هذه النطاقات، ولكن تصنيف الضوء في هذه النطاقات الخارجية لم يُوحّد بعد.

يتم حساب عدم التجانس المكاني لمحاكي الطاقة الشمسية من خلال المعادلة التالية، وتكون النتيجة نسبة مئوية: ^{[ 18 ]}

${\displaystyle S_{NE}=100{\frac {{\text{max}}(I_{s})-{\text{min}}(I_{s})}{{\text{max}}(I_{s})+{\text{min}}(I_{s})}}}$

هنا،${\displaystyle I_{s}}$هي مصفوفة قيم تيار الدائرة القصيرة المعيارية التي ترصدها خلية شمسية أو مصفوفة من الخلايا الشمسية. تختلف معايير محاكاة الطاقة الشمسية الثلاثة اختلافًا طفيفًا في متطلبات كيفية جمع مصفوفة القياسات لحساب عدم التجانس المكاني. ينص معيار ASTM E927-19 على ضرورة قياس مجال الإضاءة في 64 موضعًا على الأقل. مساحة كل موضع اختبار،${\displaystyle A_{TP}}$، هي مساحة اختبار الإضاءة مقسومة على عدد المواضع. يجب أن تكون مساحة الكاشف المستخدم بين 0.5 و 1.0 من${\displaystyle A_{TP}}$[ ^{18 ]​}

يتم حساب عدم استقرار الإشعاع الشمسي الزمني لجهاز محاكاة الشمس من خلال المعادلة التالية، وتكون النتيجة نسبة مئوية: ^{[ 18 ]}

${\displaystyle T_{IE}=100{\frac {{\text{max}}(I_{T})-{\text{min}}(I_{T})}{{\text{max}}(I_{T})+{\text{min}}(I_{T})}}}$

هنا،${\displaystyle I_{T}}$هي مجموعة القياسات التي تم جمعها خلال فترة جمع البيانات . لا تحدد معايير محاكاة الطاقة الشمسية الفترة الزمنية المطلوبة أو تردد أخذ العينات بشكل مطلق.

أدخل تحديث عام 2020 لمعيار IEC 60904-9 مقياس التغطية الطيفية (SPC)، وهو طريقة إضافية لتقييم أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية. ^{[ 17 ]} لا تؤثر قيمة التغطية الطيفية لجهاز محاكاة الطاقة الشمسية حاليًا على تصنيفه، ولكن يُطلب الإبلاغ عنها بموجب معيار IEC 60904-9:2020. تُحسب التغطية الطيفية كما يلي، وتشير إلى النسبة المئوية لانبعاثات جهاز محاكاة الطاقة الشمسية التي لا تقل عن 10% من الإشعاع المرجعي عند طول موجي معين:

${\displaystyle SPC=\left(\sum _{E_{SIM}(\lambda )>0.1\cdot E_{AM1.5}(\lambda )}E_{AM1.5}(\lambda )\cdot \Delta \lambda {\Bigg /}\sum _{\text{300 nm}}^{\text{1200 nm}}E_{AM1.5}(\lambda )\cdot \Delta \lambda \right)\cdot 100\%}$

أدخل التحديث الذي أُجري عام 2020 على معيار IEC 60904-9 مقياس الانحراف الطيفي (SPD)، وهو طريقة إضافية لتقييم أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية. ^{[ 17 ]} لا تؤثر قيمة الانحراف الطيفي لجهاز محاكاة الطاقة الشمسية حاليًا على تصنيفه، ولكن يُطلب الإبلاغ عنها بموجب معيار IEC 60904-9:2020.

يتم حساب SPD على النحو التالي، ويشير إلى إجمالي النسبة المئوية للانحراف بين الطيف المنبعث من جهاز محاكاة الطاقة الشمسية وطيف مرجعي:

${\displaystyle SPD=\left(\sum _{\text{300 nm}}^{\text{1200 nm}}|E_{SIM}(\lambda )-E_{AM1.5}(\lambda )|\cdot \Delta \lambda {\Bigg /}\sum _{\text{300 nm}}^{\text{1200 nm}}E_{AM1.5}(\lambda )\cdot \Delta \lambda \right)\cdot 100\%}$

النوع الأول هو شكل مألوف من مصادر الضوء، حيث يكون الإشعاع مستمرًا مع مرور الوقت، ويُعرف أيضًا باسم حالة الاستقرار . وتتعلق المواصفات المذكورة في الأقسام السابقة بهذا النوع من أجهزة محاكاة الشمس بشكل مباشر. ويُستخدم هذا النوع غالبًا لاختبارات شدة الإضاءة المنخفضة، بدءًا من أقل من شدة شمس واحدة وصولًا إلى شدة عدة شموس. ويبلغ إجمالي الإشعاع المتكامل لطيف AM1.5G 1000.4${\displaystyle W\cdot m^{-2}}$(نطاق ترددي من 280  نانومتر إلى 4000  نانومتر) ^{[ 23 ]} والذي يُشار إليه غالبًا باسم "شمس واحدة". قد تحتوي أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية ذات الضوء المستمر (أو الموجة المستمرة) على عدة أنواع مختلفة من المصابيح مجتمعة - مثل مصدر قوس كهربائي ومصباح هالوجين واحد أو أكثر - لتوسيع الطيف إلى الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 26 ]}

النوع الثاني من أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية، والمعروف أيضًا باسم جهاز المحاكاة النبضي، يشبه إلى حد كبير التصوير الفوتوغرافي باستخدام الفلاش ، ويستخدم أنابيب الفلاش . وبفترات زمنية نموذجية تبلغ عدة أجزاء من الألف من الثانية، يُمكن تحقيق شدة إضاءة عالية جدًا تصل إلى عدة آلاف من أشعة الشمس. يُستخدم هذا النوع من الأجهزة غالبًا لمنع تراكم الحرارة غير الضروري في الجهاز قيد الاختبار. مع ذلك، ونظرًا للتسخين والتبريد السريعين للمصباح، فإن شدة الإضاءة وطيفها الضوئي متغيران بطبيعتهما، مما يجعل إجراء اختبارات موثوقة متكررة أكثر صعوبة من الناحية التقنية. تعمل تقنية المصابيح ذات الحالة الصلبة، مثل مصابيح LED، على التخفيف من بعض مشاكل التسخين والتبريد هذه في أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية النبضية. ^{[ 27 ]} توفر معايير أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية إرشادات لأجهزة المحاكاة الشمسية ذات الحالة المستقرة مقارنةً بأجهزة المحاكاة الشمسية النبضية. على سبيل المثال، يوفر القسم 7.1.6.3 من معيار ASTM E927 إرشادات حول قياسات عدم الاستقرار الزمني لأجهزة المحاكاة الشمسية النبضية. ^{[ 18 ]}

استُخدمت مصابيح قوس الأرجون في دراسات محاكاة الطاقة الشمسية المبكرة (1972)، وتتميز بانبعاث حراري لوني عالٍ يبلغ 6500 كلفن، وهو ما يتوافق تمامًا مع درجة حرارة الجسم الأسود للشمس، مع انبعاث طيفي واسع نسبيًا يمتد من 275  نانومتر إلى 1525  نانومتر. ^{[ 1 ]} يدور غاز الأرجون عالي الضغط بين المصعد والمهبط، مع تدفق دوامة مائية على طول الجدار الداخلي لأنبوب الكوارتز لتبريد حافة القوس. ^{[ 15 ]} تعاني مصابيح قوس الأرجون من عيوب تتمثل في قصر عمرها الافتراضي وضعف موثوقيتها. ^{[ 1 ] [ 29 ]}

تُصدر مصابيح القوس الكربوني إشعاعًا مشابهًا لـ AM0، ولذلك تُستخدم في أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية المصممة لإنتاج أطياف خارج نطاق الشمس. ^{[ 1 ]} (استُخدمت هذه المصابيح في أولى أجهزة محاكاة الفضاء التابعة لناسا. ^{[ 31 ]} ) تتميز مصابيح القوس الكربوني بانبعاثها للأشعة فوق البنفسجية ذات الكثافة العالية. مع ذلك، يعيبها ضعف شدتها مقارنةً بمصابيح القوس الزينونية المماثلة. ^{[ 1 ]} إضافةً إلى ذلك، تتميز هذه المصابيح بعمرها القصير، وعدم استقرارها أثناء التشغيل، وانبعاثها لضوء أزرق عالي الكثافة لا يتوافق مع الطيف الشمسي. ^{[ 1 ]}

منذ عام 2000 تقريبًا، شاع استخدام الثنائيات الباعثة للضوء ( LEDs ) في أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. ^{[ 25 ]} تُصدر هذه الثنائيات الضوء عند إعادة اتحاد أزواج الإلكترون-فجوة. ^{[ 32 ]} وهي منخفضة التكلفة وصغيرة الحجم، وتستهلك طاقة قليلة. ^{[ 1 ]} تتميز عادةً بنطاقات تردد ضيقة تتراوح بين 10 و100 نانومتر، لذا يجب دمج عدة ثنائيات LED في جهاز محاكاة الطاقة الشمسية. ^{[ 33 ]} وبالتالي، يتحدد التوافق الطيفي لجهاز محاكاة الطاقة الشمسية LED إلى حد كبير بعدد وأنواع الثنائيات المستخدمة في تصميمه. يمكن التحكم بدقة في الثنائيات LED ضمن نطاقات زمنية تقل عن جزء من الألف من الثانية لتطبيقات محاكاة الطاقة الشمسية الثابتة أو المتقطعة. ^{[ 1 ]} إضافةً إلى ذلك، تتمتع الثنائيات LED بدورة حياة طويلة نسبيًا مقارنةً بجميع أنواع مصابيح محاكاة الطاقة الشمسية الأخرى، وهي عالية الكفاءة في تحويل الطاقة. ^{[ 1 ]} يُسهم البحث والتطوير المستمران في مجال مصابيح LED في خفض تكلفتها ^{[ 1 ]} وتوسيع نطاق تغطيتها الطيفية، ^{[ 33 ]} مما يسمح باستخدامها على نطاق أوسع في أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية ذات الطيف الأوسع. تتميز أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية LED بإمكانية ضبط أطيافها كهربائيًا (عن طريق زيادة أو تقليل شدة إضاءة مصابيح LED المختلفة) دون الحاجة إلى مرشحات بصرية. ^{[ 34 ]} بالمقارنة مع مصابيح زينون القوسية، أظهرت مصابيح LED نتائج مماثلة في اختبارات التيار-الجهد للوحدات الكهروضوئية، مع استقرار ومرونة وتوافق طيفي أفضل. ^{[ 35 ]} نظرًا لحساسية انبعاث LED لدرجة حرارة الوصلة ، فإن مصابيح LED تتطلب إدارة حرارية مناسبة. ^{[ 36 ] [ 34 ] [ 37 ]}  

• 
  يُظهر الناتج الطيفي المحاكي لمحاكي الطاقة الشمسية LED تطابقًا طيفيًا أقل نسبيًا بسبب مصابيح LED المستخدمة ^{[ 34 ].}
• 
  يُظهر الناتج الطيفي المحاكي لمحاكي الطاقة الشمسية LED تطابقًا طيفيًا أعلى نسبيًا بسبب مصابيح LED المستخدمة ^{[ 37 ].}

طُوِّرت مصابيح قوس هاليد المعادن في الأساس لاستخدامها في إضاءة الأفلام والتلفزيون، حيث يُشترط ثبات زمني عالٍ ومطابقة لون ضوء النهار. ومع ذلك، تُستخدم هذه المصابيح أيضًا في محاكاة الطاقة الشمسية لنفس هذه الخصائص. تُنتج هذه المصابيح الضوء من خلال تفريغ عالي الكثافة (HID) بتمرير قوس كهربائي عبر بخار الزئبق عالي الضغط ومركبات هاليد المعادن. ^{[ 15 ]} تشمل عيوبها استهلاكًا عاليًا للطاقة، ^{[ 1 ]} وتكاليف تشغيل إلكترونية مرتفعة، ^{[ 1 ]} وعمرًا تشغيليًا قصيرًا. ^{[ 1 ]} مع ذلك، تتميز بتكلفتها المنخفضة نسبيًا، ^{[ 15 ]} وبسبب هذه التكلفة المنخفضة، بُنيت العديد من أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية واسعة النطاق باستخدام هذه التقنية. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

تُقدّم مصابيح الهالوجين الكوارتزية التنجستنية (مصابيح QTH) أطيافًا تُطابق إشعاع الجسم الأسود بشكلٍ كبير، وإن كانت عادةً ذات درجة حرارة لونية أقل من الشمس. وهي نوع من المصابيح المتوهجة حيث يُحيط هالوجين، مثل البروم أو اليود، بفتيل تنجستن مُسخّن. ^{[ 15 ]} من عيوبها أن درجة حرارة لونها القصوى تبلغ 3400 كلفن، مما يعني أنها تُنتج كمية أقل من الأشعة فوق البنفسجية وكمية أكبر من الأشعة تحت الحمراء مقارنةً بضوء الشمس. ^{[ 15 ]} تتميز هذه المصابيح بشدة إضاءتها العالية ^{، [ 1 ]} وتكلفتها المنخفضة، ^{[ 1 ]} وتُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الأقل حساسية للطيف، مثل اختبار مُجمّعات الطاقة الشمسية المركزة. ^{[ 15 ]}

يُعدّ ليزر الطيف المتصل مصدرًا للضوء عالي الطاقة وواسع النطاق، يمتد من نطاق الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 1 ]} تتميز أشعة الليزر بشدة عالية وسهولة تركيزها، إلا أنها تُعاني من عيب يتمثل في إضاءة مساحات صغيرة جدًا. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، تسمح شدتها العالية باختبار وحدات الخلايا الكهروضوئية في تطبيقات مُركِّزات الطاقة الشمسية.

تُعدّ مصابيح زينون القوسية النوع الأكثر شيوعًا من المصابيح المستخدمة في كلٍّ من أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية المستمرة والمتقطعة. وهي نوع من مصابيح التفريغ عالي الكثافة (HID) حيث يُنتَج الضوء من قوس كهربائي يمر عبر غاز زينون متأين عالي الضغط. ^{[ 15 ]} توفر هذه المصابيح شدة إضاءة عالية وطيفًا غير مُرشَّح يُطابق ضوء الشمس بشكل معقول. علاوة على ذلك، لا تُظهر هذه المصابيح أي انزياح ملحوظ في توازن الطيف نتيجةً لاختلافات القدرة، مما يُقلل الحاجة إلى استقرار مصدر الطاقة. ^{[ 1 ]} نظرًا لأنها تُصدر شدة إضاءة عالية من مصباح واحد، يُمكن إنتاج حزمة ضوئية عالية الكثافة ومتوازية من مصباح زينون القوسي. ^{[ 15 ]} مع ذلك، يتميز طيف مصباح زينون القوسي بوجود العديد من قمم الانتقال الذري الحادة غير المرغوب فيها، بالإضافة إلى انبعاث أقوى بشكل عام في نطاق الأشعة تحت الحمراء، ^{[ 15 ]} مما يجعل الطيف أقل ملاءمةً لبعض التطبيقات الحساسة للطيف. عادةً ما تُرشَّح قمم الانبعاث هذه باستخدام مرشحات زجاجية. ^{[ 1 ]} تحمل مصابيح الزينون العديد من العيوب، بما في ذلك استهلاكها العالي للطاقة، ^{[ 1 ]} وحاجتها إلى صيانة مستمرة، ^{[ 1 ]} وقصر عمرها الافتراضي، ^{[ 1 ]} وارتفاع تكلفتها، ^{[ 15 ]} وحساسية خرجها لعدم استقرار مصدر الطاقة، ^{[ 15 ]} وخطر انفجار المصباح بسبب تشغيلها بواسطة غاز عالي الضغط، ^{[ 15 ]} وخطر استنشاق الأوزون الناتج عن إنتاجه من الأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 15 ]}

• 
  مثال تخطيطي لمحاكي الطاقة الشمسية باستخدام مصباح قوس الزينون ^{[ 35 ]}
• 
  الناتج الطيفي لمصباح قوس الزينون، بعد مروره عبر مرشح بصري لتحقيق تطابق طيفي أفضل مع AM1.5G ^{[ 35 ]}