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Simulador solar

Simulador solar de clase AAA para laboratorio Un simulador solar (también llamado sol artificial o simulador de luz solar) es un dispositivo que proporciona iluminación similar ...

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Simulador solar de clase AAA para laboratorio

Un simulador solar (también llamado sol artificial o simulador de luz solar) es un dispositivo que proporciona iluminación similar a la luz solar natural . Su propósito es ofrecer una instalación de prueba interior controlable en condiciones de laboratorio. Puede utilizarse para probar cualquier proceso o material fotosensible , incluyendo células solares , [ 1 ] protectores solares , [ 2 ] cosméticos , [ 3 ] plásticos , materiales aeroespaciales , [ 4 ] cáncer de piel , [ 5 ] bioluminiscencia , [ 6 ] fotosíntesis , [ 7 ] tratamiento de agua , [ 8 ] degradación de petróleo crudo , [ 9 ] y formación de radicales libres . [ 10 ] Los simuladores solares se utilizan en una amplia gama de áreas de investigación, incluyendo fotobiología , [ 11 ] fotooxidación , [ 12 ] fotodegradación , [ 13 ] fotovoltaica , [ 14 ] [ 15 ] y fotocatálisis . [ 16 ]

Clasificación

Las normas que especifican los requisitos de rendimiento de los simuladores solares utilizados en las pruebas fotovoltaicas son IEC 60904-9, [ 17 ] ASTM E927-19, [ 18 ] y JIS C 8912. [ 19 ] Estas normas especifican las siguientes dimensiones de control para la luz de un simulador solar:

  1. contenido espectral (cuantificado como coincidencia espectral)
  2. uniformidad espacial
  3. estabilidad temporal
  4. Cobertura espectral (SPC) (solo IEC 60904-9:2020)
  5. Desviación espectral (SPD) (solo IEC 60904-9:2020)

Un simulador solar se especifica según su rendimiento en las tres primeras dimensiones mencionadas, cada una en una de tres clases: A, B o C. (Una cuarta clasificación, A+, fue introducida por la edición de 2020 de la norma IEC 60904-9 y solo se aplica a simuladores solares evaluados en el rango espectral de 300  nm a 1200  nm. [ 17 ] ) Para la norma ASTM E927-19, si un simulador solar no cumple con los criterios A, B o C, se considera de Clase U (sin clasificar). [ 18 ] Aunque estas normas se definieron originalmente específicamente para pruebas fotovoltaicas, las métricas que introdujeron se han convertido en una forma común de especificar simuladores solares de manera más amplia en otras aplicaciones e industrias. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

Las especificaciones ASTM E927-19 requeridas para cada clase y dimensión se definen en la Tabla 1 a continuación. Un simulador solar que cumple con las especificaciones de clase A en las tres dimensiones se denomina simulador solar de clase AAA (en referencia a las tres primeras dimensiones enumeradas anteriormente). [ 18 ]

La norma ASTM E927-19 especifica que siempre que se utilice este formato de tres letras para describir un simulador solar, debe quedar claro qué clasificación se aplica a cada métrica del simulador solar [ 18 ] (por ejemplo, un simulador solar de Clase ABA debe dejar claro qué parámetro(s) son de Clase A frente a B).

La norma IEC 60904-9 especifica que las tres letras deben estar en orden de coincidencia espectral, no uniformidad e inestabilidad temporal. [ 17 ]

Coincidencia espectral

La coincidencia espectral de un simulador solar se calcula comparando su espectro de salida con la irradiancia integrada en varios intervalos de longitud de onda. El porcentaje de referencia de la irradiancia total se muestra a continuación en la Tabla 2 para los espectros terrestres estándar AM 1.5G y AM 1.5D, y el espectro extraterrestre AM 0. A continuación se muestra una gráfica de estos dos espectros.

Espectros de referencia para la luz solar a nivel del suelo (AM1.5G) y en el espacio exterior (AM0).

Relación de coincidencia espectral de un simulador solar,RSMETRO{\displaystyle R_{SM}}(es decir, la relación de coincidencia espectral) es su irradiancia de salida porcentual dividida por la del espectro de referencia en ese intervalo de longitud de onda. Por ejemplo, si un simulador solar emite el 17,8 por ciento de su irradiancia total en el rango de 400  nm a 500  nm, tendría unaRSMETRO{\displaystyle R_{SM}}en ese intervalo de longitud de onda de 0,98. Si un simulador solar logra una relación de coincidencia espectralRSMETRO{\displaystyle R_{SM}}Si el valor se encuentra entre 0,75 y 1,25 para todos los intervalos de longitud de onda, se considera que tiene una coincidencia espectral de clase A.

Estos intervalos de longitud de onda estaban destinados principalmente a la aplicación de simuladores solares para probar células fotovoltaicas de silicio ; por lo tanto, el rango espectral sobre el cual se definieron los intervalos se limitó principalmente a la región de absorción desarrollada originalmente para el silicio cristalino (400 nm–1100 nm).  

Las normas para simuladores solares establecen ciertos requisitos sobre dónde debe medirse el espectro de iluminación. Por ejemplo, la norma IEC 60904-9 exige que el espectro se mida en cuatro ubicaciones diferentes según el patrón que se muestra a continuación. [ 17 ]

Patrón de medición requerido para mediciones de coincidencia espectral según IEC 60904:2020

Los recientes avances en la ciencia de los materiales han ampliado el rango de respuesta espectral de las células solares de c-Si, multi-c-Si y CIGS a 300  nm–1200  nm. [ 17 ] Por lo tanto, en 2020, la norma IEC 60904-9 introdujo una nueva tabla de intervalos de longitud de onda (que se muestra en la Tabla 3 a continuación) destinada a adaptar la salida del simulador solar a las necesidades actuales de una amplia variedad de dispositivos fotovoltaicos. [ 17 ]

Si bien la definición anterior de rango espectral es adecuada para satisfacer las necesidades de prueba de muchas tecnologías fotovoltaicas , incluidas las células solares de película delgada construidas con CdTe o CIGS , no es suficiente para probar células solares de unión múltiple que utilizan semiconductores III-V de alta eficiencia que tienen anchos de banda de absorción más amplios de 300 a 1800  nm.

Para obtener datos espectrales precisos fuera de los rangos mencionados anteriormente, se pueden utilizar como referencia las tablas de datos de ASTM G173 (para AM1.5G y AM1.5D) [ 23 ] y ASTM E490 (para AM0) [ 24 ]  , pero las especificaciones de los simuladores solares aún no se aplican a nada fuera de 300 nm a 1200  nm para AM1.5G, y de 300  nm a 1400  nm para AM0. Muchos fabricantes de simuladores solares producen luz fuera de estas regiones, pero la clasificación de la luz en estas regiones externas aún no está estandarizada.

No uniformidad espacial

La no uniformidad espacial de un simulador solar se calcula mediante la siguiente ecuación, cuyo resultado es un porcentaje: [ 18 ]

Snortemi=100máximo(Is)−min(Is)máximo(Is)+min(Is){\displaystyle S_{NE}=100{\frac {{\text{máx}}(I_{s})-{\text{mín}}(I_{s})}{{\text{máx}}(I_{s})+{\text{mín}}(I_{s})}}}

Aquí,Is{\displaystyle I_{s}}es el conjunto de valores de corriente de cortocircuito normalizados detectados por una celda solar o un conjunto de celdas solares. Los tres estándares de simulador solar tienen requisitos ligeramente diferentes sobre cómo se recopila el conjunto de mediciones para calcular la no uniformidad espacial. ASTM E927-19 especifica que el campo de iluminación debe medirse en un mínimo de 64 posiciones. El área de cada posición de prueba,ATPAG{\displaystyle A_{TP}}, es el área de prueba de iluminación dividida por el número de posiciones. El área del detector utilizado debe estar entre 0,5 y 1,0 deATPAG{\displaystyle A_{TP}}. [ 18 ]

Inestabilidad temporal

La inestabilidad temporal de la irradiancia de un simulador solar se calcula mediante la siguiente ecuación, cuyo resultado es un porcentaje: [ 18 ]

TImi=100máximo(IT)−min(IT)máximo(IT)+min(IT){\displaystyle T_{IE}=100{\frac {{\text{máx}}(I_{T})-{\text{mín}}(I_{T})}{{\text{máx}}(I_{T})+{\text{mín}}(I_{T})}}}

Aquí,IT{\displaystyle I_{T}}es el conjunto de mediciones recopiladas durante el período de adquisición de datos . Las normas del simulador solar no especifican el intervalo de tiempo requerido ni la frecuencia de muestreo en términos absolutos.

Cobertura espectral

La actualización de 2020 de la norma IEC 60904-9 introdujo la métrica de cobertura espectral (SPC), una forma adicional de calificar los simuladores solares. [ 17 ] El valor de la cobertura espectral de un simulador solar actualmente no afecta su clasificación, pero se solicita que se informe según la norma IEC 60904-9:2020. La SPC se calcula de la siguiente manera y se refiere al porcentaje de la emisión de un simulador solar que es al menos el 10 por ciento de la irradiancia de referencia en una longitud de onda determinada:

SPAGdo=(∑miSIMETRO(λ)>0.1⋅miAMETRO1.5(λ)miAMETRO1.5(λ)⋅Δλ/∑300 nm1200 nmmiAMETRO1.5(λ)⋅Δλ)⋅100%{\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\%}

Desviación espectral

La actualización de 2020 de la norma IEC 60904-9 introdujo la métrica de desviación espectral (SPD), una forma adicional de calificar los simuladores solares. [ 17 ] El valor de la desviación espectral de un simulador solar actualmente no afecta su clasificación, pero se solicita que se informe según la norma IEC 60904-9:2020.

La SPD se calcula de la siguiente manera y se refiere a la desviación porcentual total entre el espectro emitido por un simulador solar y un espectro de referencia:

SPAGD=(∑300 nm1200 nm|miSIMETRO(λ)−miAMETRO1.5(λ)|⋅Δλ/∑300 nm1200 nmmiAMETRO1.5(λ)⋅Δλ)⋅100%{\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\%}

Tipos de simuladores solares

Los simuladores solares se pueden dividir en dos categorías según la duración de su emisión: continuos (o de estado estacionario ) y pulsados ​​(o intermitentes). A veces, también se clasifican según el número de lámparas utilizadas para generar el espectro: de una sola lámpara o de varias lámparas. [ 25 ]

Simuladores continuos

El primer tipo es una fuente de luz común en la que la iluminación es continua en el tiempo, también conocida como estado estacionario . Las especificaciones analizadas en las secciones anteriores se relacionan directamente con este tipo de simulador solar. Esta categoría se utiliza con mayor frecuencia para pruebas de baja intensidad, desde menos de 1 sol hasta varios soles. La irradiancia integrada total para el espectro AM1.5G es de 1000,4.W⋅metro−2{\displaystyle W\cdot m^{-2}}(Ancho de banda de 280  nm a 4000  nm) [ 23 ] que a menudo se denomina "1 sol". Los simuladores solares de luz continua (o de onda continua, CW) pueden tener varios tipos de lámparas diferentes combinados, como una fuente de arco y una o más lámparas halógenas, para extender el espectro hasta el infrarrojo. [ 26 ]

Simulador solar tipo flash para probar módulos completos

Simuladores solares destellantes

El segundo tipo de simulador solar, también conocido como simulador pulsado, es cualitativamente similar a la fotografía con flash y utiliza tubos de flash . Con duraciones típicas de varios milisegundos, es posible alcanzar intensidades muy altas de hasta varios miles de soles. Este tipo de equipo se utiliza a menudo para evitar la acumulación innecesaria de calor en el dispositivo bajo prueba. Sin embargo, debido al rápido calentamiento y enfriamiento de la lámpara, la intensidad y el espectro de luz son inherentemente transitorios, lo que dificulta técnicamente la realización de pruebas repetidas y fiables. La tecnología de lámparas de estado sólido, como los LED, mitiga algunos de estos problemas de calentamiento y enfriamiento en los simuladores solares de flash. [ 27 ] Las normas para simuladores solares proporcionan orientación para los simuladores solares de estado estacionario en comparación con los de flash. Por ejemplo, la sección 7.1.6.3 de ASTM E927 proporciona orientación sobre las mediciones de inestabilidad temporal para simuladores solares de flash. [ 18 ]

Construcción de simulador solar

Los componentes básicos de un simulador solar

Un simulador solar consta de tres partes principales: [ 1 ]

  1. Fuentes de luz (lámparas) y fuentes de energía
  2. Óptica y filtros ópticos, para alterar el haz y obtener las propiedades deseadas [ 28 ].
  3. Elementos de control para el funcionamiento

Tipos de lámparas

Se han utilizado varios tipos de lámparas como fuentes de luz en simuladores solares. El tipo de lámpara es, sin duda, el factor determinante más importante de los límites de rendimiento de un simulador solar en cuanto a intensidad, rango espectral, patrón de iluminación, colimación y estabilidad temporal. [ 1 ]

lámparas de arco de argón

Salida espectral sin filtrar de una lámpara de arco de argón. Normalmente se usaría un filtro óptico para lograr una coincidencia espectral más cercana a AM1.5G. [ 29 ]

Las lámparas de arco de argón se utilizaron en los primeros estudios de simulación solar (1972) y tienen una alta emisión de calor de color de 6500 K, bien ajustada a la temperatura de cuerpo negro del sol, con una emisión espectral relativamente amplia de 275  nm a 1525  nm. [ 1 ] El gas argón a alta presión circula entre un ánodo y un cátodo, con un vórtice de agua que fluye a lo largo de la pared interior del tubo de cuarzo para enfriar el borde del arco. [ 15 ] Las lámparas de arco de argón presentan las desventajas de una vida útil corta y una baja fiabilidad. [ 1 ] [ 29 ]

lámparas de arco de carbono

La salida espectral de una lámpara de arco de carbono, después de pasar por un filtro óptico para lograr una mejor coincidencia espectral con AM1.5G [ 30 ]

Las lámparas de arco de carbono tienen una emisión similar a la AM0 y, por lo tanto, se utilizan en simuladores solares diseñados para producir espectros extrasolares. [ 1 ] (Se utilizaron en los primeros simuladores espaciales de la NASA. [ 31 ] ) Las lámparas de arco de carbono se benefician de una emisión UV de mayor intensidad. Sin embargo, tienen la desventaja de ser generalmente más débiles en intensidad que las lámparas de arco de xenón similares. [ 1 ] Además, tienen una vida útil corta, son inestables durante su funcionamiento y emiten luz azul de alta intensidad que no coincide con el espectro solar. [ 1 ]

diodos emisores de luz

Desde aproximadamente el año 2000, los diodos emisores de luz ( LED ) se han vuelto de uso común en simuladores solares fotovoltaicos. [ 25 ] Los LED emiten luz cuando los pares electrón-hueco se recombinan. [ 32 ] Son de bajo costo y compactos con bajo consumo de energía. [ 1 ] Por lo general, tienen anchos de banda estrechos del orden de 10 nm a 100 nm, por lo que se deben combinar varios LED en un simulador solar. [ 33 ] Por lo tanto, la coincidencia espectral de un simulador solar LED está determinada en gran medida por la cantidad y los tipos de LED utilizados en su diseño. Los LED se pueden controlar con precisión en ventanas de tiempo de menos de un milisegundo para aplicaciones de simuladores solares continuos o intermitentes. [ 1 ] Además, los LED tienen un ciclo de vida relativamente largo en comparación con todos los demás tipos de lámparas de simuladores solares, y son muy eficientes en la conversión de energía. [ 1 ] La investigación y el desarrollo continuos sobre los LED están reduciendo constantemente su coste [ 1 ] y ampliando su cobertura espectral, [ 33 ] permitiendo que se empleen cada vez más en simuladores solares de espectro más amplio. Los simuladores solares LED son únicos porque sus espectros se pueden ajustar eléctricamente (aumentando o disminuyendo la intensidad de varios LED) sin necesidad de filtros ópticos. [ 34 ] En comparación con las lámparas de arco de xenón, los LED han demostrado resultados equivalentes en las pruebas I-V de módulos fotovoltaicos con mejor estabilidad, flexibilidad y coincidencia espectral. [ 35 ] Debido a que la emisión de los LED es algo sensible a la temperatura de la unión , los LED tienen la desventaja de requerir una gestión térmica adecuada. [ 36 ] [ 34 ] [ 37 ]  

Lámparas de arco de halogenuros metálicos

La salida espectral sin filtrar de una lámpara de halogenuros metálicos. Normalmente se usaría un filtro óptico para lograr una coincidencia espectral más cercana a AM1.5G. [ 38 ]

Las lámparas de arco de halogenuros metálicos se desarrollaron principalmente para su uso en iluminación de cine y televisión, donde se requiere una alta estabilidad temporal y una coincidencia cromática con la luz diurna. Sin embargo, para estas mismas propiedades, las lámparas de arco de halogenuros metálicos también se utilizan en la simulación solar. Estas lámparas producen luz mediante una descarga de alta intensidad (HID) al hacer pasar un arco eléctrico a través de mercurio vaporizado a alta presión y compuestos de halogenuros metálicos. [ 15 ] Sus desventajas incluyen un alto consumo de energía, [ 1 ] altos costos de controladores electrónicos, [ 1 ] y ciclos de vida cortos. [ 1 ] Sin embargo, tienen la ventaja de costos relativamente bajos, [ 15 ] y debido a este bajo costo, se han construido muchos simuladores solares de gran superficie con esta tecnología. [ 39 ] [ 40 ]

Lámparas halógenas de cuarzo-tungsteno

Salida espectral sin filtrar de una lámpara halógena de cuarzo-tungsteno. Normalmente, se usaría un filtro óptico para lograr una coincidencia espectral más cercana a AM1.5G [ 41 ].

Las lámparas halógenas de cuarzo-tungsteno (lámparas QTH) ofrecen espectros que se asemejan mucho a la radiación de cuerpo negro , aunque generalmente con una temperatura de color más baja que la del sol. Son un tipo de lámpara incandescente donde un halógeno como el bromo o el yodo rodea un filamento de tungsteno calentado. [ 15 ] Su desventaja es que tienen una temperatura de color máxima de 3400 K, lo que significa que producen menos radiación UV y más radiación IR que la luz solar. [ 15 ] Son de alta intensidad [ 1 ] y de bajo costo, [ 1 ] y se utilizan ampliamente en aplicaciones menos sensibles al espectro, como las pruebas de colectores solares concentrados. [ 15 ]

Láser de supercontinuo

La salida espectral de un simulador solar láser de supercontinuo [ 42 ]

Un láser de supercontinuo es una fuente de luz de banda ancha y alta potencia que puede abarcar desde el espectro visible hasta el infrarrojo. [ 1 ] Los láseres son de alta intensidad y fáciles de enfocar, pero tienen la desventaja de iluminar solo áreas muy pequeñas. [ 1 ] Sin embargo, su alta intensidad permite probar módulos fotovoltaicos en aplicaciones de concentradores solares.

Lámparas de arco de xenón

Las lámparas de arco de xenón son el tipo de lámpara más común tanto para simuladores solares continuos como intermitentes. Son un tipo de lámpara de descarga de alta intensidad (HID) donde la luz se produce a partir de un arco eléctrico a través de gas xenón ionizado a alta presión. [ 15 ] Estas lámparas ofrecen altas intensidades y un espectro sin filtrar que se ajusta razonablemente bien a la luz solar. Además, estas lámparas no presentan un cambio significativo en el equilibrio espectral debido a diferencias de potencia, lo que reduce la necesidad de estabilidad en la fuente de alimentación. [ 1 ] Debido a que emiten altas intensidades desde una sola bombilla, se puede producir un haz colimado de alta intensidad a partir de una lámpara de arco de xenón. [ 15 ] Sin embargo, el espectro de la lámpara de arco de xenón se caracteriza por muchos picos de transición atómica agudos indeseables, así como una emisión generalmente más fuerte en el infrarrojo, [ 15 ] lo que hace que el espectro sea menos deseable para algunas aplicaciones sensibles al espectro. Estos picos de emisión se filtran típicamente utilizando filtros de vidrio. [ 1 ] Las lámparas de xenón presentan muchas desventajas, entre ellas un alto consumo de energía, [ 1 ] la necesidad de un mantenimiento constante, [ 1 ] un ciclo de vida corto, [ 1 ] un alto costo, [ 15 ] una sensibilidad de salida a las inestabilidades del suministro eléctrico, [ 15 ] un riesgo de explosión de la bombilla debido a su funcionamiento mediante gas a alta presión, [ 15 ] y un riesgo respiratorio por ozono debido a la producción de ozono a partir de la radiación UV. [ 15 ]

Referencias

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