Simulador solar

Device that approximates natural sunlight

Simulador solar de clase AAA de laboratorio

Un simulador solar (también simulador de sol artificial o simulador de luz solar) es un dispositivo que proporciona una iluminación que se aproxima a la luz solar natural . El propósito del simulador solar es proporcionar una instalación de prueba interior controlable en condiciones de laboratorio. Puede usarse para probar cualquier proceso o material que sea fotosensible , incluidas las 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 del petróleo crudo , ^[9] y formación de radicales libres . ^[10] Los simuladores solares se utilizan en una amplia gama de áreas de investigación, incluidas la fotobiología , ^[11] fotooxidación , ^[12] fotodegradación , ^[13] energía fotovoltaica , ^{[14] [15]} y fotocatálisis . ^[16]

Clasificación

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

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

Un simulador solar se especifica de acuerdo con su desempeño en las primeras tres de las dimensiones anteriores, cada una en una de tres clases: A, B o C. (Una cuarta clasificación, A+, fue introducida por la edición 2020 de IEC 60904-9 y solo se aplica para simuladores solares evaluados en el rango espectral de 300 nm a 1200 nm. ^[17] ) Para ASTM E927-19, si un simulador solar queda fuera de los criterios A, B, C, se considera 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 primeras tres 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 aclararse qué clasificación se aplica a cada métrica del simulador solar ^[18] (por ejemplo, un simulador solar de Clase ABA debe aclarar qué parámetro(s) son de Clase A frente a Clase 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 correspondencia 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 de AM 1.5G y AM 1.5D, y el espectro extraterrestre, AM 0. A continuación se muestra un gráfico de estos dos espectros.

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

La relación de coincidencia espectral de un simulador solar (es decir, la relación de coincidencia espectral) es el porcentaje de irradiancia de salida dividido 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 una en ese intervalo de longitud de onda de 0,98. Si un simulador solar logra una relación de coincidencia espectral entre 0,75 y 1,25 para todos los intervalos de longitud de onda, se considera que tiene una coincidencia espectral de clase A. ${\displaystyle R_{SM}}$ ${\displaystyle R_{SM}}$ ${\displaystyle R_{SM}}$

Estos intervalos de longitud de onda fueron pensados ​​principalmente para la aplicación del simulador solar para probar la energía fotovoltaica de silicio , por lo tanto, el rango espectral en el que se definieron los intervalos se limitó principalmente a la región de absorción desarrollada originalmente de silicio cristalino (400 nm–1100 nm).

Las normas de los simuladores solares establecen algunos 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 siguiendo un patrón que se indica a continuación. ^[17]

El 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 silicio c-Si, multi-Si-C 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 abordar las necesidades de prueba de muchas tecnologías fotovoltaicas , incluidas las células solares de película delgada construidas a partir de CdTe o CIGS , no es suficiente para probar células solares de múltiples uniones 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]

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

Aquí, se muestra la matriz de valores de corriente de cortocircuito normalizados detectados por una célula solar o una matriz de células solares. Las tres normas de simuladores solares tienen requisitos ligeramente diferentes sobre cómo se recopila la matriz 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, , 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 de . ^[18] ${\displaystyle I_{s}}$ ${\displaystyle A_{TP}}$ ${\displaystyle A_{TP}}$

Inestabilidad temporal

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

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

Aquí se muestra el conjunto de mediciones recopiladas durante el período de adquisición de datos. Los estándares del simulador solar no especifican el intervalo de tiempo requerido ni la frecuencia de muestreo en términos absolutos. ${\displaystyle I_{T}}$

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:

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

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 de un simulador solar y un espectro de referencia:

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

Tipos de simuladores solares

Los simuladores solares se pueden dividir en dos categorías según la duración de su emisión: continua (o de estado estable ) y intermitente (o pulsada). Los simuladores solares también se clasifican a veces 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 forma familiar de fuente de luz en la que la iluminación es continua en el tiempo, también conocida como estado estable . Las especificaciones analizadas en las secciones anteriores se relacionan más 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 1000,4 (ancho de banda de 280 nm a 4000 nm) ^[23], lo 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 combinadas, como una fuente de arco y una o más lámparas halógenas, para extender el espectro hasta el infrarrojo. ^[26] ${\displaystyle W\cdot m^{-2}}$

Simulador solar tipo flash para probar módulos completos

Simuladores solares flasheados

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, son posibles 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 hace que las pruebas confiables repetidas sean más desafiantes técnicamente. La tecnología de lámpara de estado sólido, como los LED, mitigan algunos de estos problemas de calentamiento y enfriamiento en los simuladores solares con flash. ^[27] Las normas de simuladores solares proporcionan orientación para el estado estable en comparación con los simuladores solares con flash. Por ejemplo, la sección 7.1.6.3 de ASTM E927 proporciona orientación sobre las mediciones de inestabilidad temporal para simuladores solares con 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 posiblemente el factor determinante más importante de los límites de rendimiento de un simulador solar con respecto a la intensidad, el rango espectral, el patrón de iluminación, la colimación y la estabilidad temporal. ^[1]

Lámparas de arco de argón

Salida espectral sin filtrar de una lámpara de arco de argón. Normalmente se utilizaría un filtro óptico para lograr una correspondencia espectral más cercana a la 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, muy similar a la temperatura del 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 tienen las desventajas de una vida útil corta y una confiabilidad deficiente. ^{[1] [29]}

Lámparas de arco de carbono

La salida espectral de una lámpara de arco de carbono, después de pasar a través de 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 para simuladores solares diseñados para producir espectros extrasolares. ^[1] (Se utilizaron para los primeros simuladores espaciales de la NASA. ^[31] ) Las lámparas de arco de carbono se benefician de la emisión de 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 el 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 utilizado comúnmente en simuladores solares fotovoltaicos. ^[25] Los LED emiten luz cuando los pares electrón-hueco se recombinan. ^{[32] [ referencia circular ]} 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-100 nm, por lo que se deben combinar varios LED en un simulador solar. ^[33] Como tal, 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 inferiores a un milisegundo para aplicaciones de simulador solar estables o intermitentes. ^[1] Además, los LED tienen un ciclo de vida relativamente largo en comparación con todos los demás tipos de lámparas de simulador solar, y son muy eficientes en la conversión de energía. ^[1] La investigación y el desarrollo en curso sobre los LED están reduciendo continuamente su costo ^[1] y ampliando su cobertura espectral, ^[33] lo que permite que se empleen cada vez más en simuladores solares de espectro más amplio. Los simuladores solares LED son únicos en el sentido de que sus espectros se pueden ajustar eléctricamente (al aumentar o disminuir la intensidad de varios LED) sin la necesidad de filtros ópticos. ^[34] En comparación con las lámparas de arco de xenón, los LED han demostrado resultados equivalentes en pruebas IV de módulos fotovoltaicos con mejor estabilidad, flexibilidad y coincidencia espectral. ^[35] Debido a que la emisión de LED es algo sensible a la temperatura de unión, los LED tienen la desventaja de requerir una gestión térmica adecuada. ^{[36] [34] [37]}

• 
  La salida espectral simulada de un simulador solar de LED, que muestra una coincidencia espectral relativamente menor debido a los LED utilizados ^[34]
• 
  La salida espectral simulada de un simulador solar de LED, que muestra una coincidencia espectral relativamente mayor debido a los LED utilizados ^[37]

Lámparas de arco de halogenuros metálicos

Salida espectral sin filtrar de una lámpara de haluro metálico. Normalmente se utilizaría un filtro óptico para lograr una correspondencia espectral más cercana a la AM1.5G. ^[38]

Las lámparas de arco de haluro metálico se desarrollaron principalmente para su uso en iluminación de cine y televisión, donde se requiere una alta estabilidad temporal y coincidencia de color con la luz del día. Sin embargo, por estas mismas propiedades, las lámparas de arco de haluro metálico también se utilizan en simulación solar. Estas lámparas producen luz a través de una descarga de alta intensidad (HID) al pasar un arco eléctrico a través de compuestos de mercurio y haluro metálico vaporizados a alta presión. ^[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 área grande con esta tecnología. ^{[39] [40]}

Lámparas halógenas de cuarzo-tungsteno

Salida espectral sin filtrar de una lámpara halógena de tungsteno y cuarzo. Normalmente, se utilizaría un filtro óptico para lograr una correspondencia espectral más cercana a la AM1.5G ^[41]

Las lámparas halógenas de cuarzo-tungsteno (lámparas QTH) ofrecen espectros que coinciden muy de cerca con la radiación del cuerpo negro , aunque normalmente con una temperatura de color más baja que la del sol. Son un tipo de lámpara incandescente en la que 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 emisión de UV y más emisión de IR que la luz solar. ^[15] Son de alta intensidad. ^[1] y de bajo coste, ^[1] y se utilizan ampliamente en aplicaciones menos sensibles al espectro, como las pruebas de colectores solares concentrados. ^[15]

Láser supercontinuo

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

Un láser supercontinuo es una fuente de luz de banda ancha y alta potencia que puede abarcar desde el rango 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, sus altas intensidades permiten probar módulos fotovoltaicos en aplicaciones de concentración solar.

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 de alta presión. ^[15] Estas lámparas ofrecen altas intensidades y un espectro sin filtrar que coincide razonablemente bien con la luz solar. Además, estas lámparas no muestran un cambio significativo en el equilibrio espectral debido a las diferencias de potencia, lo que reduce la necesidad de estabilidad de la fuente de energía. ^[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 atómicos 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 espectralmente sensibles. Estos picos de emisión generalmente se filtran utilizando filtros de vidrio. ^[1] Las lámparas de xenón tienen muchas desventajas, incluyendo un alto consumo de energía, ^[1] una necesidad de mantenimiento constante, ^[1] un ciclo de vida corto, ^[1] un alto costo, ^[15] una sensibilidad de salida a inestabilidades de la fuente de alimentación, ^[15] un riesgo de explosión de la bombilla debido a su funcionamiento a través de gas a alta presión, ^[15] y un peligro respiratorio por ozono debido a la producción de ozono a partir de la radiación UV. ^[15]

• 
  Ejemplo de esquema de un simulador solar de lámpara de arco de xenón ^[35]
• 
  La salida espectral de una lámpara de arco de xenón, después de pasar a través de un filtro óptico para lograr una mejor coincidencia espectral con AM1.5G ^[35]

Referencias

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