Для получения высокой равномерности освещения в точных имитаторах все чаще используется специальный смеситель — оптический интегратор, представляющий собой пакет линзовых элементов гексагонального сечения. На выходной торец пакета проецируется изображение тела накала ламп. Интегратор состоит из большого количества (до 19) отдельных проекционных систем, каждая из которых, формируя свой пучок, направляет его на всю рабочую зону, где пучки всех элементов смесителя накладываются друг на друга. В отличие от обычной системы проекции, когда неравномерность яркости тела накала воспроизводится на облучаемой поверхности, здесь первичное изображение дробится, и в результате происходит наложение множества световых пятен от каждого элемента смесителя. В итоге облученность в различных точках освещаемой поверхности отличается от среднего значения на ±2–3 %.
Параллельность лучей достигается в большинстве современных имитаторов за счет применения коллиматоров (как правило, параболоидных зеркал или линз Френеля), в фокусе которых размещается изображение тела накала источников излучения, которое, в свою очередь, создается концентраторами (чаще всего эллипсоидами с большим углом охвата). Угол деколлимации равен отношению половины диаметра пучка лучей в фокусе коллиматора к его фокусному расстоянию.
Источником излучения большинства зарубежных имитаторов служит ксеноновая лампа высокого давления. Спектр коррегируется интерференционными светофильтрами, позволяющими приблизить спектр лампы к спектру внеатмосферного Солнца.
Имитатор Спектросан Х-25 фирмы Спектролаб (США), созданный для измерений параметров солнечных элементов, дает пучок с неравномерностью не более ±2 % на площади диаметром 300 мм при расстоянии 1,5–2 м от кассеты со светофильтрами. Сменный комплект фильтров позволяет получать как внеатмосферный, так и наземный солнечные спектры, правда, весьма далекий от стандартного спектра (условия AM1,5).
На аналогичных принципах построены имитаторы фирмы Ушио Электрик (Япония), Ориел (США), Оптикал Радиейшн Kopn. (США), Бош (ФРГ) и др.
Среди отечественных имитаторов на средние площади хорошие параметры имеет прибор, разработанный во Всесоюзном научно-исследовательском светотехническом институте. Неравномерность освещения в этом имитаторе не превышает ÷2 % на площади 150×200 мм, что достигается с помощью смесителя, выполненного в виде достаточно протяженного (длиной от 1 до 2 м) вертикального полого зеркального световода с поперечным сечением, несколько превышающим рабочую площадь. Имитатор, однако, не воспроизводит высокой параллельности лучей, которая характерна для внеатмосферного солнечного излучения. Источником излучения в этом имитаторе служат две металло-галогенные лампы со спектром, близким к солнечному, — ртутные газоразрядные лампы с добавками иода и бромида олова.
Следует отметить, что использование в достаточно точных имитаторах внеатмосферного излучения Солнца устройств, довольно быстро изменяющих во времени свои оптические характеристики и требующих регулярной замены (многослойные интерференционные светофильтры, сложные лампы, пропускание колб которых ухудшается со временем, а характеристики излучения не постоянны), не позволяет применить эти имитаторы для контроля качества солнечных элементов в процессе производства. К тому же такие имитаторы не рассчитаны на измерение параметров солнечных батарей, имеющих, как правило, большую площадь (несколько десятков и сотен квадратных метров).
Сложный характер наземного солнечного излучения при различных воздушных массах (см. рис. 1.1) делает весьма трудной задачу имитации такого излучения, даже если ограничиться целью воспроизведения стандартного солнечного излучения в условиях AM1,5 в области длин волн от 0,4 до 1,1 мкм.
Вероятно, получение точного спектрального распределения стандартного наземного солнечного излучения возможно лишь с помощью монохроматора с изменяющейся по заданной программе щелевой или штырьковой диафрагмой, что, однако, не позволяет даже при светосильном монохроматоре достичь освещенности, характерной для солнечного излучения. Второй возможный путь такой имитации — воспроизведение наземного солнечного спектра по отдельным спектральным участкам с помощью ксеноновой или галогенной лампы, снабженной набором сменных узкополосных интерференционных светофильтров. Оба способа, к сожалению, создают поток имитированного солнечного излучения на очень небольшой площади в несколько квадратных милли- или сантиметров.
В связи со сложностью точной имитации наземного солнечного излучения получили широкое распространение методы приближенного воспроизведения наземных спектров имитаторами со спектром излучения, повторяющим сглаженную, усредненную кривую излучения Солнца при условиях AM1,5. Путем подбора или расчета необходимого комплекта светофильтров для имитаторов внеатмосферного излучения любой рассмотренной конструкции можно добиться достаточно хорошего приближения к наземным солнечным спектрам при требуемой плотности потока прямого излучения.
Известен, например, имитатор для измерения параметров солнечных элементов, состоящий из двух ламп — ксеноновой и вольфрамовой. У ксеноновой лампы длинноволновая часть спектра (правее 0,7 мкм) «отрезана» с помощью фильтра на основе раствора медного купороса, охлаждаемого водой, а коротковолновое излучение вольфрамовой лампы накаливания (левее 0,55—0,6 мкм) поглощается фильтром из цветного стекла. Смешение на облучаемой поверхности солнечного элемента двух коррегированных таким образом лучистых потоков дает возможность при изменении мощности ламп и толщины фильтров получать сглаженную кривую как внеатмосферного, так и наземного солнечного излучения.
Жидкостной оптический фильтр на основе раствора медного купороса может быть также применен для приближения к спектру Солнца спектрального излучения обычных ламп накаливания.
Можно сделать сравнительно простой наземный имитатор на лампах накаливания со стеклянными фильтрами и диффузным отражателем, обеспечивающим равномерное освещение рассеянным светом, близким к наблюдающемуся в натурных условиях. Как показали эксперименты, такой отражатель позволяет получить неравномерность, не превышающую ±5 % на площади 40×40 мм. Линзовая оптика в имитаторе отсутствует. Источник излучения — галогенные лампы с цветовой температурой 3400 К. Хорошее приближение к сглаженной кривой спектрального распределения полного потока наземного излучения при атмосферной массе 1,5 можно получить с помощью специальных цветных стекол.
Рис. 3.1. Оптическая схема имитатора прямого и рассеянного (диффузного) потока наземного солнечного излучения
1 — вольфрамовые галогенные лампы; 2 — конденсоры; 3 — плоские фацетные отражатели; 4 — объективы; 5,6 — светофильтры для имитации спектрального состава прямого и рассеянного (диффузного) потока излучения соответственно; 7 — измеряемый солнечный элемент
Более полно реальные условия наземного солнечного излучения воспроизводятся при использовании оптической схемы, показанной на рис. 3.1. Правый луч одной лампы и левый луч другой проходят через светофильтр и, освещая солнечные элементы под углом, близким к нормальному, имитируют поток прямого солнечного излучения. Другая пара лучей, проходя системы коррекции и попадая на солнечные элементы под острым углом, имитирует рассеянное излучение неба. Как показали расчеты, спектральное распределение излучения лампы накаливания с цветовой температурой 3400 К можно преобразовать в спектральное распределение прямого солнечного потока при стандартных параметрах с помощью светофильтра, состоящего из нескольких специально подобранных цветных стекол различной толщины и слоя дистиллированной воды. Оптимизация толщины фильтров проводилась разработчиком этой схемы И. С. Оршанским (Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока) на ЭВМ, что позволило достичь хорошей коррекции спектра ламп.
Эталонные солнечные элементы и их градуировка
Учитывая, что спектральное распределение энергии излучения даже высококачественных имитаторов отличается от стандартного солнечного, а чувствительность солнечных элементов селективна, проводить настройку интенсивности имитаторов с помощью неселективных приемников излучения (радиометров) нецелесообразно. Для этой цели применяются специально отградуированные эталонные солнечные элементы. Эталонные, или стандартные, солнечные элементы, иногда также называемые светоизмерительными приемниками, — это фактически радиометры с селективной чувствительностью.
Плотность потока солнечного излучения при одинаковом значении воздушной массы и, казалось бы, сравнительно небольших вариациях основных составляющих атмосферы может изменяться, как показали расчеты, достаточно сильно. Из сравнения различных атмосферных условий следует, что плотность потоков солнечного излучения при нескольких измерениях, фиксируемая неселективным радиометром, может быть почти одинаковой, в то время как спектральный состав излучения будет отличаться столь существенно, что солнечные элементы (в силу селективной чувствительности) будут вырабатывать при этом различную электрическую мощность и значительно отличающиеся токи. Даже у высококачественных элементов различие в токах короткого замыкания, измеренных в наземных условиях при одинаковой энергетической облученности, но разном состоянии атмосферы, составляет в эксперименте около 15 %. В то же время, например, одинаковая плотность солнечного излучения 672 Вт/м2 (зафиксированная в разные дни измерений в одном и том же пункте земной поверхности) может наблюдаться для следующих двух состояний атмосферы: при m=3, толщине слоя озона 5,5 мм, β=0,02, α= 1,3 и при m=1,5, толщине слоя озона 2 мм, β=0,17, α=0,66 (толщина слоя осажденных паров воды в обоих случаях 2,0 см), хотя очевидно, что спектральный состав излучения при столь разных параметрах атмосферы будет заметно отличаться.
Сравнение градуировочного коэффициента — отношения интегрального фототока с единицы площади элемента, определенного по спектральной чувствительности, к плотности потока солнечного излучения, падающего на эту площадь, — для большого числа солнечных элементов показало, что если настройка интенсивности излучения имитаторов из вольфрамовых ламп без фильтра проводится неселективным радиометром, то погрешность измерения тока короткого замыкания солнечных элементов достигает 50 %.