Banco ottico indoor

Per eseguire le prove indoor sulle celle fotovoltaiche e per poter garantire la ripetibilità delle prove è stato allestito un banco di misura indoor che è composto essenzialmente da 3 parti principali:

 Solar simulator, sistema in grado di simulare uno spettro di emissione simile a quello solare,  Sistema di movimentazione micrometrica, sistema in grado di posizionare con precisione le

varie celle,

 Strumenti di misura, in grado di rilevare ed acquisire le principali grandezze elettriche e termiche.

I dispositivi che compongono il banco ottico verranno spiegati nei capitoli seguenti.

2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 0 0,25 0,5 0,75 1 Po ten za t o ta le [W] Errore di allineamento [°]

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Figura 90: Banco ottico indoor

4.1.2.1 Solar simulator

Per la caratterizzazione indoor delle celle fotovoltaiche è molto importante ricreare il più fedelmente possibile lo spettro della luce solare. I simulatori solari sono regolati dalle norme IEC 60904-9 e ASTM E927-10; tali norme tengono conto:

 Spettro di emissione,  Uniformità spaziale,  Stabilità temporale.

I solar simulator, secondo le norme, vengono classificati in tre categorie.

Performance

Parameter Spectral Match

Irradiance Spatial Non-Uniformity Irradiance Temporal Instability Class A 0.75-1.25 2% 2% Class B 0.6-1.4 5% 5% Class C 0.4-2.0 10% 10%

Tabella 6: classificazione solar simulator

Inoltre le norme specificano la distribuzione di radiazione all’interno degli intervalli di lunghezza d’onda in condizioni atmosferiche con AM0 e AM1.5.

89 Bandwidth [nm] AM 1.5 D AM 1.5 G AM0 300-400 - - 8,0% 400-500 16,9% 18,4% 16,4% 500-600 19,7% 19,9% 16,3% 600-700 18,5% 18,4% 13,9% 700-800 15,2% 14,9% 11,2% 800-900 12,9% 12,5% 9,0% 900-1100 16,8% 15,9% 13,1% 1100-1400 - - 12,2%

Tabella 7: Percentuale di radiazione per banda

Il nostro sistema vuole riprodurre un simulatore solare, senza avere la precisione e l’affidabilità di un solar simulator certificato, ma che ci permetta di eseguire test sulle celle fotovoltaiche in maniera continuativa.

Il simulatore solare che utilizziamo è composto da una lampada allo Xeno prodotta dalla Luxtel che è in grado di emettere una luce che arriva alla temperatura di 5900 K, molto simile a quella del sole.

Figura 91: Spettro di emissione lampada allo xeno

La lampada allo Xeno è del tipo focus lamp in quanto è dotata di uno specchio ellittico che concentra la radiazione in un unico punto esterno alla lampada (fuoco dell’elisse, Figura 92). Il fascio luminoso emesso dalla lampada converge ad una distanza di 27,94 mm dalla sua superficie esterna.

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Figura 92: Dimensioni della lampada

La potenza della lampada può variare grazie al power supplies che permette di variare l’amperaggio, da un minimo di 9,8 A fino a raggiungere i 20,8 A; la massima potenza lumina emessa dalla lampada è di 300 W con un’intensità luminosa pari a 7450 lumen. Durante il funzionamento è necessario garantire un’adeguata ventilazione della lampada per evitare che si surriscaldi e si danneggi. Per simulare il passaggio della radiazione solare attraverso l’atmosfera, che comporta un cambiamento della curva di Wien a determinate lunghezze d’onda, si sono utilizzati due filtri atmosferici che vanno a simulare l’assorbimento dell’atmosfera quando la radiazione solare attraversa uno strato d’aria pari ad un air mass 1,5. Il filtro atmosferico è realizzato tramite l’accostamento di un filtro che simula l’AM0 e di un altro che simula l’AM1,5; il filtro con AM0 è posizionato vicino alla lampada.

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4.1.2.2 Sistema di movimentazione

Per lo svolgimento delle prove è di fondamentale importanza allineare la cella fotovoltaica rispetto alla lampada allo Xeno.

Il sistema di movimentazione si compone di una piastra di movimentazione, più precisamente la Misumi XYSG60, sulla quale verrà posizionata la cella fotovoltaica. Tale piastra consente di muovere la cella fotovoltaica nel piano in cui è fissata, la piastra di movimentazione è munita di due slitte micrometriche in grado di effettuare spostamenti di 1/25 mm.

Figura 94: Misumi XYSG60

La piastra di movimentazione, attraverso una piastra forata ed un supporto ad elle, è fissata ad una slitta di precisione, la Five axis aligner prodotta dalla New Focus; tale slitta consente di effettuare sia traslazioni lungo tre assi sia rotazioni lungo due assi, uno sul piano di montaggio ed uno normale, attraverso la traslazione differenziale tra due viti nello stesso asse di traslazione.

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Sulla parte inferiore della slitta di precisione sono montati due pattini che scorrendo su due guide permettono di variare la distanza tra la cella fotovoltaica e la lampada allo Xeno.

La lampada allo Xeno è montata sopra al Compact lab Jack LJ750/M, della Thorlabs, che consente di variare la posizione in altezza della lampada.

Figura 96: Compact lab jack

Tutti i componenti sono montanti su di una breadboard antivibrante della Thorlabs, dimensioni 600×1200 mm; la superficie del piano antivibrante è composta da una matrice di fori M6, con passo 25 mm con elevata planarità, che permette il fissaggio dei vari componenti.

4.1.2.3 Strumenti di misura

Per determinare le curve caratteristiche I-V e P-V delle celle fotovoltaiche si utilizza un carico elettronico programmabile, Array 3710A DC, che consente di misurare contemporaneamente sia il voltaggio che la corrente erogata dalla cella in quanto simula la presenza della rete elettrica tramite un carico interno, fino ad una potenza di 150 W.

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Figura 97: Carico elettronico

Numero di ingressi 1 Tensione ingresso 0-360 V DC Corrente ingresso 0-30 A DC Potenza ingresso 0-150 W Sensibilità (tensione) 0.000-3.999V :0.2% +3 mV 4.00-35.99V :0.2% +30 mV 36.0-360.0V :0.2% +30 mV Sensibilità (corrente) 0.000-2.999V :0.2% +3Ma 3.00-30.0V :0.2% +30mA Risoluzione 1mV tensione 1mA corrente

Minima resistenza conduttiva <0.08 ohm

Interfaccia USB, RS232, RS 485 Tabella 8: Datasheet carico elettronico

Oltre a misurare la tensione e corrente della cella fotovoltaica viene misurata la temperatura tramite l’utilizzo di termocoppie. Per acquisire il segnale proveniente dalle termocoppie viene utilizzata una scheda di acquisizione che consente di acquisire fino a 16 termocoppie (due moduli da 8 termocoppie) con risoluzione a 128 bit. Tale scheda consente di acquisire tutti i tipi di termocoppie, nella nostra applicazione sono utilizzate termocoppie di tipo K con cavo schermato, tali termocoppie hanno una sensibilità di 1,5 °C e lavorano in un range di temperatura compreso tra -40 °C e 750 °C. Queste termocoppie sono costituite da due fili, uno è il positivo ed è realizzato in Alumel (Ni-Al) e l’altro è il negativo in Crhomel (Ni-Cr).

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Figura 98: Scheda acqusizione termocoppie

Inoltre tramite un misuratore di potenza, Thorlabs S322C, si è misurata la potenza della lampada allo xeno. Il misuratore di potenza è in grado di assorbire la radiazione tra 0,25 e 11 µm, e di misurare potenza comprese tra i 100 mW e i 200 W, con una risoluzione di 5 mW. Il misuratore ha una superficie utile di diametro 25 mm ed ha un’incertezza di misura del 3% a 1064 nm e del 5% nella banda compresa tra i 266-1064 nm.

Figura 99: Misuratore di potenza Thorlabs