Kako je u bilo kojoj oblasti potrebno usaglasiti standarde ispitivanja proizvoda i na taj način jasno definisati kvalitet istog, to se i u industriji solarnih panela zahtevalo jasno pozicioniranje intenziteta svetlosti i njene spektralne raspodele radi preciziranja standarda ulova testiranja solarnih panela (“Standard Test Conditions” (STC)).
Razlog više leži u činjenici da je samo tako jasno definisane pobude i dobijene snage zračenja Sunca moguće uspostaviti zajedničku karakterizaciju u mnoštvu tehnologija solarnih ćelija i njihovoj nameni (bilo da se radi o grid-tie ili off-grid sistemima). Sa druge strane napraviti etalon solarne ćelije i držati ga u izuzedno zahtevnim uslovima bilo bi jako skupo.
Zato su, kao prve korake u sistematizaciji pobude, SAD pokrenule izrade standarda koji su se vremenom menjali, dorađivali, sistematizovali. Zračenje Sunce je uzeto kao izvor referntnog jedinstvenog zračenja.
Industrija PV sistema zajedno sa Američkim društvom za testiranja i materijale i vladinim istraživačkim i razvojnim laboratorijama (“American Society for Testing and Materials” (ASTM)) definisali su standarde za spektralnu raspodelu ekstraterestičkog i terestričkog zračenja. Pored toga u definisanju standarda je učestvovala i “Commission Electrotechnique Internationale” (CEI) ili “International Electrotechnical Commission” (IEC).
Najpre, definisati standard spektralne raspodele solarne iradijacije AM O (“AM = air mass” rel=”nofollow”) i njegove integralne vrednosti (solarne konstante) na samom obodu atmosfere Zemlje, tj. na srednjem rastojanju od Sunca, 1 AU (“astronomical unit” ili AU ima vrednost 149 597 890 6 ± 500 km), normalnog na površinu merenja. Najpre je bio pod znakom ASTM E 490-73a, u kome je prikazana vrednost solarne konstante 1353 W/m2 ± 21 W/m2 (danas zaveden pod ASTM 491-73a). Međutim, od Oktobra 2000 godine ovaj spektar se definiše standardom ASTM E 490-00a u kome je na osnovu srednjeg dnevnog proseka dobijenog sa šest različitih satelita, u periodu od 1978 do 1998 godine, određena vrednost solarne konstante So od 1366.1W/m2 i standardnom devijacijom merenih podataka od 425 ppm ili 0.581 W/m2, dok je interval između maksimuma 1368 W/m2 i minimuma 1363 W/m2 svega 0.37%. Spektar nulte optičke vazdušne mase AM O je dat u intervalu od 0.1195 do 1000 µm. Koristi se za anailzu solarnih panela namenjeni satelitskoj tehnici.
Slika 1. “Defining standard spectra for solar panels“
Sa druge strane Svetska Meteorološka Organizacija (“World Meteorological Organization” (WMO)) dala je svoju vrednost solarne konstante 1367 W/m2 (“Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation“). U Tabeli 1 zbog njene zastarelosti treba za ASTM E 490 prihvatiti 1366.1 W/m2.
Tako na primer ekstraterestrički solarni simulator 91160 Solar Simulators (“LOT-Oriel“) koji uz korišćenje filtera za AM O u intervalu talasnih dužina 250 nm – 2500 nm daje snagu 2805 W/m2 (2.052 puta multiplicirana solarna konstanta), dok u intervalu talasnih dužina 250 nm – 1100 nm daje snagu 2050 W/m2. Digresije radi, korišćenjem odgovarajućih filtera dobijaju se odgovarajuće snage a time i optičke vazdušne mase.
Nakon prolaska kroz atmosferu, gubi se deo spektra i snage solarne energije, što zbog rasejanja, apsorpcije i refleksije. Prispelo zračenje sa pravca Sunca predstavlja direktno zračenje (zajedno sa “Circumsolar” zračenjem). Međutim, pored tih zraka na horizontalnu površinu padaju i oni koji se reflektuju sa okolne površine, albedo površine (naranvo jedan deo reflektovane energije).
Tabela 1, “Power Densities of Published Standards“
Sledeći standard koji je bitan za analizu odziva solarnih panela jeste AM 1, definisan pod međunarodnom standardom CIE Publication 85, dok je inzitet “svetlosti” 1000 W/m2 (vrednost nije zabeležena u Tabeli 1). Uslovi pod kojima se definiše dati spektar jesu solarna energija na nivou mora, normalno na horizontalnu površinu (zenitni ugao jednak je nuli), nivoa mora, pri vedrom nebu, što uslovljava slabljenje između 20-30%. Pri promenljivim uslovima, vrednost varira tako da se može prihvatiti opseg vrednosti 840 W/m2-1130 W/m2 (990 ± 15%), i srednjom vrednošću oko 1042 W/m2 (dobijena matematički).
Kada se analizira solarna energija pri uglu zenita većeg od Oo, optička vazdušna masa se menja. Sa povećanjem geografske širine put koji svetlost pređe do pobršine je duži, te je i njeno slabljenje i rasejanje veće. Tako na primer, razlika u putu svetlosti iznad Denver-a i Washington-a je oko 1.6 km dok je razlika u geografskoj širini oko 1o. Zato se moralo ići na usvajanje glavnog spektra za ispitivanje solarnih panela ( takođe solarnih ćelija, i svega na šta sunčeva svetlost utiče). Zato su najpre dati standardni uslovi ispitivanja PV modula, kraće STC:
“In the PV industry STC specifies a temperature of 25°C and an irradiance of 1000 W/m2 with an air mass 1.5 (AM1.5G) spectrum.” tj. najbitnije je AM1.5G, tabela 1.
Slika 2. “Characteristics of sunlight“
Dakle, koristi se AM1.5G spektar globalnog zračenja, kao i njemu izvorni AM1.5D spektar direktnog zračenja. Istorijski posmatrano, razvijena su bila dva odvojena stnadarda: E-891-82 za direktno i E-892-82 za globalno zračenje. Kasnije su objedinjeni u ASTM G159-98 (talasni opseg koji pokriva ovaj standard je od 305 nm do 4045 nm). Ta dva spektra definišu standard spektra normalnog direktnog i globalnog spektra zračenja (ili hemisferično zračenje, u prostornom uglu od 2π srad u odnosu na posmatranu površinu). Direktno je samo komponenta globalnog zračenja. Od 2003 godine ovaj standard je proširen i dopunjen, pod oznakom ASTM G-173-03, talasni spektar se da videti na slikc 3., ili u tabelarnom obliku na web adresi AM1.5. ASTM G173-03 obuhvata spekralnu raspodelu zračene energije od 280 nm do 4000 nm (2002 talasne dužine, korak talasne dužine do 400 nm je 0.5 nm, od 400 nm do 1700 nm iznosi 1 nm, potom među talasna dužina je 1702 nm, i od 1705 nm do 4000 nm korak je 5 nm) dok je vrednost solarne konstante 1367 W/m2. Radi olakšane primene ovih podataka razvijen je i poseban softver SMARTS čija baza podataka prikazana u vidu grafika prikazana na slici 4.
Slika 3. ASTM G173-03 spektar
ASTM G173-03 je spektar terestričnog zračenja Sunca na površini specifične orijentacije pod tačno unapred definisanim atmosferskim uslovima. Ovakva distribucija snage (W/m2*nm) u funkciji talasne dužine omogućuje jedinstvenu raferencu za karakterizaciju spektralne selektivnosti PV materijala, bilo da se osvetljavaju prirodnim ili veštačkim izvorima svetlosti sa zasebnim spektralnim raspodelama. Ugao ravni na koju pada sunčevi zraci je izabran tako da predstavljaju srednju vrednost geografske širine za 48 države Amerike (onih kontinetalnih, spojenih). Površina na koju normalno pada sunčevo zračenje je pod uglom od 37o u odnosu na horizontalnu ravan, nagnute ka ekvatorijalnoj ravani, nezavisno od geografske dužine tj. vremenske zone, pri elevaciji Sunca od 41.81o iznad horizonta, tj. pri zenitnim uglom 48.19o.
Slika 4. Simulacija AM O i AM 1.5D spektra u programu SMARTS
Specificirani atmosferski uslovi definisani pod ASTM G173-03 su:
- 1976 U.S. Standard Atmosfere: temperatura, pritisak, gustina aerosoli (prirodna), gustina vazduha, gustina molekularnih vrsta razvrstanih u 33 sloja,
- vazdušna masa (air-mass) od 1.5 (odgovara uglu zenita 48.19o),
- optička dubina aerosoli za talasnu dužinu 500nm iznosi 0.084,
- ekvivalentna debljina sloja vodene pare 1.42cm,
- ekvivalentna debljina sloja ozona 0.34cm,
- površinski albedo zemlje 0.2 (ASTER Spectral Reflectance Database).
Solarne ćelije se mogu kalibrisati u kalibracionim laboratorijama, npr. NREL, a zatim se koristiti kao etalon za kalibrisanje solarnih simulatora, tj. „referntna solarna ćelija“. Većina zemaljskih solarnih ćelija se ispituje pod AM1.5G uslovima (obuhvata globalnu insolaciju, plavi grafik na slici 3), i AM1.5D (crveni grafik na slici 3) koji se odnosi na direktnu insolaciju. Prema pokazanom, uslovi testiranja solarnih panela na površini Zemlje su: 1000W/m2 (1 Sun) , 25 stepeni Celzijus a, spektrala raspodela solarne energije AM1.5G (ASTM G173-03 i IEC 60904-3 (internacionalni standard)). U tabeli 1. date su različite integralne vrednosti za AM1.5G, prva je dobijena matematičkom formulom (vrednost jako zavisi od zagađenosti vazduha), a druga je normirana za testne uslove prema CEI/IEC* 904-3 standardu. U stvari u ASTM G173-03 se za direktno zračenje uzima vrednost 900.1 W/m2 a za globalno 1000.4 W/m2.
Kada je potrebno ispitati degradaciju solarne ćelije pod uticajem UV zračenja, primenjuje se drugi standard ASTM G177-03, ograničen na UV deo spektra 280nm-400nm, a koji se razlikuje od G173-03 u povećanom intenzitetu, slika 5. U njemu je dati spektar podeljen na UV-A spectralni region od 320 do 400 nm, i UV-B region od 280 do 320 nm. Spektralna raspodela je dobijena za uslove: sunčevo zračenje je pod uglom od 37o, za talasne dužine 280 nm do 400 nm za optičku vazdušnu masu AM1.05, na visini od 2 km iznad mora, sa 1976 U.S. Standardom Atmosfere.
Slika 5. ASTM G177-03 vs. ASTM G173-03
Istorijski posmatrano, spektralni standardi su bili odvojeno generisani. Zatim je 1999 god. donet nov standard koji je objedinio ova dva prethodna, pod oznakom ASTM G159-98, sa odgovarajućim internacinalnim standardom ISO 9845-1 iz 1992 god (baziran na ASTM E-891-87 i ASTM E-891-87; pored ostalog došlo je i do promene opsega spektra sa 2.450µm na 4.045nm). Trenutni standard je usvojen 2003 godine. Globalni standard G173 biće definisan kao standard IEC 60904-3 „Principi merenja zemaljskih fotonaponskih (PV) komponenti sa referentnim spektrom iradijacije“.