widmowo-termiczne aspekty symulacji promieniowania...
TRANSCRIPT
POLITECHNIKA POZNA ŃSKA
Wydział Elektryczny
JOANNA RATAJCZAK
WIDMOWO – TERMICZNE
ASPEKTY SYMULACJI
PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO
Rozprawa doktorska
Promotor: dr hab. inŜ. Konrad Domke, prof. PP
Poznań, grudzień 2013
2
„They say that we shall put the Sun inside a box. A bright idea.
The problem is that we do not know how to make the box…”
„Mówi się, Ŝe umieścimy słońce w pudełku. Piękna idea.
Problem polega na tym, Ŝe nie wiemy, jak zrobić pudełko… "
Pierre-Gilles de Gennes
(fizyk francuski ur. 1932 zm. 2007,
laureat nagrody Nobla w 1991r.)
3
Pragnę podziękować wszystkim, bez których niniejsza praca nie mogłaby
powstać, a w szczególności:
Z całego serca dziękuję mojemu Promotorowi,
Panu Profesorowi dr. hab. inŜ. Konradowi Domke,
za opiekę naukową, przekazaną wiedzę,
cierpliwość i wyrozumiałość,
poświęcony czas, udostępnienie materiałów
oraz cenne rady i uwagi niezbędne podczas pisania pracy.
Szczególnie dziękuję dr. hab. inŜ. Grzegorzowi Wiczyńskiemu
za pomoc przy wykonywaniu badań eksperymentalnych
oraz za szereg inspirujących dyskusji naukowych.
Pragnę złoŜyć podziękowania Panu Zbigniewowi Zapłacie
za pomoc i udostępnienie sprzętu niezbędnego do wykonania pomiarów
rozkładów widmowych lamp ksenonowych.
Serdecznie dziękuję moim Rodzicom
za pomoc zarówno materialną, jak i duchową,
a w szczególności mojej Mamie – za wsparcie.
Dziękuję za wsparcie finansowe
otrzymane od Wojewódzkiego Urzędu Pracy w Poznaniu
w ramach projektu współfinansowanego przez Unię Europejską.
Składam równieŜ serdeczne wyrazy podziękowania dla wszystkich
pracowników i doktorantów
Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej,
którzy przyczynili się do powstania niniejszej rozprawy
w trakcie wielu wspólnych prac i dyskusji naukowych.
Joanna Ratajczak
4
Projekt współfinansowany przez Uni ę Europejsk ą w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
1 grudnia 2012 r. – 30 wrze śnia 2013 r.
Autorka rozprawy doktorskiej jest stypendyst ą w ramach projektu pt.: „Wsparcie
stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu
widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego
Kapitał Ludzki, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego.
Being the author of the Ph. thesis, I declare that I am a scholarship holder within
the project “Scholarship support for PH.D. students specializing in majors
strategic for Wielkopolska’s development”, Sub-meas ure 8.2.2 Human Capital
Operational Programme, co-financed by European Unio n under the European
Social Fund.
5
Spis treści
STERSZCZENIE……………………………………………………………………….7
SUMMARY ……………………………………………………………………………..7
WYKAZ WA śNIEJSZYCH OZNACZE Ń……....…………………………………...8
1. WSTĘP……………………………………………..………………………...11
2. WPROWADZENIE …………………………………………………………12
2.1 Znaczenie promieniowania słonecznego…………………………………...12
2.2 Podstawowe pojęcia, definicje i zjawiska związane z symulacją
promieniowania słonecznego.………………………………………………16
2.3 Przegląd stanu badań…………………………………………………….…26
2.4 Przegląd norm………………………………………………………………39
2.5 Charakterystyka wybranych źródeł promieniowania………………………43
3. CEL, TEZA I ZADANIA SZCZEGÓŁOWE ROZPRAWY ……………….49
4. BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE …………………54
4.1 Wstęp……………………………………………………………………….54
4.2 Pomiar rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych…..…56
4.2.1 Stanowisko pomiarowe……..……………..……………..…………...56
4.2.2 Metodyka badań………..……..……………..……………..…………63
4.2.3 Wyniki przeprowadzonych pomiarów……………..……….………...66
4.3 Wskaźniki efektywności symulatorów promieniowania słonecznego……..74
4.4 Modelowanie i symulacje – aspekty widmowe…………………………….76
4.4.1 Wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji
dla programu Matlab ……….…………………………………………76
4.4.2 Wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji
dla programu Microsoft Visual C#.......................................................93
4.5 Modelowanie – aspekty termiczne…………………………………………95
4.5.1 Schemat budowy kolektora słonecznego
z zaznaczonymi gęstościami strumieni……………..………….……95
6
4.5.2 Zastępczy schemat cieplny kolektora słonecznego…………………..96
4.5.3 Schemat budowy modułu PV
z zaznaczonymi gęstościami strumieni…..…….…………………..…97
4.5.4 Zastępczy schemat cieplny modułu PV……………..……………..…98
4.5.5 Bilans energetyczny……………..……………..……………..………99
5. REZULTATY KO ŃCOWE
POMIARÓW, SYMULACJI I OBLICZE Ń…......………….......………….104
6. PODSUMOWANIE …….………..……………..……………..………..……107
LITERATURA …………..………..……………..……………..……………..……112
ZAŁ ĄCZNIKI
ZAŁ ĄCZNIK 1
Rozkład widmowy wzorcowego natęŜenia promieniowania słonecznego ……………...3
ZAŁ ĄCZNIK 2
Pomiar spektralnego natęŜenia promieniowania lamp halogenowych –
przykład obliczeniowy ……………………..…….…………………………..………...6
ZAŁ ĄCZNIK 3
Wykresy rozkładów widmowych promieniowania lamp ksenonowych,
szczegółowe dane dotyczące wybranej krzywej oraz przykład obliczeniowy…………..8
ZAŁ ĄCZNIK 4
Wykresy rozkładów widmowych promieniowania badanych układów źródeł
promieniowania oraz przykład obliczeniowy ……………………..…….…………..…52
ZAŁ ĄCZNIK 5
Opracowany algorytm obliczeniowy pozwalający uwzględnić zjawiska widmowe
zaimplementowany do programu Matlab oraz przykład obliczeniowy.………..………57
7
STERSZCZENIE
W rozprawie doktorskiej opisano zagadnienia z zakresu widmowo – termicznej
symulacji promieniowania słonecznego. Wykazano, Ŝe konstrukcja dobrego symulatora
powinna opierać się na wielu źródłach promieniowania jednego lub kilku typów
(z uwzględnieniem widma), a dobór źródeł promieniowania powinien uwzględniać
sumaryczne natęŜenie promieniowania oraz sumaryczne widmo promieniowania.
W pracy przedstawiono przegląd literatury i norm dotyczących poruszanej tematyki
oraz charakterystyki wybranych źródeł promieniowania. Przedstawiono moŜliwości
i przykładowe zastosowania omawianych w niniejszej pracy symulatorów promieniowania
słonecznego. W szczególności zbadano rozkłady widmowe lamp halogenowych
i ksenonowych. Opisano stanowisko pomiarowe i zaprezentowano metodykę badań.
Dokonano takŜe obliczeń i symulacji w aspekcie widmowym oraz modelowania w aspekcie
termicznym. Omówiono aplikacje wspomagające dobór źródeł promieniowania
dla symulatorów promieniowania słonecznego pod kątem doboru typu źródła i jego mocy.
Poprawność opracowanych pomiarów i symulacji zweryfikowano poprzez badania
porównawcze mające na celu zestawienie wyników obliczeń i symulacji z danymi
normatywnymi.
SUMMARY
The Ph.D. thesis discusses the issues of spectrally - thermal simulation of solar
radiation. It has been presented that the design of a good simulator should be based
on several types of radiation sources (including spectrum) and the choice of radiation
sources should take into consideration: the total radiation intensity and the total spectrum.
The paper presents a review of the literature, standards of discussed topics
and characteristics of selected sources of radiation. Possibilities and sample applications
of solar simulators presented in this PhD thesis have been described as well. In particular,
the spectral distributions of halogen and xenon lamps have been researched. The paper
presents an analysis of research methodology and describes a measurement unit.
Calculations and simulations in spectral terms and modelling in thermal terms have been
also conducted. The Ph. D. thesis discusses applications supporting the selection
of radiation sources for solar simulators for selecting the type and power sources.
Correctness of elaborated measurements and simulations has been verified through
comparison of calculations and simulation results with measurement and normative
requirements.
8
WYKAZ WA śNIEJSZYCH OZNACZE Ń
Wielkości skalarne
AM(X) – masa optyczna atmosfery dla dowolnej długości drogi promieniowania [-]
E – natęŜenie promieniowania (napromienienia)
lub gęstość strumienia promieniowania [W·m-2]
Eλ , ES – widmowe (spektralne) natęŜenie promieniowania
(irradiancja spektralna) [W·m-2·µm-1]
I – prąd, sygnał źródła promieniowania [A], [LSB]
Me λT – gęstość widmowa egzytancji energetycznej [W·m-2·m-1]
N – nierównomierność natęŜenia promieniowania na badanej powierzchni [%]
P – moc [W]
Ra – ogólny wskaźnik oddawania barw [-]
S(λ), SR(λ) – czułość widmowa odbiornika np. fotoogniwa [A/W]
T, t – temperatura (bezwzględna), temperatura [K], [0C]
q – gęstość powierzchniowa strumienia promienistego (cieplnego) [W·m-2]
η – skuteczność świetlna [lm/W]
Θ – czas [s]
ρth – opór cieplny właściwy [m2·K·W-1]
τ – trwałość [h]
σ - odchylenie standardowe
Φ – strumień energii promieniowania, moc promieniowania [W]
Φ~ - zastępczy współczynnik konfiguracji [-]
Inne oznaczenia
c1 – pierwsza stała wzoru Plancka c1=3,7413·10-16 W·m2
c2 – druga stała wzoru Plancka c2=1,4388·10-2 m·K
I0 – stała słoneczna I0 = 1367 W·m-2 +/-7 W·m-2
l – grubość (szerokość) [m]
r – odległość, promień [m]
S, A – powierzchnia [m2]
X, x – odpowiada w programie Matlab wartościom kha
x – wartość otrzymana
9
Y, y – odpowiada w programie Matlab wartościom kks
Z – odpowiada w programie Matlab wartościom σ (odchylenia standardowego)
W(λ) – monochromatyczny współczynnik korekcji [mW·m-2·nm-1·LSB-1]
α– absorpcyjność [-]
α, γ – kąty [0]
αs – kąt wzniesienia Słońca (kąt pozornej wysokości (h) Słońca) [0]
αk, αr – współczynnik konwekcyjnego, radiacyjnego przejmowania ciepła [W·m-2·K-1]
∆ – zakres, przedział, zmiana np. ∆λ przedział długości fali [m]
ε - emisyjność [-]
Θz – kąt zenitalny - kątowa odległość Słońca od pionu [0]
λc – przewodność cieplna właściwa [W·m-1·K-1]
λ – długość fali [m]
µ – wartość oczekiwana
ρ – refleksyjność [-]
σ - stała Stefana Boltzmana σ = 5,669·10-8 [W·m-2·K-4]
τ – transmisyjność [-]
Indeksy
a – zaabsorbowane, absorber
ab - absorber
b – barwowa
ciecz - ciecz
d - dół
D – „prąd ciemny” przy wyłączonym badanym źródle promieniowania
DR – „prąd ciemny” przy wyłączonym wzorcowym źródle promieniowania
ef – efektywny
f-EVA – folia EVA
f-elekt.-izol. – folia elektroizolacyjna
g – góra
gaz - gaz
ha - halogen
i, j, u, x, N – indeksy kolejności
izol - izolator
10
I – czas integracji spektrometru w trakcie pomiarów dla badanego źródła
promieniowania
IR – czas integracji spektrometru w trakcie pomiarów dla wzorca
k – konwekcja
ks -ksenon
max – maksymalny
o – odbite, optyczny
ob - obudowa
ot – otoczenie
p -przepuszczone
p - przewodzenie
PHD – „prąd jasny” i „prąd ciemny” przy załączonym badanym źródle promieniowania
PHDR – „prąd jasny” i „prąd ciemny” przy załączonym wzorcowym źródle
promieniowania
PH – sygnał skorygowany dla badanego źródła promieniowania
PHR – sygnał skorygowany dla wzorcowego źródła promieniowania
pow – powierzchnia
PV/Kol – panel PV (fotowoltaiczny) lub kolektor
r - radiacja
rel – relatywny – względny
rur - rura
Sł - Słońce
SR – spektralny dla wzorca
ST - strat
szyb - szyba
śr - średni
uŜ - uŜyteczny
z – zewnętrzna dotyczy osłony kolektora
źr – źródła
γ – kąt
λ – widmowy, spektralny, w funkcji długości fali, monochromatyczny
11
1. WSTĘP
Elektrotechnika, mająca swoje podstawy w takich dziedzinach jak fizyka
czy matematyka, obejmuje głównie zagadnienia związane z wytwarzaniem,
przemienianiem, czyli przekształcaniem oraz przesyłem, rozdziałem, magazynowaniem
i uŜytkowaniem energii elektrycznej. Zakres widma fal elektromagnetycznych
wykorzystywanych w elektrotechnice obejmuje pola (promieniowania)
elektromagnetyczne o częstotliwości większej od 0 Hz do około 1016 Hz. Częścią
widma fal elektromagnetycznych jest promieniowanie optyczne o zakresie
częstotliwości od 3·1011 Hz do 3·1016 Hz i odpowiednio o zakresie długości fal w próŜni
od 1 000 µm do 0,01 µm (Rys. 1.1). Docierająca do powierzchni Ziemi wiązka
promieniowania słonecznego obejmuje fale elektromagnetyczne z zakresu
0,2 – 3,0 µm.
W dobie rozwoju energetyki solarnej rzetelne symulatory promieniowania
słonecznego, czyli urządzenia słuŜące do modelowania w skali laboratoryjnej
promieniowania słonecznego, stają się koniecznością. Niniejsza rozprawa doktorska
podejmować będzie problematykę z zakresu zarówno widmowych, jak i termicznych
aspektów symulacji promieniowania słonecznego, obejmując zagadnienia związane
z elektrotechniką, a w szczególności z techniką świetlną i termokinetyką.
Pierwsza, teoretyczna, część pracy zawiera omówienie znaczenia
promieniowania słonecznego oraz zestawienie podstawowych pojęć i definicji
związanych z symulacją promieniowania słonecznego. Przedstawiony został równieŜ
przegląd literatury i norm dotyczących poruszanej tematyki oraz charakterystyki
wybranych źródeł promieniowania.
W drugiej, symulacyjno – badawczej, części omówione zostały wyniki obliczeń
i symulacji przeprowadzonych w aspekcie widmowym i modelowania w aspekcie
termicznym oraz charakterystyki programów. Opisane zostało równieŜ stanowisko
pomiarowe i zaprezentowana została metodyka badań. Przedstawiona została
takŜe procedura pomiarowa rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych
wraz z analizą wyników przeprowadzonych eksperymentów.
W końcowej części przedstawiono badania porównawcze mające na celu
zestawienie wyników obliczeń i symulacji z danymi normatywnymi. Rozprawę kończy
podsumowanie zawierające omówienie zrealizowanych celów pracy oraz zagadnień
moŜliwych do kontynuowania.
12
2. WPROWADZENIE
2.1 Znaczenie promieniowania słonecznego
Słońce – po grecku Helios, po łacinie, szwedzku, norwesku, hiszpańsku, duńsku
Sol, po angielsku Sun, po niemiecku die Sonne, po francusku soleil, po włosku sole,
po czesku slunce, po rosyjsku солнце. Słowo to tłumaczone w tylu językach znaczy
jedno – Słońce to gwiazda, powstała około 4,6 miliarda lat temu, znajdująca się
w centrum Układu Słonecznego, najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii
docierającej do Ziemi. Jest płynną kulą o masie 2·1030 kg, promieniu 695 000 km
oraz o temperaturze powierzchni i jądra wynoszących odpowiednio ok. 5 800 K
i 15 600 000 K. W jej skład wchodzą (w % masy) wodór (H) – 73,46%, hel (He) –
24,85%, tlen (O2) – 0,77%, węgiel (C) – 0,29%, Ŝelazo (Fe) – 0,16%, neon (Ne) –
0,12%, azot (N) – 0,09%, krzem (Si) – 0,07%, magnez (Mg) – 0,05%, siarka (S) –
0,04%. [19, 20, 27, 30, 34, 35, 41, 71, 88]
Ludzie pierwotni Ŝyli korzystając głównie ze światła, a co za tym idzie i ciepła,
pochodzenia słonecznego oraz wynalezionego ognia. To właśnie ogień z palenisk
i pochodni jako pierwszy zastępował, czyli symulował, w nocy czy w jaskiniach,
promieniowanie słoneczne.[54]
Zarówno dla nas, jak i dla naszych przodków promieniowanie słoneczne jest
najwaŜniejszym czynnikiem determinującym byt, jak równieŜ jest symbolem dobra
i bezpieczeństwa. Procesy fotobiologiczne, oddziałujące na systemy Ŝywe, są skutkami
promieniowania optycznego zarówno z zakresu nadfioletowego, widzialnego,
jak i podczerwonego. Dzięki energii promieni Słońca z pierwotnej mieszaniny
węglowodorów mogły się rozwinąć organizmy Ŝywe. Za sprawą energii słonecznej
przekształcanej w energię chemiczną magazynowaną w procesie fotosyntezy,
na przestrzeni miliardów lat trwa prawie całe Ŝycie w biosferze. Dzięki naszym
przetwornikom promieniowania widzialnego – oczom – moŜemy obserwować świat.
Promieniowanie słoneczne, głównie z zakresu promieni ultrafioletowych, jest waŜne
dla człowieka ze względu na wytwarzanie przez organizm witaminy D nieodzownej
do normalnego wzrostu i utrzymania prawidłowej struktury kości. Niestety,
promieniowanie słoneczne moŜe mieć równieŜ negatywny wpływ na nasze zdrowie,
wywołując zapalenie spojówek, poparzenia czy rumień skóry oraz trudno wyleczalne
nowotwory skóry (na przykład czerniaka złośliwego łac. melanoma malignum).
Oświetlenie dynamiczne wpływa na samopoczucie oraz naturalny rytm aktywności
13
ludzi. Zmiana rytmu dnia i nocy, przez pracę na nocną zmianę lub lot samolotem
ze zmianą czasową, wpływa na funkcjonowanie naszego organizmu. Zmianę naszego
nastroju i zakłócenie cyklu snu moŜe spowodować równieŜ zmniejszenie ilości światła
w ciągu dnia (np. okres zimowy, noce polarne), z czym wiąŜą się depresje sezonowe,
głównie zimowe. [54]
Przez setki lat ludzkość starała się skonstruować sztuczne źródła
promieniowania, które w dowolnym miejscu i czasie pozwoliłyby korzystać z energii
promieniowania. UmoŜliwiły to przeszło sto lat temu pierwsza atmosferyczna lampa
łukowa (1876) i pierwsza Ŝarówka z węglowym przetwornikiem elektroświetlnym
(1879) [21, 54].
Dokonując analizy oceny stanu środowiska moŜna zauwaŜyć, Ŝe zuŜycie energii
(na wytwarzanie promieniowania sztuczne źródła potrzebują obecnie około 20%
światowej energii elektrycznej) oraz towarzyszące temu powstawanie produktów
spalania drastycznie wzrasta. Źródeł energii konwencjonalnej powinno starczyć na parę
pokoleń. W literaturze [19, 20, 34, 35, 41, 43, 71, 75, 77] szacuje się,
Ŝe nieodnawialnych surowców wystarczy na: około 45 lat – ropy naftowej, na około
60 lat – gazu ziemnego oraz na około 200 lat – węgla czy na około 85 lat – uranu 235.
Problemem jednak staje się, co zrobić z produktami ich przetwarzania. Obecnie
środowisko nie jest w stanie wchłonąć nowo powstałych pyłów, tlenków azotu, siarki
i węgla i ich unieszkodliwić. Ze względu na kurczenie się zasobów paliw kopalnych
rządy państw są zmuszone zainwestować w niekonwencjonalne, proekologiczne źródła
energii. Czyste, odnawialne źródła energii wiatrowej, wodnej, słonecznej, geotermalnej,
biomasy, ogniw paliwowych czy z wodoru mogą w znacznym stopniu zaspokoić
zapotrzebowanie energetyczne świata w 2030 roku. Unia Europejska jako jeden
z najwaŜniejszych celów stawia sobie zapobieganie zmianom klimatycznym.
W tym celu, poprzez liczne akty prawne oraz dyrektywy, promuje odnawialne źródła
energii (OZE). Unia Europejska nakreśla tylko strategię i plan działania, pozostawiając
Krajom Członkowskim swobodę w wypracowaniu własnych działań ekologicznych,
a co za tym idzie decyzję, które źródła odnawialne i ekologiczne technologie będą
priorytetowe. [15, 17, 20, 51, 75, 76]
Ratunkiem i odpowiedzią na powyŜej opisane problemy związane
z zanieczyszczeniem środowiska i ociepleniem klimatu jest szybko rozwijająca się
w ostatnich czasach technika solarna. Energetyka solarna w małym stopniu degraduje
środowisko, czyli nie emituje szkodliwych substancji do atmosfery, jest pozbawiona
14
hałasu i prawie pozbawiona zanieczyszczeń, a przede wszystkim jest wszechobecna,
co uniezaleŜnia jej wykorzystanie od transportu. Do zalet naleŜy niewątpliwie
bezpośrednia konwersja na inne formy energii oraz bogactwo Ziemi w krzem
i aluminium, czyli składniki niezbędne do budowy modułów fotowoltaicznych. Mimo
Ŝe duŜym plusem są stałe w czasie zasoby promieniowania słonecznego, to do wad
energetyki solarnej moŜna zaliczyć między innymi cykliczność związaną
z nastawaniem po sobie dni i pór roku, zaleŜność wartości natęŜenia promieniowania
słonecznego od kąta padania promieni słonecznych oraz od zapylenia, zachmurzenia
i pary wodnej w atmosferze, jak równieŜ niską sprawność modułów fotowoltaicznych,
i stąd wynikającą, konieczność stosowania duŜych powierzchni absorbujących
promieniowanie słoneczne. [17, 19, 20, 25, 34, 35, 52, 75, 76]
Pomimo wymienionych powyŜej wad planuje się wykorzystać Słońce
do ogrzania Europy. Niemieckie konsorcjum chce wykorzystać Słońce znad Sahary
i ogrzać Niemcy dzięki zbudowanej na pustyniach Afryki Północnej oraz Bliskiego
Wschodu super elektrowni. [90, 91]
W Polsce od 1 stycznia 2015 roku wszystkie nowe i remontowane budynki będą
musiały być wyposaŜone w alternatywne źródła energii, czyli na przykład w kolektor
słoneczny, fotoogniwo, wiatrak czy pompę ciepła. Wymóg ten nakłada na nas
dyrektywa unijna zobowiązująca nas do tego, aby do 2020 roku zwiększyć udział
zielonej energii w bilansie energetycznym do około 15%. Instalacje solarne
cieszą się rosnącym zainteresowaniem większości społeczeństwa zwłaszcza,
Ŝe w budownictwie na ich zakup i montaŜ moŜna otrzymać wsparcie z Narodowego
Funduszu Ochrony Środowiska. [17, 20, 34, 35, 51, 76, 89]
Słońce wykorzystujemy równieŜ w wielu innych codziennych sytuacjach.
Na przykład w celu pozyskiwania energii dla oświetlenia drogowego, parkowego
czy sygnalizacyjnego, w kalkulatorach czy w zegarkach stosowane są systemy solarne
oparte na mniejszych lub większych bateriach słonecznych.
Intensywny w ostatnich latach rozwój alternatywnych źródeł energii,
a zwłaszcza sektora opartego na energetyce słonecznej, spowodował równieŜ ogromny
postęp w badaniach nad waŜnymi urządzeniami tej energetyki – nad kolektorami
słonecznymi i ogniwami fotowoltaicznymi. Badania prowadzi się w kierunku
zwiększenia ich sprawności (obecnie sprawność wynosi ok. 20%) przy jednoczesnym
zmniejszeniu kosztów produkcji. WiąŜe się to przede wszystkim z rozwojem nowych
technologii np. produkcji termosłonecznych ogniw fotowoltaicznych zamieniających
15
promieniowanie podczerwone na energię elektryczną oraz produkcji dachówek
czy okien fotowoltaicznych. Prace nad tymi elementami mają miejsce w laboratoriach
naukowych i opierającą się głównie na pomiarze i analizie licznych parametrów
technicznych przy zastosowaniu promieniowania słonecznego naturalnego
lub sztucznego wytworzonego w symulatorach promieniowania słonecznego.
Urządzenie słuŜące do wytwarzania sztucznego promieniowania, będącego
zamiennikiem naturalnego promieniowania słonecznego, zwykle w całym, znacznie
przekraczającym zakres promieniowania widzialnego, zakresie (200 nm
do 2 000 nm), nazywa się symulatorem promieniowania słonecznego.
Owe symulatory powodują uniezaleŜnienie wyników pomiarów od pory dnia,
ale powinny one równieŜ jak najdokładniej odzwierciedlać warunki solarne
i klimatyczne występujące na zewnątrz laboratoriów. PowaŜnym problemem jest duŜa
rozbieŜność pomiędzy danymi podawanymi przez producenta a rzeczywistymi
sprawnościami. W czasach, gdy na poziomie laboratoryjnym symulacja
promieniowania słonecznego staje się codziennością, celowym wydaje się,
aby symulatory promieniowania słonecznego, dedykowane dla danej grupy
odbiorników promieniowania słonecznego (nie tylko kolektorów słonecznych czy
ogniw fotowoltaicznych, ale takŜe badanych próbek materiałów, roślin czy substancji
reagujących chemiczne) charakteryzującej się określoną czułością widmową,
wytwarzały promieniowanie maksymalnie zbliŜone do rzeczywistego promieniowania
słonecznego w zakresie czułości adekwatnym dla danej klasy odbiorników.
16
2.2 Podstawowe pojęcia, definicje i zjawiska związane z symulacją
promieniowania słonecznego
Według Normy PN – EN ISO 9488 Energia słoneczna Terminologia [122]
symulatorem słonecznym lub symulatorem promieniowania słonecznego jest
sztuczne źródło energii promieniowania symulujące promieniowanie słoneczne
i zwykle jest to lampa elektryczna lub układ takich lamp.
Promieniowaniem nazywamy emisję lub przenoszenie energii w postaci fal
elektromagnetycznych lub cząstek [122]. Promieniowanie sumaryczne, zwane
równieŜ w literaturze [21] promieniowaniem optycznym (10 nm – 1 000 000 nm)
(Rys. 2.1), jest to całość promieniowania obejmująca promieniowanie krótkofalowe,
czyli o długościach fal krótszych niŜ 3 000 nm, ale dłuŜszych niŜ 280 nm,
oraz promieniowanie długofalowe – podczerwień długofalową (daleką) IR – C,
czyli o długościach fal dłuŜszych niŜ 3 000 nm (do 1 000 000 nm) [122].
Rys. 2.1 Widmo fal elektromagnetycznych: A – fale częstotliwości akustycznej, B – fale stosowane
w systemach łączności, C – mikrofale, D – promieniowanie podczerwone, E – promieniowanie widzialne,
F – promieniowanie nadfioletowe, D, E, F – promieniowanie optyczne, G – promieniowanie
rentgenowskie, H – promieniowanie gamma i kosmiczne [12, 21]
W literaturze [10, 11, 12, 21, 27, 28, 30, 34, 35, 41, 73, 84, 122] wyróŜnia się
promieniowanie ultrafioletowe, widzialne oraz podczerwone (Tab. 2.1).
Promieniowanie ultrafioletowe – UV – jest to promieniowanie elektromagnetyczne
o długościach fal dłuŜszych niŜ promieni X i krótszych niŜ długości fal promieniowania
widzialnego [122]. WyróŜnić moŜna promieniowanie UVA – zakres fal od 315 nm
do 380 nm, UVB – zakres fal od 280 nm do 315 nm oraz UVC – zakres fal
od promieniowania X (w literaturze [21] od 10 nm) do 280 nm (nie moŜe być
wykrywane przez urządzenia energetyki solarnej) [21, 122]. Promieniowanie
17
widzialne – VIS (światło) to promieniowanie o długości fal od 380 nm do 780 nm,
a promieniowanie podczerwone – IR od 780 nm do 1 000 000 nm, przy czym
wyróŜnić moŜna podczerwień krótkofalową – bliską IR – A od 780 nm do 1 400 nm
oraz średniofalową – średnią IR – B od 1 400 nm do 3 000 nm [122].
Promieniowanie słoneczne to około 99% energii padającej na powierzchnię
Ziemi o długości fal poniŜej 3 000 nm. Pozostały 1% całej energii słonecznej to słabe
promieniowanie podczerwone z zakresu od 10 000 – 15 000 nm.
Tabela 2.1. Normatywny rozkład energii widma fal elektromagnetycznych [121, 131]
Obszar widmowy UV B UV A VIS IR
Szerokość pasma [nm] 280 – 315 315 – 380 380 –520 520 – 640 640 – 780 780 – 3 000
NatęŜenie
napromienienia [W·m-2]
+ tolerancja [%]
5
+/- 35%
63
+/- 25%
200
+/- 10%
186
+/- 10%
174
+/- 10%
492
+/- 20%
Energia promieniowania jest definiowana jako ilość energii przenoszonej
przez promieniowanie, a moc emitowana, przenoszona lub odbierana w formie
promieniowania to strumień energii promieniowania, moc promieniowania
lub strumień promieniowania ΦΦΦΦ [W] . [119, 122] NatęŜenie promieniowania
lub gęstość strumienia promieniowania E [W·m-2] jest to gęstość mocy
promieniowania padającego na powierzchnię, tj. iloraz strumienia promieniowania
padającego na powierzchnię i pola tej powierzchni lub ilość w jednostce czasu energii
promieniowania padającego na jednostkowe pole powierzchni. Spektralne natęŜenie
promieniowania słonecznego Eλλλλ, ES [W·m-2·µm-1] to natęŜenie promieniowania
słonecznego na jednostkę długości fali przy danej długości fali. [119, 122] Stała
słoneczna I 0 to natęŜenie promieniowania słonecznego poza atmosferą ziemską, które
pada na płaszczyznę prostopadłą do kierunku promieniowania (średnia odległość
Ziemia – Słońce - 149,5·106 km). Jej wartość wynosi 1 367 W·m-2 +/- 7 W·m-2. [15, 25,
122, 132]
Z promieniowaniem związane są Prawo Plancka i Wiena. Ciałem doskonale
czarnym nazywamy wyidealizowane ciało całkowicie pochłaniające padające na nie
promieniowanie niezaleŜnie od składu widmowego tego promieniowania i temperatury
ciała. Ciało czarne emituje promieniowanie, którego rozkład widmowy został opisany
prawem Plancka (2.1) [71, 78, 85]:
18
1exp
1
251
Te
−
⋅=λ
T
c
cM
λλ
[W·m-2·m-1] (2.1)
gdzie: Me λT – gęstość widmowa egzytancji energetycznej w funkcji temperatury
i długości fali
λ – długość fali [m]
T – temperatura bezwzględna [K]
c1 – pierwsza stała wzoru Plancka (c1 = 3,7413·10-16 W·m-2)
c2 – druga stała wzoru Plancka (c2 = 1,4388·10-2 m·K)
Długość fali λmax, przy której osiągnięte zostaje maksimum promieniowania
dla danej temperatury (ciała czarnego) T, określa się na podstawie prawa przesunięcia
Wiena (2.2) [71, 78 ,85]:
T
8,2897max =λ [µm] (2.2)
Spektrum promieniowania słonecznego, inaczej widmo słoneczne, to rozkład
widmowy promieniowania elektromagnetycznego, emitowanego przez Słońce,
w funkcji długości fali (lub częstotliwości). WyróŜnić moŜna promieniowanie
bezpośrednie, okołosłoneczne, półsferyczne, całkowite i dyfuzyjne. [20, 84, 122]
Rozkład widmowy promieniowania słonecznego, bez uwzględnienia atmosfery
ziemskiej, byłby opisany w przybliŜeniu krzywą Plancka dla ciała doskonale czarnego.
Po raz pierwszy został dokładnie określony przez S. P. Langleya (1834 – 1906). [81]
Zarówno rozkład widmowy promieniowania słonecznego, jak i masa optyczna
atmosfery AM(X) są opisane w literaturze [14, 20, 26, 28, 37, 40, 49, 50, 67, 71, 73, 77,
83, 84, 97] oraz Normach [122, 126, 132]. W niniejszej pracy przyjęto do obliczeń
rozkład widmowy przedstawiony w Normie PN – EN 60904 – 3 Elementy
fotowoltaiczne Część 3: Zasady pomiaru fotowoltaicznych (PV) elementów słonecznych
przeznaczonych do zastosowań naziemnych z wykorzystaniem wzorcowego widma
promieniowania słonecznego. W punkcie 4 Normy [126] został podany całkowity
(bezpośredni + rozproszony) rozkład widmowy wzorcowego natęŜenia promieniowania
słonecznego odpowiadający natęŜeniu promieniowania 1 000 W·m-2 przy AM1,5
(Rys. 2.2). Dane liczbowe spektralnego natęŜenia promieniowania słonecznego
Eλ [W·m-2·µm-1] dla poszczególnych długości fali zostały zamieszczone w Załączniku 1.
19
Rys. 2.2 Rozkład widmowy wzorcowego natęŜenia promieniowania słonecznego wg danych z [126]
Według [71, 73, 82, 97, 122, 126] masą optyczną atmosfery AM nazywamy
miarę długości drogi przemierzanej przez promieniowanie słoneczne (bezpośrednie)
z ciała niebieskiego przez atmosferę do poziomu morza, wyraŜoną w odniesieniu
do długości drogi wzdłuŜ pionu. AM(X) (Rys. 2.3) jest stosunkiem (wielokrotnością)
długości drogi promieniowania przez atmosferę przy promieniowaniu padającym
pod pewnym kątem do długości drogi przy przejściu przez atmosferę prostopadle
do powierzchni Ziemi (przy Słońcu w zenicie). AM(X) moŜna wyrazić zaleŜnością:
( )ZS
XΘα cos
1
sin
1AM == (2.3)
gdzie: ΘΘΘΘz – kąt zenitalny - kątowa odległość Słońca od pionu
ααααs – kąt wzniesienia Słońca (kąt pozornej wysokości (h) Słońca) – kąt
dopełniający kąta zenitalnego (kąt pomiędzy wiązką bezpośredniego promieniowania
słonecznego a płaszczyzną poziomą wyraŜony w stopniach) ααααs = 900 - ΘΘΘΘz [71, 73, 82,
97, 122, 126]
Rozkłady widmowe mierzone na powierzchni Ziemi dla róŜnych,
przykładowych, pozornych wysokości Słońca (αs) oznaczono odpowiednio:
• AM1 dla αs = 900
• AM1,2 dla αs = 56,40
20
• AM1,5 dla αs = 420 (41,80)
• AM2 dla αs = 300
• AM4 dla αs = 14,50
Rys. 2.3 Definicja pojęcia masy optycznej atmosfery AM(X) [wg 20, 49, 71, 77]
Umownie rozkład widmowy promieniowania słonecznego na górnej
powierzchni atmosfery ziemskiej oznacza się jako AM0. Krzywa ta zbliŜona jest
do rozkładu widmowego ciała doskonale czarnego o T = 5 800 K. Na rysunku 2.4
pokazano jak zmienia się widmo promieniowania słonecznego w zaleŜności od drogi
promieniowania (róŜne AM(X)) przez atmosferę. MoŜna zauwaŜyć, Ŝe dla AM0
natęŜenie napromienienia słonecznego osiąga najwyŜszą wartość, a dla pozostałych
AM(X), czyli dla rozkładów widmowych promieniowania po przejściu przez atmosferę,
wartości natęŜenia napromienienia słonecznego są mniejsze, ale nie zauwaŜa się duŜych
róŜnic wartości pomiędzy poszczególnymi AM(X).
21
Rys. 2.4 Rozkłady widmowe promieniowania słonecznego dla AM0, AM1, AM1,5, AM2 [wg 26]
Udział procentowy promieniowania UV, VIS i IR w widmie promieniowania
zaleŜy od optycznej masy atmosfery AM(X). Przykładowo:
• dla AM0 według [20, 26, 49, 67, 71, 83, 121,131] wartość promieniowania
UV wynosi od 5 do 9%, promieniowania VIS od 38,2 do 52%, a promieniowania
IR od 43 do 53,1%,
• dla AM1 według [26, 47] wartość promieniowania UV wynosi od 7 do 7,7%,
promieniowania VIS ok. 47,4%, a promieniowania IR od 43,9 do 44,9%,
• dla AM1,5 według [126] wartość promieniowania UV wynosi 3,03%,
promieniowania VIS 53,27%, a promieniowania IR 43,58%,
• dla AM2 według [71, 83] wartość promieniowania UV wynosi od 1 do 2%,
promieniowania VIS od 40 do 42,5%, a promieniowania IR od 56 do 59%.
Osłabieniem atmosferycznym (osłabieniem promieniowania słonecznego)
nazywamy zmniejszenie gęstości strumienia promieniowania bezpośredniego
przechodzącego przez atmosferę. Owo zmniejszenie moŜe być skutkiem pochłaniania
czy rozpraszania przez składniki atmosfery. Rozpraszanie to zaleŜne od długości fali,
wzajemne oddziaływanie promieniowania z materią powodujące zmianę kierunku
promieniowania przy niezmienionej całkowitej energii i długości fali. Absorpcja
atmosferyczna to pochłanianie określonych długości fal promieniowania słonecznego.
22
Zarówno odbicie, jak i rozpraszanie czy pochłanianie moŜe być wywołane przez
wilgotność (molekuły wody), chmury, molekuły ozonu oraz gazy atmosferyczne
i zanieczyszczenia (pyły). Dla AM1, AM1,5 i AM2 powyŜej długości fali λ = 700 nm
występują w widmach okna powstałe przy przechodzeniu promieniowania słonecznego
przez atmosferę, czyli straty spowodowane absorpcją przez zawarte w atmosferze
cząsteczki O2, O3, H2O i CO2 (Rys. 2.5). [12, 20, 73, 77, 84, 97, 122]
Rys. 2.5 Widmo promieniowania słonecznego poza atmosferą oraz na poziomie morza wraz ze stratami
spowodowanymi absorpcją przez zawarte w atmosferze cząsteczki O2, O3, H2O, CO2 [wg 47]
Powierzchnią nieselektywną (w przeciwieństwie do powierzchni selektywnej)
nazywamy powierzchnię, której właściwości optyczne, takie jak refleksyjność ρ,
absorpcyjność α, transmisyjność τ i emisyjność ε, są spektralnie jednorodne, to znaczy
nie zaleŜą od długości fali [12, 122].
Skutkiem promieniowania optycznego nazywa się fizyczną (zjawiska
fotoelektryczne czy fotooptyczne), chemiczną lub biologiczną (zjawiska
fotobiologiczne) przemianę wywołaną oddziaływaniem promieniowania optycznego
na materię.
23
Jak juŜ wspomniano w rozdziale 2.1, odbiorniki promieniowania słonecznego,
w tym kolektory słoneczne czy ogniwa fotowoltaiczne, oraz badane próbki materiałów,
roślin czy substancji reagujących chemicznie charakteryzują się określonym zakresem
czułości widmowej. Technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicznych oraz kolektorów
słonecznych rozwijają się bardzo intensywnie. Cały czas trwają prace, związane
z poszukiwaniem nowych lub udoskonalaniem starych materiałów stosowanych
do produkcji, w celu podniesienia sprawności energetycznej owych elementów.
W niniejszej pracy do obliczeń i symulacji (opisanych w punkcie 4.2) wykorzystano
krzywe czułości widmowych ogniw fotowoltaicznych i kolektorów.
Czułość widmowa fotoogniwa S(λ) przedstawiana jest graficznie jako funkcja
długości fali. Czułością widmową względną S(λ)rel nazywamy czułość widmową
znormalizowaną do jedności dla długości fali, przy której występuje maksimum
i wyraŜa się zaleŜnością [126]:
( ) ( )( )max
rel S
SS
λ
λλ = [-] (2.4)
Technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicznych oraz kolektorów słonecznych
jak równieŜ ich zakresy czułości widmowej opisane są w literaturze [14, 20, 26, 28, 29,
30, 49, 50, 67, 71, 77, 87, 97]. Czułość spektralna ogniw fotowoltaicznych zawiera się
w przedziale 200 – 1 300 nm (Rys. 2.6), a kolektorów 400 – 4 000 nm (Rys. 2.8).
Najczęściej wykorzystywanymi ogniwami PV są: ogniwa fotowoltaiczne
I generacji (ok. 90% światowej produkcji) wykonywane na bazie płytek
z krystalicznego krzemu (monokryształy (c-Si) mają znakomite własności i dobre
sprawności) oraz ogniwa PV II generacji (tańsze niŜ I generacji) – cienkowarstwowe,
produkowane z krzemu amorficznego (a-S), czy teŜ z polikrystalicznych warstw,
na bazie chalkopirytów, CIS (CuInSe2). Sprawność ogniw II generacji jest niŜsza.
Struktury multikrystaliczne (mc-Si) oznaczają struktury polikrystaliczne
charakteryzujące się duŜymi rozmiarami ziaren (sprawności są nieznacznie niŜsze).
Najnowsze badania prowadzą do produkcji ogniw o większych sprawnościach – ogniw
tandemowych. Dzięki zastosowaniu kilku ogniw o róŜnych przerwach energetycznych
(Rys. 2.7) moŜna uzyskać szersze pasmo absorpcji. [14, 20, 26, 28, 29, 30, 49, 50, 67,
71, 77, 87, 97].
24
Rys. 2.6. Typowe krzywe spektralne dla ogniw PV typu: c-Si, mc-Si, a-Si, CIS [41, 52, 68, 71, 77, 87]
Rys. 2.7 Rozkład czułości widmowej dla ogniwa trójzłączowego – tandemowego (obszar zakropkowany),
absorbującego promieniowanie niebieskie, zielone oraz czerwone [wg 17, 30, 71, 76,77]
25
Stosowane obecnie przy produkcji specjalne pokrycia absorpcyjne kolektorów
słonecznych pozwalają na pokrycie całego zakresu promieniowania podczerwonego
(Rys. 2.8). WaŜnym jest, aby uzyskiwać przy duŜych wartościach współczynnika
absorpcyjności, małe wartości współczynnika emisyjności, co zwiększa zdolności
absorpcyjne zmniejszając jednocześnie radiacyjne straty cieplne kolektora. Obecnie
średnia absorpcyjność w zakresie krótkofalowym kolektorów selektywnych wynosi
od 0,92- 0,96 przy emisyjności równej 0,08 – 0,16. [79]
Rys. 2.8 Znormalizowane widmo promieniowania słonecznego porównane z widmem czułości
absorpcyjnej kolektora [wg 49, 126]
26
2.3 Przegląd stanu badań
Rozwój technologii i nowych „światłoczułych” materiałów wymusza
na producentach i uŜytkownikach stosowanie nowoczesnych sprzętów słuŜących
do oceny efektywności testowanych odbiorników promieniowania słonecznego.
W literaturze [3, 13, 18, 22, 23, 24, 28, 31, 37, 46, 80, 86, 97, 100, 102, 103, 104, 106,
107, 109, 110, 111, 112] i publikacjach [8, 55, 56, 70, 73] moŜna znaleźć przykłady
i porównania stosowanych współcześnie układów pomiarowych bazujących
na opisanych w podrozdziałach 2.2, 2.5 i 2.6 krzywych, normach i źródłach
promieniowania. Znane są równieŜ certyfikaty i znaki zgodności [80, 113, 114, 115,
116, 118], jak np. niemiecki eko - znak (Umweltbundesamt) zwany potocznie
„Bł ękitnym Aniołem”, znak jakości SPF – szwajcarskiego Instytutu Solartechnik
Prufung Forschung [116], SolarKeymark [114, 115] czy KHS SolarConstant System –
K.H. Steuernagel Lichttechnik GmbH
[118], które dzięki stosowanej aparaturze
(opartej równieŜ na lampach
ksenonowych i metalohalogenkowych –
Rys. 2.9) pozwalają sprawdzić zgodność
wykonywanych kolektorów słonecznych
z odpowiednimi normami i przepisami.
Rys. 2.9 Symulator promieniowania słonecznego
oparty na lampach metalohalogenkowych -
K.H. Steuernagel Lichttechnik GmbH [118]
PoniŜej zostaną scharakteryzowane wybrane realizacje komercyjnych
i uŜywanych w jednostkach badawczych symulatorów promieniowania słonecznego
(małej i duŜej mocy), których budowa oparta jest na róŜnych źródłach promieniowania.
Jak opisano w rozdziale 2.6, wyróŜnia się cztery typowe źródła promieniowania
stosowane w symulatorach promieniowania słonecznego – lampy: halogenowe,
metalohalogenkowe, ksenonowe oraz siarkowe.
W [37] przedstawiono róŜne rozwiązania, dotyczące wieloźródłowych
symulatorów promieniowania słonecznego, które badacze podejmowali w przeszłości.
Pierwsze (Rys. 2.10 (a)) zawiera źródła promieniowania UV (L1) oraz IR (L2)
z zamontowanym filtrem dichroicznym do selektywnego przepuszczania
27
promieniowania. Takie załoŜenie jest praktycznie stosowane dla dwu – i trójzłączowych
urządzeń, których przerwa energetyczna górnej i środkowej części ogniwa wynosi
600 – 700 nm. Rys. 2.10 (b) przedstawia układ działający na kaŜdym systemie
materiałów, poniewaŜ uŜywa symulatora, którego dopasowanie spektralne jest bliskie
z wzorcowym (odniesieniowym) widmem (ale daje dodatkowe promieniowanie, które
moŜe być dowolnie filtrowane dla kaŜdego złącza). Pierwotną wadą tego zastosowania
jest to, Ŝe uzupełniające źródła promieniowania nie są współliniowe
z szerokopasmowym promieniowaniem dającym moŜliwość duŜej zmiany widmowego
natęŜenia napromienienia na badanej powierzchni.
Rys. 2.10 Metody dopasowania zawartości widma w symulatorach promieniowania słonecznego.
L1, L2 i L3 – Ŝ źródła promieniowania M1, M2 i M3 – lustra [37]
Trzecia koncepcja (Rys. 2.10 (c)) to światłowodowy symulator promieniowania
słonecznego uŜyteczny ze względu na szeroki wybór lasera i niespójnych źródeł
promieniowania, które mogą być połączone w jedną wiązkę włókien oświetlającą
następnie niewielką (co jest wadą) płaszczyznę testową. Ostatnim rozwiązaniem
(Rys. 2.10 (d)) jest umieszczenie filtrów i przysłony blisko zintegrowanej optyki
28
wielkopowierzchniowych symulatorów promieniowania słonecznego (przydatne
dla próbek wielkopowierzchniowych). Podstawową wadą jest to, Ŝe źródła światła nie
są oddzielnie regulowane dla kaŜdego złącza. Koncepcja ta moŜe być równieŜ
stosowana do symulatorów impulsowych, w których odległość między błyskającą
lampą (lub lampami) i badaną powierzchnią jest zwykle duŜa i moŜliwy jest szeroki
zakres wartości natęŜeń. Ta metoda stosowana jest w przypadku kaŜdej technologii
wielozłączowej (multijunction), poniewaŜ dostępne są standardowe filtry
górnoprzepustowe, dolnoprzepustowe i pasmowe w celu pokrycia kaŜdej kombinacji
pasma przerw.
Badania związane z symulacją promieniowania słonecznego prowadzi się
zarówno w Polsce, jak i zagranicą. Jednostki badawcze wyposaŜone są w róŜnego typu
symulatory, w których źródłem promieniowania jest lampa halogenowa, ksenonowa
lub metalohalogenkowa.
Do jednostek badawczych posiadających symulatory bazujące na lampie
halogenowej naleŜy m. in. Politechnika Gdańska wyposaŜona w stanowisko do badań
wpływu temperatury na parametry elektryczne ogniw PV i fotodiod krzemowych
zbudowane z lampy halogenowej o mocy 400 W (Rys. 2.11) oraz stanowisko do badań
charakterystyki spektralnej napięcia otwartego obwodu ogniw fotowoltaicznych
krzemowych, którego źródłem promieniowania jest lampa halogenowa z układem
monochromatora (Rys. 2.12) [28].
Rys. 2.11 Schemat układu do badania wpływu temperatury
na parametry elektryczne ogniw PV i fotodiod krzemowych [28]
29
Rys. 2.12 Układ monochromatora do wyznaczania charakterystyki spektralnej
napięcia otwartego obwodu ogniw fotowoltaicznych krzemowych [28]
W Instytucie Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk
(IPPT PAN) w Warszawie elementem stanowiska badawczego do testowania
i określania charakterystyk kolektorów słonecznych oraz innych odbiorników energii
promieniowania słonecznego jest symulator promieniowania słonecznego SS-24
(Rys. 2.13). Symulator ten odwzorowuje promieniowanie słoneczne o rozkładzie
widmowym AM2. Charakteryzuje się mocą 24 000 W i gęstością strumienia
promieniowania (czyli natęŜeniem promieniowania symulatora) od 250 do 1000 W·m-2
(z odległości 3,5 m). Płynna regulacja natęŜenia promieniowania realizowana moŜe być
poprzez zmianę odległości, a skokowa regulacja poprzez włączanie sekcji lamp. Część
emisyjną symulatora stanowi 40 halogenkowych lamp wyładowczych typu LRJD
(z dysprozem – pierwiastkiem z grupy lantanowców) o mocy 400 W kaŜda
oraz 8 halogenowych Ŝarówek typu LH-41 o mocy 1 000 W kaŜda. Symulator
wyposaŜono w 4 niezaleŜne sekcje po 10 lamp i 2 Ŝarówki kaŜda. Taki zestaw lamp
zapewnia rozkład widma promieniowania symulatora, w którym 46,5% całkowitej
wypromieniowanej energii zawarte jest w przedziale długości fali 400 ÷ 700 nm
(odchyłka 5% w stosunku do rozkładu AM2), a 53,5% w przedziale 700 ÷ 2000 nm
(1% odchylenia wobec AM2). [46, 100]
30
Rys. 2.13 Symulator promieniowania słonecznego SS-24 [101]
Symulator promieniowania słonecznego "Super solar simulator" firmy Wacom
oparty równieŜ na dwóch róŜnych źródłach promieniowania znajduje się
(od lipca 2010 r.) w Heiholtz Centrum Berlin (HZB PVcomB). Symulowane
promieniowanie, o AM1,5, zapewnia
zmieszanie promieniowania z lampy
ksenonowej i lampy halogenowej
(Rys. 2.14 i 2.15). [117]
Rys. 2.14 Widok zewnętrzny symulatora promieniowania słonecznego
„Super solar simulator" firmy Wacom w Heiholtz Centrum Berlin [117]
31
Rys. 2.15 Wnętrze symulatora promieniowania słonecznego Super solar simulator" firmy Wacom
w Heiholtz Centrum Berlin [117]
W SolarLAB – Laboratorium Fotowoltaiki Politechniki Wrocławskiej (Katedra
Elektroniki i Fotoniki, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki) stanowisko
badawcze do pomiarów charakterystyk jasnych fotoogniwa krzemowego stanowi zespół
lamp halogenowych (Rys. 2.16). [104]
Rys. 2.16 Schemat stanowiska pomiarowego w laboratorium
na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej [104]
32
W publikacji [3] opisano budowę symulatora promieniowania słonecznego
o niskich kosztach produkcji i duŜym strumieniu świetlnym (nie 1 kW·m-2
a 30 – 100 kW·m-2). W przedstawianym rozwiązaniu uŜyto siedmiu lamp
metalohalogenkowych o mocy 1 500 W (Rys. 2.17) wykorzystywanych jako źródła
promieniowania do symulacji skoncentrowanej energii słonecznej. Lampy ksenonowe
łukowe, preferowane przez producentów słonecznych komercyjnych symulatorów,
mogą być filtrowane w celu ścisłego dopasowania emitowanego widma do osiągalnego
promieniowania słonecznego na ziemi. Są one dostępne w pojedynczych konfiguracjach
lamp duŜej mocy. Lampy metalohalogenkowe zostały uznane za najbardziej praktyczne
źródła promieniowania ze względu na znaczne róŜnice w cenie, jednak ich niefiltrowane
widmo emisji nie odpowiada spektrum emisji promieni słonecznych tak ściśle,
jak moŜna to uzyskać z lamp ksenonowych łukowych. [3]
Rys. 2.17 Ogólny widok symulatora promieniowania słonecznego[3] o mocy 10,5 kW.
Wymiary średnica 38 cm – sześciokątny otwór wyjściowy,
całkowity rozmiar – dł. x szer. wys. – 2,1 m x 2,1 m x 2,6 m. Podzespoły: (1) rama,
(2) ramka montaŜowa, (3) lampy metalohalogenkowe, (4) rura obrotowa;
(5) wyciągarka do podnoszenia; (6) płyta regulacji nachylenia, (7) drugi koncentrator
33
Zdecydowanie większą grupę stanowią jednostki badawcze wykorzystujące
do swoich pomiarów lampy ksenonowe. Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie
wyposaŜona jest w 500 W symulator słoneczny dający jednorodny ciągły strumień
światła na ogniwo, który w drugim torze ma zamontowany dodatkowo monochromator.
Zmianę natęŜenia realizuje się poprzez kombinacje filtrów (w tym filtru AM1,5) [31].
W Katedrze Promieniowania Optycznego Politechniki Białostockiej Wydziału
Elektrycznego zaprojektowano i wykonano układ świetlno – optyczny symulatora
promieniowania słonecznego z lampą ksenonową o mocy 900 W. Pomimo duŜej
nierównomierności luminancji obszaru świecącego tej lampy, otrzymany sprzęt uzyskał
dobrą równomierność natęŜenia napromienienia na powierzchni eksponowanej [102].
Symulator ciągłego promieniowania słonecznego typu SS150 (PhotoEmission
Tech. Inc.) zbudowany na lampach ksenonowych (krótko wyładowczych) znajduje się
na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej (Katedra
Elektroniki i Fotoniki; Laboratorium Fotowoltaiki, system SolarLab) (Rys. 2.18).
Na rysunku 2.19 przedstawiono porównanie widma symulatora promieniowania
słonecznego zbudowanego na lampie ksenonowej z widmem promieniowania
słonecznego dla AM1,5. Ten sprzęt moŜe być zakwalifikowany do najwyŜszej kategorii
symulatorów – klasy A określonej w normie PN – EN 60904 – 9 [18, 86, 104, 129].
Rys. 2.18 Ogólny widok kompletnego systemu
opracowanego w SolarLab [18]
Rys. 2.19 Widmo symulatora promieniowania
słonecznego SS150 porównane z widmem
promieniowania słonecznego dla AM1,5
(znormalizowane dla 1000 W·m-2) [18, 55]
34
Firma PhotoEmission Tech. Inc. posiada w swojej
ofercie cztery rodzaje symulatorów promieniowania
słonecznego [106]:
• SS50AAA – źródło promieniowania ksenon
krótkołukowy 150 W (AM1,5),
• SS100AAA – źródło promieniowania ksenon
krótkołukowy 500 W (AM1,5; AM1; AM0),
• SS150AAA – źródło promieniowania ksenon
krótkołukowy 1000 W (AM1,5; AM1; AM0) (Rys. 2.20)
• oraz SS300AAA – źródło promieniowania ksenon
krótkołukowy 3000 W (AM1,5; AM1; AM0).
Rys. 2.20 Symulator SS150AAA firmy Photo Emission Tech. Inc. [106]
W Laboratorium Fotowoltaiki (Zakład Optoelektroniki Wydział Elektroniki
i Technik Informacyjnych, Centrum Fotowoltaiki;) Politechniki Warszawskiej znajdują
się dwa symulatory promieniowania słonecznego [97]:
• symulator ciągłego promieniowania słonecznego Photo Emission SS300B (klasy
B/B/B) o natęŜeniu promieniowania 500 – 1 100 W·m-2 do oświetlania powierzchni
300 x 300 mm (Rys. 2.21)
• oraz symulator błyskowy PASAN SSIIIB (klasy A/A/A) z moŜliwością montaŜu
modułów o wymiarach 2 000 x 2 000 mm (Rys. 2.22)
35
Rys. 2.21 Symulator SS300BBB firmy Photo Emission na Politechnice Warszawskiej [97]
Rys. 2.22 Zestaw do badania ogniw PV na Politechnice Warszawskiej
zawierający symulator Pasan SSIIIB [97]
36
Instytut Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej
wyposaŜony jest w: źródło UV-VIS ksenonowe 150 W, elektronicznie sterowany
monochromator oraz układ filtrów do symulacji widma światła słonecznego (Rys. 2.23).
[103]
Rys. 2.23 Badana próbka w Instytucie Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Warszawskiej [103]
Na Wydziale Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki
Katedry Przyrządów Półprzewodnikowych
i Optoelektronicznych Politechniki Łódzkiej
znajduje się uniwersalne stanowisko
pomiarowe składające się z oświetlacza
zbudowanego z czterech niezaleŜnie
pozycjonowanych lamp Xenophot HLX
OSRAM o mocy 250 W kaŜda (lampy
halogenowe z ksenonem zamiast
standardowego gazu wypełniającego –
kryptonu) oraz filtra wodnego, który
pochłania znaczną część zbędnego
promieniowania IR i słuŜy dodatkowo jako
dyfuzor światła (Rys. 2.24).
Rys. 2.24 Oświetlacz – Politechnika Łódzka [110]
Do komercyjnych rozwiązań, w których wykorzystano lampy ksenonowe
krótkołukowe naleŜą równieŜ: Oriel Class A Solar Simulator (o mocach stosowanych
37
lamp: 150 W, 300 W, 450 W, 1 000 W, 1 600 W) oraz Oriel Sol3A Class AAA Solar
Simulators (Rys. 2.25) (oraz inne symulatory [107]). Po zastosowaniu filtru korekcji
spektralnej (filtr AM1,5) w Oriel Class A Solar Simulator następuje zmiana widma
symulatora promieniowania słonecznego, co sprawia, iŜ ten sam symulator spełnia
wymagania normy. [107] Rysunek 2.26 przedstawia przekrój symulatora
promieniowania słonecznego firmy Oriel, w którym zastosowano jako źródło
promieniowania lampę ksenonową.
Rys. 2.25 Oriel Sol3A Class AAA Solar - widok ogólny [107]
Rys. 2.26 Przekrój symulatora promieniowania słonecznego firmy Oriel [107]
38
Inne podejście do symulacji promieniowania przedstawiono w pracach [22, 23,
24]. Prowadzone w Instytucie Elektrotechniki Politechniki Warszawskiej badania miały
na celu uzyskanie symulatora światła dziennego D65 z wykorzystaniem, jako element
emitujący promieniowanie, wysokopręŜnej lampy wyładowczej – metalohalogenkowej
o mocy 400 W. Symulator ten ma zastosowanie w kolorymetrii, np. przy ocenie
parametrów barwy wszędzie tam, gdzie wymagane jest stosowanie źródła emitującego
światło dzienne. Rozkład widmowy iluminantu D65 (Rys. 2.27) (zalecany przez CIE –
Międzynarodową Komisję ds. Oświetlenia) reprezentuje fazę światła dziennego, czyli
odpowiada rozkładowi uśrednionego promieniowania dziennego w róŜnych porach
dnia, na róŜnej szerokości geograficznej (rozkład promieniowania jak
dla ciała czarnego o temperaturze 6 500 K). Iluminat D65 jest stabelaryzowany,
w krokach co 5 nm, od 300 do 830 nm. Wszystkie źródła promieniowania, które mają
ten sam względny rozkład widmowy mocy mogą być uznane za źródło światła D65.
CIE wprowadzając iluminat typu D nie podała Ŝadnych wskazówek co do sposobu jego
realizacji. W celu uzyskania jak najwyŜszej kategorii symulatora zastosowano
unikatowy filtr interferencyjny (poprawiający parametry widmowe i kolorymetryczne)
oraz przy doborze składu chemicznego plazmy wyładowania załoŜono zastosowanie
(jako podstawową domieszkę) jonów metali ziem rzadkich (lantanowców).
Rys. 2.27 Względny rozkład widmowy iluminantu D65 [23, 24]
39
2.4 Przegląd norm
Wymagania normatywne dla symulatorów promieniowania słonecznego zawarte
są w normach dotyczących kolektorów słonecznych oraz ogniw fotowoltaicznych
oraz publikacjach [np. 18, 30, 73, 80].
Jako odniesienie został przyjęty rozkład widmowy promieniowania słonecznego
o masie optycznej AM1,5 zarówno w Normach PN – EN 60904 –3, PN – EN 60904 –8,
PN – EN 60904–9, PN – EN 12975 – 2 i PN – EN 50461 (wg PN – EN 60904 –3),
jak i w CIE Technical Report – Solar Spectra Irradiance [123, 126, 128, 129, 130, 132].
Według Normy PN – EN 60904–9 Elementy fotowoltaiczne Część 9:
Wymagania dla symulatorów promieniowania słonecznego symulator
promieniowania słonecznego jest to sprzęt uŜywany do symulacji natęŜenia
promieniowania oraz spektrum. Symulatory zazwyczaj składają się z trzech głównych
elementów: (1) źródła (źródeł) światła i powiązanego zasilania; (2) optyki i filtrów
wymaganych do zmodyfikowania wyjściowej wiązki w celu spełnienia wymagań
klasyfikacyjnych i (3) niezbędnych środków kontroli do obsługi symulatora. WyróŜnia
się symulatory promieniowania słonecznego: o działaniu ustalonym (stałym) oraz jedno
– lub wielo – impulsowym [129, 125].
Do celów oceny symulatorów, w PN – EN 60904–9, zakres długości fali został
ograniczony od 400 nm do 1100 nm. W normie tej [129] zostało równieŜ zdefiniowane
dopasowanie spektralne symulatora promieniowania słonecznego do promieniowania
słonecznego jako odchylenie od AM1,5 (określonego w normie PN – EN 60904 –3).
W normie PN – EN 60904–9 podano równieŜ procentowe dopasowanie energii
z zakresu UV, VIS i IR (dla 100 nm zakresów długości fali od 400 nm do 1 100 nm)
dla widma promieniowania słonecznego (Tab. 2.2). Jest to podstawą do określenia
odpowiednich klas symulatorów – A, B, C z tabeli 2.3 (przykład do obliczeń
przedstawiono na lampach ksenonowych niefiltrowanych). O klasie symulatora
decyduje stopień zbieŜności, stosunek procentowych udziałów promieniowania
symulatora z promieniowaniem słonecznym dla wszystkich 6 zakresów podanych
w tabeli 2.2. W normie [129] zostało równieŜ podane, Ŝe natęŜenie promieniowania
moŜe ulec zmianie podczas gromadzenia danych z pomiaru, a wtedy efektywne
natęŜenie promieniowania jest średnim natęŜeniem dla wszystkich punktów.
W części 9 Normy PN – EN 60904 podano wzór na nierównomierność natęŜenia
promieniowania na badanej powierzchni [129]:
40
( ) 100%prom. nat.min prom. nat.max
prom. nat.min - prom. nat.max % N ⋅
+= (2.5)
a w części 7 tej samej Normy [127] podano opis metody na wyznaczenie błędu
wynikającego z niedopasowania spektralnego powstającego w trakcie testowania
elementu fotowoltaicznego.
Tabela 2.2. Udział poszczególnych zakresów widmowych
w całkowitym promieniowaniu słonecznym wg [55, 129]
Przedział długości fali ∆λ[nm] Procentowy udział promieniowania w zakresie ∆λ
400-500 18,4%
500-600 19,9%
600-700 18,4%
700-800 14,9%
800-900 12,5%
900-1100 15,9%
Tabela 2.3. Definicja klasyfikacji symulatorów promieniowania słonecznego wg [55, 129]
Klasyfikacja Dopasowanie spektralne do wszystkich
zakresów wyspecyfikowanych w Tab.2.2
A 0,75 – 1,25
B 0,6 – 1,4
C 0,4 – 2,0
W części 8 Normy PN – EN 60904 określono, Ŝe pomiaru względnej czułości
widmowej elementu fotowoltaicznego (PV) dokonuje się poprzez oświetlanie
go światłem (w normie [128] rozumie się pod tym pojęciem zarówno ultrafioletową,
widzialną jak i podczerwoną część widma) z wykorzystaniem wąskopasmowego źródła
światła szeregiem róŜnych długości fal pokrywających zakres czułości widmowej
elementu. Źródłem światła monochromatycznego (w normie [128] oznacza to pojęcie
wąskie pasmo) w przykładowych układach testowych moŜe być monochromator
z pryzmatem kwarcowym lub obręcz z zamontowanymi filtrami. W obu przypadkach
źródłem światła zastosowanym do badań jest lampa halogenowa o mocy 1 000 W
i temperaturze barwowej 3 200 K zasilana ze stabilizowanego zasilacza. Pomiaru
moŜna dokonać w pewnych sytuacjach przy dodatkowym oświetleniu elementu białym
światłem polaryzującym, o zbliŜonym do AM1,5 widmowym rozkładzie natęŜenia
41
promieniowania. W normie [128] nazwano ten element symulatorem promieniowania
słonecznego bez określenia jakie źródło promieniowania powinno zostać zastosowane.
Zarówno w części 3, jak i 9 Normy PN – EN 60904 oraz w literaturze [20]
zdefiniowano pojęcie STC – standardowe warunki badania (Standard Test Conditions).
Są to badawcze warunki odniesienia dla pomiaru modułu lub ogniwa, fotowoltaicznego.
Wymagana optyczna masa atmosfery dla widma słonecznego odniesienia została
określona jako AM1,5, temperatura ogniwa jako (25 +/- 2) 0C, a symulator powinien
wytworzyć skuteczne natęŜenie promieniowania o wartości 1 000 W·m-2
na powierzchni testowej (wyŜsze lub niŜsze poziomy natęŜenia promieniowania mogą
być równieŜ wymagane).
W normie [123] PN – EN 12975 – 2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy
– Kolektory słoneczne – Część 2: Metodyka badań w punkcie dotyczącym badania
sprawności w stanie ustalonym z wykorzystaniem symulatora natęŜenia
promieniowania słonecznego (postanowienia ogólne) podano, Ŝe charakterystyka
cieplna większości kolektorów jest lepsza w warunkach oddziaływania bezpośredniego
promieniowania słonecznego niŜ dyfuzyjnego. Zaznaczono równieŜ, Ŝe obecnie
doświadczenie w symulacji promieniowania dyfuzyjnego jest niewielkie,
a prezentowana metoda badań jest przeznaczona do stosowania tylko w symulatorach,
gdzie symulowane promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem bezpośrednim.
W normie [123] zwrócono uwagę na fakt, Ŝe w praktyce trudno jest stworzyć jednolitą
wiązkę symulowanego promieniowania słonecznego, dlatego średni poziom natęŜenia
promieniowania powinien być mierzony nad aperturą kolektora.
W punkcie dotyczącym rozproszonego i odbitego promieniowania słonecznego
zauwaŜono, Ŝe większość symulatorów słonecznych symuluje wiązkę promieniowania
odwzorowującą tylko natęŜenie bezpośrednie promieniowania słonecznego. W celu
uproszczenia pomiaru symulowanego natęŜenia promieniowania naleŜy, na przykład
malując wszystkie powierzchnie pomieszczenia badawczego ciemną (o niskiej
refleksyjności) farbą, zminimalizować natęŜenie promieniowania odbitego.
W kolejnym punkcie Normy PN – EN 12975 – 2 zdefiniowano charakterystykę
symulatora natęŜenia promieniowania do badania sprawności w stanie ustalonym.
Podano, Ŝe lampy powinny wytworzyć średnie natęŜenie promieniowania
na aperturze kolektora o wartość co najmniej 700 W·m-2, jak równieŜ moŜna
wykorzystać w badaniach specjalistycznych wartości z zakresu od 300 W·m-2
do 1 000 W·m-2 (o dozwolonym odchyleniu od wartości średniej +/- 50 W·m-2).
42
ZauwaŜono równieŜ, Ŝe natęŜenie promieniowania zmienia się w czasie badań
(symulacji) z powodu wahań zasilania elektrycznego czy zmian mocy lamp,
a niektóre lampy wymagają ponad 30 minut działania, aby ze stanu zimnego
uzyskać stabilne warunki pracy. W Normie [123] nie określono, jakie źródła
promieniowania powinny zostać zastosowane do budowy symulatora
promieniowania słonecznego. Podano tylko, Ŝe dla niektórych typów lamp,
tj. o konstrukcji metalowo – halogenkowej, zaleca się wyznaczenie początkowego
spektrum promieniowania po ich rozgrzaniu się.
W normie PN – EN 12975 – 2 zauwaŜono równieŜ, Ŝe w przypadku
gdy kolektory słoneczne są wyposaŜone w spektralnie selektywne absorbery
lub osłony (pokrycia), naleŜy sprawdzić i ustalić wpływ róŜnicy w spektrum
na efektywny współczynnik (patrz wzór nr 4.32 podrozdział 4.5.5) kolektora
słonecznego, poniewaŜ rozkład widmowy zarówno lamp (w pomieszczeniu),
jak i nieba (w badaniach polowych) moŜe powodować i powoduje bardzo duŜe
rozbieŜności. W [123] określono równieŜ zakres długości fal, dla którego naleŜy
wyznaczyć własności spektralne symulatora słonecznego. Ustalono, Ŝe są to długości
fal od 0,3 µm do3 µm (z dokładnością szerokości pasma 0,1 µm lub mniejszą),
a jeŜeli chodzi o ilość energii cieplnej w podczerwieni na płaszczyźnie kolektora
słonecznego to naleŜy zminimalizować wpływ promieniowania podczerwonego
o długości fal powyŜej 3 µm. W Normie załoŜono, Ŝe natęŜenie promieniowania
cieplnego na kolektorze nie powinno przekraczać natęŜenia promieniowania ciała
doskonale czarnego otaczającego kolektor więcej niŜ o 5% całkowitego natęŜenia
promieniowania.
W Normie PN – EN 12976 – 2– Część 2: Metodyka badań [124] zostało
określone, Ŝe symulator promieniowania słonecznego powinien być podobny
do symulatorów promieniowania słonecznego uŜywanych do określania efektywności
kolektorów słonecznych. Norma ta w punkcie dotyczącym testowania zabezpieczenia
termicznego (badanie odporności na wysoką temperaturę) określa minimalne natęŜenie
promieniowania pochodzące od lamp na płaszczyznę kolektora:
• dla strefy klimatycznej Europa Północna 700 W·m-2,
• dla strefy klimatycznej Europa Centralna 850 W·m-2,
• dla strefy klimatycznej Obszar górski 1 050 W·m-2,
• dla strefy klimatycznej Obszar śródziemnomorski 1 050 W·m-2.
43
2.5 Charakterystyki wybranych źródeł promieniowania
Źródła promieniowania moŜna podzielić na pierwotne, w których występuje
przemiana jednego rodzaju energii w energię elektromagnetycznego promieniowania
optycznego, i wtórne, które wysyłają promieniowanie odbite lub przepuszczone
(na przykład sufit, ściany czy KsięŜyc). Z innego punktu widzenia moŜna wyróŜnić
źródła naturalne – Słońce, i sztuczne, które w dowolnym miejscu i czasie pozwalają
korzystać z energii promieniowania optycznego (lampy oraz inne źródła jak piec
stalowniczy czy łuk spawalniczy). Według Polskiej Normy Technika świetlna.
Terminologia pod pojęciem lampy rozumie się źródło wykonane w celu wytwarzania
promieniowania optycznego, zazwyczaj widzialnego. [1, 21, 33, 45, 78, 85, 120]
KaŜde źródło promieniowania moŜna opisać za pomocą wielu parametrów
słuŜących do scharakteryzowania podstawowych właściwości świetlnych,
elektrycznych, eksploatacyjnych czy konstrukcyjnych. Podczas oceny źródeł
promieniowania przydatnych do budowy symulatorów promieniowania słonecznego
waŜne są tylko niektóre właściwości oraz parametry, między innymi: ogólny wskaźnik
oddawania barw Ra [-], temperatura barwowa Tb [K] (parametry świetlne opisujące
źródła światła), moc P [W] (parametr energetyczny), oraz skuteczność świetlna
η [lm/W] i trwałość τ [h] (parametry eksploatacyjne). WaŜnym aspektem jest równieŜ
analiza rozkładu widmowego danego źródła lub zespołu źródeł promieniowania.
Analizując przydatność róŜnych źródeł promieniowania do budowy
symulatorów promieniowania słonecznego, istotnym jest uzyskanie takich parametrów
jak gęstość mocy rzędu 1 000 lub 2 000 W·m-2, trwałość, ciągłe widmo promieniowania
w zakresie od 200 – 2 500 nm oraz temperatura barwowa zbliŜona do światła dziennego
(tzn. ok 5 800 K). Skuteczność świetlna oraz wskaźnik oddawania barw mają w tym
wypadku mniejsze znaczenie. Analizując normy jak równieŜ róŜne pozycje literaturowe
i publikacje [5, 6, 7, 9, 17] moŜna zauwaŜyć, Ŝe najczęściej wymienianymi źródłami
promieniowania spełniającymi pozytywnie omówione wyŜej parametry i branymi
pod uwagę do budowy symulatorów promieniowania słonecznego są lampy:
halogenowe, metalohalogenkowe, ksenonowe oraz siarkowe [37, 105]. Owe lampy
zostaną poniŜej krótko scharakteryzowane [5, 6, 7, 9, 17, 61, 63, 64, 65, 66, 73].
Lampa halogenowa naleŜy do lamp elektrycznych inkandescencyjnych
wysyłających promieniowanie w wyniku cieplnego wzbudzenia atomów lub cząsteczek
(promieniowanie temperaturowe). Lampa ta charakteryzuje się ciągłym widmem
44
promieniowania w zakresie od 200 – 1 675 nm, chociaŜ widmo to mocno zaleŜy
od napięcia lub prądu, którym operuje się w trakcie pomiarów. Temperatura barwowa
tych źródeł promieniowania jest charakteryzowana przez krzywą ciała doskonale
czarnego i wynosi 3 200 K do 3 450 K (dlatego występuje deficyt w niebieskim
obszarze widma słonecznego – UV). Średnia trwałość tych lamp wynosi 200 godzin,
a wskaźnik oddawania barw Ra = 100. Zakres osiągalnych mocy lamp halogenowych
liniowych wynosi do 2 000 W. Lampy halogenowe znajdują zastosowanie
w medycynie, w oświetleniu scenicznym i studyjnym oraz
dla potrzeb telewizji kolorowej. Budowę i rozkład
widmowy wybranej lampy halogenowej przedstawiono
na rysunku 2.28 i 2.29. [9, 17, 37, 73, 95, 96]
Rys. 2.28 Przykładowa lampa halogenowa 1 000 W firmy Osram [96]
Rys.2.29 Względny rozkład widmowy lampy halogenowej 1 000 W [dzięki uprzejmości firmy Philips]
Lampy rtęciowo – halogenkowe inaczej zwane metalohalogenkowymi zaliczane
są do wysokopręŜnych lamp elektrycznych luminescencyjnych. Lampy te nie wysyłają
promieniowania w wyniku cieplnego wzbudzenia atomów lub cząsteczek, a na skutek
wyładowań elektrycznych w gazach (elektroluminescencja gazów) [1, 17, 21, 33, 45,
78, 85, 120]. W literaturze [45, 95, 120] do lamp wyładowczych zalicza się równieŜ
45
lampy ksenonowe, a w [21] lampy ksenonowe zalicza się do grupy lamp
inkandescencyjno – luminescencyjnych.
Lampa metalohalogenkowa charakteryzuje się ciągłym widmem
promieniowania w zakresie od 250 – 800 nm. Zakres osiągalnych mocy lamp
metalohalogenkowych wynosi 2 000 W. Temperatura barwowa wynosi około 6 000 K,
średnia trwałość około 1 000 godzin, a wskaźnik oddawania barw Ra > 80. Stosowana
jest w zewnętrznym i wewnętrznym oświetleniu dla potrzeb telewizji kolorowej,
w filmowaniu wewnętrznym i zewnętrznym, w oświetleniu scenicznym
i dyskotekowym, w rzutnikach oraz głównie w zewnętrznym oświetleniu
architektonicznym. Budowę i rozkład widmowy wybranej lampy metalohalogenkowej
przedstawiono na rysunku 2.30 i 2.31.[73, 95]
Rys.2.30 Przykładowa lampa metalohalogenkowa MSR (MSI) 1800 firmy Philips [95]
Rys. 2.31 Względny rozkład widmowy
przykładowej lampy metalohalogenkowej MSR (MSI) 1800 firmy Philips [95]
Lampa ksenonowa charakteryzuje się ciągłym widmem promieniowania
w zakresie od 250 – 2 450 nm i średnią trwałością 2 400 godzin. Posiada temperaturę
barwową zbliŜoną do światła dziennego ok. 6 000 K oraz wysoki współczynnik
oddawania barw Ra > 95. Zakres osiągalnych mocy lamp ksenonowych wynosi
do 12 000 W. NiezaleŜnie od typu lampy i mocy, barwa światła jest stała. [9, 73, 96]
46
Lampy ksenonowe stosowane są w klasycznej projekcji filmowej, cyfrowej
projekcji filmowej i projekcji wideo, oświetleniu obiektów architektonicznych,
i uzyskiwaniu efektów świetlnych oraz symulacji światła słonecznego. [96] Budowę
i rozkład widmowy wybranej lampy ksenonowej krótkołukowej firmy Osram
przedstawiono na rysunkach 2.32 i 2.33.
Rys.2.32 Lampa ksenonowa OSRAM XBO 1 000 W/HSC OFR
w specjalnie przeznaczonej do badań oprawie oświetleniowej
Komercyjne lampy ksenonowe łukowe o ciągłym rozkładzie widmowym,
z odpowiednimi filtrami, mają dobre spektralne dopasowanie do AM0 lub widma
naziemnego. Spektrum promieniowania przesuwa się nieznacznie od niebieskiego
do czerwonego w trakcie eksploatacji tych źródeł (większość zmiany widma
występujących w ciągu pierwszych 100 godzin pracy) [37].
Impulsowe lampy łukowe - pulsacyjne symulatory są szczególnie przydatne
do charakteryzowania skoncentrowanych ogniw i wielkopowierzchniowych modułów.
Widmo impulsowych źródeł światła przesuwa się mniej, z niebieskiego do czerwonego
zakresu długości fal promieniowania, z liczbą błysków lampy i jest trudne
do oszacowania, poniewaŜ występują problemy w pomiarze widmowego natęŜenia
47
promieniowania impulsowych źródeł promieniowania. Widmowe dopasowanie
niefiltrowanych lamp łukowych w zakresie UV i VIS jest doskonałe, ale ubogie
w promieniowanie podczerwone (> 700 nm) z powodu licznych linii emisyjnych
ksenonu (redukowanych przez niestandardowe filtry) [37]. Głównym powodem
korzystania z „błyskowych” zamiast „ciągłych” źródeł promieniowania jest
zmniejszenie efektów termicznych w trakcie testowania ogniw słonecznych, dlatego
ekspozycje typu Flash są często stosowane [69].
Rys.2.33 Względny rozkład widmowy przykładowej lampy ksenonowej XBO 1 600 W OFR
[dzięki uprzejmości firmy Osram]
Lampa siarkowa charakteryzuje się temperaturą barwową ok. 6 000 K
oraz współczynnikiem oddawania barw wynoszącym Ra = 79. Średni przewidywany
czas pracy samej lampy siarkowej wynosi około 60 tysięcy godzin podczas gdy średni
czas pracy magnetronu to jedynie 15 – 20 tysięcy godzin. Spektrum wytwarzanego
promieniowania jest ciągłe w całym zakresie promieniowania widzialnego (około 73%
promieniowania to promieniowanie widzialne), dzięki temu, Ŝe plazma siarkowa składa
się głównie z dwuatomowych cząstek (S2), które emitują światło poprzez emisję
cząsteczkową, a nie atomową.
Maksymalna wartość dla rozkładu widmowego lampy siarkowej przypada
na długość fali około 510 nm, przez co nadaje delikatnie zielonkawy odcień
oświetlanym przedmiotom. Promieniowanie podczerwone jest bardzo małe, podobnie
jak promieniowanie ultrafioletowe, które stanowi zaledwie 1% emitowanego
promieniowania. Budowę i rozkład widmowy wybranej lampy siarkowej przedstawiono
na rysunkach 2.34 i 2.35. [92, 93, 94]
48
Rys.2.34 Lampa siarkowa [92]
Rys. 2.35 Względny rozkład widmowy lampy siarkowej
na tle światła słonecznego [92]
W niektórych symulatorach promieniowania słonecznego
stosuje się równieŜ lampy ksenonowo – rtęciowe lub lampy
rt ęciowe krótkołukowe. Lampy rtęciowe krótkołukowe
(Rys. 2.36) charakteryzują się wysoką luminancją, wieloliniowym
widmem oraz wysoką mocą promieniowania w zakresie UV
oraz VIS, a ich główne aplikacje to: mikroskopia, endoskopia
fluorescencyjna czy utwardzanie UV). [107, 108]
Rys.2.36 Przykładowa lampa rtęciowa
krótkołukowa HBO firmy Osram [108]
Świetlówki, lampy sodowe, tradycyjne lampy rtęciowe i rtęciowo – Ŝarowe
oraz diody elektroluminescencyjne (LED) nie spełniają kryteriów rozkładu widmowego
oraz mocy, to znaczy nie moŜna osiągnąć odpowiednio ciągłego widma w zakresie
od 200 do 2 500 nm lub odpowiednio duŜej mocy źródeł i dlatego nie uwzględnia się
ich do budowy symulatorów promieniowania słonecznego. Lampy siarkowe mimo
stosunkowo duŜej wydajności równieŜ są niechętnie stosowane do symulacji
promieniowania słonecznego. Do podstawowych problemów lamp siarkowych naleŜą:
duŜy rozmiar, trudności z osiągnięciem jednorodnego rozkładu temperatur w naczyniu
wyładowczym, nagrzewanie, proces palenia ścian naczynia przez siarkę (chyba
Ŝe naczynie obraca się z duŜą prędkością), oraz niemoŜność stosowania lamp małej
mocy (nie moŜna utrzymać plazmy siarkowej przy mocy poniŜej 1 000 W) [92, 93, 94].
Analizując wady i zalety opisanych powyŜej lamp, postanowiono wziąć
pod uwagę – do obliczeń, symulacji i pomiarów w niniejszej pracy – lampę halogenową
i ksenonową.
49
3. CEL, TEZA I ZADANIA SZCZEGÓŁOWE ROZPRAWY
Opisany w podrozdziałach 2.1 oraz 2.3 symulator promieniowania słonecznego,
czyli urządzenie słuŜące do wytwarzania sztucznego promieniowania słonecznego,
powinien w sytuacji idealnej modelować promieniowanie słoneczne w skali
laboratoryjnej, jak najdokładniej odzwierciedlając warunki solarne, klimatyczne
oraz termiczne (patrz podrozdział 2.2) występujące w naturze zaleŜnie od pory dnia,
roku i rejonu Polski (lub innego kraju).
Jak zasygnalizowano we wprowadzeniu, zastosowanie symulatorów jest bardzo
szerokie (patrz podrozdział 2.1, 2.3). Najbardziej znaną (i omówioną w niniejszej pracy)
aplikacją symulatorów jest wykonywanie badań na kolektorach słonecznych i modułach
fotowoltaicznych. Testowanie tych urządzeń w warunkach zewnętrznych nie jest
moŜliwe w środowisku produkcyjnym. Dzieje się tak ze względu na wydajność,
czyli liczbę modułów przetestowanych w ramach określonego przedziału czasu,
oraz utrudnioną pracę przy wykorzystaniu naturalnego promieniowania ze względu
na zmienne warunki pogodowe [14, 57, 69]. Eksploatacyjne badania modelowe
prowadzi się więc w laboratoriach przy zastosowaniu symulatorów promieniowania
słonecznego – atestowanych urządzeń, których widmo promieniowania jest zbliŜone
do standaryzowanego widma promieniowania słonecznego.
WaŜnym czynnikiem, który determinuje dokładność pomiarów (sprawności
modułu słonecznego, otrzymane charakterystyki prądowo – napięciowe) jest moc
i widmowy skład optycznego promieniowania, padającego na próbkę [14, 57, 73].
Oczywistym jest fakt, Ŝe nigdy nie uzyska się pełnego dopasowania rozkładu
widmowego promieniowania słonecznego i stosowanego do symulacji sztucznego
źródła promieniowania (patrz podrozdział 2.5). Wykonanie takich urządzeń
o odpowiednio wysokiej dokładności, pełniących rolę imitatorów Słońca, wiąŜe się
więc z bardzo skomplikowanym, złoŜonym i kosztownym procesem naukowo –
technicznym [14, 69, 73]. Wynikiem eksperymentów prowadzonych w warunkach
laboratoryjnych moŜe być moc wyjściowa ogniw fotowoltaicznych czy kolektorów [14,
57, 69, 73]. Owa moc mierzona podczas oświetlania modułów PV promieniowaniem
z symulatora słonecznego znacznie róŜni się od wartości, które moŜna by uzyskać przez
równowaŜną ekspozycję na promieniowaniu słonecznym. Jak duŜe są to róŜnice,
wynika z typu zastosowanych w modułach PV komórek (ogniw) (patrz podrozdział 2.2)
[52, 69]. Inna metodyka wykonywania pomiarów powinna być stosowana dla ogniw
50
jednakowego typu tj. posiadających zbieŜną spektralną charakterystykę czułości
(np. stosowana do oceny sprawności ogniw słonecznych w seryjnej produkcji), a inna
w pracach badawczych, kiedy naleŜy prowadzić badania ogniw róŜnego typu [14].
W przypadku prowadzenia pomiarów, w których wysoka dokładność nie odgrywa
waŜnej roli, moŜna stosować róŜne źródła promieniowania, o parametrach
promieniowania słonecznego, których widma mogą róŜnić się od rozkładu widmowego
promieniowania słonecznego [14]. W większości przypadków symulator
promieniowania słonecznego powinien być jednak skalibrowany tak, aby zapewniać
ekspozycję na poziomie ogólnie przyjętych światowych standardów, czyli na poziomie
Standard Test Condition – STC (patrz podrozdział 4.1) czy poziomie opisanym
w odpowiednich norm branŜowych (patrz podrozdział 2.4). Tak wykonany symulator,
tester modułów PV i kolektorów słonecznych, dostosowuje wyjściowe widmo
sztucznych źródeł promieniowania do naturalnego widma słonecznego (patrz rozdział
4.4). Metodyka pracy przy pomiarach zapewnia jednocześnie, Ŝe badane obiekty
nie nagrzeją się z powodu ich ekspozycji na otrzymane promieniowanie (patrz rozdział
4.5).
Głównym celem pracy jest, przy uwzględnieniu zaleŜności widmowych,
przeprowadzenie badań eksperymentalnych i symulacyjnych oraz opracowanie
odpowiednich aplikacji, które pozwalałyby przy modelowaniu zjawiska symulacji
promieniowania słonecznego uwzględniać takŜe symulatory multiźródłowe.
Cel ten zostanie osiągnięty po zrealizowaniu następujących celów cząstkowych,
do których naleŜą:
• sformułowanie modelu matematycznego wskaźnika efektywności symulatorów
promieniowania słonecznego,
• opracowanie, na podstawie zaprojektowanego modelu, stopnia dopasowania
promieniowania z jednego źródła sztucznego lub dla symulatora wyposaŜonego w układ
kilku (np. dwóch) typów sztucznych źródeł (np. lampy halogenowej i ksenonowej)
do promieniowania słonecznego dla danego odbiornika (np.: ogniwa fotowoltaicznego
lub kolektora), w określonym przedziale długości fali ∆λ (dany zakres czułości
widmowej),
• uzupełnienie katalogowych rozkładów widmowych lamp halogenowych
i ksenonowych poprzez zbudowanie odpowiedniego stanowiska pomiarowego
51
i wykonanie odpowiednich badań – pomiarów rozkładów widmowych lamp
halogenowych róŜnej mocy, lamp ksenonowych róŜnej mocy oraz wyznaczenie
łącznych rozkładów widmowych promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych
róŜnej mocy,
• opracowanie, na podstawie otrzymanych danych eksperymentalnych, aplikacji
pozwalających modelować i symulować, w aspekcie widmowym, promieniowanie
symulatorów multiźródłowych.
Osiągnięcie sformułowanego w ten sposób celu pozwoli zbudować, rozwinąć
i przetestować aplikacje umoŜliwiające wyznaczanie stopnia dopasowania sztucznego
promieniowania z jednego lub kilku źródeł do promieniowania słonecznego w zakresie
czułości adekwatnym dla danej klasy odbiorników.
Teza pracy moŜe być przy tym sformułowana następująco:
Pod względem widmowym zastosowanie symulatorów multiźródłowych
pozwala na lepszą realizację symulacji promieniowania słonecznego
niŜ zastosowanie symulatorów monoźródłowych.
Przy czym za symulator multiźródłowy uwaŜa się symulator zbudowany z wielu
źródeł promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów.
Teza ta zostanie udowodniona przez:
• wybór zjawisk istotnych z punktu widzenia procesów widmowych w sztucznych
źródłach promieniowania i procesów termicznych w przykładowych odbiornikach
promieniowania (modułach fotowoltaicznych i kolektorach słonecznych),
• opracowanie algorytmu obliczeniowego uwzględniającego zjawiska widmowe
oraz jego implementację do programów Matlab i Microsoft Visual C# (przygotowanie
odpowiednich aplikacji),
• przeprowadzenie symulacji w wyŜej wymienionych programach i zbadanie
moŜliwości metody dla symulatora wyposaŜonego w pojedynczy typ źródła
promieniowania oraz w układ kilku (dwóch) róŜnych typów sztucznych źródeł (np.
lampy halogenowej lub ksenonowej) przy uwzględnieniu danego odbiornika
i określonego przedziału długości fali ∆λ,
• uwzględnienie w obliczeniach róŜnych zakresów długości fali ∆λ (np. 100 nm)
dla odpowiednich zakresów czułości widmowej,
52
• uwzględnienie rzeczywistych charakterystyk odbiorników promieniowania, czyli
zakresów czułości adekwatnych dla danej klasy odbiorników (krzywych spektralnych
dla ogniw PV np. typu c – Si, mc – Si, a – Si, CIS),
• weryfikację opracowanego algorytmu poprzez porównanie otrzymanych
wyników obliczeń symulacyjnych z danymi zawartymi w normach,
• osiągnięcie drogą optymalizacji maksymalnej zgodności eksperymentalnego
i obliczeniowego stopnia dopasowania promieniowania z sztucznego źródła (lub źródeł)
do promieniowania słonecznego.
Sformułowane w ten sposób tezy pomocnicze stanowią trzon pracy, którą
wzbogacają dodatkowe elementy rozwijające i uzupełniające poruszaną tematykę.
NaleŜy do nich modelowanie i stworzenie termicznego schematu budowy kolektora
słonecznego i modułu PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni oraz stworzenie
uproszczonego zastępczego schematu wymiany ciepła w kolektorze słonecznym
i module PV. RozwaŜania te zostaną zakończone przeprowadzeniem bilansu
energetycznego w odbiornikach promieniowania słonecznego.
W ujęciu szczegółowym treść niniejszej rozprawy doktorskiej stanowi sześć
rozdziałów uzupełnionych pięcioma załącznikami. W rozdziale pierwszym i drugim
umiejscowiono omawiane w pracy zagadnienia w odpowiedniej dziedzinie
elektrotechniki oraz uzasadniono podjęcie poruszanej tematyki. W odpowiednich
podrozdziałach poruszono problematykę znaczenia promieniowania słonecznego,
przedstawiono podstawowe pojęcia, definicje i zjawiska związane z symulacją
promieniowania słonecznego oraz dokonano przeglądu stanu badań i norm, jak równieŜ
scharakteryzowano wybrane źródła promieniowania. Trzecia część zawiera cele, tezę
i zadania szczegółowe rozprawy. W rozdziale czwartym opisano wskaźniki
efektywności symulatorów promieniowania słonecznego oraz zaprezentowano wyniki
przeprowadzonych symulacji, które:
• obrazują pomiar rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych
wraz z analizą metodyki badań, stanowiska pomiarowego oraz otrzymanych rozkładów
widmowych lamp halogenowych i ksenonowych,
• pokazują moŜliwość uwzględnienia w obliczeniach i symulacjach aspektów
widmowych,
53
• obrazują sposób modelowania oraz weryfikują poprawność aplikacji
otrzymanych przy uŜyciu odpowiednich programów komputerowych adaptujących
modele matematyczne wskaźnika efektywności symulatorów promieniowania
słonecznego do badania stopnia dopasowania promieniowania z symulatora
do promieniowania słonecznego.
W piątym rozdziale przedstawiono badania porównawcze mające na celu
zestawienie i analizę wyników obliczeń i symulacji z danymi zawartymi w normach.
Rozprawę zakończy podsumowanie zawierające omówienie zrealizowanych
celów pracy, wnioski z przeprowadzonych symulacji, uwagi dotyczące istniejących
ograniczeń i napotykanych problemów oraz zagadnienia moŜliwe do kontynuowania.
W załącznikach przedstawiono przykładowy rozkład widmowy wzorcowego
natęŜenia promieniowania słonecznego, opisy wybranych obliczeń szczegółowych,
dane dotyczące otrzymanych rozkładów widmowych lamp ksenonowych
i halogenowych oraz przykładowy opracowany algorytm obliczeniowy pozwalający
uwzględnić zjawiska widmowe, zaimplementowany do programu Matlab.
54
4. BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE
4.1 Wstęp
Parametry wyjściowe kolektorów słonecznych oraz modułów PV zaleŜą
od wielu czynników, między innymi od poziomu natęŜenia napromienienia, widma
promieniowania (długości fali promieniowania), dopasowania tego widma do materiału
oraz od temperatury poszczególnych elementów (np. ogniwa, modułu czy panelu PV).
Warunki pracy dowolnego ogniwa słonecznego ulegają zmianie wraz ze zmieniającym
się charakterem (intensywność, skład widmowy) padającego na nie promieniowania
słonecznego. Poziom natęŜenia napromienienia wynosi odpowiednio: w dzień
z bezchmurnym, niebieskim, niebem ok. 1 000 W·m-2, w dzień, gdy Słońce przebija się
przez chmury ok. 600 W·m-2, w dzień, gdy Słońce przebija się przez zamglenia
ok. 300 W·m-2 oraz w pochmurny, zimowy dzień – 100 W·m-2 [72]. Producenci
przekazują uŜytkownikowi własności paneli fotowoltaicznych jako tzw. charakterystyki
nominalne. Pomiary wykonywane są w znormalizowanych standardowych
(uśrednionych) warunkach zwanych STC (Standard Test Condition), które
zdefiniowane są następująco: natęŜenie promieniowania słonecznego powinno wynosić
1 000 W·m-2, widmo słoneczne AM = 1,5 (bezchmurne niebo w południe),
a temperatura modułu odpowiada 25 0C [18, 27, 30, 52, 57, 69] i odbiegają znacznie
od warunków rzeczywistych, w jakich pracują układy fotowoltaiczne. Nie pozwalają
one odpowiedzieć na pytanie, jak zachowują się badane moduły w warunkach
rzeczywistych (zmienne nasłonecznienie). W tej sytuacji najlepiej byłoby zbadać panele
PVw terenie, ale takie badanie jest dość niepraktyczne z punktu widzenia środowiska
produkcyjnego. Takie znormalizowane warunki są jednak dobrą podstawą
do porównywania jakości ogniw fotowoltaicznych róŜnych producentów. W przypadku,
gdy temperatura podczas testów róŜni się od opisanej w STC, wprowadza się korektę
przy uŜyciu temperaturowego współczynnika komórek PV stosowanych w modułach
fotowoltaicznych lub dokonuje się kalibracji symulatora promieniowania słonecznego
z wykorzystaniem „modułów odniesienia” (co moŜe powodować wiele niedokładności
pomiarowych i błędów obliczeniowych) [69].
WaŜnym aspektem jest wpływ temperatury powierzchni absorpcyjnej
na sprawność ogniw róŜnego typu (Rys. 4.1). Straty energetyczne wpływające na moc
wyjściową oraz na przebieg charakterystyki prądowo – napięciowej rozpatrywanych
modułów PV zaleŜą od widma promieniowania (długości fali promieniowania) oraz
55
od dopasowania tego widma do materiału. W rzeczywistych układach moc uzyskiwana
w ogniwach jest mniejsza wskutek strat spowodowanych m. in. odbiciem
promieniowania od powierzchni ogniwa czy wpływem temperatury ogniwa. Dzieje się
tak dlatego, Ŝe podwyŜszona temperatura ogniwa przyspiesza proces rekombinacji dziur
i w efekcie przyspiesza wzrost przepływu prądu wstecznego [35, 77]. Moduły PV
najlepiej pracują w określonej temperaturze (temperatura pracy ogniwa nie powinna być
ani za wysoka ani za niska), danej dla materiału, z którego są wykonane – np. krzem
w temperaturze ok. 298 K (25 0C) jest dobrym materiałem fotowoltaicznym,
a w temperaturach wysokich np. ok. 473 K (198 0C) sprawność konwersji ogniwa
maleje do poziomu 5% wartości
odpowiadającej 298K [30].
Temperatura ogniwa rzadko
odpowiada warunkom STC
i wynosi ~ 50 0C gdy na dworze
jest ~ 30 0C, a ~ 0 0C gdy
~ (-25 0C), a jej wzrost redukuje
otrzymane napięcie i moc
o ok. 0,5% na kaŜdy 1 0C.
Rys. 4.1 Wpływ temperatury powierzchni absorpcyjnej
na sprawność róŜnych ogniw PV [35]
Dokonując analizy opisanych powyŜej aspektów widmowych i termicznych,
wpływających na parametry wyjściowe kolektorów oraz modułów PV, wykonano
liczne badania eksperymentalne i symulacyjne. W rozdziale Badania eksperymentalne
i symulacyjne zostaną opisane wyniki pomiarów rozkładów widmowych lamp
halogenowych i ksenonowych oraz modelowania i symulacji zarówno w aspekcie
widmowym, jak i termicznym. Opis pomiarów będzie dotyczył: stanowiska
pomiarowego, metodyki badań oraz omówienia wyników przeprowadzonych
pomiarów. Zestawione zostaną równieŜ rezultaty przeprowadzonych obliczeń
i symulacji w aspekcie widmowym dla programu Matlab oraz Microsoft Visual C#.
Natomiast opis modelowania w aspekcie termicznym obejmować będzie schemat
budowy i uproszczony zastępczy schemat wymiany ciepła w kolektorze słonecznym
i module PV z zaznaczonymi strumieniami cieplnymi oraz bilans energetyczny.
56
4.2 Pomiar rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych
4.2.1 Stanowisko pomiarowe
Badania eksperymentalne zostały wykonane w laboratorium Zakładu Metrologii
i Optoelektroniki Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Wydziału
Elektrycznego Politechniki Poznańskiej. Zarówno sprzęt wykorzystany w trakcie
pomiarów, jak i procedurę pomiarową opisano w publikacjach [61, 63, 64, 65, 66].
Wyznaczono rozkłady widmowe lamp halogenowych róŜnej mocy, lamp ksenonowych
róŜnej mocy oraz sumarycznego widma lamp halogenowych i ksenonowych róŜnej
mocy.
Podczas pomiarów zbadano lampę ksenonową OSRAM XBO 1000 W/HSC
OFR oraz lampy halogenowe: PHILIPS EcoHalo 350 W, 230 V, Tb 2 900 K,
OSRAM 650 W, 230 V, Tb 3 200 K, OSRAM 800 W, 230 V, Tb 3 200 K,
OSRAM 1 000 W, 230 V, Tb 3 200 K, OSRAM 1 000 W, 230 V, Tb 3 000 K.
Stanowiska pomiarowe składały się z badanych lamp halogenowej i ksenonowej
umieszczonych w specjalnych oprawach, kuli całkującej połączonej światłowodem
pomiarowym ze spektrometrami (Maya firmy Ocean Optics i TGNIR firmy
Hamamatsu), wzorcowego źródła promieniowania o znanym spektralnym natęŜeniu
promieniowania (irradiancji spektralnej), komputera z odpowiednim oprogramowaniem
do spektrometrów oraz z zasilaczy (Rys. 4.3, 4.4, 4.5, 4.6).
Do pomiarów uŜyto spektrometrów Maya (firmy Ocean Optics) z zakresem
pomiarowym 200 – 1 100 nm i TGNIR (firmy Hamamatsu) z zakresem pomiarowym
900 – 1 700 nm przedstawionych na rysunkach 4.2 a) i b).
a) b) Rys.4.2 Spektrometr a) TGNIR firmy Hamamatsu oraz b) Maya firmy Oceans Optics [98, 99]
57
Rys. 4.3 Widok stanowiska pomiarowego słuŜącego do badania rozkładów widmowych lamp halogenowych
Rys. 4.4 Schemat, przedstawionego na rys. 4.3, stanowiska pomiarowego
do badania rozkładów widmowych lamp halogenowych.
Odległość lampy halogenowej od kuli całkującej wynosiła 1 m
58
Rys. 4.5 Widok stanowiska pomiarowego słuŜącego do badania rozkładów widmowych lamp ksenonowych
Rys. 4.6 Schemat, przedstawionego na rys. 4.5, stanowiska pomiarowego do badania rozkładów widmowych
lamp ksenonowych. Odległość lampy ksenonowej od kuli całkującej wynosiła 1 m
Rozkłady widmowe sumarycznego promieniowania lamp halogenowych
i ksenonowych wyznaczono w zmodyfikowanym układzie z rysunków 4.3 i 4.5
oraz schematów 4.4 i 4.6. Wymagana korekcja jest związana ze specyficznym
ustawieniem badanych źródeł promieniowania przedstawionym na rysunkach 4.7 i 4.8.
Podczas wykonywania pomiarów kąt γ, związany z rozmieszczeniem badanych
źródeł promieniowania, a dokładniej z gabarytami oprawy lampy ksenonowej, wynosił
250 29’ (schemat z Rys. 4.9).
59
Rys. 4.7 Widok stanowiska pomiarowego słuŜącego do badania
sumarycznych rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych
Rys. 4.8 Widok stanowiska pomiarowego przedstawiający lampę halogenową w specjalnej oprawce
i lampę ksenonową w specjalnej oprawie oraz stanowisko komputerowe i zasilacze
60
Rys. 4.9 Schemat stanowiska pomiarowego przedstawionego na rys. 4.7 i 4.8 z zaznaczonym kątem γ = 250 29’
(badane lampy umieszczono prostopadle do odcinka łączącego źródło z kulą całkującą)
Zastosowany wzorzec rozkładu widmowego M2 D5 to źródło promieniowania –
lampa halogenowa OSRAM HLX 64656 275 W 24 V (Rys. 4.10). Pozostałe parametry
lampy to: prąd zasilania: I = 10,540 A, odległość wzorcowania 500 mm oraz minimalny
czas nagrzewania do pomiaru – 180 s. Skalowania
dokonano w układzie pomiarowym uŜywając kuli
całkującej połączonej światłowodami pomiarowymi
ze spektrometrami, komputera z odpowiednim
oprogramowaniem do spektrometrów oraz zasilacza
(Rys. 4.11 i 4.12). Charakterystyki widmowe
uŜytych światłowodów dostosowano do zakresów
pomiarowych spektrometrów.
Rys. 4.10 Lampa halogenowa OSRAM
HLX 64656 275 W 24 V [96]
61
Rys. 4.11 Widok stanowiska do skalowania przedstawiającego wzorcową lampę halogenową,
kulę całkującą połączoną światłowodem pomiarowym ze spektrometrami i zasilacz
Rys. 4.12 Schemat przedstawionego na rys. 4.11 stanowiska do skalowania
zawierającego wzorcową lampę halogenową
Ze względu na wysoką luminancję, emisję promieniowania nadfioletowego,
wysokie ciśnienie wewnątrz lampy, zarówno w stanie zimnym, jak i gorącym, lampy
ksenonowe mogą pracować jedynie w szczelnie zamkniętych i specjalnie
przeznaczonych do tego celu oprawach oświetleniowych. W czasie wszelkich
manipulacji lampy muszą znajdować się w specjalnej osłonie (Rys. 4.13). Przy pracy
na otwartych lampach konieczne jest stosowanie ochronnych okularów, maski na twarz
oraz rękawic ze specjalnymi osłonami tętnic (Rys. 4.14).
62
Rys.4.13 Specjalnie przeznaczona do badań lamp ksenonowych oprawa oświetleniowa
Rys. 4.14 Autorka pracy prezentująca specjalne środki ochrony w postaci maski i rękawic ochronnych
oraz lampa ksenonowa w specjalnie przeznaczonej do badań oprawie oświetleniowej
63
4.2.2 Metodyka badań
Metodyka badań została opisana w publikacjach [63, 64, 65, 66]. Pierwszym
etapem obliczania spektralnego natęŜenia promieniowania jest wzorcowanie toru
pomiarowego spektrometru. Najpierw dokonuje się pomiaru sygnału przy załączonym
wzorcowym źródle promieniowania (zmierzony zostaje zarówno „prąd jasny”
jak i „prąd ciemny”) co moŜna wyrazić zaleŜnością:
IPHDR = f(λ) [LSB] (4.1)
Następnie zostaje wykonany pomiar sygnału przy wyłączonym wzorcowym źródle
promieniowania (zmierzony zostaje tylko „prąd ciemny”) opisany zaleŜnością:
IDR = f(λ) [LSB] (4.2)
Sygnał skorygowany dla wzorcowego źródła promieniowania wyraŜa się zaleŜnością:
IPHR(λ) = IPHDR(λ) - IDR(λ) [LSB] (4.3)
Współczynnik W(λ) wyznaczono według wzoru:
( )( )
( )λΘΘλ
λPHR
2
2
I
r
rE
W I
IRRSR
⋅
⋅
= [mW·m-2·nm-1·LSB-1] (4.4)
gdzie:
ESR(λ) – spektralne natęŜenie promieniowania optycznego (irradiancja spektralna)
[mW·m-2·nm-1] wzorcowego źródła promieniowania w odległości rR
rR = 500 mm – odległość wzorcowego źródła promieniowania do powierzchni czołowej
czujnika pomiarowego w trakcie wyznaczania charakterystyki ESR(λ),
r2 – odległość wzorcowego źródła promieniowania do powierzchni czołowej czujnika
pomiarowego w trakcie wzorcowania toru pomiarowego spektrometru,
ΘIR – czas integracji spektrometru w trakcie pomiarów IPHDR = f(λ) i IDR = f(λ),
ΘI – czas integracji spektrometru w trakcie pomiarów IPHD = f(λ) i ID = f(λ).
Kolejnym etapem wyznaczenia spektralnego natęŜenia promieniowania jest jego
pomiar spektrometrem. Najpierw dokonuje się pomiaru sygnału przy załączonym
badanym źródle promieniowania (zarejestrowany zostaje zarówno „prąd jasny”
jak i „prąd ciemny”) wyraŜony zaleŜnością:
64
IPHD = f(λ) [LSB] (4.5)
Następnie zostaje wykonany pomiar sygnału przy wyłączonym badanym źródle
promieniowania (zarejestrowany zostaje tylko „prąd ciemny”) opisany zaleŜnością:
ID = f(λ) [LSB] (4.6)
Sygnał skorygowany dla badanego źródła promieniowania zostaje obliczony
ze wzoru:
IPH(λ) = IPHD(λ) - ID(λ) [LSB] (4.7)
Obliczenie spektralnego natęŜenia promieniowania (irradiancji spektralnej)
ES(λ) badanego pojedynczego źródła promieniowania następuje z zaleŜności:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )λλλλλλ WIIIE DPHS ⋅−=⋅= PHDW [mW·m-2·nm-1] (4.8)
Wyznaczenie końcowego, sumarycznego, spektralnego natęŜenia
promieniowania (irradiancji spektralnej) ES(λ) badanego układu źródeł promieniowania
wymaga zastosowania korekcji związanej ze specyficznym ustawieniem badanych
źródeł promieniowania przedstawionym na rysunku 4.7 i schemacie 4.9. Końcowe,
sumaryczne, spektralne natęŜenie promieniowania określone zostało następującymi
wzorami:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )λλλλλλγ WIIIE DPHPHs ⋅−=⋅= W [mW·m-2·nm-1·LSB-1] (4.9)
Es(λ) =Esγ(λ) cos γ [mW·m-2·nm-1] (4.10)
gdzie:
γ =25029’ i jest kątem pomiędzy odcinkiem łączącym dane źródło z kulą całkującą,
a odcinkiem prostopadłym do otworu pomiarowego kuli całkującej.
We wzorze 4.4 ESR(λ) wyraŜone w mW·m-2·nm-1 to spektralne natęŜenie
promieniowania optycznego (irradiancja spektralna) wzorcowego źródła
promieniowania w odległości rR. W przypadku zastosowania lampy halogenowej jako
wzorcowego źródła promieniowania optycznego moŜliwe jest wykorzystanie rozkładu
Plancka lub równania wielomianowego do wyznaczenia ESR dla danej wartości λ.
W przypadku wykorzystania rozkładu Plancka temperatura emitera jest tak dobierana,
Ŝeby aproksymowana charakterystyka przebiegała przez wyznaczone laboratoryjnie
65
punkty ESR = f(λ). Do aproksymacji ESR = f(λ) przyjmowane są długości fali λ równe
wartościom występującym w wynikach pomiaru uŜytego spektrometru. W przypadku
wykorzystania równania wielomianowego jego rząd i współczynniki są tak dobierane,
Ŝeby aproksymowana charakterystyka przebiegała przez wyznaczone laboratoryjnie
punkty ESR = f(λ). Do aproksymacji ESR = f(λ) przyjmowane są długości fali λ równe
wartościom występującym w wynikach pomiaru uŜytego spektrometru. Dla uŜytej
lampy halogenowej uzyskano ESR = f(λ) umoŜliwiające wiarygodne wzorcowanie toru
pomiarowego spektrometru od λ = 400 nm do λ = 1 700 nm (Rys. 4.15).
Rys. 4.15 Charakterystyka ESR = f(λ) halogenowego wzorcowego źródła promieniowania
66
4.2.3 Wyniki przeprowadzonych pomiarów
Pierwsza część pomiarów obejmowała zbadanie rozkładów widmowych
promieniowania lamp halogenowych na stanowisku opisanym w podrozdziale 4.2.1.
Zarówno sprzęt pomiarowy, jak i źródła promieniowania ustawiono według
schematu 4.4 przedstawiającego widok stanowiska pomiarowego zarejestrowanego
na zdjęciu z Rys. 4.3.
Dokonano pomiarów parametrów następujących lamp halogenowych
(Rys. 4.16):
A. PHILIPS EcoHalo 350 W/230 V, Tb 2 800 K
B. OSRAM ECO 400 W/230 V, Tb 2 950 K
C. OSRAM 650 W/230 V, Tb 3 200 K
D. OSRAM 800 W/230 V, Tb 3 200 K
E. OSRAM 1 000 W/230 V, Tb 3 000 K
F. OSRAM 1 000 W/230 V, Tb 3 200 K.
Rys. 4.16 Lampy halogenowe róŜnej mocy wykorzystane w pomiarach
67
Skalowanie przeprowadzono zgodnie z metodyką pomiarów przedstawioną
w podrozdziale 4.2.2 według schematu 4.12 obrazującego ustawienie elementów
wchodzących w skład układu pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.11.
Ze względu na ograniczony zakres prądowy zasilacza zmianie uległo napięcie
zasilania lampy OSRAM 1 000 W Tb 3 200 K, które zmieniono z 230 V na 225 V.
Wyznaczone doświadczalnie rozkłady widmowe promieniowania lamp
halogenowych róŜnej mocy przedstawiono na rysunku 4.17 oraz w publikacjach [61,
66].
Przykład obliczeniowy zamieszczono w Załączniku 2.
Kolejnym etapem prac było wyznaczenie rozkładów widmowych
promieniowania lamp ksenonowych. Badania wykonano na stanowisku pomiarowym
opisanym w podrozdziale 4.2.1. Zarówno sprzęt pomiarowy, jak i źródła
promieniowania ustawiono według schematu 4.6 przedstawiającego widok stanowiska
pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.5.
Dokonano pomiarów parametrów lampy ksenonowej OSRAM XBO
1 000 W/HSC OFR (Rys. 2.32 podrozdział 2.5). Poprzez regulację wartości prądu
i napięcia zasilania lampy ksenonowej o mocy znamionowej 1 000 W uzyskano moce
700 W, 800 W, 900 W i 1000 W, dla których wyznaczono eksperymentalnie rozkłady
widmowe.
Skalowanie przeprowadzono zgodnie z metodyką pomiarów przedstawioną
w podrozdziale 4.2.2 według schematu 4.12 obrazującego ustawienie elementów
wchodzących w skład układu pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.11.
Wyznaczone doświadczalnie rozkłady widmowe lamp halogenowych róŜnej
mocy przedstawiono na rysunku 4.18 oraz w publikacjach [64, 66].
Wykresy rozkładów widmowych promieniowania lamp ksenonowych,
szczegółowe dane dotyczące wybranej krzywej oraz przykład obliczeniowy
zamieszczono w Załączniku 3.
W końcowym etapie badań wyznaczono łączne rozkłady widmowe
promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych. Badania wykonano na stanowisku
pomiarowym opisanym w podrozdziale 4.2.1. Zarówno sprzęt pomiarowy, jak i źródła
promieniowania ustawiono według schematu 4.9 przedstawiającego widok stanowiska
pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.7 i 4.8.
68
Dla potwierdzenia wniosków wynikających z badań symulacyjnych dotyczących
dwóch źródeł promieniowania wykonano badania eksperymentalne polegające
na pomiarze łącznych rozkładów widmowych promieniowania lamp halogenowych –
PHILIPS EcoHalo 350 W/230 V Tb 2 900 K, OSRAM 650 W/230 V Tb 3 200 K,
OSRAM 800 W/230 V Tb 3 200 K, OSRAM 1 000 W/230 V Tb 3 200 K,
OSRAM 1 000 W/230 V Tb 3 000 K i lampy ksenonowej – OSRAM XBO
1 000 W/HSC OFR w następujących zestawach:
� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 350 W,
� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 800 W,
� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 1 000 W (Tb 3 200 K),
� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 1 000 W (Tb 3 000 K),
� Lampa ksenonowa 800 W, halogenowa 800 W,
� Lampa ksenonowa 700 W, halogenowa 650 W,
� Lampa ksenonowa 700 W, halogenowa 1 000 W (Tb 3 200 K),
� Lampa ksenonowa 700 W, halogenowa 1 000 W (Tb 3 000 K),
� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 650 W.
Wartości mocy lamp ksenonowych wyznaczono poprzez regulację wartości
prądu i napięcia zasilania lampy ksenonowej (o mocy znamionowej 1 000 W).
Skalowanie przeprowadzono zgodnie z metodyką pomiarów przedstawioną
w podrozdziale 4.2.2 według schematu 4.12 obrazującego ustawienie elementów
wchodzących w skład układu pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.11.
Wyznaczenie końcowego, sumarycznego, spektralnego natęŜenia promieniowania
(irradiancji spektralnej) ES(λ) badanego układu źródeł promieniowania wymaga
zastosowania korekcji związanej ze specyficznym ustawieniem badanych źródeł
promieniowania przedstawionym na rysunku 4.9.
Przykładowe, wyznaczone doświadczalnie, łączne rozkłady widmowe
promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych róŜnej mocy przedstawiono
na rysunkach 4.19 i 4.20 oraz w publikacjach [63, 65].
Wykresy rozkładów widmowych promieniowania badanych układów źródeł
promieniowania oraz przykład obliczeniowy zamieszczono w Załączniku 4.
69
Rys
. 4.
17 W
yzn
aczo
ne
eksp
erym
enta
lnie
ro
zkła
dy
wid
mo
we
pro
mie
nio
wan
ia la
mp
o n
ast
ępu
jący
ch p
aram
etra
ch:
35
0 W
/23
0 V
T
b 2
90
0 K
,
40
0 W
/230
V T
b 2
950
K, 6
50 W
/23
0 V
Tb
3 2
00 K
, 800
W/2
30 V
Tb
3 2
00 K
, 1 0
00 W
/230
V Tb
3 2
00
K o
raz
1 0
00
W/2
30 V
T
b 3
00
0 K
70
Rys
. 4.
18 E
ksp
erym
enta
lnie
wyz
nac
zon
e ro
zkła
dy
wid
mo
we
pro
mie
nio
wan
ia la
mp
kse
non
ow
ych
o n
ast
ępu
jący
ch m
oca
ch:
700
, 80
0, 9
00
i 100
0 W
71
Rys
. 4.
19 E
ksp
erym
enta
lny,
su
mar
yczn
y (w
ypad
kow
y) r
ozk
ład
wid
mo
wy
pro
mie
nio
wan
ia
lam
p h
alog
eno
wej
o m
ocy
35
0 W
i ks
eno
now
ej o
mo
cy 1
00
0 W
72
Rys
. 4.
20 E
ksp
erym
enta
lny,
su
mar
yczn
y (w
ypad
kow
y) r
ozk
ład
wid
mo
wy
pro
mie
nio
wan
ia
lam
p h
alog
eno
wej
o m
ocy
1 0
00 W
(T
b 3
20
0 K
) i
ksen
ono
wej
o m
ocy
1 0
00 W
73
Producenci źródeł promieniowania niechętnie zamieszczają w swoich
katalogach rozkłady widmowe produkowanych przez siebie lamp, a zamieszczane
krzywe obejmują najczęściej tylko zakres ultrafioletowy i widzialny. Innym problemem
jest publikowanie tylko względnych charakterystyk lub przedstawianie natęŜenia
napromienienia w nieuŜytecznych dla większości rozwaŜań jednostkach. Producenci
nie opisują często procedury pomiarowej, co w wielu przypadkach utrudnia
porównywanie wykresów.
Przeprowadzone badania miały na celu otrzymanie rozkładów widmowych
lamp halogenowych i ksenonowych obejmujących promieniowanie UV, VIS i IR
oraz uzupełnienie juŜ istniejących danych dotyczących charakterystyk
widmowych. Dzięki temu uzyskano charakterystyki widmowe w szerszym zakresie
(od λλλλ = 400 nm do λλλλ = 1 700 nm) niŜ występujące w katalogach wytwórców.
W porównywalnych zakresach otrzymane rozkłady widmowe promieniowania lamp
halogenowych i ksenonowych róŜnej mocy są z zgodne z krzywymi przedstawianymi
przez producentów w katalogach.
Przedstawiono równieŜ wyniki pomiarów rozkładu widmowego
promieniowania optycznego emitowanego przez układ (zespół) dwóch lamp:
halogenowej i ksenonowej. Zakres wyznaczonych charakterystyk dostosowano
do czułości widmowej wybranych odbiorników. Sumaryczne charakterystyki
widmowe wyznaczono dla kombinacji lamp o róŜnej mocy. Stwierdzono,
Ŝe na podstawie rozkładów widmowych poszczególnych lamp moŜliwe jest określenie
sumarycznej (wypadkowej) charakterystyki widmowej symulatora.
WaŜnym było równieŜ wyskalowanie pomiarów i otrzymanie spektralnego
natęŜenia promieniowania w jednostkach [W·m-2·nm-1], co pozwala na bezpośrednie
porównywanie z rozkładami widmowymi promieniowania słonecznego.
PowaŜnym problemem podczas wykonywania pomiarów okazała się
niestabilność termiczna jednego z uŜytych spektrometrów. Zaobserwowana
niestabilność znacząco utrudniła wykonywanie pomiarów o oczekiwanej dokładności.
Pomiary przeprowadzono w sposób minimalizujący wpływ niestabilności
temperaturowej spektrometrów.
Uzyskane dane i zgromadzone wyniki pomiarów pozwalają na kontynuację
i weryfikację obliczeń i badań analitycznych.
74
4.3 Wskaźniki efektywności symulatorów promieniowania słonecznego
W celu dokonania obliczeń i symulacji (opisanych w podrozdziale 4.4)
określono efektywność symulatorów mono – i multiźródłowych. Symulator
monoźródłowy zbudowany jest z jednego źródła promieniowania na przykład
halogenowego lub ksenonowego, a symulator multiźródłowy wyposaŜony jest w układ
wielu źródeł promieniowania jednego lub kilku (np.: dwóch) róŜnych typów sztucznych
źródeł (np. lampy halogenowej i ksenonowej).
Gęstość strumienia efektywnego Eef,i-x (natęŜenie promieniowania) [W·m-2]
sztucznego źródła promieniowania lub Słońca wyznaczono na podstawie jego rozkładu
widmowego oraz czułości widmowej odbiornika w danym zakresie długości fali ∆λ
ze wzoru:
( ) ( ) ( ) ( ) λ∆λλλλλλ
λλ ⋅⋅≅⋅= +÷+÷− ∫ ∆λ)λśr(λi,∆λ)λśr(λx,,xief, 1111
2
1
ESRdESRE ix (4.11)
gdzie:
Ελ,i(λ)– to monochromatyczna gęstość strumienia promieniowania Słońca
lub i – tego sztucznego źródła
SRx(λ) – czułość widmowa odbiornika x (ogniwa fotowoltaicznego lub kolektora
słonecznego)
Według [2, 32, 36] odchylenie standardowe s lub σ (standard deviation SD)
definiujemy jako miarę rozproszenia uzyskanych poszczególnych wartości oznaczeń
wokół wartości średniej xśr (wzór 4.12) lub znanej wartości oczekiwanej µx (wzór 4.13).
( )
11
2
−
−=∑
=
n
xxN
iśri
σ (4.12)
( )
n
xN
ixi∑
=
−= 1
2µσ (4.13)
W przypadku gdy wszystkie wyniki są identyczne, odchylenie standardowe jest
równe zeru – im większe rozproszenie wyników, tym większa, ale zawsze dodatnia, jest
wartość odchylenia standardowego. Odchylenie standardowe jest zawsze liczbą
mianowaną, a miano jest wyraŜone w takich samych jednostkach jak miano wartości
wyników.
Stopień dopasowania promieniowania ze źródła sztucznego (np. lampy
halogenowej lub ksenonowej) do promieniowania słonecznego dla danego odbiornika
75
(ogniwa fotowoltaicznego lub kolektora słonecznego) w określonym przedziale ∆λ
moŜna wyznaczyć, obliczając średnie odchylenie standardowe σ pomiędzy widmowymi
wielkościami (np. strumieniem promienistym Φ(λ), Фef,źr-x(λ) lub natęŜeniem
promieniowania Ε(λ)) określającymi promieniowanie źródła symulatora na powierzchni
roboczej a promieniowaniem słonecznym Eef,Sł-x(λ).
Stopień dopasowania dla jednego, sztucznego, źródła promieniowania
wyznaczono wg wzoru:
( ) ( )( )
⋅⋅−
=∑ −−
21
2xźrf,xSłef,
m
W
N
kkEEN
uie λλσ (4.14)
gdzie: Eef,Sł-x – oznacza efektywne wartości natęŜenia promieniowania Słońca przy
określonym odbiorniku – x
Eef,źr-x – efektywne wartości natęŜenia promieniowania dla sztucznego źródła
promieniowania i tego samego odbiornika – x
N – liczba wartości branych pod uwagę w rozpatrywanym zakresie,
ki – współczynnik korygujący moc sztucznego źródła promieniowania
dla najefektywniejszego dopasowania mocy i widma źródła i Słońca
przy określonym odbiorniku:
i = ha – dla źródła halogenowego lub
i = ks – dla źródła ksenonowego
u = 1, 2 lub N – współczynnik udziału źródła ku, który uwzględnia zaleŜności
związane z geometrią, zamocowaniem itp. źródła
oraz wpływem konstrukcji urządzenia.
Dla promieniowania symulatora wyposaŜonego w układ kilku (dwóch) typów
sztucznych źródeł promieniowania odchylenie standardowe wyznaczono ze wzoru:
( ) ( )
⋅⋅−
=∑ ∑ −−
2
1
2
xźrjef,xSłef,
m
W
N
kkEEN
juijλλ
σ (4.15)
gdzie indeksem j oznaczono kolejne typy źródeł promieniowania
(np. ha - halogenowe, ks - ksenonowe)
76
4.4 Modelowanie i symulacje – aspekty widmowe
4.4.1 Wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji dla programu Matlab
Zarówno efektywność symulatorów multiźródłowych zbudowanych na lampie
halogenowej i ksenonowej, jak i aplikacje wspomagające projektowanie symulatorów
dwuźródłowych opisano w publikacjach [6, 7, 10, 11, 58, 59, 60].
Pierwsza aplikacja (SUN PROF 1) – opracowana na podstawie otrzymanych
danych eksperymentalnych pozwalających modelować i symulować, w aspekcie
widmowym, promieniowanie symulatorów multiźródłowych – umoŜliwia określenie
średniego odchylenia standardowego σ wg wzorów (4.11, 4.14, 4.15 – podrozdział 4.3)
dla danego materiału odbiornika (np. ogniwa PV) i w określonych zakresach
promieniowania przy wykorzystaniu wybranych źródeł promieniowania (lampy
halogenowej i/lub ksenonowej). W ten sposób wyznaczono, na podstawie
opracowanego modelu, stopień dopasowania promieniowania z jednego źródła
sztucznego lub dla symulatora wyposaŜonego w układ kilku (np. dwóch) typów
sztucznych źródeł (np. lampy halogenowej i ksenonowej – rys. 4.17 – krzywa dla lampy
halogenowej 1 000 W 3 200 K podrozdział 4.2.3 oraz rys. 4.18 – krzywa dla lampy
ksenonowej 1 000 W podrozdział 4.2.3) do promieniowania słonecznego (rys. 2.2
podrozdział 2.2) dla danego odbiornika (ogniwa fotowoltaicznego lub kolektora),
w określonym przedziale długości fali ∆λ (dany zakres czułości widmowej – rys. 2.6
podrozdział 2.2).
Przeprowadzono obliczenia, za pomocą programu MATLAB R2007a, opisanego
w literaturze [39, 42, 53, 74] dla dopasowania promieniowania symulatora
multiźródłowego (lampa ksenonowa i halogenowa) przy braniu pod uwagę:
� całego widmowego zakresu czułości odbiornika,
� tylko zakresu UV, tylko VIS, tylko IR,
� oraz zakresów zalecanych przez normę PN (∆λ = 100 nm).
Obliczenia wykonano z zastosowaniem zasad programowania odpowiednich
dla środowiska Matlab opisanych w literaturze [39, 42, 53, 74]. Końcowe rezultaty
obliczeń dla zakresów obejmujących nie zerową czułość materiału przedstawiają
tabele 4.1 – 4.3 oraz przykładowe rysunki 4.21 – 4.28.
Opracowany algorytm obliczeniowy pozwalający uwzględnić zjawiska
widmowe zaimplementowany do programu Matlab oraz przykład obliczeniowy
zamieszczono w Załączniku 5.
77
Tab. 4.1 Odchylenia standardowe wyznaczone dla dopasowanych mocowo symulatorów
mono – i multiźródłowych dla całego widmowego zakresu czułości odbiornika, tylko zakresu UV,
tylko VIS oraz tylko IR dla materiałów c – Si, a – Si, mc – Si i CIS
Przedział dł. fali ∆λ∆λ∆λ∆λ [nm]
σσσσ - śr. odch. stand. dla sumy źródeł
kha kks
materiał c – Si
200-1400 16,043 7,6 0,9
UV 200-400 0,000 17,0 30,0
VIS 400-800 5,799 0,0 33,0
IR 800-1400 5,702 3,9 2,8
materiał mc – Si
200-1400 19,039 11,1 0,0
UV 200-400 0,000 17,0 30,0
VIS 400-800 7,898 0,0 33,5
IR 800-1400 4,395 3,5 3,9
materiał a – Si
200-1400 3,234 0,0 39,5
UV 200-400 0,005 67,6 21,7
VIS 400-800 3,331 0,0 39,7
materiał CIS
200-1400 25,503 0,0 17,4
UV 200-400 0,205 66,0 22,0
VIS 400-800 9,887 0,0 35,7
IR 800-1400 6,201 2,0 5,4
78
Rys
. 4
.21
Wyk
res
od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
kh
a i
k ks d
la m
ater
iału
c –
Si p
rzed
ział
dłu
gości f
ali 2
00 –
1 4
00 n
m
79
Rys
. 4.
22 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
k ha i
k ks d
la m
ater
iału
mc
– S
i prz
edzi
ał d
ług
ośc
i fal
i 400
– 8
00
nm
(V
IS)
80
Rys
. 4.
23 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
kh
a i
k ks d
la m
ater
iału
a –
Si p
rzed
ział
dłu
gości f
ali 2
00 –
40
0 n
m (
UV
)
81
Rys
. 4.
24 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
k ha i
k ks d
la m
ater
iału
CIS
prz
edzi
ał d
ług
ośc
i fal
i 80
0 –
1 4
00
nm
(IR
)
82
Tab. 4.2 Odchylenia standardowe wyznaczone dla dopasowanych mocowo symulatorów
mono – i multiźródłowych dla zalecanych przez normę PN zakresów ∆λ=100 nm dla róŜnych materiałów
Przedział dł. fali ∆λ∆λ∆λ∆λ [nm]
σσσσ - śr. odch. stand. dla sumy źródeł
kha kks
materiał c – Si
300-400 0,0000 17,00 30,00
400-500 0,0009 16,88 31,08
500-600 0,6742 0,00 40,50
600-700 3,9328 0,00 35,10
700-800 0,8392 0,00 27,80
800-900 0,0038 4,75 3,82
900-1000 0,0065 1,41 4,03
1000-1100 3,7928 0,00 13,60
1100-1200 0,4784 0,00 5,00
materiał mc – Si
300-400 0,0000 17,00 30,00
400-500 0,0013 16,88 31,08
500-600 0,9677 0,00 40,54
600-700 5,2580 0,00 35,12
700-800 1,0784 0,00 27,80
800-900 0,0044 4,75 3,82
900-1000 0,0048 1,41 4,03
1000-1100 1,0467 0,00 14,60
1100-1200 0,1173 0,00 5,10
materiał a – Si
300-400 0,0050 67,60 21,70
400-500 0,0029 16,91 31,06
500-600 1,2832 0,00 40,60
600-700 3,5020 0,00 37,04
700-800 0,0018 7,80 12,00
materiał CIS
300-400 0,2050 66,00 22,00
400-500 0,0348 17,00 31,00
500-600 1,3522 0,00 40,70
600-700 5,9310 0,00 35,40
700-800 1,1020 0,00 27,80
800-900 0,0835 4,70 3,90
900-1000 0,0629 1,50 3,90
1000-1100 4,1541 0,00 13,00
1100-1200 2,3911 0,00 6,40
1200-1300 0,2530 5,00 0,10
1300-1400 0,0000 0,00 4,00
83
Rys
. 4.
25 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
kh
a i
k ks d
la m
ater
iału
c –
Si p
rzed
ział
dłu
gości f
ali 9
00 –
1 0
00 n
m
84
Rys
. 4,
26 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
kh
a i
k ks d
la m
ater
iału
mc
– S
i prz
edzi
ał d
ług
ośc
i fal
i 800
– 9
00
nm
85
Rys
. 4.
27 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
k ha i
k ks d
la m
ater
iału
a –
Si p
rzed
ział
dłu
gości f
ali 4
00 –
50
0 n
m
86
Rys
. 4.
28 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
k ha i
k ks d
la m
ater
iału
CIS
prz
edzi
ał d
ług
ośc
i fal
i 1 2
00 –
1 3
00
nm
87
W celu wykonania obliczeń wykorzystano wartości dla czułości widmowej
odbiorników z rysunku 2.6 (podrozdział 2.2) oraz dla Słońca z rysunku 2.2 (podrozdział
2.2). Zaimplementowane do wzoru 4.15 (podrozdział 4.3) dane dla lampy halogenowej
1 000 W Tb 3 200 K (z rysunku 4.17 podrozdział 4.2.3) oraz dla lampy ksenonowej
1 000 W (z rysunku 4.18 podrozdział 4.2.3) oznaczają, Ŝe współczynniki kha i kks
w tym wzorze są równe 1. Analizując współczynniki korygujące moc kha i kks
na przykład dla materiału c – Si, zakres długości fali 300 – 400 nm, wnioskuje się,
Ŝe w celu uzyskania najmniejszej wartości średniego odchylenia standardowego
dla sumy źródeł (w tym przypadku równej 0) naleŜy zastosować zespół lamp
halogenowych o łącznej mocy 17 000 W oraz ksenonowych o łącznej mocy 30 000 W.
Analizując zmiany współczynników korygujących moc, przy pomiarach
wielkości całkowitych (dla całego zakresu czułości odbiornika – ogniwa
fotowoltaicznego), moŜna zauwaŜyć, Ŝe najlepsze dopasowanie efektywnego
natęŜenia promieniowania moŜna uzyskać dla symulatorów z lampami
ksenonowymi (materiały a – Si i CIS), halogenowymi (materiał mc – Si)
lub ksenonowymi i halogenowymi (materiał c – Si). Wymagana jest przy tym
regulacja mocy lamp dla dostosowania natęŜenia promieniowania do czułości
określonego typu odbiornika. Podobnie analiza wykresów przedstawiających łączne
rozkłady widmowe promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych róŜnej mocy
zaprezentowanych na rysunkach 4.19 i 4.20 (podrozdział 4.2.3) oraz w załączniku 4
pozwala sformułować analogiczne wnioski. Najlepsze dopasowanie efektywnego
natęŜenia promieniowania dla wszystkich rozpatrywanych materiałów w zakresie UV
moŜna uzyskać dla symulatorów multiźródłowych zbudowanych na lampach
halogenowych i ksenonowych (przy równoczesnej regulacji mocy lamp).
Dla niektórych odbiorników, dla materiału c – Si, mc – Si i CIS podobna sytuacja
(symulatory z lampami ksenonowymi i halogenowymi przy niezaleŜnej regulacji mocy
kaŜdej z tych lamp) występuje takŜe przy pomiarach w zakresie promieniowania
podczerwonego. Przy pomiarach wielkości charakteryzujących fotoogniwa
dla wszystkich rozpatrywanych materiałów w zakresie promieniowania VIS lepsze
dopasowanie wykazują symulatory wyłącznie z lampami ksenonowymi róŜnej mocy.
PN klasę symulatora określa na podstawie dopasowania promieniowania symulatora
i Słońca badanego w kaŜdym zakresie ∆λ = 100 nm z przedziału 400 – 1 100 nm.
Analizując zmiany efektywnego natęŜenia promieniowania lampy ksenonowej
i halogenowej, a dokładniej współczynników korygującego moc kks i kha, dla materiałów
88
c – Si i mc – Si (zakresy długości fali 500 – 600 nm, 600 – 700 nm, 700 – 800 nm
oraz 1 000 – 1 100 nm i 1 100 – 1 200 nm), dla materiału a – Si (zakresy długości fali
500 – 600 nm, 600 – 700 nm) oraz materiału CIS (zakresy długości fali 500 – 600 nm,
600 – 700 nm, 700 – 800 nm oraz 1 000 – 1 100 nm, 1 100 – 1 200 nm i 1 300 –
1 400 nm), określono, Ŝe najmniejszą wartość średniego odchylenia standardowego
moŜna uzyskać dla symulatorów wyłącznie z lampami ksenonowymi róŜnej mocy.
Najkorzystniejsze dopasowanie dla pozostałych zakresów ∆λ = 100 nm wymaga
zastosowania co najmniej 2 typów źródeł promieniowania (lampy halogenowej
i ksenonowej przy równoczesnej regulacji mocy tych lamp).
Na podstawie zamieszczonych wykresów moŜna zauwaŜyć, Ŝe nie powinno się
konstruować symulatorów opartych na pojedynczym źródle promieniowania
oraz na jednym rodzaju źródeł promieniowania ze względu na niedopasowanie
procentowych udziałów energetycznych. Konstrukcja dobrego symulatora powinna
opierać się na wielu źródłach promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów
(z uwzględnieniem widma). Dobór źródeł promieniowania powinien odbywać się pod
kątem sumarycznego natęŜenia promieniowania oraz sumarycznego widma
promieniowania.
Istotnym jest równieŜ fakt, Ŝe podstawowym zadaniem symulatora
promieniowania słonecznego przeznaczonego do zastosowań ogólnych jest
wytworzenie natęŜenia promieniowania maksymalnie zbliŜonego do rzeczywistego
promieniowania słonecznego niezaleŜnie od odbiornika promieniowania, natomiast
zadaniem symulatora promieniowania słonecznego dedykowanego dla określonej
grupy odbiorników jest wytworzenie natęŜenia promieniowania maksymalnie
zbliŜonego do rzeczywistego promieniowania słonecznego w zakresie
odpowiadającym i uwzględniającym czułość odbiorników .
Analizując zamieszczone w pracy wykresy symulacji przeprowadzonych
w programie Matlab, moŜna zauwaŜyć, Ŝe w wielu przypadkach, niezaleŜnie
od rozpatrywanego materiału, występuje duŜa swoboda projektowania symulatorów
promieniowania słonecznego. Związane jest to z faktem, Ŝe dla róŜnych punktów
w otoczeniu minimum występują bardzo małe róŜnice wartości odchylenia
standardowego σ, co obrazuje Rys. 4.29. Projektant nie jest zmuszony do wyboru
jednego zestawu źródeł promieniowania, ale moŜe zastosować dowolną kombinację
wielu źródeł promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów (np. lampy halogenowe
i ksenonowe). Jest to bardzo waŜne, podczas projektowania symulatorów
89
promieniowania słonecznego, ze względu na ograniczoną liczbę źródeł promieniowania
dostępnych u większości producentów (patrz podrozdział 4.4.2).
Podobna dla projektanta sytuacja występuje w przedstawionym na rysunku 4.30
przykładzie. Na rysunku pokazano dla materiału a – Si (zakres długości fali
700 – 800 nm) przykładowe punkty dla minimalnej wartości odchylenia standardowego,
które powtarzają się z pewną regularnością. Analizując przedstawione dane sugeruje
się, aby w rzeczywistych konstrukcjach brać pod uwagę wartości zarówno dla lampy
ksenonowej, jak i halogenowej przy niezaleŜnej regulacji mocy kaŜdej z tych lamp,
czyli moŜna zastosować lampy z całego zakresu.
NaleŜy równieŜ zauwaŜyć, Ŝe uśrednianie wyników dla duŜych zakresów
∆λ zamazuje błędy popełniane w węŜszych (np.: 100 nm) zakresach (Rys. 4.31).
Obecne symulatory prawie zawsze opierają się na jednym typie źródła
promieniowania – lampie ksenonowej lub lampie halogenowej (określonej przez normę)
znajdującej się w niewielkiej obudowie. Wobec niezgodności widma promieniowania
kaŜdego ze współczesnych źródeł promieniowania optycznego z widmem
promieniowania słonecznego próby budowy symulatora monoźródłowego nie mogą
prowadzić do opracowania konstrukcji wysokiej klasy. A właśnie urządzenie o takich
charakterystykach jest coraz bardziej potrzebne ze względu na próby budowy
wydajniejszych kolektorów słonecznych i wydajniejszych ogniw fotowoltaicznych,
opartych (w obu przypadkach) na poszerzeniu zakresu czułości widmowej tych
urządzeń. RóŜne odbiorniki promieniowania słonecznego charakteryzują się róŜną
czułością widmową z zakresu 100 – 2 000 nm. Optymalny symulator przeznaczony
do badania tych odbiorników powinien być wyposaŜony w co najmniej dwa róŜne
typy źródeł promieniowania (np. lampy ksenonowe i halogenowe) z moŜliwością
oddzielnego doboru (regulacji) ich mocy do potrzeb danego – badanego zakresu,
co obrazują rysunki 4.21 – 4.28 oraz tabele 4.1 – 4.3.
Przez sformułowanie „moŜliwość oddzielnego doboru (regulacji) ich mocy”
rozumie się wybór konkretnej mocy z dostępnych w katalogach lamp albo stosowanie
kilku lamp róŜnej lub tej samej mocy w celu uzyskania określonej wartości mocy
symulatora. Inną moŜliwością jest regulacja strumienia świetlnego lamp.
Oba rozwiązania i ich ograniczenia zostały szerzej opisane w podrozdziale 4.4.2.
90
Rys
. 4.
29 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
k ha i
k ks d
la m
ater
iału
a –
Si p
rzed
ział
dłu
gości f
ali 6
00 –
70
0 n
m o
bra
zując
y
róŜn
e pu
nkty
w o
tocz
eniu
min
imu
m c
o p
rzek
ład
a si
ę n
a b
ard
zo m
ałe
róŜnic
e w
artoś
ci o
dch
ylen
ia s
tan
dar
dow
ego
91
Rys
. 4.
30 W
ykre
s od
chyl
enia
sta
nd
ardo
weg
o w
fun
kcji
k ha i
k ks d
la m
ater
iału
a –
Si p
rzed
ział
dłu
gości f
ali
700
– 8
00
nm
ob
razu
jąc
y
prz
ykła
do
we
punk
ty d
la m
inim
aln
ej w
artości o
dch
ylen
ia s
tand
ard
oweg
o p
ow
tarz
ając
e się
z p
ewną
reg
ula
rnośc
ią
92
Rys
. 4.
31 W
ykre
s ob
razu
jąc
y, Ŝ
e uś
red
nia
nie
wyn
ikó
w d
la d
uŜych
zak
resó
w ∆λ
zam
azu
je b
łędy
pope
łnia
ne
w węŜs
zych
(np
.: 1
00 n
m)
zakr
esac
h
93
4.4.2 Wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji dla programu
Microsoft Visual C#
W realnych warunkach projektowania optymalny dobór mocy źródeł
promieniowania nie jest moŜliwy – znamionowe wartości mocy są limitowane
ograniczoną ilością produkowanych lamp o róŜnych mocach. Fakt quasioptymalnego
doboru mocy źródeł powinien być zweryfikowany pod kątem jakości widmowej
uzyskanego sumarycznego promieniowania. Dodatkowym problemem konstrukcyjnym
jest zróŜnicowana budowa lamp halogenowych i ksenonowych, czyli m. in. róŜne
trzonki. Powoduje to konieczność zaprojektowania większej przestrzeni, w której mają
znajdować się źródła promieniowania.
W tabelach 4.4 i 4.5 zestawiono przykładowe dostępne moce źródeł
halogenowych i ksenonowych (Tab. 4.4, 4.5) wraz z uwzględnieniem ich trzonków
oraz wytycznych Normy PN – EN 60904 Część 8 – lampa halogenowa o temperaturze
barwowej 3 200 K. PoniewaŜ dobór mocy źródeł promieniowania na podstawie
graficznej ilustracji zaleŜności σ = f1(Pha, Pks) = f2(kha, kks) jest utrudniony, opracowano
jako narzędzie pomocnicze program SUN PROF 2 napisany za pomocą aplikacji
Microsoft Visual C# 2010 Express [44] pozwalający dobierać odpowiednie moce lamp
halogenowych i ksenonowych obliczone dla projektowanych symulatorów
multiźródłowych. Jest on oparty na jak najlepszym spektralnym dopasowaniu widma
promieniowania symulatora do widma promieniowania słonecznego w wybranych
zakresach promieniowania dla określonego materiału odbiornika (np. ogniwa PV) –
przy uwzględnieniu przedstawionej powyŜej metodyki doboru mocy dwóch róŜnych
typów źródeł oraz limitowanego zasobu dostępnych mocy źródeł. Niektóre rodzaje
lamp ksenonowych mają moŜliwość regulacji strumienia świetlnego – ściemniania
(nie występuje zmiana rozkładu widmowego promieniowania), a dla lamp
halogenowych zgodnie z prawem promieniowania ciała czarnego wraz ze wzrostem
temperatury rośnie emitowana energia – maksimum promieniowania przesuwa się
ku falom krótszym, dlatego podczas ściemniania występuje niekorzystna zmiana
rozkładu widmowego promieniowania. Postanowiono więc przeprowadzać dobór mocy
przez podanie najbliŜszej minimalnej i maksymalnej wartości mocy lampy katalogowej
dla rozwaŜanych lamp.
Stosowanie szkła matowego podczas projektowania symulatorów
promieniowania słonecznego pozwala zapewnić lepszą równomierność, czyli lepsze
94
spełnienie wytycznych normy. Niestety szkło takie posiada róŜne współczynniki
przepuszczania (mniejsze od 1), a co za tym idzie powoduje straty strumienia
świetlnego stosowanych lamp. W takim przypadku, aby uzyskać najbardziej zbliŜoną
moc lampy do obliczonej teoretycznie, naleŜy zwiększyć moce rozwaŜanych lamp.
Dostępne moce źródeł nie pokrywają wszystkich moŜliwych kombinacji mocy,
dlatego w wielu przypadkach odchylenie standardowe znacznie wzrasta w porównaniu
do odchylenia obliczonego dla teoretycznych mocy.
Zaproponowane aplikacje wspomagają dobór źródeł promieniowania
dla symulatorów promieniowania słonecznego pod kątem doboru typu źródła i jego
mocy. Przykładowe zestawienie uzyskanych w programie danych oraz aplikację
SUN PROF 2 napisaną za pomocą Microsoft Visual C# 2010 Express wspomagającą
projektowanie symulatorów dwuźródłowych opisano w publikacjach [10, 11, 59].
Tab. 4.4 Zestawienie mocy lamp halogenowych (Tb = 3 200 K) z uwzględnieniem trzonków [96]
P [W] trzonek
200 GX6,35
300 GX6,35; GY9,5
400 GY9,5
500 GY9,5
575 2 kołki
600 GY9,5
650 GY9,5; G22; R7s
750 2 kołki
800 G9,5; R7s
1 000 GX6,35;GX9,5;G9,5;
G22;R7s
1 200 GX9,5; G22
1 250 R7s
2 000 G22; GY16; G38; R7s
2 500 G22
5 000 G38; K24s
10 000 G38
20 000 G38
Tab. 4.5 Zestawienie mocy lamp ksenonowych z uwzględnieniem trzonków [96]
P [W] trzonek 75, 100 SFa9-2(+) SFa7,5-2(-)
150 SFc12-4(+) SFcX12-4(-) 250 SFa16-8(+) SFa16-10(-) 450 SFa20-8(+) SFa20-10(-) 500 SFa16-8(+) SFa15-10(-) 550 Kabel(+) SFc15-6(-) 700 SK27/50(+) SFcX27-8(-) 900 SFa25-10(+) SFa25-12(-)
1 000 SFa27-11(+) SFcX27-8(-) SK27/50(+) SFcX27-8(-) SFa25-14(+) SFc25-14(-)
1 550 SFa27-11(+) SFcX27-8(-) SK27/50(+) SFcX27-8(-)
1 600 SFa27-10(+) SFa27-12(-)
2 000 SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-)
SK27/50(+) SFcX27-8(-) SFa27-10(+) SFa27-12(-)
2 500 SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-) SFaX27-13(+) SFaX27-14(-)
SFa27-14(+) SFc27-14(-)
3 000 SFaX27-13(+) SFaX27-14(-) SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-)
SFa27-14(+) SFc27-14(-) 3 600 SFc28-13(+) SFc28-13(-) 4 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 4 200 SFaX27-13(+) SFaX27-14(-) 4 500 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 5 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 6 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 7 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 8 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 9 800 SFa30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 12 000 SFaX30-9,5(+)SFa39-15/110(-)
95
4.5 Modelowanie – aspekty termiczne
4.5.1 Schemat budowy kolektora słonecznego z zaznaczonymi
gęstościami strumieni
Uproszczony schemat wymiany ciepła w kolektorze słonecznym
z zaznaczonymi gęstościami strumieni cieplnych q opisany został w [62]
i przedstawiony na Rys. 4.32.
Rys
. 4.
32.
Up
rosz
czo
ny
sch
emat
wym
ian
y ci
epła
w k
ole
kto
rze
słon
eczn
ym c
iecz
ow
ym (
wyb
rany
war
ian
t ko
nst
ruk
cji)
[wg
: 17
, 43
, 72
, 76
, 80]
z za
znac
zon
ymi gę
stoś
ciam
i str
umie
ni [
12
]: qk –
kon
wek
cji, q
r – r
adia
cji, q
p –
prz
ewo
dze
nia
ora
z , q uŜ –
cie
pła
od
bie
ran
ego
prz
ez c
iecz
ro
bocz
ą
kole
kto
ra s
łon
eczn
ego. E
1 [W
/m2 ]
– n
atęŜ
enie
nap
rom
ieni
enia
pad
ająceg
o n
a po
wie
rzch
nię
kole
kto
ra,
Eo [W
/m2 ]
– n
atęŜ
enie
pro
mie
nio
wan
ia
od
bite
go, E
a [W
/m2 ] –
natęŜ
enie
pro
mie
nio
wan
ia z
aab
sorb
ow
aneg
o,
Ep [W
/m2 ]
– n
atęŜ
enie
pro
mie
nio
wan
ia p
rzep
usz
czo
neg
o
96
4.5.2 Zastępczy schemat cieplny kolektora słonecznego
Zastępczy schemat cieplny kolektora słonecznego z zaznaczonymi gęstościami
strumieni cieplnych q i oporami cieplnymi właściwymi opisany został w [62]
i przedstawiony na Rys. 4.33.
Rys
. 4.
33.
Zas
tępcz
y sc
hem
at c
iep
lny
kole
kto
ra s
łon
eczn
ego
z
zazn
aczo
nym
i gęst
ości
ami s
trum
ien
i cie
pln
ych
q i o
pora
mi c
iep
lnym
i właś
ciw
ymi
97
4.5.3 Schemat budowy modułu PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni
Uproszczony schemat wymiany ciepła w module fotowoltaicznym
z zaznaczonymi gęstościami strumieni cieplnych q przedstawiono na Rys. 4.34.
Rys
. 4.
34.
Up
rosz
czo
ny
sch
emat
wym
ian
y ci
epła
w m
odu
le f
oto
wo
ltaic
znym
(w
ybra
ny w
aria
nt k
onst
rukc
ji) [
wg: 1
7, 3
0, 4
3, 7
2, 7
6, 7
7]
z za
znac
zon
ymi gęs
tośc
iam
i
stru
mie
ni [
12]:
q k –
ko
nw
ekcj
i, qr –
rad
iacj
i, qp –
prz
ewo
dze
nia
ora
z q uŜ –
en
erg
ii el
ektr
yczn
ej z
amie
nian
ej w
pr
ąd w
war
stw
ie o
gniw
a kr
zem
ow
ego
pan
elu
PV
.
E
1 [W
/m2 ]
– n
atęŜ
enie
nap
rom
ien
ien
ia p
adająceg
o n
a p
ow
ierz
chn
ię
ogn
iwa
, Eo [W
/m2 ]
– n
atęŜ
enie
pro
mie
nio
wan
ia o
dbi
teg
o,
E
a [W
/m2 ]
– n
atęŜ
enie
pro
mie
nio
wan
ia z
aab
sorb
ow
aneg
o,
Ep [W
/m2 ]
– n
atęŜ
enie
pro
mie
nio
wan
ia p
rzep
usz
czo
neg
o
98
4.5.4 Zastępczy schemat cieplny modułu PV
Zastępczy schemat cieplny modułu PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni
cieplnych q i oporami cieplnymi właściwymi został przedstawiony na Rys. 4.35.
Rys
. 4.
35.
Zas
tępcz
y sc
hem
at c
iep
lny
ogni
wa
PV
z
zazn
aczo
nym
i gęst
ości
ami s
trum
ien
i cie
pln
ych
q i o
pora
mi c
iep
lnym
i właś
ciw
ymi
99
4.5.5 Bilans energetyczny
Podane poniŜej wzory i zaleŜności są ściśle związane z omawianymi w pracy
zjawiskami oraz modelami cieplnymi kolektora słonecznego i modułu PV, których
uproszczone schematy wymiany ciepła oraz zastępcze schematy cieplne zamieszczone
zostały na Rys. 4.32 – 4.35. W schematach tych stosuje się następujące zaleŜności
i wzory.
NatęŜenie napromienienia odbiornika jest równe strumieniowi promienistemu
przypadającemu na jednostkę powierzchni, czyli gęstości powierzchniowej strumienia
promienistego q:
E [W·m-2] = q [W·m-2] (4.16)
Gęstość strumienia cieplnego qr wymienianego pomiędzy powierzchniami (kolektora
słonecznego lub modułu PV z przedmiotami znajdującymi się w ich otoczeniu)
o temperaturze TPV/Kol i Tot za pośrednictwem fal elektromagnetycznych moŜna zapisać
w postaci:
( )otr TTTq 4PV/Kol
4PV/Kol )(σ −⋅= ε (4.17)
gdzie: σ = 5,669·10-8 [W·m-2·K-4] – stała Stefana Boltzmana
ε (TPV/Kol) – emisyjność powierzchni kolektora słonecznego lub modułu PV
Zgodnie z prawem Newtona gęstość strumienia cieplnego konwekcji
qk przekazywana przez powierzchnię o temperaturze TPV/Kol gazowemu otoczeniu
o temperaturze Tot została opisana równaniem:
( )otkk ttq −= PV/Kolα (4.18)
gdzie: αk– współczynnik konwekcyjnego przejmowania ciepła.
Opory cieplne właściwe, przedstawione na zastępczym schemacie cieplnym
(Rys. 4.33 i 4.35), określone są wzorami:
a) przewodzenie
- ścianka płaska jednowarstwowa c
pth
l
λρ = (4.19)
- ścianka płaska wielowarstwowa ∑=i ci
ipth
l
λρ (4.20)
- walec wydrąŜony jednowarstwowy 1
22 lnr
rr
cpth ⋅=
λρ (4.21)
100
b) przewodzenie ciepła – konwekcja na ściance
- konwekcyjna wymiana z płaskiej powierzchni k
kth αρ 1= (4.22)
- konwekcyjna wymiana z powierzchni walca (wewnętrznej lub zewnętrznej)
kkth α
ρ 1= (4.23)
c) radiacja – przekazywanie ciepła przez promieniowanie
- radiacyjna wymiana z płaskiej powierzchni r
rth αρ 1= (4.24)
gdzie współczynnik przejmowania ciepła αr przez promieniowanie jest funkcją:
( ) ( )21
21
42
41 ~
σ −−−
= ΦαTT
TTr (4.25)
a 21
~−Φ to zastępczy współczynnik konfiguracji
Dla powierzchni S1 i S2, z których powierzchnia S1 znajduje się wewnątrz powierzchni
S2 zastępczy współczynnik konfiguracji 21
~−Φ określa się wzorem [21]:
−+
=−
111
1~
22
1
1
21
εε
Φ
S
S (4.26)
Wzory określające 21
~−Φ dla innych przypadków podano w literaturze [21].
Bilans energetyczny dla przykładowego węzła – nr 7 (Rys.4.33) – przedstawia
równanie:
151311108 pppkr qqqqq +=++ (4.27)
czyli
0151311108 =−−++ pppkr qqqqq (4.28)
Gęstość strumienia cieplnego na drodze przewodzenia qp13 (w wymienniku ciepła)
zmienia się w gęstość strumienia cieplnego na drodze konwekcji qk14, który przekształca się
w gęstość strumienia cieplnego uŜytecznego quŜ, czyli ciepło odbierane przez ciecz
roboczą kolektora.
Całkowity bilans energetyczny dla urządzeń (kolektorów słonecznych) opisany został
równaniami 4.29 – 4.41. Na Rys. 4.30 oznaczono natęŜenie napromienienia padającego
na powierzchnię kolektora (E1), natęŜenie promieniowania odbitego (Eo), natęŜenie
101
promieniowania zaabsorbowanego (Ea) oraz natęŜenie promieniowania
przepuszczonego (Ep) związane równaniem:
oap EEEE ++=1 (4.29)
zz EEEE ρατ ⋅+⋅+⋅= 1111 (4.30)
gdzie:
αz – absorpcyjność osłony kolektora
τ – transmisyjność osłony
ρz – refleksyjność zewnętrzna osłony kolektora
oraz
1=++ zz ρατ (4.31)
Szyby hartowane tworzące zewnętrzne powłoki kolektorów są obecnie
produkowane w technologiach zapewniających duŜą transmisyjność promieniowania
słonecznego do wnętrza kolektora. MoŜliwość zastosowania powłok antyrefleksyjnych
pozwala zwiększyć wydajność urządzenia nawet o kilka procent. Zakładamy,
Ŝe promieniowanie, które pada na absorber to promieniowanie pochłonięte w 100% –
czyli nie występuje odbicie od zewnętrznej powłoki kolektora ρz = 0
(czyli Eo z Rys. 4.30 jest równe 0), a promieniowanie tylko zaabsorbowane przez
zewnętrzną powłokę kolektora moŜna pominąć. Przy tych załoŜeniach efektywną
wartość mocy promieniowania moŜna opisać równaniem:
( ) ( ) 111 EEE efaefaef ⋅⋅+⋅⋅=⋅ τρτατ (4.32)
gdzie α a i ρa są odpowiednio absorpcyjnością i refleksyjnością absorbera (αa + ρa=1).
Warto zauwaŜyć, Ŝe ( )efa τα ⋅ i ( )efa τρ ⋅ zaleŜą od ilości, rodzaju i właściwości osłon.
Obecny rozwój technologii związany jest z ciągłym ulepszaniem kolektorów
słonecznych oraz montowanych w nich absorberów. Miedziane absorbery
charakteryzują się absorpcją promieniowania rzędu 5% i emisyjnością rzędu 4%,
a pokryte czarnym lakierem – absorpcją promieniowania rzędu 95% i emisyjnością
rzędu 85%. Natomiast miedziane absorbery z napylanymi powłokami o wysokiej
selektywności (czarny chrom, tlenki tytanu czy krzemu) charakteryzują się absorpcją
promieniowania rzędu 95% +/- 2% i emisyjnością w granicach 5 – 8% (tę cechę
nazywamy selektywnością). Dlatego dla nowych technologii moŜna przyjąć,
Ŝe promieniowanie padające na absorber zostanie prawie całkowicie pochłonięte,
tym samym moŜna pominąć odbicie od powierzchni absorbera (ρa = 0). W takim
102
przypadku suma gęstości strumieni konwekcji i radiacji padających na absorber jest
równa sumie gęstości strumieni przewodzenia:
117654 pprkk qqqqq +=++ (4.33)
Sprawność optyczną kolektora (optical efficiency) o powierzchni absorbera AKol moŜna
zdefiniować następująco:
( )1
Kol11
EA
AE
k
efaef
o ⋅⋅⋅−
=ρτ
η (4.34)
dla ρa = 0 z równania (4.32) otrzymujemy ( ) 11 EE efaef ⋅⋅=⋅ τατ oraz
1
Kol1
EA
AE
Kol
efo ⋅
⋅⋅=
τη czyli ( )efao ταη = .
Bilans energetyczny tak opisanego absorbera moŜna zapisać następująco:
STouŜ qAEq −⋅⋅= Kol1η (4.35)
gdzie quŜ – to gęstość strumienia ciepła odbieranego przez ciecz roboczą kolektora,
a qST – to gęstość strumienia strat złoŜonych ze:
� strat konwekcyjnych i promieniowania kolektora
rkST qqqt
+= (dla gęstości strumieni qr i qk rys. 4.30) (4.36)
� oraz strat „optycznych”
( ) Kol11 AEq oSTo⋅⋅−= η (4.37)
Po wprowadzeniu równań (4.36) i (4.37) do równania (4.35) otrzymujemy
( ) ( )Kol1Kol1Kol1
Kol1Kol1Kol1Kol1
AEAEqqAE
AEAEqqAEqqAEq
ork
orkSTSTuŜ to
⋅⋅+⋅−−−⋅=
=⋅⋅−⋅−+−⋅=−−⋅=
ηη
(4.38)
dla (4.32) i ρa=0
rkefuŜ qqAEq −−⋅⋅= Kol1τ (4.39)
Efektywność kolektora (4.40) opisywana jest sprawnością chwilową, która
mierzy stosunek mocy odbieranej z kolektora przez czynnik roboczy do iloczynu
powierzchni czołowej absorbera (kolektora) i całkowitego natęŜenia promieniowania
słonecznego padającego na daną powierzchnię.
1KolKolSł EA
quŜ
⋅=η (4.40)
103
Sprawność ta zaleŜy od:
� konstrukcji kolektora słonecznego,
� materiałów, z jakich wykonany jest kolektor słoneczny (np. sprawności absorbera
czy parametrów szklanej osłony),
� eksploatacji danego urządzenia,
� temperatury czynnika roboczego w kolektorze,
� temperatury otoczenia kolektora oraz
� natęŜenia promieniowania padającego na dany kolektor.
Sprawność kolektora słonecznego moŜna zapisać równaniem:
to
to
STSTo
STST
ouŜ
EA
EA
q ηηηηη −−=⋅
+−=
⋅=
1Kol1KolKolSł (4.41)
Kolektory mogą przekształcić w energię cieplną ok. 75% energii
promieniowania (z średniej ok. 1 000 kWh·m-2). Z 1 m2 powierzchni moŜna uzyskać
do 750 kWh energii cieplnej, chociaŜ w praktyce ta wartość jest duŜo mniejsza i zaleŜy
m.in. od układu odbioru ciepła z kolektora słonecznego. [72]
W powyŜszych podrozdziałach zaprezentowano model cieplny kolektora
słonecznego i modułu PV – jego schemat budowy z zaznaczonymi gęstościami
strumieni cieplnych oraz uproszczony zastępczy schemat wymiany ciepła wraz
z zaznaczonymi oporami cieplnymi właściwymi – przewodzenia, konwekcji i radiacji
oraz całkowity bilans energetyczny i dla przykładowego węzła. Analizując
przedstawione schematy, opisane warunki klimatyczne (spektralne) Polski
(patrz podrozdział 2.2 i 4.1) oraz wymagania normatywne (patrz podrozdział 2.4)
naleŜy zwrócić uwagę, Ŝe dobry symulator promieniowania słonecznego powinien
umoŜliwiać modelowanie róŜnych warunków pogodowych – czyli odpowiednie widmo
promieniowania słonecznego (z uwzględnieniem składowej dyfuzyjnej promieniowania
słonecznego), jak i być odpowiednio dopasowany do nowo powstających technologii
(np. tandemowych czy wykorzystujących promieniowanie podczerwone).
104
5. REZULTATY KO ŃCOWE POMIARÓW, SYMULACJI I OBLICZE Ń
Udział energii w poszczególnych zakresach widmowych w całkowitym
promieniowaniu słonecznym (dla róŜnych zakresów długości fal ∆λ = 100 nm)
oraz porównanie efektywnego natęŜenia promieniowania słonecznego przedstawionego
według zaleceń normy PN – EN 60904 – 9 Część 9 [129] z wartościami efektywnego
natęŜenia promieniowania dla przykładowych symulatorów opisane zostały
w publikacjach [8, 9, 38, 57, 55] oraz przedstawione w tabelach 5.1 i 5.2.
W Tab. 5.1 zestawiono procentowy udział promieniowania Słońca w zakresie
400 – 1100 nm (w określonych przez normę [129] przedziałach długości fal
∆λ = 100 nm) z procentowym udziałem promieniowania Słońca w zakresie 200 –
1400 nm z uwzględnieniem określonych przez normę [129] przedziałów długości fal
∆λ = 100 nm. W celu wykonania obliczeń wykorzystano wartości dla Słońca
z Rys. 2.2 (podrozdział 2.2). Proponowany szerszy zakres długości fal – 200 –
1400 nm, a nie jak podaje norma 400 – 1100 nm, uwzględniany w obliczeniach
własnych wynika z brania pod uwagę rzeczywistych charakterystyk odbiorników
promieniowania, czyli zakresów czułości adekwatnych dla danej klasy
odbiorników (np. krzywych czułości spektralnej dla ogniw PV typu CIS, c – Si,
mc – Si, a – Si – Rys. 2.6 (podrozdział 2.2)).
Tab. 5.1 Zestawienie procentowych udziałów promieniowania Słońca wg wytycznych normy [129]
oraz dla krzywej z Rys. 2.2 – dane dla zakresu 200 – 1400 nm z uwzględnieniem rzeczywistych
charakterystyk odbiorników promieniowania
Procentowy udział promieniowania Słońca w zakresie Typy ogniw PV Przedział
długości fali ∆λ[nm] 400-1100
wg PN dla PV 200-1400
(dane krzywa) CIS c – Si mc – Si a – Si 200-300 - 0,000% 300-400 - 9,375% 400-500 18,400% 17,500% 500-600 19,900% 17,656% 600-700 18,400% 15,156% 700-800 14,900% 12,969% 800-900 12,500% 8,750% 900-1000 5,156% 1000-1100
15,900% 5,781%
1100-1200 - 2,813% 1200-1300 - 4,219% 1300-1400 - 0,625%
ΣΣΣΣ 100% ΣΣΣΣ 100%
105
W podrozdziale 2.2 przedstawiono czułość spektralną ogniw fotowoltaicznych
zawierającą się w przedziale 200 – 1 300 nm oraz kolektorów słonecznych z przedziału
400 – 4 000 nm. Wspomniano równieŜ, Ŝe najnowsze badania prowadzą do produkcji
ogniw o większych sprawnościach – ogniw tandemowych, które dzięki zastosowaniu
kilku ogniw o róŜnych przerwach energetycznych umoŜliwiają uzyskanie szerszego
pasma absorpcji. Symulatory promieniowania słonecznego, dedykowane dla danej
grupy odbiorników promieniowania słonecznego (nie tylko kolektorów słonecznych
czy modułów fotowoltaicznych, ale takŜe badanych próbek materiałów, roślin
czy substancji reagujących chemiczne) charakteryzującej się określoną czułością
widmową (obejmującą szerszy lub węŜszy zakres długości fal) powinny wytwarzać
promieniowanie maksymalnie zbliŜone do rzeczywistego promieniowania słonecznego
w zakresie czułości adekwatnym dla danej klasy odbiorników.
Dokonując analizy danych zamieszczonych w tabeli 5.1 moŜna wnioskować,
Ŝe według zaleceń normy [129] PN – EN 60904 – 9 Elementy fotowoltaiczne Część 9:
Wymagania dla symulatorów promieniowania słonecznego nie jest moŜliwe
zbudowanie symulatora zapewniającego właściwą symulację promieniowania
słonecznego.
W tabeli 5.2 porównano wartości efektywnego natęŜenia promieniowania
słonecznego przedstawionego według zaleceń normy PN – EN 60904 – 9 Elementy
fotowoltaiczne Część 9: Wymagania dla symulatorów promieniowania słonecznego
[129] z wartościami efektywnego natęŜenia promieniowania dla przykładowych
symulatorów. Do obliczeń wzięto pod uwagę, proponowany w rozprawie doktorskiej,
szerszy zakres długości fal – 200 – 1400 nm, oraz, jak podaje norma, zakres 400 –
1100 nm (Tab. 5.1). Do przykładowych, zaprezentowanych w tabeli, symulatorów
naleŜą: lampa halogenowa (według wytycznych Normy PN – EN 60904 Część 8 [128])
o mocy 1 000 W i temperaturze barwowej 3 200 K zasilana ze stabilizowanego
zasilacza, lampa ksenonowa o mocy 1 000 W – najczęściej stosowana w rozwiązaniach
komercyjnych oraz lampy halogenowe i ksenonowe, zastosowane równocześnie,
przy czym wymagana jest regulacja mocy kaŜdej z lamp dla dostosowania natęŜenia
promieniowania do czułości określonego typu odbiornika (dla całego zakresu czułości
odbiornika – ogniwa fotowoltaicznego). MoŜna zauwaŜyć, Ŝe najlepsze dopasowanie
efektywnego natęŜenia promieniowania moŜna uzyskać dla symulatorów, których
konstrukcja opiera się na symulatorach multiźródłowych – wielu źródłach
promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów źródeł promieniowania
106
(z uwzględnieniem widma). Wtedy efektywne natęŜenie promieniowania
dla symulatorów (najlepiej dopasowanych według badań symulacyjnych) uzyskuje
wartości zbliŜone do efektywnego natęŜenia promieniowania słonecznego (Tab. 5.2).
Tab. 5.2 Porównanie efektywnego natęŜenia promieniowania słonecznego przedstawionego
według zaleceń normy [129] z wartościami efektywnego natęŜenia promieniowania dla przykładowych
symulatorów (dla róŜnych zakresów długości fal ∆λ = 100 nm)
Materiał
Symulator
c – Si mc – Si a – Si CIS
Słońce, Eef [W·m-2] 200-1400 nm 414 478 332 738
l. halogenowa [128] Moc lampy 1 000 W
Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm
37 35 10 44
l. ksenonowa Moc lampy 1 000 W Eef [W·m-2] Symulator
PN 400-1100 nm 24 24 8 30
l. ksenonowa Moc lampy 1 000 W Eef [W·m-2] Symulator 2
200-1400 nm 25 24 9 36
Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm
302 – – – Moc l. halogenowej 7 600 W
Moc l. ksenonowej 900 W Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm 318 – – –
Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm – 388 – –
Moc l. halogenowej 11 100 W
Moc l. ksenonowej 0 W Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm – 393 – –
Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm – – 318 –
Moc l. halogenowej 0 W
Moc l. ksenonowej 39 500 W Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm – – 342 –
Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm – – – 525
Najlepsze dopasowanie wg symulacji
Moc l. halogenowej 0 W
Moc l. ksenonowej 17 400 W Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm – – – 628
107
6. PODSUMOWANIE
Omawiana praca bezpośrednio dotyczy zagadnień związanych z doskonaleniem
projektowania i budowy symulatorów promieniowania słonecznego słuŜących
do pomiarów i certyfikacji kolektorów słonecznych, ogniw fotowoltaicznych i innych
urządzeń przetwarzających energię słoneczną. Rozprawa doktorska dotyczy
problematyki projektowania symulatorów promieniowania słonecznego ze szczególnym
uwzględnieniem aspektów widmowych i termicznych, stanowi próbę określenia
teoretycznych podstaw przy jednoczesnej jej weryfikacji eksperymentalnej
oraz opracowania zaleceń mających na celu doskonalenie urządzeń wykorzystywanych
do sprawdzania jakości kolektorów słonecznych i innych urządzeń bazujących
na konwersji energii słonecznej. Przedmiotem pracy było, przy uwzględnieniu
zaleŜności widmowych, przeprowadzenie badań eksperymentalnych
i symulacyjnych oraz opracowanie odpowiednich aplikacji, które pozwalałyby
przy modelowaniu zjawiska symulacji promieniowania słonecznego uwzględniać
symulatory multi źródłowe.
W ramach realizacji powyŜszego celu zbadano moŜliwości proponowanych
aplikacji w odniesieniu do badania wyŜej wymienionego zjawiska, opracowano
algorytmy i skrypty pozwalające to zjawisko symulować, uzupełniono krzywe
rozkładów widmowych lamp ksenonowych i halogenowych dodatkowymi danymi
oraz zweryfikowano proponowane rozwiązania poprzez porównanie otrzymanych
wyników obliczeń i symulacji z danymi pomiarowymi i normatywnymi.
Badania i symulacje zawarte w niniejszej rozprawie zostały przeprowadzone
po przyjęciu załoŜeń upraszczających tj. wpływu współczynnika udziału źródła ku,
który uwzględnia zaleŜności związane z geometrią, zamocowaniem itp. źródła oraz
wpływem konstrukcji urządzenia.
Do szczegółowych osiągnięć pracy moŜna zaliczyć:
opis znaczenia promieniowania słonecznego (podrozdział 2.1) – wybór zjawisk
istotnych z punktu widzenia procesów widmowych w sztucznych źródłach
promieniowania i procesów termicznych w przykładowych odbiornikach
promieniowania (modułach fotowoltaicznych i kolektorach)
oraz scharakteryzowanie podstawowych pojęć, definicji i zjawisk związanych
z symulacją promieniowania słonecznego (podrozdział 2.2),
108
przegląd i ocenę stosowanych obecnie symulatorów promieniowania słonecznego
pozwalających badać efektywność odbiorników promieniowania słonecznego
np. modułów fotowoltaicznych czy kolektorów słonecznych (podrozdział 2.3)
oraz krótki opis i analizę norm potwierdzający konieczność wprowadzenia zmian
pozwalających na budowanie efektywniejszych symulatorów promieniowania
słonecznego (podrozdział 2.4),
opis własności wybranych źródeł promieniowania najczęściej stosowanych
do budowy symulatorów promieniowania słonecznego (podrozdział 2.5),
uzupełnienie katalogowych rozkładów widmowych lamp halogenowych
i ksenonowych poprzez zbudowanie odpowiedniego stanowiska pomiarowego
(podrozdział 4.2.1), opracowanie metodologii badań (podrozdział 4.2.2)
oraz wykonanie odpowiednich pomiarów (podrozdział 4.2.3),
sformułowanie modelu matematycznego wskaźnika efektywności symulatorów
promieniowania słonecznego (podrozdział 4.3),
przeprowadzenie obliczeń symulacyjnych, w których (podrozdział 4.4.1 i 4.4.2):
• opracowano, na podstawie utworzonego modelu, stopień dopasowania
promieniowania z jednego źródła sztucznego lub dla symulatora wyposaŜonego
w układ kilku (np. dwóch) typów sztucznych źródeł (np. lampy halogenowej
i ksenonowej) do promieniowania słonecznego dla danego odbiornika (ogniwa
fotowoltaicznego lub kolektora), w określonym przedziale długości fali
∆λ (dany zakres czułości widmowej) (podrozdział 4.4.1),
• opracowano algorytm obliczeniowy pozwalający uwzględnić zjawiska widmowe
oraz jego implementację do programów Matlab i Microsoft Visual C# -
przygotowanie odpowiednich aplikacji na podstawie otrzymanych danych
eksperymentalnych pozwalających modelować i symulować, w aspekcie
widmowym, promieniowanie symulatorów multiźródłowych (podrozdział 4.4.1
i 4.4.2),
Dla usprawnienia procesu doboru źródeł promieniowania dla symulatorów
słonecznych opracowano dwie aplikacje pomocne w doborze rodzajów i mocy
źródeł. Pierwsza aplikacja – wykorzystująca program MATLAB R2007a -
dla danego materiału odbiornika (np. ogniwa PV) w określonych zakresach
promieniowania pozwala określić średnie odchylenie standardowe
przy wykorzystaniu wybranych źródeł promieniowania (lampy halogenowej
109
i/lub ksenonowej). PoniewaŜ dobór mocy źródeł promieniowania na podstawie
graficznej ilustracji zaleŜności σ = f(Pha, Pks) = f2(kha, kks) jest utrudniony,
opracowano aplikację napisaną za pomocą programu Microsoft Visual C# 2010
Express pozwalającą dobierać odpowiednie moce lamp halogenowych
i ksenonowych obliczone dla projektowanych symulatorów multiźródłowych.
• zbadano i opisano, w wyŜej wymienionych programach, moŜliwości
obliczeniowe (współczynników projektowych) metody dla symulatora
wyposaŜonego w pojedynczy typ źródła promieniowania oraz w układ kilku
(dwóch) róŜnych typów sztucznych źródeł (np. lampy halogenowej
lub ksenonowej) (podrozdział 4.4.1 i 4.4.2) przy uwzględnieniu:
∗ rzeczywistych charakterystyk odbiorników promieniowania, czyli zakresów
czułości adekwatnych dla danej klasy odbiorników (krzywych spektralnych
dla ogniw PV np. typu CIS, c – Si, mc – Si, a – Si),
∗ róŜnych zakresów długości fali ∆λ dla zakresów czułości widmowej,
• wykazano i opisano, Ŝe róŜne odbiorniki promieniowania słonecznego
charakteryzują się róŜną czułością widmową z zakresu 100 – 2 000 nm.
Optymalny symulator przeznaczony do badania tych odbiorników powinien być
wyposaŜony w wiele źródeł promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów
z moŜliwością doboru (regulacji) ich mocy do potrzeb danego zakresu.
• ustalono, Ŝe osiągnięcie drogą optymalizacji maksymalnej zgodności
eksperymentalnego i obliczeniowego stopnia dopasowania promieniowania
z sztucznego źródła (lub źródeł) do promieniowania słonecznego jest moŜliwe,
• porównano wyniki obliczeń z danymi normatywnymi (rozdział 5) i wykazano,
Ŝe dotychczasowe normy przyjmują kryterium zgodności rozkładów
widmowych za jeden z warunków będących podstawą klasyfikacji klasy jakości
symulatora (procentowe dopasowanie energii z zakresu UV, VIS i IR widma
symulatora do widma promieniowania słonecznego jest podstawą do określenia
odpowiednich klas symulatorów – A, B, C), a odbiorniki takiego
promieniowania (kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne, badane próbki
materiałów, rośliny czy substancje reagujące chemiczne) wykazują się określoną
czułością widmową. Istotnym czynnikiem wydaje się uzyskanie moŜliwie duŜej
zbieŜności widmowej promieniowania słonecznego i promieniowania
uzyskiwanego w symulatorze (multiźródłowym z moŜliwością regulacji mocy
110
kaŜdej z lamp), czasami tylko w określonym zakresie, węŜszym lub szerszym
niŜ definiują to obowiązujące normy. RównieŜ proponowany szerszy zakres
długości fal – 200 – 1400 nm, a nie jak podaje norma 400 – 1100 nm,
uwzględniany w obliczeniach własnych wynika z brania pod uwagę
rzeczywistych charakterystyk odbiorników promieniowania, czyli krzywych
czułości spektralnej dla ogniw PV typu CIS, c – Si, mc – Si, a – Si,
modelowanie w aspekcie termicznym zrealizowane poprzez:
• opracowanie uproszczonego zastępczego schematu przepływu ciepła
w kolektorze słonecznym i module PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni
(podrozdział 4.5.1 i 4.5.3),
• zaproponowanie uproszczonego zastępczego schematu wymiany ciepła
w kolektorze słonecznym i module PV (podrozdział 4.5.2 i 4.5.4),
• przeprowadzenie bilansu energetycznego w odbiornikach promieniowania
słonecznego (podrozdział 4.5.5).
Przedstawione powyŜej rezultaty i osiągnięcia pracy pozwalają stwierdzić, iŜ cel
główny pracy oraz cele cząstkowe zostały osiągnięte, a teza rozprawy jest
prawdziwa.
Problematyka rozprawy doktorskiej dotyczy symulatorów promieniowania
słonecznego dedykowanych dla określonej grupy odbiorników, np. modułów
fotowoltaicznych czy kolektorów słonecznych. Dotychczasowe publikacje doktorantki
i niniejsza praca wyraźnie wskazują, Ŝe zasadnym jest wykorzystanie w symulatorach
promieniowania słonecznego – nie tak jak dotychczas jednego, ale wielu źródeł
promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów oraz sugerują modyfikację
obowiązujących norm określających zgodność promieniowania symulatora
z promieniowaniem słonecznym. Poprzez zaproponowanie w pracy nowej konstrukcji
symulatorów promieniowania słonecznego, moŜna oczekiwać lepszych konstrukcji
odbiorników, lepszego ich dopasowania do lokalnych warunków promieniowania
słonecznego i tym samym efektywniejszego wykorzystania solarnej energii odnawialnej
przy jednoczesnej redukcji emisji gazów do atmosfery.
Omawiana praca dzięki swojej tematyce wpisanej w dziedzinę
odnawianych źródeł energii została rekomendowana do otrzymania stypendium
z projektu „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski” realizowanego
111
przez Wojewódzki Urząd Pracy w Poznaniu, a autorka pracy została stypendystką
tego projektu w okresie od 1.12.2012 r. do 30.09.2013 r..
PoniewaŜ parametry wyjściowe testowanych m. in. modułów
fotowoltaicznych zaleŜą od poziomu natęŜenia promieniowania, dlatego zbudowanie
nowych symulatorów promieniowania słonecznego pozwoli na dostosowanie takich
wyrobów jak kolektory słoneczne czy moduły PV do róŜnych warunków solarnych.
Praca moŜe teŜ stanowić narzędzie do dokładnej, niezaleŜnej od zewnętrznego
dostawcy lub producenta, oceny efektywności tego typu urządzeń (rzetelne
ekspertyzy, certyfikaty), co sprzyjać będzie eliminowaniu mniej wydajnych rozwiązań
technicznych (moŜliwość utworzenia nowych jednostek usługowo – badawczych).
Opisane rezultaty pracy nie wyczerpują zagadnień widmowo – termicznych
aspektów symulacji promieniowania słonecznego. PoniŜej przedstawiono przykładowe
zagadnienia, które warto by rozwiązać, chcąc wykorzystywać proponowaną
w niniejszej pracy tematykę:
� pomiar rozkładów widmowych źródeł promieniowania równieŜ stosowanych
w budowie symulatorów promieniowania słonecznego – lamp
metalohalogenkowych oraz siarkowych,
� opracowanie algorytmu pozwalającego na symulację promieniowania słonecznego
z uwzględnieniem filtrów i optyki oraz współczynnika udziału źródła związanego
z geometrią, zamocowaniem itp. źródła oraz wpływem konstrukcji urządzenia
� przystosowanie opracowanych rozwiązań do warunków rzeczywistych – budowa
przykładowego symulatora promieniowania słonecznego,
� uzupełnienie podanego w pracy algorytmu w celu przeprowadzenia obliczeń
przy uwzględnieniu wszystkich czynników konstrukcyjnych i optycznych,
� opracowanie wydajnego narzędzia (aplikacji) umoŜliwiającego obliczanie
wymiany ciepła (strumienie konwekcji, radiacji i przewodzenia) w układzie
składającym się z modułu fotowoltaicznego lub kolektora słonecznego.
Aktualność tematyki, otwartość wykorzystywanych w pracy programów
komputerowych oraz złoŜoność problematyki stwarzają duŜe moŜliwości adaptacji
zaproponowanych w pracy aplikacji i rozwiązań nie tylko w jednostkach badawczych
ale i w przemyśle, oraz dają moŜliwości dalszych badań nad tą tematyką. Przewiduje
się, Ŝe prace nad symulacją promieniowania słonecznego będą przez autorkę rozprawy
doktorskiej kontynuowane.
112
LITERATURA
KsiąŜki i czasopisma
[1] Bąk J., Pabjańczyk W.: Podstawy Techniki Świetlnej, Wydawnictwo Politechniki
Łódzkiej, Łódź, 1994.
[2] Bobrowski D., Maćkowiak – Łybacka K.: Wybrane metody wnioskowania
statystycznego, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2006.
[3] Codd D., Carlson A., Rees J., Slocum A.: A low cost high flux solar simulator, Solar
Energy, Elsevier, Vol. 84, Issue 12, December, 2010, Pages 2202–2212
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X10002665 [dostęp:
czerwiec 2013]
[4] Cysewska – Sobusiak A.: Podstawy metrologii i inŜynierii pomiarowej,
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2010.
[5] Domke K., Ratajczak J.: Analiza widm promieniowania źródeł światła przydatnych
do budowy symulatorów promieniowania słonecznego, w: Mat. Konferencji ZKwE
2010 – XV Conference Computer Applications In Electrical Engineering, Poznań,
19 - 21 .04. 2010, s. 225 – 226.
[6] Domke K., Ratajczak J.: Spectrum analysis of the usefulness of the light sources
for building the sun simulators, w: Mat. IIIrd Conference of the Visegrad Countries
on Lighting LUMEN V4, Czechy, Brno, 23–26.06.10.
[7] Domke K., Ratajczak J.: Spectrum analysis of the usefulness of the light sources for
building the sun simulators, Przegląd Elektrotechniczny, nr 10, 2010, s. 183 – 186.
[8] Domke K., Ratajczak J.: Comparison of sun simulators designed for tests
of collectors and photovoltaic cell, Poznan University of Technology Academic
Journals Electrical Engineering, No 62, 2010, s. 179 – 189.
[9] Domke K., Ratajczak J.: The review of the light sources helpful for building the sun
simulators, Poznan University of Technology Academic Journals Electrical
Engineering, No 62, 2010, s. 199 – 208.
[10] Domke K., Ratajczak J.: Aplikacje wspomagające projektowanie dwuźródłowych
symulatorów promieniowania słonecznego, w: Mat. XX Krajowej Konferencji
Oświetleniowej Technika Świetlna (Konferencja PKOŚ), Warszawa, 20-21.10.2011,
s. 128 – 132.
113
[11] Domke K., Ratajczak J.: Widmowe aspekty projektowania symulatorów
promieniowania słonecznego, Przegląd Elektrotechniczny, nr 03a, 2012, s. 95 – 97.
[12] Domke K.: Modelowanie odbicia promieniowania optycznego, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2012.
[13] Dong, X., Ashman, P.J., Nathan. G.J.: A high-flux solar simulator system
for investigating the influence of concentrated solar radiation on turbulent reacting
flows, w: Proceedings of the 50th Annual Conference, Australian Solar Energy
Society (Australian Solar Council), Melbourne, December 2012.
http://solar.org.au/papers/12papers/CSP5Dong.pdf [dostęp: czerwiec 2013].
[14] Drozdov N., Fedotov A., Mazanik A., Partyka J., Węgierek P., śukowski P.: Ogniwa
fotowoltaiczne dla energetyki słonecznej – zagadnienia materiałowe, Wydawnictwa
Uczelniane, Politechnika Lubelska, Lublin, 2006.
[15] Freris L., Infeld D.: Renewable Energy in Power Systems, Wiley, 2008.
[16] Gajewski Z.: Międzynarodowy układ jednostek miar. Mały Poradnik, Wydawnictwo
Naukowo – Techniczne, Warszawa, 1967.
[17] Góralczyk I, Tytko R.: Racjonalna gospodarka energią, Wydawnictwo i drukarnia
Towarzystwa Słowaków w Polsce, Kraków, 2013.
[18] Granek F., śdanowicz T.: Advanced system for calibration and characterization
of solar cells, Opto – electronics review, 12, No.1, 2004, s.57-67.
[19] Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii, Wydawnictwo Instytutu
Technologii Eksploatacji – PIB, Radom – Poznań, 2010.
[20] Guła A., Gumuła S., Buczek A, Chojnacki J, Knap T, Telejko T, Tomczyk P.,
Bębenek Z., Bojarski A., Długosz P., Pająk T., Porada S., Pytel K., Wolszczak J.,
Barcik A., Drobnik P., Figórski A., Gadomski T., Mróz M., Wajss P., Wyrwa A.:
Odnawialne i niekonwencjonalne źródła energii Poradnik, Wydawnictwo Tarbonus,
Kraków – Tarnobrzeg, 2008.
[21] Hauser J.: Elektrotechnika podstawy elektrotermii i techniki świetlnej, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2006.
[22] Hemka L., Łukasiak R., Piotrowski L.: WysokopręŜna lampa – metalohalogenkowa
o rozkładzie widmowym symulującym światło dzienne, Prace Instytutu
Elektrotechniki, Zeszyt 226, 2006, s. 71 - 111.
[23] Hemka L., Piotrowski L., Łukasiak R.: Parametry ilościowe i jakościowe symulatora
D65 zbudowanego na bazie wysokopręŜnej lampy wyładowczej –
metalohalogenkowej, Przegląd Elektrotechniczny, nr 8, 2008, s. 206 - 209.
114
[24] Hemka L., Rafałowski M.: Analiza widmowego współczynnika przepuszczania szkła
o róŜnym składzie chemicznym w zakresie 300 – 380 nm, Prace Instytutu
Elektrotechniki, Zeszyt 237, 2008, s. 245 – 257.
[25] Jastrzębska G.: Odnawialne źródła energii i pojazdy ekologiczne, Wydawnictwa
Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2007.
[26] Jarzębski Z. M.: Energia Słoneczna: Konwersja Fotowoltaiczna, Państwowe
Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1990.
[27] Klugmann – Radziemska E., Klugmann E.: Systemy słonecznego ogrzewania
i zasilania elektrycznego budynków, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko,
Białystok, 2002.
[28] Klugmann – Radziemska E.: Efekty termiczne konwersji energii w krzemowych
ogniwach fotowoltaicznych, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 2005.
[29] Klugmann – Radziemska E., Klugmann E.: Ogniwa i moduły fotowoltaiczne
oraz inne niekonwencjonalne źródła energii, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko,
Białystok, 2005.
[30] Klugmann – Radziemska E.: Fotowoltaika w teorii i praktyce, Wydawnictwo BTC,
Legionowo, 2010.
[31] Kołodziej A.: Stabilność cienkowarstwowych tranzystorów krzemowych oraz ogniw
słonecznych, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo – Dydaktyczne Akademii
Górniczo – Hutniczej im. ST. Staszica w Krakowie, Kraków, 2008.
[32] Konieczka P. Namieśnik J.: Ocena i kontrola jakości wyników pomiarów
analitycznych, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2007.
[33] Kopeć B. Wachta H.: Instalacje elektryczne i oświetlenie Podstawy techniki
świetlnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2004.
[34] Lewandowski W. M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa
Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2001.
[35] Lewandowski W. M.: Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa
Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2007.
[36] Leitner R., Zacharski J.: Zarys matematyki wyŜszej, Wydawnictwa Naukowo –
Techniczne, Warszawa, 1998.
[37] Luque A., Hegedus S.: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley,
2008.
115
[38] Minemoto T., Nakada Y., Takahashi H., Takakura H.: Uniqueness verification
of solar spectrum index of average proton energy for evaluating outdoor performance
of photovoltaic module, Elsevier, Solar Energy, 83, 2009, s. 1294 – 1299.
[39] Mrozek B., Mrozek Z.: MATLAB i Simulink Poradnik uŜytkownika, Wydawnictwo
HELION, Gliwice, 2004.
[40] Nowicki J.: Promieniowanie słoneczne jako źródło energii, Wydawnictwo Arkady,
Warszawa, 1980.
[41] Nowicki M.: Nadchodzi era Słońca, Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa, 2012.
[42] Ostanin A.: Metody optymalizacji z MATLAB, Wydawnictwo NAKOM, Poznań,
2010.
[43] Oszczak W.: Kolektory słoneczne i fotoogniwa w Twoim domu, Wydawnictwa
Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2012.
[44] Pelland P.: Projektuj sam! Microsoft Visual C#2008 Express Edition, Polska edycja
Wydawnicza APN Promise Sp. Z o. o., Warszawa, 2008.
[45] Praca zbiorowa członków Polskiego Komitetu Oświetleniowego SEP: Technika
Świetlna ’09 Poradnik – Informator tom 1, Zakład Wydawniczy Lester Quality
Warszawa, 2009.
[46] Praca zbiorowa pod kierunkiem M. Zawadzkiego: Kolektory Słoneczne, Pompy
Ciepła – Na Tak, Oficyna Wydawnicza firmy Ekologia Sp. z o.o. , Warszawa, 2003.
[47] Palz W.: SOLAR ELECTRICITY An Economic Approach to Solar Energy,
Butterworths, Unesco, 1978.
[48] Pawluk K. Symbole literowe w tekstach z zakresu elektryki według norm IEC
i IEEE, Przegląd Elektrotechniczny, nr 7, 2011, s. 288 – 291.
[49] Pluta Z.: Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2000.
[50] Pluta Z.: Słoneczne instalacje energetyczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa, 2007.
[51] Popczyk J.: Energetyka Alternatywna, Wydawnictwo Dolnośląskiej WyŜszej Szkoły
Przedsiębiorczości i Techniki w Polkowicach, Polkowice, 2011.
[52] Porada Z.: Autonomiczne systemy fotowoltaiczne w warunkach Krakowa i okolic,
elektroinfo, nr 3, 2010, s. 56 - 58. www.elektro.info.pl [dostęp: marzec 2010]
[53] Pratap R.: MATLAB 7 dla naukowców i inŜynierów, Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa, 2009.
116
[54] Ratajczak J.: Oświetlenie iluminacyjne obiektów architektonicznych, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2009.
[55] Ratajczak J.: Analiza wymagań normatywnych dla symulatorów promieniowania
słonecznego, w: Mat. I Ogólnopolskiej Konferencji Młodych Energetyków,
Warszawa, 14 – 16 .04.2010, s. 82 - 85.
[56] Ratajczak J.: Przegląd symulatorów promieniowania słonecznego przeznaczonych
do badań kolektorów i ogniw fotowoltaicznych, w: Mat. Konferencji ZKwE 2010 –
XV Conference Computer Applications In Electrical Engineering, Poznań,
19-21.04.10, s. 223 – 224.
[57] Ratajczak J.: Conformity Assessment of the Solar Simulators Spectrums
and the Solar Radiation Spectrum in the Actual Weather Conditions, w: Mat.
III International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists
InterTech 2010, Poznań, 19 – 21.05.2010, s. 226 – 230.
[58] Ratajczak J.: Efektywność symulatorów multiźródłowych zbudowanych na lampie
halogenowej i ksenonowej, w: Mat. Konferencji ZKwE 2011 – XVI Conference
Computer Applications In Electrical Engineering, Poznań, 11-13.04.11, s. 229 - 230.
[59] Ratajczak J.: Spectral Aspects of the Design of Two - Souce Sun Simulators,
w: Mat. 4th International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists
InterTech 2011, Poznań, 18 – 20.05.2011, s. 136 – 143.
[60] Ratajczak J.: Efficiency of multi – source simulators built on a halogen and xenon
lamp, Poznan University of Technology Academic Journals Electrical Engineering,
No 65, 2011, s. 173 – 183.
[61] Ratajczak J., Domke K.: Spectral distributions of halogen lamps of different power,
w: Mat. 5th International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists
InterTech 2012, Poznań, 16 – 18.05.2012, s. 265 – 269.
[62] Ratajczak J., Domke K.: Model cieplny ogniw PV i kolektorów, Poznan University
of Technology Academic Journals Electrical Engineering, 70/2012, No 70, 2012,
s. 291 – 298.
[63] Ratajczak J., Wiczyński G., Domke K.: Badanie i analiza wypadkowego rozkładu
widmowego promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych, Poznan University
of Technology Academic Journals Electrical Engineering, No 73, 2013, s. 193 – 199.
[64] Ratajczak J., Wiczyński G., Domke K.: Stanowisko do pomiaru rozkładu
widmowego promieniowania lamp ksenonowych, Poznan University of Technology
Academic Journals Electrical Engineering, No 73, 2013, s. 201 – 207.
117
[65] Ratajczak J., Wiczyński G., Domke K.: Examination of spectral distribution
of radiation emitted by halogen and xenon lamps, Computer Applications
in Electrical Engineering, Politechnika Poznańska, Poznań, w druku, planowany
termin publikacji grudzień 2013.
[66] Ratajczak J.: The spectral distributions of halogen and xenon lamps, PAK – Pomiary
Automatyka Kontrola, w druku.
[67] Rodacki T., Kandyba A.: Przetwarzanie energii w elektrowniach słonecznych,
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2000.
[68] Rodziewicz T., Zdanowicz T., Ząbkowska-Wacławek M.: Performance of PV
modules fabricated in different technologies at strongly changeable insolation
conditions, w: Proc. of 17th EC PV Solar Energy Conference, 2001, s. 540–543.
http://156.17.13.7/main.htm [dostęp marzec 2010].
[69] Roy J. N., Govardhan Rao Gariki, Nagalakhsmi V.: Reference module selection
criteria for accurate testing of photovoltaic (PV) panels, Elsevier, Solar Energy,
84, 2012, s. 32 – 36.
[70] Sładkowski W.: Sztuczne nieboskłony o rozkładzie luminancji nieba całkowicie
zachmurzonego, Rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań, 1991.
[71] Sarniak M.: Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa, 2008.
[72] StrzyŜewski J.: Bezpieczny dom rodzinny Instalacje elektryczne tom II Alternatywne
źródła – energia odnawialna, Polcen Spółka z o. o., Warszawa, 2011.
[73] Ścigocka G., Dybczyński W., Halak A.: Odwzorowanie promieniowania
słonecznego dla badań ogniw fotowoltaicznych, w: Materiały Elektroniczne 1982
nr 1(37), Wydawnictwo Przemysłu Maszynowego "WEMA", Warszawa, 1982.
http://rcin.org.pl/dlibra/docmetadata?id=6311&from=&dirids=1&ver_id=&lp=1&Q
I=A595C2DA631DF3592711E7DAA7ECBC6A-45 [dostęp: czerwiec 2013]
[74] Treichel W., Stachurski M.: Matlab dla studentów ćwiczenia, zadania, rozwiązania,
Wydawnictwo WITKOM, Warszawa, 2009.
[75] Tytko R.: Odnawialne źródła energii, Wydawnictwo OWG, Warszawa, 2009.
[76] Tytko R.: Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej, Wydawnictwo i Drukarnia
Towarzystwa Słowaków w Polsce, Kraków, 2013.
[77] Wacławek M. Rodziewicz T.: Ogniwa słoneczne wpływ środowiska naturalnego
na ich pracę, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2011.
118
[78] Wiśniewski A. Elektryczne źródła światła, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej; Warszawa, 2010.
[79] Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk M., Kurowski K.: Kolektory słoneczne
Poradnik wykorzystania energii słonecznej, Wydanie III, Centralny Ośrodek
Informacji Budownictwa PP, Warszawa, 2006.
[80] Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk M., Kurowski K., Więcka A.: Kolektory
słoneczne energia słoneczna w mieszkalnictwie, hotelarstwie i drobnym przemyśle,
Dom Wydawniczy Medium, Warszawa, 2008.
[81] Wojas J.: Promieniowanie termiczne i jego detekcja, Wydawnictwa Naukowo –
Techniczne; Warszawa, 2008.
[82] Wolańczyk F.: Jak wykorzystać darowaną energię, Wydawnictwo KaBe, Krosno,
2011.
[83] Woś A.: ABC meteorologii, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. Adama
Mickiewicza w Poznaniu, Poznań, 2005.
[84] Woś A.: Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu
im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Poznań, 2006.
[85] śagan W.: Podstawy Techniki Świetlnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej; Warszawa, 2005.
[86] śdanowicz T., Roguszczak H., Prorok M.: Facilities for PV modules and cells
characterization in SOLARLAB, w: Mat. PV In Europe – from PV Technology
to Energy Solutions, Rome, Italy, 11 – 17 October 2002.
[87] śdanowicz T., Rodziewicz T., Ząbkowska - Wacławek M.: Effect o fair mass factor
on the performance of different type of PV modules, Opto – electronics review,
12, No. 1, 2004, s. 69 – 73.
119
Strony internetowe
[88] http://pl.wikipedia.org/wiki/S%C5%82o%C5%84ce [dostęp: lipiec 2009].
[89] http://www.gazetaprawna.pl/szukaj/?c=1&q=Kolektory+s%C5%82oneczne+obowi
%C4%85zkowo+w+ka%C5%BCdym+domu.+Ceny+nieruchomo%C5%9Bci+p%C3
%B3jd%C4%85+w+g%C3%B3r%C4%99 [dostęp: lipiec 2012].
[90] http://www.tvn24.pl/12692,1605421,,,slonce-znad-sahary-ogrzeje-
niemcy,wiadomosc.html [dostęp: lipiec 2009].
[91] http://www.tvn24.pl/12692,1609545,0,1,afrykanskie-slonce-ogrzeje-
europe,wiadomosc.html [dostęp: lipiec 2009].
[92] http://pl.wikipedia.org/wiki/Lampa_siarkowa [dostęp: styczeń 2010].
[93] http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_lamp [dostęp: styczeń 2010].
[94] http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_lamp [dostęp: styczeń 2010].
[95] http://www.lighting.philips.com [dostęp: styczeń 2010].
[96] http://www.osram.pl/osram_pl/ [dostęp: styczeń 2010].
[97] http://pv.pl/materialy-szkoleniowe [dostęp: kwiecień 2011].
w: Mat. szkoleniowe FOTOWOLTAIKA – projekt realizowany przez Politechnikę
Warszawską, IMiO, zespół Fotowoltaiki.
[98] http://www.oceanoptics.com/Products/maya.asp [dostęp: listopad 2012].
[99] http://jp.hamamatsu.com/products/sensor-ssd/pd186/index_en.html
[dostęp: listopad 2012].
[100] http://www.energiasloneczna.com/wspolpraca/P.A.N%20sprawozdanie%20z%20bad
an.pdf Pluta Z, Wnuk R.: Sprawozdanie z przeprowadzonych badań i wykonania
charakterystyk cieplnych Kolektora promieniowania słonecznego Heliostar 202
firmy Thermo-solar Polska, Warszawa, lipiec, 2001 (PDF) [dostęp: marzec 2013].
[101] http://www.ippt.gov.pl/zaklady/zpeb/Energetyka_sloneczna.html
[dostęp: styczeń 2010].
[102] http://www.lighting.pl/index.php?s_id=16&akcja2=osoba&litera=D&o_id=26
[dostęp: kwiecień 2013].
[103] http://www.kfm.p.lodz.pl/warsztaty/prezentacje/9-Ulanski.pdf
[dostęp: kwiecień 2013].
[104] http://156.17.13.7/main.htm - Solar LAB [dostęp: maj 2009].
[105] http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnensimulator#Lichtquelle [dostęp: kwiecień 2013].
120
[106] http://www.photoemission.com/SolarSimulationSystems.html
[dostęp: kwiecień 2013].
[107] http://www.newport.com/Solar-Simulator-Guide/1016231/1033/content.aspx
[dostęp: kwiecień 2013].
[108] http://www.msscientific.de/lamp_overview.htm [dostęp: kwiecień 2013].
[109] http://elibrary.ru/item.asp?id=12723407
Ivantsev A. S., Zhuchkova T. I.: Halogen incandescent lamp as a Sun – Simulator
[dostęp: czerwiec 2013].
[110] http://www.fotowoltaika.dsod.pl/ [dostęp: czerwiec 2013].
[111] http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-TYLX200611011.htm
Wang Yuan1,Zhang Linhua2 Design Of A New Type Of Full-Spectrum Solar
Simulator [dostęp: czerwiec 2013].
[112] http://adsabs.harvard.edu/abs/2004SPIE.5520...45W
Warner, Jeffrey H.; Walters, Robert J.; Messenger, Scott R.; Lorentzen, Justin R.;
Summers, Geoffrey P.; Cotal, Hector L.; Karam, Nassar H.: Measurement and
characterization of triple junction solar cells using a close matched multizone solar
simulator [dostęp: czerwiec 2013].
[113] http://www.ise.fraunhofer.de/de/servicebereiche/testlab-pv-modules
[dostęp: czerwiec 2013].
[114] http://www.słoneczny.com.pl/keymark.php [dostęp: czerwiec 2013].
[115] http://www.estif.org/solarkeymarknew/index.php [dostęp: czerwiec 2013].
[116] http://www.solarenergy.ch/index.php?id=44 [dostęp: czerwiec 2013].
[117] http://www.helmholtz-berlin.de/projects/pvcomb/angebot/analytik/sosi_de.html
[dostęp: czerwiec 2013].
[118] http://www.aikondocdesign.com/KHS/khspg2.htm [dostęp: czerwiec 2013].
121
Normy
[119] PN – 85/N – 01103 Promieniowanie optyczne – oznaczenia wielkości fizycznych
[120] PN – 90/E – 01005 Technika Świetlna. Terminologia.
[121] PN – EN 2591 – 320 Lotnictwo i kosmonautyka Elementy złączy elektrycznych i
optycznych Metody Badań Część 320: Symulowane promieniowanie słoneczne na
poziomie ziemi.
[122] PN – EN ISO 9488 Energia słoneczna. Terminologia.
[123] PN – EN 12975 – 2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Kolektory
słoneczne – Część 2: Metodyka badań.
[124] PN – EN 12976 – 2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Urządzenia
wykonywane fabrycznie – Część 2: Metodyka badań.
[125] PN – EN 60904 – 1 Elementy fotowoltaiczne Część 1: Określanie fotowoltaicznych
charakterystyk prądowo – napięciowych.
[126] PN – EN 60904 – 3 Elementy fotowoltaiczne Część 3: Zasady pomiaru
fotowoltaicznych (PV) elementów słonecznych przeznaczonych do zastosowań
naziemnych z wykorzystaniem wzorcowego widma promieniowania.
[127] PN – EN 60904 – 7 Elementy fotowoltaiczne Część 7: Obliczanie błędu
wynikającego z niedopasowania spektralnego powstającego w trakcie testowania
elementu fotowoltaicznego.
[128] PN – EN 60904 – 8 Elementy fotowoltaiczne Część 8: Pomiar czułości widmowej
elementu fotowoltaicznego (PV).
[129] PN – EN 60904 – 9 Elementy fotowoltaiczne Część 9: Wymagania dla symulatorów
promieniowania słonecznego.
[130] PN – EN 50461 Ogniwa słoneczne – Karta informacyjna produktu i specyfikacja
parametrów dla krystalicznych ogniw krzemowych.
[131] PN – EN 60068 – 2 – 5 Badania środowiskowe – Część 2 – 5 Próba Sa:
Odtworzenie nasłonecznienia występującego na powierzchni ziemi.
[132] CIE TECHNICAL REPORT SOLAR SPECTRAL IRRADIANCE, CIE 1990.