Widmowo-termiczne aspekty symulacji promieniowania słonecznego
advertisement
POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Elektryczny JOANNA RATAJCZAK WIDMOWO – TERMICZNE ASPEKTY SYMULACJI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO Rozprawa doktorska Promotor: dr hab. inŜ. Konrad Domke, prof. PP Poznań, grudzień 2013 „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.) 2 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 3 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 1 grudnia 2012 r. – 30 września 2013 r. Autorka rozprawy doktorskiej jest stypendystą 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-measure 8.2.2 Human Capital Operational Programme, co-financed by European Union under the European Social Fund. 4 Spis treści STERSZCZENIE……………………………………………………………………….7 SUMMARY……………………………………………………………………………..7 WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ……....…………………………………...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 5 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 KOŃCOWE POMIARÓW, SYMULACJI I OBLICZEŃ…......………….......………….104 6. PODSUMOWANIE…….………..……………..……………..………..……107 LITERATURA…………..………..……………..……………..……………..……112 ZAŁĄCZNIKI ZAŁĄCZNIK 1 Rozkład widmowy wzorcowego natęŜenia promieniowania słonecznego ……………...3 ZAŁĄCZNIK 2 Pomiar spektralnego natęŜenia promieniowania lamp halogenowych – przykład obliczeniowy ……………………..…….…………………………..………...6 ZAŁĄCZNIK 3 Wykresy rozkładów widmowych promieniowania lamp ksenonowych, szczegółowe dane dotyczące wybranej krzywej oraz przykład obliczeniowy…………..8 ZAŁĄCZNIK 4 Wykresy rozkładów widmowych promieniowania badanych układów źródeł promieniowania oraz przykład obliczeniowy ……………………..…….…………..…52 ZAŁĄCZNIK 5 Opracowany algorytm obliczeniowy pozwalający uwzględnić zjawiska widmowe zaimplementowany do programu Matlab oraz przykład obliczeniowy.………..………57 6 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. 7 WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ Wielkości skalarne AM(X) – masa optyczna atmosfery dla dowolnej długości drogi promieniowania [-] E – natęŜenie promieniowania (napromienienia) [W·m-2] lub gęstość strumienia promieniowania Eλ , ES – widmowe (spektralne) natęŜenie promieniowania [W·m-2·µm-1] (irradiancja spektralna) 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 T, t – temperatura (bezwzględna), temperatura [A/W] [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 ~ Φ - zastępczy współczynnik konfiguracji [W] [-] 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 8 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] [W·m-1·K-1] λc – przewodność cieplna właściwa 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 9 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 10 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. 11 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 12 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 13 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 14 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 do nazywa 2 000 nm), promieniowania się widzialnego, symulatorem zakresie promieniowania (200 nm 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, promieniowania słonecznego gdy staje na się poziomie laboratoryjnym codziennością, aby symulatory promieniowania słonecznego, celowym dedykowane dla symulacja wydaje danej się, 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. 15 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 16 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 63 200 +/- 35% +/- 25% 186 +/- 10% +/- 10% 174 492 +/- 10% +/- 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 Φ [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 Eλ, ES [W·m-2·µm-1] to natęŜenie promieniowania słonecznego na jednostkę długości fali przy danej długości fali. [119, 122] Stała słoneczna I0 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]: 17 M eλT = gdzie: c1 λ 5 ⋅ 1 c exp 2 − 1 λT [W·m-2·m-1] (2.1) 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]: λmax = 2897,8 T [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. 18 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: AM( X ) = 1 1 = sin α S cos Θ Z (2.3) gdzie: Θz – kąt zenitalny - kątowa odległość Słońca od pionu αs – kąt wzniesienia Słońca (kąt pozornej wysokości (h) Słońca) – kąt dopełniający kąta zenitalnego (kąt pomiędzy wiązką bezpośredniego promieniowania słonecznego a płaszczyzną poziomą wyraŜony w stopniach) αs = 900 - Θz [71, 73, 82, 97, 122, 126] Rozkłady widmowe mierzone na powierzchni Ziemi dla przykładowych, pozornych wysokości Słońca (αs) oznaczono odpowiednio: • AM1 dla αs = 900 • AM1,2 dla αs = 56,40 19 róŜnych, • 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). 20 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. 21 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. 22 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]: S( λ )rel = S( λ ) S( λ ) max [-] (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 oznaczają (mc-Si) 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]. 23 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] 24 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] 25 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 „Błękitnym 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 26 do selektywnego przepuszczania 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 27 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] 28 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] 29 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] 30 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] 31 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 32 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. 2.19 Widmo symulatora promieniowania słonecznego SS150 porównane z widmem promieniowania słonecznego dla AM1,5 (znormalizowane dla 1000 W·m-2) [18, 55] Rys. 2.18 Ogólny widok kompletnego systemu opracowanego w SolarLab [18] 33 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) 34 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] 35 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 standardowego kryptonu) pochłania oraz ksenonem gazu filtra znaczną zamiast wypełniającego wodnego, część – który 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 36 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] 37 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] 38 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]: 39 max nat. prom. - min nat. prom. N (% ) = ⋅ 100% max nat. prom. + min nat. prom. (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 40 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). 41 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. 42 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 elektrycznych, scharakteryzowania eksploatacyjnych czy podstawowych konstrukcyjnych. właściwości Podczas świetlnych, źródeł oceny 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 43 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 44 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 i dyskotekowym, wewnętrznym w i rzutnikach zewnętrznym, oraz głównie w oświetleniu scenicznym 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] 45 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 46 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] 47 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 rtęciowe 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. 48 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 49 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 50 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, 51 • 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, 52 • 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. 53 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 (uśrednionych) wykonywane warunkach zwanych są w STC znormalizowanych (Standard Test standardowych 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 54 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 0 C) jest dobrym materiałem fotowoltaicznym, a w temperaturach wysokich np. ok. 473 K (198 0C) sprawność konwersji ogniwa maleje do poziomu 5% wartości odpowiadającej Temperatura odpowiada 298K [30]. ogniwa rzadko warunkom STC i wynosi ~ 50 0C gdy na dworze jest ~ 30 0 0 C, a ~ 0 C 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. 55 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] 56 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 57 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). 58 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 59 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] 60 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). 61 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 62 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: 2 r Θ ESR (λ ) ⋅ R ⋅ IR r2 Θ I W (λ ) = I PHR (λ ) [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: 63 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: E S (λ ) = I PH (λ ) ⋅ W (λ ) = [I PHD (λ ) − I D (λ )] ⋅ W (λ ) Wyznaczenie końcowego, sumarycznego, [mW·m-2·nm-1] spektralnego (4.8) 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: E sγ (λ ) = I PH (λ ) ⋅ W (λ ) = [I PH (λ ) − I D (λ )] ⋅ W (λ ) Es(λ) =Esγ(λ) cos γ [mW·m-2·nm-1·LSB-1] [mW·m-2·nm-1] (4.9) (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 64 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 65 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 (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 66 halogenowych 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 szczegółowe dane dotyczące wybranej krzywej oraz przykład ksenonowych, 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. 67 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. 68 69 400 W/230 V Tb 2 950 K, 650 W/230 V Tb 3 200 K, 800 W/230 V Tb 3 200 K, 1 000 W/230 V Tb 3 200 K oraz 1 000 W/230 V Tb 3 000 K Rys. 4.17 Wyznaczone eksperymentalnie rozkłady widmowe promieniowania lamp o następujących parametrach: 350 W/230 V Tb 2 900 K, 70 Rys. 4.18 Eksperymentalnie wyznaczone rozkłady widmowe promieniowania lamp ksenonowych o następujących mocach: 700, 800, 900 i 1000 W 71 Rys. 4.19 Eksperymentalny, sumaryczny (wypadkowy) rozkład widmowy promieniowania lamp halogenowej o mocy 350 W i ksenonowej o mocy 1 000 W 72 Rys. 4.20 Eksperymentalny, sumaryczny (wypadkowy) rozkład widmowy promieniowania lamp halogenowej o mocy 1 000 W (Tb 3 200 K) i ksenonowej o mocy 1 000 W 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 λ = 400 nm do λ = 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 niestabilność problemem termiczna podczas jednego z wykonywania uŜytych pomiarów spektrometrów. okazała się 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. 73 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: λ2 E ef,i − x = ∫ SR x (λ ) ⋅ E λ ,i (λ )dλ ≅ SR x,śr(λ1 ÷ λ1 + ∆λ) (λ ) ⋅ Ei,śr(λ1 ÷λ1 + ∆λ) (λ ) ⋅ ∆λ (4.11) λ1 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). N σ = ∑ (x i =1 − x śr ) N 2 i n −1 σ = (4.12) ∑ (x i =1 i − µx ) n 2 (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 74 (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: ∑ (E N σ = ef,Sł − x (λ ) − Eef,źr − x (λ ) ⋅ k i ⋅ k u )2 W m 2 1 N (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: ∑1 Eef,Sł−x (λ ) − ∑j Eef,źrj−x (λ ) ⋅ k ij ⋅ k u σ= N N 2 W m 2 gdzie indeksem j oznaczono kolejne typy źródeł promieniowania (np. ha - halogenowe, ks - ksenonowe) 75 (4.15) 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. 76 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 [nm] σ - 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 77 78 Rys. 4.21 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału c – Si przedział długości fali 200 – 1 400 nm 79 Rys. 4.22 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału mc – Si przedział długości fali 400 – 800 nm (VIS) 80 Rys. 4.23 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału a – Si przedział długości fali 200 – 400 nm (UV) 81 Rys. 4.24 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału CIS przedział długości fali 800 – 1 400 nm (IR) 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 [nm] σ - 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 82 83 Rys. 4.25 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału c – Si przedział długości fali 900 – 1 000 nm 84 Rys. 4,26 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału mc – Si przedział długości fali 800 – 900 nm 85 Rys. 4.27 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału a – Si przedział długości fali 400 – 500 nm 86 Rys. 4.28 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału CIS przedział długości fali 1 200 – 1 300 nm 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 87 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 promieniowania jest równieŜ słonecznego fakt, Ŝe podstawowym przeznaczonego do zadaniem zastosowań symulatora 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, 88 podczas projektowania symulatorów 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 Oba rozwiązania i ich ograniczenia zostały szerzej opisane w podrozdziale 4.4.2. 89 lamp. 90 róŜne punkty w otoczeniu minimum co przekłada się na bardzo małe róŜnice wartości odchylenia standardowego Rys. 4.29 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału a – Si przedział długości fali 600 – 700 nm obrazujący 91 przykładowe punkty dla minimalnej wartości odchylenia standardowego powtarzające się z pewną regularnością Rys. 4.30 Wykres odchylenia standardowego w funkcji kha i kks dla materiału a – Si przedział długości fali 700 – 800 nm obrazujący 92 Rys. 4.31 Wykres obrazujący, Ŝe uśrednianie wyników dla duŜych zakresów ∆λ zamazuje błędy popełniane w węŜszych (np.: 100 nm) zakresach 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 93 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] 200 300 400 500 575 600 650 750 800 1 000 1 200 1 250 2 000 2 500 5 000 10 000 20 000 Tab. 4.5 Zestawienie mocy lamp ksenonowych z uwzględnieniem trzonków [96] P [W] 75, 100 150 250 450 500 550 700 900 trzonek GX6,35 GX6,35; GY9,5 GY9,5 GY9,5 2 kołki GY9,5 GY9,5; G22; R7s 2 kołki G9,5; R7s GX6,35;GX9,5;G9,5; G22;R7s GX9,5; G22 R7s G22; GY16; G38; R7s G22 G38; K24s G38 G38 1 000 1 550 1 600 2 000 2 500 3 000 3 600 4 000 4 200 4 500 5 000 6 000 7 000 8 000 9 800 12 000 94 trzonek SFa9-2(+) SFa7,5-2(-) SFc12-4(+) SFcX12-4(-) SFa16-8(+) SFa16-10(-) SFa20-8(+) SFa20-10(-) SFa16-8(+) SFa15-10(-) Kabel(+) SFc15-6(-) SK27/50(+) SFcX27-8(-) SFa25-10(+) SFa25-12(-) SFa27-11(+) SFcX27-8(-) SK27/50(+) SFcX27-8(-) SFa25-14(+) SFc25-14(-) SFa27-11(+) SFcX27-8(-) SK27/50(+) SFcX27-8(-) SFa27-10(+) SFa27-12(-) SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-) SK27/50(+) SFcX27-8(-) SFa27-10(+) SFa27-12(-) SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-) SFaX27-13(+) SFaX27-14(-) SFa27-14(+) SFc27-14(-) SFaX27-13(+) SFaX27-14(-) SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-) SFa27-14(+) SFc27-14(-) SFc28-13(+) SFc28-13(-) SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) SFaX27-13(+) SFaX27-14(-) SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) SFa30-9,5(+) SFa30-7,9(-) SFaX30-9,5(+)SFa39-15/110(-) 95 ciepła w kolektorze odbitego, Ea [W/m2] – natęŜenie promieniowania zaabsorbowanego, Ep [W/m2] – natęŜenie promieniowania przepuszczonego wymiany kolektora słonecznego. E1 [W/m2] – natęŜenie napromienienia padającego na powierzchnię kolektora, Eo [W/m2] – natęŜenie promieniowania schemat z zaznaczonymi gęstościami strumieni [12]: qk – konwekcji, qr – radiacji, qp – przewodzenia oraz , quŜ – ciepła odbieranego przez ciecz roboczą Uproszczony Rys. 4.32. Uproszczony schemat wymiany ciepła w kolektorze słonecznym cieczowym (wybrany wariant konstrukcji) [wg: 17, 43, 72, 76, 80] 4.5 Modelowanie – aspekty termiczne 4.5.1 Schemat budowy kolektora słonecznego z zaznaczonymi gęstościami strumieni słonecznym z zaznaczonymi gęstościami strumieni cieplnych q opisany został w [62] i przedstawiony na Rys. 4.32. 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] Rys. 4.33. Zastępczy schemat cieplny kolektora słonecznego z zaznaczonymi gęstościami strumieni cieplnych q i oporami cieplnymi właściwymi i przedstawiony na Rys. 4.33. 96 97 ciepła w module Ea [W/m2] – natęŜenie promieniowania zaabsorbowanego, Ep [W/m2] – natęŜenie promieniowania przepuszczonego wymiany E1 [W/m2] – natęŜenie napromienienia padającego na powierzchnię ogniwa , Eo [W/m2] – natęŜenie promieniowania odbitego, schemat strumieni [12]: qk – konwekcji, qr – radiacji, qp – przewodzenia oraz quŜ – energii elektrycznej zamienianej w prąd w warstwie ogniwa krzemowego panelu PV. Uproszczony Rys. 4.34. Uproszczony schemat wymiany ciepła w module fotowoltaicznym (wybrany wariant konstrukcji) [wg: 17, 30, 43, 72, 76, 77] z zaznaczonymi gęstościami 4.5.3 Schemat budowy modułu PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni fotowoltaicznym z zaznaczonymi gęstościami strumieni cieplnych q przedstawiono na Rys. 4.34. 4.5.4 Zastępczy schemat cieplny modułu PV Zastępczy schemat cieplny modułu PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni Rys. 4.35. Zastępczy schemat cieplny ogniwa PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni cieplnych q i oporami cieplnymi właściwymi cieplnych q i oporami cieplnymi właściwymi został przedstawiony na Rys. 4.35. 98 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: ( q r = σε (TPV/Kol ) ⋅ T 4 PV/Kol − T 4 ot ) (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: q k = α k (t PV/Kol − t ot ) (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 ρth p = - ścianka płaska wielowarstwowa ρth p = l li ∑λ - walec wydrąŜony jednowarstwowy ρ th p = 99 (4.19) λc i ci r2 ⋅ ln λc (4.20) r2 r1 (4.21) b) przewodzenie ciepła – konwekcja na ściance - konwekcyjna wymiana z płaskiej powierzchni ρth k = 1 αk (4.22) -konwekcyjna wymiana z powierzchni walca (wewnętrznej lub zewnętrznej) ρ th k = c) 1 (4.23) αk radiacja – przekazywanie ciepła przez promieniowanie - radiacyjna wymiana z płaskiej powierzchni ρ th r = 1 αr (4.24) gdzie współczynnik przejmowania ciepła αr przez promieniowanie jest funkcją: αr = σ (T1 )4 − (T2 )4 Φ~ 1− 2 T1 − T2 (4.25) ~ a Φ 1− 2 to zastępczy współczynnik konfiguracji Dla powierzchni S1 i S2, z których powierzchnia S1 znajduje się wewnątrz powierzchni ~ S2 zastępczy współczynnik konfiguracji Φ 1− 2 określa się wzorem [21]: ~ Φ 1− 2 = 1 1 S1 1 − 1 + ε1 S2 ε 2 (4.26) ~ Wzory określające Φ 1− 2 dla innych przypadków podano w literaturze [21]. Bilans energetyczny dla przykładowego węzła – nr 7 (Rys.4.33) – przedstawia równanie: qr 8 + qk10 + q p11 = q p13 + q p15 (4.27) qr 8 + qk10 + q p11 − q p13 − q p15 = 0 (4.28) czyli 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 100 promieniowania zaabsorbowanego (Ea) oraz natęŜenie promieniowania przepuszczonego (Ep) związane równaniem: E1 = E p + E a + E o (4.29) E1 = E1 ⋅ τ + E1 ⋅ α z + E1 ⋅ ρ z (4.30) gdzie: αz – absorpcyjność osłony kolektora τ – transmisyjność osłony ρz – refleksyjność zewnętrzna osłony kolektora oraz τ +αz + ρz = 1 (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: τ ef ⋅ E1 = (α a ⋅ τ )ef ⋅ E1 + (ρ a ⋅ τ )ef ⋅ E1 (4.32) gdzie α a i ρa są odpowiednio absorpcyjnością i refleksyjnością absorbera (αa + ρa=1). Warto zauwaŜyć, Ŝe (α a ⋅ τ )ef i (ρ a ⋅ τ )ef 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 101 przypadku suma gęstości strumieni konwekcji i radiacji padających na absorber jest równa sumie gęstości strumieni przewodzenia: q k 4 + q k 5 + q r 6 = q p 7 + q p11 (4.33) Sprawność optyczną kolektora (optical efficiency) o powierzchni absorbera A Kol moŜna zdefiniować następująco: ηo = τ ef (1 − ρ a )ef ⋅ E1 ⋅ AKol Ak ⋅ E1 (4.34) dla ρa = 0 z równania (4.32) otrzymujemy τ ef ⋅ E1 = (α a ⋅ τ )ef ⋅ E1 oraz ηo = τ ef ⋅ E1 ⋅ AKol AKol ⋅ E1 czyli ηo = (τα a )ef . Bilans energetyczny tak opisanego absorbera moŜna zapisać następująco: q uŜ = η o ⋅ E1 ⋅ AKol − q ST (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 q STt = q k + q r (dla gęstości strumieni qr i qk rys. 4.30) (4.36) oraz strat „optycznych” q STo = (1 − η o ) ⋅ E1 ⋅ AKol (4.37) Po wprowadzeniu równań (4.36) i (4.37) do równania (4.35) otrzymujemy quŜ = E1 ⋅ AKol − q STo − q STt = E1 ⋅ AKol − (q k + q r ) − (E1 ⋅ AKol − η o ⋅ E1 ⋅ AKol ) = = E1 ⋅ AKol − q k − q r − E1 ⋅ AKol + η o ⋅ E1 ⋅ AKol (4.38) dla (4.32) i ρa=0 q uŜ = τ ef ⋅ E1 ⋅ AKol − q k − q r (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. η KolSł = 102 quŜ AKol ⋅ E1 (4.40) 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: η KolSł = Kolektory q ST + q STt q uŜ = ηo − o = η o − η STo − η STt AKol ⋅ E1 AKol ⋅ E1 mogą przekształcić w energię -2 cieplną (4.41) ok. 75% energii 2 promieniowania (z średniej ok. 1 000 kWh·m ). Z 1 m 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). 103 5. REZULTATY KOŃCOWE POMIARÓW, SYMULACJI I OBLICZEŃ 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 Przedział długości fali ∆λ[nm] 200-300 300-400 400-500 500-600 600-700 700-800 800-900 900-1000 1000-1100 1100-1200 1200-1300 1300-1400 Procentowy udział promieniowania Słońca w zakresie 400-1100 200-1400 wg PN dla PV (dane krzywa) 18,400% 19,900% 18,400% 14,900% 12,500% 15,900% Σ 100% 0,000% 9,375% 17,500% 17,656% 15,156% 12,969% 8,750% 5,156% 5,781% 2,813% 4,219% 0,625% Σ 100% 104 Typy ogniw PV CIS c – Si mc – Si a – Si 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 105 typów źródeł promieniowania (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 c – Si mc – Si a – Si CIS 414 478 332 738 Symulator Słońce, Eef [W·m-2] 200-1400 nm 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 – – – Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm 318 – – – – 388 – – Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm – 393 – – Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm – – 318 – – – 342 – – – – 525 – – – 628 Moc l. halogenowej 7 600 W Moc l. ksenonowej 900 W Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm Moc l. halogenowej 11 100 W Moc l. ksenonowej 0 W Najlepsze dopasowanie wg symulacji Moc l. halogenowej 0 W Moc l. ksenonowej 39 500 W E [W·m-2] Symulator 2 ef 200-1400 nm Moc l. halogenowej 0 W Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm Moc l. ksenonowej 17 400 W E [W·m-2] Symulator 2 ef 200-1400 nm 106 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 multiźródłowe. 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 promieniowania i procesów (modułach termicznych w przykładowych fotowoltaicznych i odbiornikach kolektorach) oraz scharakteryzowanie podstawowych pojęć, definicji i zjawisk związanych z symulacją promieniowania słonecznego (podrozdział 2.2), 107 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 108 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 109 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 110 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. 111 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. 112 [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. 113 – [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. 114 [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. 115 [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. 116 [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. 117 [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. 118 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-ogrzejeniemcy,wiadomosc.html [dostęp: lipiec 2009]. [91] http://www.tvn24.pl/12692,1609545,0,1,afrykanskie-slonce-ogrzejeeurope,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]. 119 [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]. 120 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. 121
