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 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

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]

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]

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]

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]

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

Zdecydowanie większą grupę stanowią jednostki badawcze wykorzystujące do swoich pomiarów lampy ksenonowe. Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie wyposaŜona jest w 500 W symulator słoneczny dający jednorodny ciągły strumień światła na ogniwo, który w drugim torze ma zamontowany dodatkowo monochromator.

Zmianę natęŜenia realizuje się poprzez kombinacje filtrów (w tym filtru AM1,5) [31].

W Katedrze Promieniowania Optycznego Politechniki Białostockiej Wydziału Elektrycznego zaprojektowano i wykonano układ świetlno – optyczny symulatora promieniowania słonecznego z lampą ksenonową o mocy 900 W. Pomimo duŜej nierównomierności luminancji obszaru świecącego tej lampy, otrzymany sprzęt uzyskał dobrą równomierność natęŜenia napromienienia na powierzchni eksponowanej [102].

Symulator ciągłego promieniowania słonecznego typu SS150 (PhotoEmission Tech. Inc.) zbudowany na lampach ksenonowych (krótko wyładowczych) znajduje się na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej (Katedra Elektroniki i Fotoniki; Laboratorium Fotowoltaiki, system SolarLab) (Rys. 2.18).

Na rysunku 2.19 przedstawiono porównanie widma symulatora promieniowania słonecznego zbudowanego na lampie ksenonowej z widmem promieniowania słonecznego dla AM1,5. Ten sprzęt moŜe być zakwalifikowany do najwyŜszej kategorii symulatorów – klasy A określonej w normie PN – EN 60904 – 9 [18, 86, 104, 129].

Rys. 2.18 Ogólny widok kompletnego systemu opracowanego w SolarLab [18]

Rys. 2.19 Widmo symulatora promieniowania słonecznego SS150 porównane z widmem

promieniowania słonecznego dla AM1,5 (znormalizowane dla 1000 W·m^-2) [18, 55]

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)

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]

Instytut Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej wyposaŜony jest w: źródło UV-VIS ksenonowe 150 W, elektronicznie sterowany monochromator oraz układ filtrów do symulacji widma światła słonecznego (Rys. 2.23).

[103]

Rys. 2.23 Badana próbka w Instytucie Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Warszawskiej [103]

Na Wydziale Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Katedry Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Politechniki Łódzkiej znajduje się uniwersalne stanowisko pomiarowe składające się z oświetlacza zbudowanego z czterech niezaleŜnie pozycjonowanych lamp Xenophot HLX OSRAM o mocy 250 W kaŜda (lampy halogenowe z ksenonem zamiast standardowego gazu wypełniającego – kryptonu) oraz filtra wodnego, który pochłania znaczną część zbędnego promieniowania IR i słuŜy dodatkowo jako dyfuzor światła (Rys. 2.24).

Rys. 2.24 Oświetlacz – Politechnika Łódzka [110]

Do komercyjnych rozwiązań, w których wykorzystano lampy ksenonowe krótkołukowe naleŜą równieŜ: Oriel Class A Solar Simulator (o mocach stosowanych

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]

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]