2. WPROWADZENIE
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]:
( )
100% 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%
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
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).
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.
2.5 Charakterystyki wybranych źródeł promieniowania
Źródła promieniowania moŜna podzielić na pierwotne, w których występuje przemiana jednego rodzaju energii w energię elektromagnetycznego promieniowania optycznego, i wtórne, które wysyłają promieniowanie odbite lub przepuszczone (na przykład sufit, ściany czy KsięŜyc). Z innego punktu widzenia moŜna wyróŜnić źródła naturalne – Słońce, i sztuczne, które w dowolnym miejscu i czasie pozwalają korzystać z energii promieniowania optycznego (lampy oraz inne źródła jak piec stalowniczy czy łuk spawalniczy). Według Polskiej Normy Technika świetlna.
Terminologia pod pojęciem lampy rozumie się źródło wykonane w celu wytwarzania promieniowania optycznego, zazwyczaj widzialnego. [1, 21, 33, 45, 78, 85, 120]
KaŜde źródło promieniowania moŜna opisać za pomocą wielu parametrów słuŜących do scharakteryzowania podstawowych właściwości świetlnych, elektrycznych, eksploatacyjnych czy konstrukcyjnych. Podczas oceny źródeł promieniowania przydatnych do budowy symulatorów promieniowania słonecznego waŜne są tylko niektóre właściwości oraz parametry, między innymi: ogólny wskaźnik oddawania barw Ra [-], temperatura barwowa Tb [K] (parametry świetlne opisujące źródła światła), moc P [W] (parametr energetyczny), oraz skuteczność świetlna η [lm/W] i trwałość τ [h] (parametry eksploatacyjne). WaŜnym aspektem jest równieŜ analiza rozkładu widmowego danego źródła lub zespołu źródeł promieniowania.
Analizując przydatność róŜnych źródeł promieniowania do budowy symulatorów promieniowania słonecznego, istotnym jest uzyskanie takich parametrów jak gęstość mocy rzędu 1 000 lub 2 000 W·m-2, trwałość, ciągłe widmo promieniowania w zakresie od 200 – 2 500 nm oraz temperatura barwowa zbliŜona do światła dziennego (tzn. ok 5 800 K). Skuteczność świetlna oraz wskaźnik oddawania barw mają w tym wypadku mniejsze znaczenie. Analizując normy jak równieŜ róŜne pozycje literaturowe i publikacje [5, 6, 7, 9, 17] moŜna zauwaŜyć, Ŝe najczęściej wymienianymi źródłami promieniowania spełniającymi pozytywnie omówione wyŜej parametry i branymi pod uwagę do budowy symulatorów promieniowania słonecznego są lampy:
halogenowe, metalohalogenkowe, ksenonowe oraz siarkowe [37, 105]. Owe lampy zostaną poniŜej krótko scharakteryzowane [5, 6, 7, 9, 17, 61, 63, 64, 65, 66, 73].
Lampa halogenowa naleŜy do lamp elektrycznych inkandescencyjnych wysyłających promieniowanie w wyniku cieplnego wzbudzenia atomów lub cząsteczek (promieniowanie temperaturowe). Lampa ta charakteryzuje się ciągłym widmem
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
lampy ksenonowe, a w [21] lampy ksenonowe zalicza się do grupy lamp inkandescencyjno – luminescencyjnych.
Lampa metalohalogenkowa charakteryzuje się ciągłym widmem promieniowania w zakresie od 250 – 800 nm. Zakres osiągalnych mocy lamp metalohalogenkowych wynosi 2 000 W. Temperatura barwowa wynosi około 6 000 K, średnia trwałość około 1 000 godzin, a wskaźnik oddawania barw Ra > 80. Stosowana jest w zewnętrznym i wewnętrznym oświetleniu dla potrzeb telewizji kolorowej, w filmowaniu wewnętrznym i zewnętrznym, w oświetleniu scenicznym i dyskotekowym, w rzutnikach oraz głównie w zewnętrznym oświetleniu architektonicznym. Budowę i rozkład widmowy wybranej lampy metalohalogenkowej przedstawiono na rysunku 2.30 i 2.31.[73, 95]
Rys.2.30 Przykładowa lampa metalohalogenkowa MSR (MSI) 1800 firmy Philips [95]
Rys. 2.31 Względny rozkład widmowy
przykładowej lampy metalohalogenkowej MSR (MSI) 1800 firmy Philips [95]
Lampa ksenonowa charakteryzuje się ciągłym widmem promieniowania w zakresie od 250 – 2 450 nm i średnią trwałością 2 400 godzin. Posiada temperaturę barwową zbliŜoną do światła dziennego ok. 6 000 K oraz wysoki współczynnik oddawania barw Ra > 95. Zakres osiągalnych mocy lamp ksenonowych wynosi do 12 000 W. NiezaleŜnie od typu lampy i mocy, barwa światła jest stała. [9, 73, 96]
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
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]
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.
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
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
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,
• uwzględnienie rzeczywistychcharakterystyk 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:
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: