WIDMOWO – TERMICZNE ASPEKTY SYMULACJI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO

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.)

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

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.

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

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

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.

WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ

Wielkości skalarne

AM(X) – masa optyczna atmosfery dla dowolnej długości drogi promieniowania [-]

E – natęŜenie promieniowania (napromienienia)

lub gęstość strumienia promieniowania [W·m

] E

, E

– widmowe (spektralne) natęŜenie promieniowania

(irradiancja spektralna) [W·m

·µm

] I – prąd, sygnał źródła promieniowania [A], [LSB]

M

– gęstość widmowa egzytancji energetycznej [W·m

·m

]

N – nierównomierność natęŜenia promieniowania na badanej powierzchni [%]

P – moc [W]

R

– ogólny wskaźnik oddawania barw [-]

S( λ ^{), SR(} λ ) – czułość widmowa odbiornika np. fotoogniwa [A/W]

T, t – temperatura (bezwzględna), temperatura [K], [

C]

q – gęstość powierzchniowa strumienia promienistego (cieplnego) [W·m

]

η – skuteczność świetlna [lm/W]

Θ ^{– czas [s]}

ρ

– opór cieplny właściwy [m

·K·W

]

τ – trwałość [h]

σ - odchylenie standardowe

Φ – strumień energii promieniowania, moc promieniowania [W]

Φ ^~ - zastępczy współczynnik konfiguracji [-]

Inne oznaczenia

c

– pierwsza stała wzoru Plancka c

=3,7413·10

W·m

c

– druga stała wzoru Plancka c

=1,4388·10

m·K I

– stała słoneczna I

= 1367 W·m

+/-7 W·m

l – grubość (szerokość) [m]

r – odległość, promień [m]

S, A – powierzchnia [m

]

X, x – odpowiada w programie Matlab wartościom k

x – wartość otrzymana

Y, y – odpowiada w programie Matlab wartościom k

Z – odpowiada w programie Matlab wartościom σ (odchylenia standardowego)

W( λ ) – monochromatyczny współczynnik korekcji [mW·m

·nm

·LSB

]

α – absorpcyjność [-]

α , γ ^{– kąty [}

^]

α

– kąt wzniesienia Słońca (kąt pozornej wysokości (h) Słońca) [

] α

, α

– współczynnik konwekcyjnego, radiacyjnego przejmowania ciepła [W·m

·K

]

∆ – zakres, przedział, zmiana np. ∆λ przedział długości fali [m]

ε - emisyjność [-]

Θ

– kąt zenitalny - kątowa odległość Słońca od pionu [

] λ

– przewodność cieplna właściwa [W·m

·K

]

λ – długość fali [m]

µ – wartość oczekiwana

ρ – refleksyjność [-]

σ - stała Stefana Boltzmana σ = 5,669·10

[W·m

·K

]

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

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

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 10

Hz. Częścią widma fal elektromagnetycznych jest promieniowanie optyczne o zakresie częstotliwości od 3·10

Hz do 3·10

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.

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 2·10

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 (O

) – 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

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

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

promieniowanie podczerwone na energię elektryczną oraz produkcji dachówek czy okien fotowoltaicznych. Prace nad tymi elementami mają miejsce w laboratoriach naukowych i opierającą się głównie na pomiarze i analizie licznych parametrów technicznych przy zastosowaniu promieniowania słonecznego naturalnego lub sztucznego wytworzonego w symulatorach promieniowania słonecznego.

Urządzenie słuŜące do wytwarzania sztucznego promieniowania, będącego zamiennikiem naturalnego promieniowania słonecznego, zwykle w całym, znacznie przekraczającym zakres promieniowania widzialnego, zakresie (200 nm do 2 000 nm), nazywa się symulatorem promieniowania słonecznego.

Owe symulatory powodują uniezaleŜnienie wyników pomiarów od pory dnia,

ale powinny one równieŜ jak najdokładniej odzwierciedlać warunki solarne

i klimatyczne występujące na zewnątrz laboratoriów. PowaŜnym problemem jest duŜa

rozbieŜność pomiędzy danymi podawanymi przez producenta a rzeczywistymi

sprawnościami. W czasach, gdy na poziomie laboratoryjnym symulacja

promieniowania słonecznego staje się codziennością, celowym wydaje się,

aby symulatory promieniowania słonecznego, dedykowane dla danej grupy

odbiorników promieniowania słonecznego (nie tylko kolektorów słonecznych czy

ogniw fotowoltaicznych, ale takŜe badanych próbek materiałów, roślin czy substancji

reagujących chemiczne) charakteryzującej się określoną czułością widmową,

wytwarzały promieniowanie maksymalnie zbliŜone do rzeczywistego promieniowania

słonecznego w zakresie czułości adekwatnym dla danej klasy odbiorników.

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

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

] + tolerancja [%]

5 +/- 35%

63 +/- 25%

200 +/- 10%

186 +/- 10%

174 +/- 10%

492 +/- 20%

Energia promieniowania jest definiowana jako ilość energii przenoszonej przez promieniowanie, a moc emitowana, przenoszona lub odbierana w formie promieniowania to strumień energii promieniowania, moc promieniowania lub strumień promieniowania Φ Φ Φ Φ [W]. [119, 122] NatęŜenie promieniowania lub gęstość strumienia promieniowania E [W·m

] 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 E

, E

[W·m

·µm

] to natęŜenie promieniowania słonecznego na jednostkę długości fali przy danej długości fali. [119, 122] Stała słoneczna I

to natęŜenie promieniowania słonecznego poza atmosferą ziemską, które pada na płaszczyznę prostopadłą do kierunku promieniowania (średnia odległość Ziemia – Słońce - 149,5·10

km). Jej wartość wynosi 1 367 W·m

+/- 7 W·m

. [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]:

1 exp

1

2 5

1 T e

−

 

 



⋅ 

λ

=

T c M c

λ λ [W·m

·m

] (2.1) gdzie: M

– gęstość widmowa egzytancji energetycznej w funkcji temperatury

i długości fali λ – długość fali [m]

T – temperatura bezwzględna [K]

c

– pierwsza stała wzoru Plancka (c

= 3,7413·10

W·m

) c

– druga stała wzoru Plancka (c

= 1,4388·10

m·K)

Długość fali λ

, przy której osiągnięte zostaje maksimum promieniowania

dla danej temperatury (ciała czarnego) T, określa się na podstawie prawa przesunięcia Wiena (2.2) [71, 78 ,85]:

T 8 , 2897

max

=

λ [µm] (2.2)

Spektrum promieniowania słonecznego, inaczej widmo słoneczne, to rozkład widmowy promieniowania elektromagnetycznego, emitowanego przez Słońce, w funkcji długości fali (lub częstotliwości). WyróŜnić moŜna promieniowanie bezpośrednie, okołosłoneczne, półsferyczne, całkowite i dyfuzyjne. [20, 84, 122]

Rozkład widmowy promieniowania słonecznego, bez uwzględnienia atmosfery ziemskiej, byłby opisany w przybliŜeniu krzywą Plancka dla ciała doskonale czarnego.

Po raz pierwszy został dokładnie określony przez S. P. Langleya (1834 – 1906). [81]

Zarówno rozkład widmowy promieniowania słonecznego, jak i masa optyczna

atmosfery AM(X) są opisane w literaturze [14, 20, 26, 28, 37, 40, 49, 50, 67, 71, 73, 77,

83, 84, 97] oraz Normach [122, 126, 132]. W niniejszej pracy przyjęto do obliczeń

rozkład widmowy przedstawiony w Normie PN – EN 60904 – 3 Elementy

fotowoltaiczne Część 3: Zasady pomiaru fotowoltaicznych (PV) elementów słonecznych

przeznaczonych do zastosowań naziemnych z wykorzystaniem wzorcowego widma

promieniowania słonecznego. W punkcie 4 Normy [126] został podany całkowity

(bezpośredni + rozproszony) rozkład widmowy wzorcowego natęŜenia promieniowania

słonecznego odpowiadający natęŜeniu promieniowania 1 000 W·m

przy AM1,5

(Rys. 2.2). Dane liczbowe spektralnego natęŜenia promieniowania słonecznego

E

[W·m

·µm

] dla poszczególnych długości fali zostały zamieszczone w Załączniku 1.

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:

( )

Z S

X α ^cos Θ

1 sin

AM = 1 = (2.3)

gdzie: Θ Θ Θ Θ

– kąt zenitalny - kątowa odległość Słońca od pionu

αααα

– kąt wzniesienia Słońca (kąt pozornej wysokości (h) Słońca) – kąt dopełniający kąta zenitalnego (kąt pomiędzy wiązką bezpośredniego promieniowania słonecznego a płaszczyzną poziomą wyraŜony w stopniach) αααα

= 90

- Θ Θ Θ Θ

[71, 73, 82, 97, 122, 126]

Rozkłady widmowe mierzone na powierzchni Ziemi dla róŜnych, przykładowych, pozornych wysokości Słońca (α

) oznaczono odpowiednio:

• AM1 dla α

= 90

• AM1,2 dla α

= 56,4

• AM1,5 dla α

= 42

(41,8

)

• AM2 dla α

= 30

• AM4 dla α

= 14,5

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).

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.

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 O

, O

, H

O i CO

(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 O

, O

, H

O, CO

[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.

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 ⁾

nazywamy czułość widmową znormalizowaną do jedności dla długości fali, przy której występuje maksimum i wyraŜa się zaleŜnością [126]:

( ) ( ) ( )

rel

S

S S

λ

λ = λ [-] (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 (CuInSe

). Sprawność ogniw II generacji jest niŜsza.

Struktury multikrystaliczne (mc-Si) oznaczają struktury polikrystaliczne charakteryzujące się duŜymi rozmiarami ziaren (sprawności są nieznacznie niŜsze).

Najnowsze badania prowadzą do produkcji ogniw o większych sprawnościach – ogniw

tandemowych. Dzięki zastosowaniu kilku ogniw o róŜnych przerwach energetycznych

(Rys. 2.7) moŜna uzyskać szersze pasmo absorpcji. [14, 20, 26, 28, 29, 30, 49, 50, 67,

71, 77, 87, 97].

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]

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]

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 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

(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

a 30 – 100 kW·m

). 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

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 D

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 D

(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 D

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 D

. 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 D

[23, 24]

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%

prom.

nat.

min prom.

nat.

max

prom.

nat.

min - prom.

nat.

% max

N  ⋅



 





= + (2.5)

a w części 7 tej samej Normy [127] podano opis metody na wyznaczenie błędu wynikającego z niedopasowania spektralnego powstającego w trakcie testowania elementu fotowoltaicznego.

Tabela 2.2. Udział poszczególnych zakresów widmowych w całkowitym promieniowaniu słonecznym wg [55, 129]

Przedział długości fali ∆ ^λ[nm] Procentowy udział promieniowania w zakresie ∆ ^λ

400-500 18,4%

500-600 19,9%

600-700 18,4%

700-800 14,9%

800-900 12,5%

900-1100 15,9%

Tabela 2.3. Definicja klasyfikacji symulatorów promieniowania słonecznego wg [55, 129]

Klasyfikacja Dopasowanie spektralne do wszystkich zakresów wyspecyfikowanych w Tab.2.2

A 0,75 – 1,25

B 0,6 – 1,4

C 0,4 – 2,0

W części 8 Normy PN – EN 60904 określono, Ŝe pomiaru względnej czułości

widmowej elementu fotowoltaicznego (PV) dokonuje się poprzez oświetlanie

go światłem (w normie [128] rozumie się pod tym pojęciem zarówno ultrafioletową,

widzialną jak i podczerwoną część widma) z wykorzystaniem wąskopasmowego źródła

światła szeregiem róŜnych długości fal pokrywających zakres czułości widmowej

elementu. Źródłem światła monochromatycznego (w normie [128] oznacza to pojęcie

wąskie pasmo) w przykładowych układach testowych moŜe być monochromator

z pryzmatem kwarcowym lub obręcz z zamontowanymi filtrami. W obu przypadkach

źródłem światła zastosowanym do badań jest lampa halogenowa o mocy 1 000 W

i temperaturze barwowej 3 200 K zasilana ze stabilizowanego zasilacza. Pomiaru

moŜna dokonać w pewnych sytuacjach przy dodatkowym oświetleniu elementu białym

światłem polaryzującym, o zbliŜonym do AM1,5 widmowym rozkładzie natęŜenia