POLITECHNIKA POZNA ŃSKA

Wydział Elektryczny

JOANNA RATAJCZAK

WIDMOWO – TERMICZNE

ASPEKTY SYMULACJI

PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO

Rozprawa doktorska

Promotor: dr hab. inŜ. Konrad Domke, prof. PP

Poznań, grudzień 2013

2

„They say that we shall put the Sun inside a box. A bright idea.

The problem is that we do not know how to make the box…”

„Mówi się, Ŝe umieścimy słońce w pudełku. Piękna idea.

Problem polega na tym, Ŝe nie wiemy, jak zrobić pudełko… "

Pierre-Gilles de Gennes

(fizyk francuski ur. 1932 zm. 2007,

laureat nagrody Nobla w 1991r.)

3

Pragnę podziękować wszystkim, bez których niniejsza praca nie mogłaby

powstać, a w szczególności:

Z całego serca dziękuję mojemu Promotorowi,

Panu Profesorowi dr. hab. inŜ. Konradowi Domke,

za opiekę naukową, przekazaną wiedzę,

cierpliwość i wyrozumiałość,

poświęcony czas, udostępnienie materiałów

oraz cenne rady i uwagi niezbędne podczas pisania pracy.

Szczególnie dziękuję dr. hab. inŜ. Grzegorzowi Wiczyńskiemu

za pomoc przy wykonywaniu badań eksperymentalnych

oraz za szereg inspirujących dyskusji naukowych.

Pragnę złoŜyć podziękowania Panu Zbigniewowi Zapłacie

za pomoc i udostępnienie sprzętu niezbędnego do wykonania pomiarów

rozkładów widmowych lamp ksenonowych.

Serdecznie dziękuję moim Rodzicom

za pomoc zarówno materialną, jak i duchową,

a w szczególności mojej Mamie – za wsparcie.

Dziękuję za wsparcie finansowe

otrzymane od Wojewódzkiego Urzędu Pracy w Poznaniu

w ramach projektu współfinansowanego przez Unię Europejską.

Składam równieŜ serdeczne wyrazy podziękowania dla wszystkich

pracowników i doktorantów

Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej,

którzy przyczynili się do powstania niniejszej rozprawy

w trakcie wielu wspólnych prac i dyskusji naukowych.

Joanna Ratajczak

4

Projekt współfinansowany przez Uni ę Europejsk ą w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1 grudnia 2012 r. – 30 wrze śnia 2013 r.

Autorka rozprawy doktorskiej jest stypendyst ą w ramach projektu pt.: „Wsparcie

stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu

widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego

Kapitał Ludzki, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach

Europejskiego Funduszu Społecznego.

Being the author of the Ph. thesis, I declare that I am a scholarship holder within

the project “Scholarship support for PH.D. students specializing in majors

strategic for Wielkopolska’s development”, Sub-meas ure 8.2.2 Human Capital

Operational Programme, co-financed by European Unio n under the European

Social Fund.

5

Spis treści

STERSZCZENIE……………………………………………………………………….7

SUMMARY ……………………………………………………………………………..7

WYKAZ WA śNIEJSZYCH OZNACZE Ń……....…………………………………...8

1. WSTĘP……………………………………………..………………………...11

2. WPROWADZENIE …………………………………………………………12

2.1 Znaczenie promieniowania słonecznego…………………………………...12

2.2 Podstawowe pojęcia, definicje i zjawiska związane z symulacją

promieniowania słonecznego.………………………………………………16

2.3 Przegląd stanu badań…………………………………………………….…26

2.4 Przegląd norm………………………………………………………………39

2.5 Charakterystyka wybranych źródeł promieniowania………………………43

3. CEL, TEZA I ZADANIA SZCZEGÓŁOWE ROZPRAWY ……………….49

4. BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE …………………54

4.1 Wstęp……………………………………………………………………….54

4.2 Pomiar rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych…..…56

4.2.1 Stanowisko pomiarowe……..……………..……………..…………...56

4.2.2 Metodyka badań………..……..……………..……………..…………63

4.2.3 Wyniki przeprowadzonych pomiarów……………..……….………...66

4.3 Wskaźniki efektywności symulatorów promieniowania słonecznego……..74

4.4 Modelowanie i symulacje – aspekty widmowe…………………………….76

4.4.1 Wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji

dla programu Matlab ……….…………………………………………76

4.4.2 Wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji

dla programu Microsoft Visual C#.......................................................93

4.5 Modelowanie – aspekty termiczne…………………………………………95

4.5.1 Schemat budowy kolektora słonecznego

z zaznaczonymi gęstościami strumieni……………..………….……95

6

4.5.2 Zastępczy schemat cieplny kolektora słonecznego…………………..96

4.5.3 Schemat budowy modułu PV

z zaznaczonymi gęstościami strumieni…..…….…………………..…97

4.5.4 Zastępczy schemat cieplny modułu PV……………..……………..…98

4.5.5 Bilans energetyczny……………..……………..……………..………99

5. REZULTATY KO ŃCOWE

POMIARÓW, SYMULACJI I OBLICZE Ń…......………….......………….104

6. PODSUMOWANIE …….………..……………..……………..………..……107

LITERATURA …………..………..……………..……………..……………..……112

ZAŁ ĄCZNIKI

ZAŁ ĄCZNIK 1

Rozkład widmowy wzorcowego natęŜenia promieniowania słonecznego ……………...3

ZAŁ ĄCZNIK 2

Pomiar spektralnego natęŜenia promieniowania lamp halogenowych –

przykład obliczeniowy ……………………..…….…………………………..………...6

ZAŁ ĄCZNIK 3

Wykresy rozkładów widmowych promieniowania lamp ksenonowych,

szczegółowe dane dotyczące wybranej krzywej oraz przykład obliczeniowy…………..8

ZAŁ ĄCZNIK 4

Wykresy rozkładów widmowych promieniowania badanych układów źródeł

promieniowania oraz przykład obliczeniowy ……………………..…….…………..…52

ZAŁ ĄCZNIK 5

Opracowany algorytm obliczeniowy pozwalający uwzględnić zjawiska widmowe

zaimplementowany do programu Matlab oraz przykład obliczeniowy.………..………57

7

STERSZCZENIE

W rozprawie doktorskiej opisano zagadnienia z zakresu widmowo – termicznej

symulacji promieniowania słonecznego. Wykazano, Ŝe konstrukcja dobrego symulatora

powinna opierać się na wielu źródłach promieniowania jednego lub kilku typów

(z uwzględnieniem widma), a dobór źródeł promieniowania powinien uwzględniać

sumaryczne natęŜenie promieniowania oraz sumaryczne widmo promieniowania.

W pracy przedstawiono przegląd literatury i norm dotyczących poruszanej tematyki

oraz charakterystyki wybranych źródeł promieniowania. Przedstawiono moŜliwości

i przykładowe zastosowania omawianych w niniejszej pracy symulatorów promieniowania

słonecznego. W szczególności zbadano rozkłady widmowe lamp halogenowych

i ksenonowych. Opisano stanowisko pomiarowe i zaprezentowano metodykę badań.

Dokonano takŜe obliczeń i symulacji w aspekcie widmowym oraz modelowania w aspekcie

termicznym. Omówiono aplikacje wspomagające dobór źródeł promieniowania

dla symulatorów promieniowania słonecznego pod kątem doboru typu źródła i jego mocy.

Poprawność opracowanych pomiarów i symulacji zweryfikowano poprzez badania

porównawcze mające na celu zestawienie wyników obliczeń i symulacji z danymi

normatywnymi.

SUMMARY

The Ph.D. thesis discusses the issues of spectrally - thermal simulation of solar

radiation. It has been presented that the design of a good simulator should be based

on several types of radiation sources (including spectrum) and the choice of radiation

sources should take into consideration: the total radiation intensity and the total spectrum.

The paper presents a review of the literature, standards of discussed topics

and characteristics of selected sources of radiation. Possibilities and sample applications

of solar simulators presented in this PhD thesis have been described as well. In particular,

the spectral distributions of halogen and xenon lamps have been researched. The paper

presents an analysis of research methodology and describes a measurement unit.

Calculations and simulations in spectral terms and modelling in thermal terms have been

also conducted. The Ph. D. thesis discusses applications supporting the selection

of radiation sources for solar simulators for selecting the type and power sources.

Correctness of elaborated measurements and simulations has been verified through

comparison of calculations and simulation results with measurement and normative

requirements.

8

WYKAZ WA śNIEJSZYCH OZNACZE Ń

Wielkości skalarne

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

E – natęŜenie promieniowania (napromienienia)

lub gęstość strumienia promieniowania [W·m-2]

Eλ , ES – widmowe (spektralne) natęŜenie promieniowania

(irradiancja spektralna) [W·m-2·µm-1]

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

Me λT – gęstość widmowa egzytancji energetycznej [W·m-2·m-1]

N – nierównomierność natęŜenia promieniowania na badanej powierzchni [%]

P – moc [W]

Ra – ogólny wskaźnik oddawania barw [-]

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

T, t – temperatura (bezwzględna), temperatura [K], [0C]

q – gęstość powierzchniowa strumienia promienistego (cieplnego) [W·m-2]

η – skuteczność świetlna [lm/W]

Θ – czas [s]

ρth – opór cieplny właściwy [m2·K·W-1]

τ – trwałość [h]

σ - odchylenie standardowe

Φ – strumień energii promieniowania, moc promieniowania [W]

Φ~ - zastępczy współczynnik konfiguracji [-]

Inne oznaczenia

c1 – pierwsza stała wzoru Plancka c1=3,7413·10-16 W·m2

c2 – druga stała wzoru Plancka c2=1,4388·10-2 m·K

I0 – stała słoneczna I0 = 1367 W·m-2 +/-7 W·m-2

l – grubość (szerokość) [m]

r – odległość, promień [m]

S, A – powierzchnia [m2]

X, x – odpowiada w programie Matlab wartościom kha

x – wartość otrzymana

9

Y, y – odpowiada w programie Matlab wartościom kks

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

W(λ) – monochromatyczny współczynnik korekcji [mW·m-2·nm-1·LSB-1]

α– absorpcyjność [-]

α, γ – kąty [0]

αs – kąt wzniesienia Słońca (kąt pozornej wysokości (h) Słońca) [0]

αk, αr – współczynnik konwekcyjnego, radiacyjnego przejmowania ciepła [W·m-2·K-1]

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

ε - emisyjność [-]

Θz – kąt zenitalny - kątowa odległość Słońca od pionu [0]

λc – przewodność cieplna właściwa [W·m-1·K-1]

λ – długość fali [m]

µ – wartość oczekiwana

ρ – refleksyjność [-]

σ - stała Stefana Boltzmana σ = 5,669·10-8 [W·m-2·K-4]

τ – transmisyjność [-]

Indeksy

a – zaabsorbowane, absorber

ab - absorber

b – barwowa

ciecz - ciecz

d - dół

D – „prąd ciemny” przy wyłączonym badanym źródle promieniowania

DR – „prąd ciemny” przy wyłączonym wzorcowym źródle promieniowania

ef – efektywny

f-EVA – folia EVA

f-elekt.-izol. – folia elektroizolacyjna

g – góra

gaz - gaz

ha - halogen

i, j, u, x, N – indeksy kolejności

izol - izolator

10

I – czas integracji spektrometru w trakcie pomiarów dla badanego źródła

promieniowania

IR – czas integracji spektrometru w trakcie pomiarów dla wzorca

k – konwekcja

ks -ksenon

max – maksymalny

o – odbite, optyczny

ob - obudowa

ot – otoczenie

p -przepuszczone

p - przewodzenie

PHD – „prąd jasny” i „prąd ciemny” przy załączonym badanym źródle promieniowania

PHDR – „prąd jasny” i „prąd ciemny” przy załączonym wzorcowym źródle

promieniowania

PH – sygnał skorygowany dla badanego źródła promieniowania

PHR – sygnał skorygowany dla wzorcowego źródła promieniowania

pow – powierzchnia

PV/Kol – panel PV (fotowoltaiczny) lub kolektor

r - radiacja

rel – relatywny – względny

rur - rura

Sł - Słońce

SR – spektralny dla wzorca

ST - strat

szyb - szyba

śr - średni

uŜ - uŜyteczny

z – zewnętrzna dotyczy osłony kolektora

źr – źródła

γ – kąt

λ – widmowy, spektralny, w funkcji długości fali, monochromatyczny

11

1. WSTĘP

Elektrotechnika, mająca swoje podstawy w takich dziedzinach jak fizyka

czy matematyka, obejmuje głównie zagadnienia związane z wytwarzaniem,

przemienianiem, czyli przekształcaniem oraz przesyłem, rozdziałem, magazynowaniem

i uŜytkowaniem energii elektrycznej. Zakres widma fal elektromagnetycznych

wykorzystywanych w elektrotechnice obejmuje pola (promieniowania)

elektromagnetyczne o częstotliwości większej od 0 Hz do około 1016 Hz. Częścią

widma fal elektromagnetycznych jest promieniowanie optyczne o zakresie

częstotliwości od 3·1011 Hz do 3·1016 Hz i odpowiednio o zakresie długości fal w próŜni

od 1 000 µm do 0,01 µm (Rys. 1.1). Docierająca do powierzchni Ziemi wiązka

promieniowania słonecznego obejmuje fale elektromagnetyczne z zakresu

0,2 – 3,0 µm.

W dobie rozwoju energetyki solarnej rzetelne symulatory promieniowania

słonecznego, czyli urządzenia słuŜące do modelowania w skali laboratoryjnej

promieniowania słonecznego, stają się koniecznością. Niniejsza rozprawa doktorska

podejmować będzie problematykę z zakresu zarówno widmowych, jak i termicznych

aspektów symulacji promieniowania słonecznego, obejmując zagadnienia związane

z elektrotechniką, a w szczególności z techniką świetlną i termokinetyką.

Pierwsza, teoretyczna, część pracy zawiera omówienie znaczenia

promieniowania słonecznego oraz zestawienie podstawowych pojęć i definicji

związanych z symulacją promieniowania słonecznego. Przedstawiony został równieŜ

przegląd literatury i norm dotyczących poruszanej tematyki oraz charakterystyki

wybranych źródeł promieniowania.

W drugiej, symulacyjno – badawczej, części omówione zostały wyniki obliczeń

i symulacji przeprowadzonych w aspekcie widmowym i modelowania w aspekcie

termicznym oraz charakterystyki programów. Opisane zostało równieŜ stanowisko

pomiarowe i zaprezentowana została metodyka badań. Przedstawiona została

takŜe procedura pomiarowa rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych

wraz z analizą wyników przeprowadzonych eksperymentów.

W końcowej części przedstawiono badania porównawcze mające na celu

zestawienie wyników obliczeń i symulacji z danymi normatywnymi. Rozprawę kończy

podsumowanie zawierające omówienie zrealizowanych celów pracy oraz zagadnień

moŜliwych do kontynuowania.

12

2. WPROWADZENIE

2.1 Znaczenie promieniowania słonecznego

Słońce – po grecku Helios, po łacinie, szwedzku, norwesku, hiszpańsku, duńsku

Sol, po angielsku Sun, po niemiecku die Sonne, po francusku soleil, po włosku sole,

po czesku slunce, po rosyjsku солнце. Słowo to tłumaczone w tylu językach znaczy

jedno – Słońce to gwiazda, powstała około 4,6 miliarda lat temu, znajdująca się

w centrum Układu Słonecznego, najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii

docierającej do Ziemi. Jest płynną kulą o masie 2·1030 kg, promieniu 695 000 km

oraz o temperaturze powierzchni i jądra wynoszących odpowiednio ok. 5 800 K

i 15 600 000 K. W jej skład wchodzą (w % masy) wodór (H) – 73,46%, hel (He) –

24,85%, tlen (O2) – 0,77%, węgiel (C) – 0,29%, Ŝelazo (Fe) – 0,16%, neon (Ne) –

0,12%, azot (N) – 0,09%, krzem (Si) – 0,07%, magnez (Mg) – 0,05%, siarka (S) –

0,04%. [19, 20, 27, 30, 34, 35, 41, 71, 88]

Ludzie pierwotni Ŝyli korzystając głównie ze światła, a co za tym idzie i ciepła,

pochodzenia słonecznego oraz wynalezionego ognia. To właśnie ogień z palenisk

i pochodni jako pierwszy zastępował, czyli symulował, w nocy czy w jaskiniach,

promieniowanie słoneczne.[54]

Zarówno dla nas, jak i dla naszych przodków promieniowanie słoneczne jest

najwaŜniejszym czynnikiem determinującym byt, jak równieŜ jest symbolem dobra

i bezpieczeństwa. Procesy fotobiologiczne, oddziałujące na systemy Ŝywe, są skutkami

promieniowania optycznego zarówno z zakresu nadfioletowego, widzialnego,

jak i podczerwonego. Dzięki energii promieni Słońca z pierwotnej mieszaniny

węglowodorów mogły się rozwinąć organizmy Ŝywe. Za sprawą energii słonecznej

przekształcanej w energię chemiczną magazynowaną w procesie fotosyntezy,

na przestrzeni miliardów lat trwa prawie całe Ŝycie w biosferze. Dzięki naszym

przetwornikom promieniowania widzialnego – oczom – moŜemy obserwować świat.

Promieniowanie słoneczne, głównie z zakresu promieni ultrafioletowych, jest waŜne

dla człowieka ze względu na wytwarzanie przez organizm witaminy D nieodzownej

do normalnego wzrostu i utrzymania prawidłowej struktury kości. Niestety,

promieniowanie słoneczne moŜe mieć równieŜ negatywny wpływ na nasze zdrowie,

wywołując zapalenie spojówek, poparzenia czy rumień skóry oraz trudno wyleczalne

nowotwory skóry (na przykład czerniaka złośliwego łac. melanoma malignum).

Oświetlenie dynamiczne wpływa na samopoczucie oraz naturalny rytm aktywności

13

ludzi. Zmiana rytmu dnia i nocy, przez pracę na nocną zmianę lub lot samolotem

ze zmianą czasową, wpływa na funkcjonowanie naszego organizmu. Zmianę naszego

nastroju i zakłócenie cyklu snu moŜe spowodować równieŜ zmniejszenie ilości światła

w ciągu dnia (np. okres zimowy, noce polarne), z czym wiąŜą się depresje sezonowe,

głównie zimowe. [54]

Przez setki lat ludzkość starała się skonstruować sztuczne źródła

promieniowania, które w dowolnym miejscu i czasie pozwoliłyby korzystać z energii

promieniowania. UmoŜliwiły to przeszło sto lat temu pierwsza atmosferyczna lampa

łukowa (1876) i pierwsza Ŝarówka z węglowym przetwornikiem elektroświetlnym

(1879) [21, 54].

Dokonując analizy oceny stanu środowiska moŜna zauwaŜyć, Ŝe zuŜycie energii

(na wytwarzanie promieniowania sztuczne źródła potrzebują obecnie około 20%

światowej energii elektrycznej) oraz towarzyszące temu powstawanie produktów

spalania drastycznie wzrasta. Źródeł energii konwencjonalnej powinno starczyć na parę

pokoleń. W literaturze [19, 20, 34, 35, 41, 43, 71, 75, 77] szacuje się,

Ŝe nieodnawialnych surowców wystarczy na: około 45 lat – ropy naftowej, na około

60 lat – gazu ziemnego oraz na około 200 lat – węgla czy na około 85 lat – uranu 235.

Problemem jednak staje się, co zrobić z produktami ich przetwarzania. Obecnie

środowisko nie jest w stanie wchłonąć nowo powstałych pyłów, tlenków azotu, siarki

i węgla i ich unieszkodliwić. Ze względu na kurczenie się zasobów paliw kopalnych

rządy państw są zmuszone zainwestować w niekonwencjonalne, proekologiczne źródła

energii. Czyste, odnawialne źródła energii wiatrowej, wodnej, słonecznej, geotermalnej,

biomasy, ogniw paliwowych czy z wodoru mogą w znacznym stopniu zaspokoić

zapotrzebowanie energetyczne świata w 2030 roku. Unia Europejska jako jeden

z najwaŜniejszych celów stawia sobie zapobieganie zmianom klimatycznym.

W tym celu, poprzez liczne akty prawne oraz dyrektywy, promuje odnawialne źródła

energii (OZE). Unia Europejska nakreśla tylko strategię i plan działania, pozostawiając

Krajom Członkowskim swobodę w wypracowaniu własnych działań ekologicznych,

a co za tym idzie decyzję, które źródła odnawialne i ekologiczne technologie będą

priorytetowe. [15, 17, 20, 51, 75, 76]

Ratunkiem i odpowiedzią na powyŜej opisane problemy związane

z zanieczyszczeniem środowiska i ociepleniem klimatu jest szybko rozwijająca się

w ostatnich czasach technika solarna. Energetyka solarna w małym stopniu degraduje

środowisko, czyli nie emituje szkodliwych substancji do atmosfery, jest pozbawiona

14

hałasu i prawie pozbawiona zanieczyszczeń, a przede wszystkim jest wszechobecna,

co uniezaleŜnia jej wykorzystanie od transportu. Do zalet naleŜy niewątpliwie

bezpośrednia konwersja na inne formy energii oraz bogactwo Ziemi w krzem

i aluminium, czyli składniki niezbędne do budowy modułów fotowoltaicznych. Mimo

Ŝe duŜym plusem są stałe w czasie zasoby promieniowania słonecznego, to do wad

energetyki solarnej moŜna zaliczyć między innymi cykliczność związaną

z nastawaniem po sobie dni i pór roku, zaleŜność wartości natęŜenia promieniowania

słonecznego od kąta padania promieni słonecznych oraz od zapylenia, zachmurzenia

i pary wodnej w atmosferze, jak równieŜ niską sprawność modułów fotowoltaicznych,

i stąd wynikającą, konieczność stosowania duŜych powierzchni absorbujących

promieniowanie słoneczne. [17, 19, 20, 25, 34, 35, 52, 75, 76]

Pomimo wymienionych powyŜej wad planuje się wykorzystać Słońce

do ogrzania Europy. Niemieckie konsorcjum chce wykorzystać Słońce znad Sahary

i ogrzać Niemcy dzięki zbudowanej na pustyniach Afryki Północnej oraz Bliskiego

Wschodu super elektrowni. [90, 91]

W Polsce od 1 stycznia 2015 roku wszystkie nowe i remontowane budynki będą

musiały być wyposaŜone w alternatywne źródła energii, czyli na przykład w kolektor

słoneczny, fotoogniwo, wiatrak czy pompę ciepła. Wymóg ten nakłada na nas

dyrektywa unijna zobowiązująca nas do tego, aby do 2020 roku zwiększyć udział

zielonej energii w bilansie energetycznym do około 15%. Instalacje solarne

cieszą się rosnącym zainteresowaniem większości społeczeństwa zwłaszcza,

Ŝe w budownictwie na ich zakup i montaŜ moŜna otrzymać wsparcie z Narodowego

Funduszu Ochrony Środowiska. [17, 20, 34, 35, 51, 76, 89]

Słońce wykorzystujemy równieŜ w wielu innych codziennych sytuacjach.

Na przykład w celu pozyskiwania energii dla oświetlenia drogowego, parkowego

czy sygnalizacyjnego, w kalkulatorach czy w zegarkach stosowane są systemy solarne

oparte na mniejszych lub większych bateriach słonecznych.

Intensywny w ostatnich latach rozwój alternatywnych źródeł energii,

a zwłaszcza sektora opartego na energetyce słonecznej, spowodował równieŜ ogromny

postęp w badaniach nad waŜnymi urządzeniami tej energetyki – nad kolektorami

słonecznymi i ogniwami fotowoltaicznymi. Badania prowadzi się w kierunku

zwiększenia ich sprawności (obecnie sprawność wynosi ok. 20%) przy jednoczesnym

zmniejszeniu kosztów produkcji. WiąŜe się to przede wszystkim z rozwojem nowych

technologii np. produkcji termosłonecznych ogniw fotowoltaicznych zamieniających

15

promieniowanie podczerwone na energię elektryczną oraz produkcji dachówek

czy okien fotowoltaicznych. Prace nad tymi elementami mają miejsce w laboratoriach

naukowych i opierającą się głównie na pomiarze i analizie licznych parametrów

technicznych przy zastosowaniu promieniowania słonecznego naturalnego

lub sztucznego wytworzonego w symulatorach promieniowania słonecznego.

Urządzenie słuŜące do wytwarzania sztucznego promieniowania, będącego

zamiennikiem naturalnego promieniowania słonecznego, zwykle w całym, znacznie

przekraczającym zakres promieniowania widzialnego, zakresie (200 nm

do 2 000 nm), nazywa się symulatorem promieniowania słonecznego.

Owe symulatory powodują uniezaleŜnienie wyników pomiarów od pory dnia,

ale powinny one równieŜ jak najdokładniej odzwierciedlać warunki solarne

i klimatyczne występujące na zewnątrz laboratoriów. PowaŜnym problemem jest duŜa

rozbieŜność pomiędzy danymi podawanymi przez producenta a rzeczywistymi

sprawnościami. W czasach, gdy na poziomie laboratoryjnym symulacja

promieniowania słonecznego staje się codziennością, celowym wydaje się,

aby symulatory promieniowania słonecznego, dedykowane dla danej grupy

odbiorników promieniowania słonecznego (nie tylko kolektorów słonecznych czy

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

reagujących chemiczne) charakteryzującej się określoną czułością widmową,

wytwarzały promieniowanie maksymalnie zbliŜone do rzeczywistego promieniowania

słonecznego w zakresie czułości adekwatnym dla danej klasy odbiorników.

16

2.2 Podstawowe pojęcia, definicje i zjawiska związane z symulacją

promieniowania słonecznego

Według Normy PN – EN ISO 9488 Energia słoneczna Terminologia [122]

symulatorem słonecznym lub symulatorem promieniowania słonecznego jest

sztuczne źródło energii promieniowania symulujące promieniowanie słoneczne

i zwykle jest to lampa elektryczna lub układ takich lamp.

Promieniowaniem nazywamy emisję lub przenoszenie energii w postaci fal

elektromagnetycznych lub cząstek [122]. Promieniowanie sumaryczne, zwane

równieŜ w literaturze [21] promieniowaniem optycznym (10 nm – 1 000 000 nm)

(Rys. 2.1), jest to całość promieniowania obejmująca promieniowanie krótkofalowe,

czyli o długościach fal krótszych niŜ 3 000 nm, ale dłuŜszych niŜ 280 nm,

oraz promieniowanie długofalowe – podczerwień długofalową (daleką) IR – C,

czyli o długościach fal dłuŜszych niŜ 3 000 nm (do 1 000 000 nm) [122].

Rys. 2.1 Widmo fal elektromagnetycznych: A – fale częstotliwości akustycznej, B – fale stosowane

w systemach łączności, C – mikrofale, D – promieniowanie podczerwone, E – promieniowanie widzialne,

F – promieniowanie nadfioletowe, D, E, F – promieniowanie optyczne, G – promieniowanie

rentgenowskie, H – promieniowanie gamma i kosmiczne [12, 21]

W literaturze [10, 11, 12, 21, 27, 28, 30, 34, 35, 41, 73, 84, 122] wyróŜnia się

promieniowanie ultrafioletowe, widzialne oraz podczerwone (Tab. 2.1).

Promieniowanie ultrafioletowe – UV – jest to promieniowanie elektromagnetyczne

o długościach fal dłuŜszych niŜ promieni X i krótszych niŜ długości fal promieniowania

widzialnego [122]. WyróŜnić moŜna promieniowanie UVA – zakres fal od 315 nm

do 380 nm, UVB – zakres fal od 280 nm do 315 nm oraz UVC – zakres fal

od promieniowania X (w literaturze [21] od 10 nm) do 280 nm (nie moŜe być

wykrywane przez urządzenia energetyki solarnej) [21, 122]. Promieniowanie

17

widzialne – VIS (światło) to promieniowanie o długości fal od 380 nm do 780 nm,

a promieniowanie podczerwone – IR od 780 nm do 1 000 000 nm, przy czym

wyróŜnić moŜna podczerwień krótkofalową – bliską IR – A od 780 nm do 1 400 nm

oraz średniofalową – średnią IR – B od 1 400 nm do 3 000 nm [122].

Promieniowanie słoneczne to około 99% energii padającej na powierzchnię

Ziemi o długości fal poniŜej 3 000 nm. Pozostały 1% całej energii słonecznej to słabe

promieniowanie podczerwone z zakresu od 10 000 – 15 000 nm.

Tabela 2.1. Normatywny rozkład energii widma fal elektromagnetycznych [121, 131]

Obszar widmowy UV B UV A VIS IR

Szerokość pasma [nm] 280 – 315 315 – 380 380 –520 520 – 640 640 – 780 780 – 3 000

NatęŜenie

napromienienia [W·m-2]

+ tolerancja [%]

5

+/- 35%

63

+/- 25%

200

+/- 10%

186

+/- 10%

174

+/- 10%

492

+/- 20%

Energia promieniowania jest definiowana jako ilość energii przenoszonej

przez promieniowanie, a moc emitowana, przenoszona lub odbierana w formie

promieniowania to strumień energii promieniowania, moc promieniowania

lub strumień promieniowania ΦΦΦΦ [W] . [119, 122] NatęŜenie promieniowania

lub gęstość strumienia promieniowania E [W·m-2] jest to gęstość mocy

promieniowania padającego na powierzchnię, tj. iloraz strumienia promieniowania

padającego na powierzchnię i pola tej powierzchni lub ilość w jednostce czasu energii

promieniowania padającego na jednostkowe pole powierzchni. Spektralne natęŜenie

promieniowania słonecznego Eλλλλ, ES [W·m-2·µm-1] to natęŜenie promieniowania

słonecznego na jednostkę długości fali przy danej długości fali. [119, 122] Stała

słoneczna I 0 to natęŜenie promieniowania słonecznego poza atmosferą ziemską, które

pada na płaszczyznę prostopadłą do kierunku promieniowania (średnia odległość

Ziemia – Słońce - 149,5·106 km). Jej wartość wynosi 1 367 W·m-2 +/- 7 W·m-2. [15, 25,

122, 132]

Z promieniowaniem związane są Prawo Plancka i Wiena. Ciałem doskonale

czarnym nazywamy wyidealizowane ciało całkowicie pochłaniające padające na nie

promieniowanie niezaleŜnie od składu widmowego tego promieniowania i temperatury

ciała. Ciało czarne emituje promieniowanie, którego rozkład widmowy został opisany

prawem Plancka (2.1) [71, 78, 85]:

18

1exp

1

251

Te

−

⋅=λ

T

c

cM

λλ

[W·m-2·m-1] (2.1)

gdzie: Me λT – gęstość widmowa egzytancji energetycznej w funkcji temperatury

i długości fali

λ – długość fali [m]

T – temperatura bezwzględna [K]

c1 – pierwsza stała wzoru Plancka (c1 = 3,7413·10-16 W·m-2)

c2 – druga stała wzoru Plancka (c2 = 1,4388·10-2 m·K)

Długość fali λmax, przy której osiągnięte zostaje maksimum promieniowania

dla danej temperatury (ciała czarnego) T, określa się na podstawie prawa przesunięcia

Wiena (2.2) [71, 78 ,85]:

T

8,2897max =λ [µm] (2.2)

Spektrum promieniowania słonecznego, inaczej widmo słoneczne, to rozkład

widmowy promieniowania elektromagnetycznego, emitowanego przez Słońce,

w funkcji długości fali (lub częstotliwości). WyróŜnić moŜna promieniowanie

bezpośrednie, okołosłoneczne, półsferyczne, całkowite i dyfuzyjne. [20, 84, 122]

Rozkład widmowy promieniowania słonecznego, bez uwzględnienia atmosfery

ziemskiej, byłby opisany w przybliŜeniu krzywą Plancka dla ciała doskonale czarnego.

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

Zarówno rozkład widmowy promieniowania słonecznego, jak i masa optyczna

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

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

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

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

przeznaczonych do zastosowań naziemnych z wykorzystaniem wzorcowego widma

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

(bezpośredni + rozproszony) rozkład widmowy wzorcowego natęŜenia promieniowania

słonecznego odpowiadający natęŜeniu promieniowania 1 000 W·m-2 przy AM1,5

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

Eλ [W·m-2·µm-1] dla poszczególnych długości fali zostały zamieszczone w Załączniku 1.

19

Rys. 2.2 Rozkład widmowy wzorcowego natęŜenia promieniowania słonecznego wg danych z [126]

Według [71, 73, 82, 97, 122, 126] masą optyczną atmosfery AM nazywamy

miarę długości drogi przemierzanej przez promieniowanie słoneczne (bezpośrednie)

z ciała niebieskiego przez atmosferę do poziomu morza, wyraŜoną w odniesieniu

do długości drogi wzdłuŜ pionu. AM(X) (Rys. 2.3) jest stosunkiem (wielokrotnością)

długości drogi promieniowania przez atmosferę przy promieniowaniu padającym

pod pewnym kątem do długości drogi przy przejściu przez atmosferę prostopadle

do powierzchni Ziemi (przy Słońcu w zenicie). AM(X) moŜna wyrazić zaleŜnością:

( )ZS

XΘα cos

1

sin

1AM == (2.3)

gdzie: ΘΘΘΘz – kąt zenitalny - kątowa odległość Słońca od pionu

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

dopełniający kąta zenitalnego (kąt pomiędzy wiązką bezpośredniego promieniowania

słonecznego a płaszczyzną poziomą wyraŜony w stopniach) ααααs = 900 - ΘΘΘΘz [71, 73, 82,

97, 122, 126]

Rozkłady widmowe mierzone na powierzchni Ziemi dla róŜnych,

przykładowych, pozornych wysokości Słońca (αs) oznaczono odpowiednio:

• AM1 dla αs = 900

• AM1,2 dla αs = 56,40

20

• AM1,5 dla αs = 420 (41,80)

• AM2 dla αs = 300

• AM4 dla αs = 14,50

Rys. 2.3 Definicja pojęcia masy optycznej atmosfery AM(X) [wg 20, 49, 71, 77]

Umownie rozkład widmowy promieniowania słonecznego na górnej

powierzchni atmosfery ziemskiej oznacza się jako AM0. Krzywa ta zbliŜona jest

do rozkładu widmowego ciała doskonale czarnego o T = 5 800 K. Na rysunku 2.4

pokazano jak zmienia się widmo promieniowania słonecznego w zaleŜności od drogi

promieniowania (róŜne AM(X)) przez atmosferę. MoŜna zauwaŜyć, Ŝe dla AM0

natęŜenie napromienienia słonecznego osiąga najwyŜszą wartość, a dla pozostałych

AM(X), czyli dla rozkładów widmowych promieniowania po przejściu przez atmosferę,

wartości natęŜenia napromienienia słonecznego są mniejsze, ale nie zauwaŜa się duŜych

róŜnic wartości pomiędzy poszczególnymi AM(X).

21

Rys. 2.4 Rozkłady widmowe promieniowania słonecznego dla AM0, AM1, AM1,5, AM2 [wg 26]

Udział procentowy promieniowania UV, VIS i IR w widmie promieniowania

zaleŜy od optycznej masy atmosfery AM(X). Przykładowo:

• dla AM0 według [20, 26, 49, 67, 71, 83, 121,131] wartość promieniowania

UV wynosi od 5 do 9%, promieniowania VIS od 38,2 do 52%, a promieniowania

IR od 43 do 53,1%,

• dla AM1 według [26, 47] wartość promieniowania UV wynosi od 7 do 7,7%,

promieniowania VIS ok. 47,4%, a promieniowania IR od 43,9 do 44,9%,

• dla AM1,5 według [126] wartość promieniowania UV wynosi 3,03%,

promieniowania VIS 53,27%, a promieniowania IR 43,58%,

• dla AM2 według [71, 83] wartość promieniowania UV wynosi od 1 do 2%,

promieniowania VIS od 40 do 42,5%, a promieniowania IR od 56 do 59%.

Osłabieniem atmosferycznym (osłabieniem promieniowania słonecznego)

nazywamy zmniejszenie gęstości strumienia promieniowania bezpośredniego

przechodzącego przez atmosferę. Owo zmniejszenie moŜe być skutkiem pochłaniania

czy rozpraszania przez składniki atmosfery. Rozpraszanie to zaleŜne od długości fali,

wzajemne oddziaływanie promieniowania z materią powodujące zmianę kierunku

promieniowania przy niezmienionej całkowitej energii i długości fali. Absorpcja

atmosferyczna to pochłanianie określonych długości fal promieniowania słonecznego.

22

Zarówno odbicie, jak i rozpraszanie czy pochłanianie moŜe być wywołane przez

wilgotność (molekuły wody), chmury, molekuły ozonu oraz gazy atmosferyczne

i zanieczyszczenia (pyły). Dla AM1, AM1,5 i AM2 powyŜej długości fali λ = 700 nm

występują w widmach okna powstałe przy przechodzeniu promieniowania słonecznego

przez atmosferę, czyli straty spowodowane absorpcją przez zawarte w atmosferze

cząsteczki O2, O3, H2O i CO2 (Rys. 2.5). [12, 20, 73, 77, 84, 97, 122]

Rys. 2.5 Widmo promieniowania słonecznego poza atmosferą oraz na poziomie morza wraz ze stratami

spowodowanymi absorpcją przez zawarte w atmosferze cząsteczki O2, O3, H2O, CO2 [wg 47]

Powierzchnią nieselektywną (w przeciwieństwie do powierzchni selektywnej)

nazywamy powierzchnię, której właściwości optyczne, takie jak refleksyjność ρ,

absorpcyjność α, transmisyjność τ i emisyjność ε, są spektralnie jednorodne, to znaczy

nie zaleŜą od długości fali [12, 122].

Skutkiem promieniowania optycznego nazywa się fizyczną (zjawiska

fotoelektryczne czy fotooptyczne), chemiczną lub biologiczną (zjawiska

fotobiologiczne) przemianę wywołaną oddziaływaniem promieniowania optycznego

na materię.

23

Jak juŜ wspomniano w rozdziale 2.1, odbiorniki promieniowania słonecznego,

w tym kolektory słoneczne czy ogniwa fotowoltaiczne, oraz badane próbki materiałów,

roślin czy substancji reagujących chemicznie charakteryzują się określonym zakresem

czułości widmowej. Technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicznych oraz kolektorów

słonecznych rozwijają się bardzo intensywnie. Cały czas trwają prace, związane

z poszukiwaniem nowych lub udoskonalaniem starych materiałów stosowanych

do produkcji, w celu podniesienia sprawności energetycznej owych elementów.

W niniejszej pracy do obliczeń i symulacji (opisanych w punkcie 4.2) wykorzystano

krzywe czułości widmowych ogniw fotowoltaicznych i kolektorów.

Czułość widmowa fotoogniwa S(λ) przedstawiana jest graficznie jako funkcja

długości fali. Czułością widmową względną S(λ)rel nazywamy czułość widmową

znormalizowaną do jedności dla długości fali, przy której występuje maksimum

i wyraŜa się zaleŜnością [126]:

( ) ( )( )max

rel S

SS

λ

λλ = [-] (2.4)

Technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicznych oraz kolektorów słonecznych

jak równieŜ ich zakresy czułości widmowej opisane są w literaturze [14, 20, 26, 28, 29,

30, 49, 50, 67, 71, 77, 87, 97]. Czułość spektralna ogniw fotowoltaicznych zawiera się

w przedziale 200 – 1 300 nm (Rys. 2.6), a kolektorów 400 – 4 000 nm (Rys. 2.8).

Najczęściej wykorzystywanymi ogniwami PV są: ogniwa fotowoltaiczne

I generacji (ok. 90% światowej produkcji) wykonywane na bazie płytek

z krystalicznego krzemu (monokryształy (c-Si) mają znakomite własności i dobre

sprawności) oraz ogniwa PV II generacji (tańsze niŜ I generacji) – cienkowarstwowe,

produkowane z krzemu amorficznego (a-S), czy teŜ z polikrystalicznych warstw,

na bazie chalkopirytów, CIS (CuInSe2). Sprawność ogniw II generacji jest niŜsza.

Struktury multikrystaliczne (mc-Si) oznaczają struktury polikrystaliczne

charakteryzujące się duŜymi rozmiarami ziaren (sprawności są nieznacznie niŜsze).

Najnowsze badania prowadzą do produkcji ogniw o większych sprawnościach – ogniw

tandemowych. Dzięki zastosowaniu kilku ogniw o róŜnych przerwach energetycznych

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

71, 77, 87, 97].

24

Rys. 2.6. Typowe krzywe spektralne dla ogniw PV typu: c-Si, mc-Si, a-Si, CIS [41, 52, 68, 71, 77, 87]

Rys. 2.7 Rozkład czułości widmowej dla ogniwa trójzłączowego – tandemowego (obszar zakropkowany),

absorbującego promieniowanie niebieskie, zielone oraz czerwone [wg 17, 30, 71, 76,77]

25

Stosowane obecnie przy produkcji specjalne pokrycia absorpcyjne kolektorów

słonecznych pozwalają na pokrycie całego zakresu promieniowania podczerwonego

(Rys. 2.8). WaŜnym jest, aby uzyskiwać przy duŜych wartościach współczynnika

absorpcyjności, małe wartości współczynnika emisyjności, co zwiększa zdolności

absorpcyjne zmniejszając jednocześnie radiacyjne straty cieplne kolektora. Obecnie

średnia absorpcyjność w zakresie krótkofalowym kolektorów selektywnych wynosi

od 0,92- 0,96 przy emisyjności równej 0,08 – 0,16. [79]

Rys. 2.8 Znormalizowane widmo promieniowania słonecznego porównane z widmem czułości

absorpcyjnej kolektora [wg 49, 126]

26

2.3 Przegląd stanu badań

Rozwój technologii i nowych „światłoczułych” materiałów wymusza

na producentach i uŜytkownikach stosowanie nowoczesnych sprzętów słuŜących

do oceny efektywności testowanych odbiorników promieniowania słonecznego.

W literaturze [3, 13, 18, 22, 23, 24, 28, 31, 37, 46, 80, 86, 97, 100, 102, 103, 104, 106,

107, 109, 110, 111, 112] i publikacjach [8, 55, 56, 70, 73] moŜna znaleźć przykłady

i porównania stosowanych współcześnie układów pomiarowych bazujących

na opisanych w podrozdziałach 2.2, 2.5 i 2.6 krzywych, normach i źródłach

promieniowania. Znane są równieŜ certyfikaty i znaki zgodności [80, 113, 114, 115,

116, 118], jak np. niemiecki eko - znak (Umweltbundesamt) zwany potocznie

„Bł ękitnym Aniołem”, znak jakości SPF – szwajcarskiego Instytutu Solartechnik

Prufung Forschung [116], SolarKeymark [114, 115] czy KHS SolarConstant System –

K.H. Steuernagel Lichttechnik GmbH

[118], które dzięki stosowanej aparaturze

(opartej równieŜ na lampach

ksenonowych i metalohalogenkowych –

Rys. 2.9) pozwalają sprawdzić zgodność

wykonywanych kolektorów słonecznych

z odpowiednimi normami i przepisami.

Rys. 2.9 Symulator promieniowania słonecznego

oparty na lampach metalohalogenkowych -

K.H. Steuernagel Lichttechnik GmbH [118]

PoniŜej zostaną scharakteryzowane wybrane realizacje komercyjnych

i uŜywanych w jednostkach badawczych symulatorów promieniowania słonecznego

(małej i duŜej mocy), których budowa oparta jest na róŜnych źródłach promieniowania.

Jak opisano w rozdziale 2.6, wyróŜnia się cztery typowe źródła promieniowania

stosowane w symulatorach promieniowania słonecznego – lampy: halogenowe,

metalohalogenkowe, ksenonowe oraz siarkowe.

W [37] przedstawiono róŜne rozwiązania, dotyczące wieloźródłowych

symulatorów promieniowania słonecznego, które badacze podejmowali w przeszłości.

Pierwsze (Rys. 2.10 (a)) zawiera źródła promieniowania UV (L1) oraz IR (L2)

z zamontowanym filtrem dichroicznym do selektywnego przepuszczania

27

promieniowania. Takie załoŜenie jest praktycznie stosowane dla dwu – i trójzłączowych

urządzeń, których przerwa energetyczna górnej i środkowej części ogniwa wynosi

600 – 700 nm. Rys. 2.10 (b) przedstawia układ działający na kaŜdym systemie

materiałów, poniewaŜ uŜywa symulatora, którego dopasowanie spektralne jest bliskie

z wzorcowym (odniesieniowym) widmem (ale daje dodatkowe promieniowanie, które

moŜe być dowolnie filtrowane dla kaŜdego złącza). Pierwotną wadą tego zastosowania

jest to, Ŝe uzupełniające źródła promieniowania nie są współliniowe

z szerokopasmowym promieniowaniem dającym moŜliwość duŜej zmiany widmowego

natęŜenia napromienienia na badanej powierzchni.

Rys. 2.10 Metody dopasowania zawartości widma w symulatorach promieniowania słonecznego.

L1, L2 i L3 – Ŝ źródła promieniowania M1, M2 i M3 – lustra [37]

Trzecia koncepcja (Rys. 2.10 (c)) to światłowodowy symulator promieniowania

słonecznego uŜyteczny ze względu na szeroki wybór lasera i niespójnych źródeł

promieniowania, które mogą być połączone w jedną wiązkę włókien oświetlającą

następnie niewielką (co jest wadą) płaszczyznę testową. Ostatnim rozwiązaniem

(Rys. 2.10 (d)) jest umieszczenie filtrów i przysłony blisko zintegrowanej optyki

28

wielkopowierzchniowych symulatorów promieniowania słonecznego (przydatne

dla próbek wielkopowierzchniowych). Podstawową wadą jest to, Ŝe źródła światła nie

są oddzielnie regulowane dla kaŜdego złącza. Koncepcja ta moŜe być równieŜ

stosowana do symulatorów impulsowych, w których odległość między błyskającą

lampą (lub lampami) i badaną powierzchnią jest zwykle duŜa i moŜliwy jest szeroki

zakres wartości natęŜeń. Ta metoda stosowana jest w przypadku kaŜdej technologii

wielozłączowej (multijunction), poniewaŜ dostępne są standardowe filtry

górnoprzepustowe, dolnoprzepustowe i pasmowe w celu pokrycia kaŜdej kombinacji

pasma przerw.

Badania związane z symulacją promieniowania słonecznego prowadzi się

zarówno w Polsce, jak i zagranicą. Jednostki badawcze wyposaŜone są w róŜnego typu

symulatory, w których źródłem promieniowania jest lampa halogenowa, ksenonowa

lub metalohalogenkowa.

Do jednostek badawczych posiadających symulatory bazujące na lampie

halogenowej naleŜy m. in. Politechnika Gdańska wyposaŜona w stanowisko do badań

wpływu temperatury na parametry elektryczne ogniw PV i fotodiod krzemowych

zbudowane z lampy halogenowej o mocy 400 W (Rys. 2.11) oraz stanowisko do badań

charakterystyki spektralnej napięcia otwartego obwodu ogniw fotowoltaicznych

krzemowych, którego źródłem promieniowania jest lampa halogenowa z układem

monochromatora (Rys. 2.12) [28].

Rys. 2.11 Schemat układu do badania wpływu temperatury

na parametry elektryczne ogniw PV i fotodiod krzemowych [28]

29

Rys. 2.12 Układ monochromatora do wyznaczania charakterystyki spektralnej

napięcia otwartego obwodu ogniw fotowoltaicznych krzemowych [28]

W Instytucie Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk

(IPPT PAN) w Warszawie elementem stanowiska badawczego do testowania

i określania charakterystyk kolektorów słonecznych oraz innych odbiorników energii

promieniowania słonecznego jest symulator promieniowania słonecznego SS-24

(Rys. 2.13). Symulator ten odwzorowuje promieniowanie słoneczne o rozkładzie

widmowym AM2. Charakteryzuje się mocą 24 000 W i gęstością strumienia

promieniowania (czyli natęŜeniem promieniowania symulatora) od 250 do 1000 W·m-2

(z odległości 3,5 m). Płynna regulacja natęŜenia promieniowania realizowana moŜe być

poprzez zmianę odległości, a skokowa regulacja poprzez włączanie sekcji lamp. Część

emisyjną symulatora stanowi 40 halogenkowych lamp wyładowczych typu LRJD

(z dysprozem – pierwiastkiem z grupy lantanowców) o mocy 400 W kaŜda

oraz 8 halogenowych Ŝarówek typu LH-41 o mocy 1 000 W kaŜda. Symulator

wyposaŜono w 4 niezaleŜne sekcje po 10 lamp i 2 Ŝarówki kaŜda. Taki zestaw lamp

zapewnia rozkład widma promieniowania symulatora, w którym 46,5% całkowitej

wypromieniowanej energii zawarte jest w przedziale długości fali 400 ÷ 700 nm

(odchyłka 5% w stosunku do rozkładu AM2), a 53,5% w przedziale 700 ÷ 2000 nm

(1% odchylenia wobec AM2). [46, 100]

30

Rys. 2.13 Symulator promieniowania słonecznego SS-24 [101]

Symulator promieniowania słonecznego "Super solar simulator" firmy Wacom

oparty równieŜ na dwóch róŜnych źródłach promieniowania znajduje się

(od lipca 2010 r.) w Heiholtz Centrum Berlin (HZB PVcomB). Symulowane

promieniowanie, o AM1,5, zapewnia

zmieszanie promieniowania z lampy

ksenonowej i lampy halogenowej

(Rys. 2.14 i 2.15). [117]

Rys. 2.14 Widok zewnętrzny symulatora promieniowania słonecznego

„Super solar simulator" firmy Wacom w Heiholtz Centrum Berlin [117]

31

Rys. 2.15 Wnętrze symulatora promieniowania słonecznego Super solar simulator" firmy Wacom

w Heiholtz Centrum Berlin [117]

W SolarLAB – Laboratorium Fotowoltaiki Politechniki Wrocławskiej (Katedra

Elektroniki i Fotoniki, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki) stanowisko

badawcze do pomiarów charakterystyk jasnych fotoogniwa krzemowego stanowi zespół

lamp halogenowych (Rys. 2.16). [104]

Rys. 2.16 Schemat stanowiska pomiarowego w laboratorium

na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej [104]

32

W publikacji [3] opisano budowę symulatora promieniowania słonecznego

o niskich kosztach produkcji i duŜym strumieniu świetlnym (nie 1 kW·m-2

a 30 – 100 kW·m-2). W przedstawianym rozwiązaniu uŜyto siedmiu lamp

metalohalogenkowych o mocy 1 500 W (Rys. 2.17) wykorzystywanych jako źródła

promieniowania do symulacji skoncentrowanej energii słonecznej. Lampy ksenonowe

łukowe, preferowane przez producentów słonecznych komercyjnych symulatorów,

mogą być filtrowane w celu ścisłego dopasowania emitowanego widma do osiągalnego

promieniowania słonecznego na ziemi. Są one dostępne w pojedynczych konfiguracjach

lamp duŜej mocy. Lampy metalohalogenkowe zostały uznane za najbardziej praktyczne

źródła promieniowania ze względu na znaczne róŜnice w cenie, jednak ich niefiltrowane

widmo emisji nie odpowiada spektrum emisji promieni słonecznych tak ściśle,

jak moŜna to uzyskać z lamp ksenonowych łukowych. [3]

Rys. 2.17 Ogólny widok symulatora promieniowania słonecznego[3] o mocy 10,5 kW.

Wymiary średnica 38 cm – sześciokątny otwór wyjściowy,

całkowity rozmiar – dł. x szer. wys. – 2,1 m x 2,1 m x 2,6 m. Podzespoły: (1) rama,

(2) ramka montaŜowa, (3) lampy metalohalogenkowe, (4) rura obrotowa;

(5) wyciągarka do podnoszenia; (6) płyta regulacji nachylenia, (7) drugi koncentrator

33

Zdecydowanie większą grupę stanowią jednostki badawcze wykorzystujące

do swoich pomiarów lampy ksenonowe. Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie

wyposaŜona jest w 500 W symulator słoneczny dający jednorodny ciągły strumień

światła na ogniwo, który w drugim torze ma zamontowany dodatkowo monochromator.

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

W Katedrze Promieniowania Optycznego Politechniki Białostockiej Wydziału

Elektrycznego zaprojektowano i wykonano układ świetlno – optyczny symulatora

promieniowania słonecznego z lampą ksenonową o mocy 900 W. Pomimo duŜej

nierównomierności luminancji obszaru świecącego tej lampy, otrzymany sprzęt uzyskał

dobrą równomierność natęŜenia napromienienia na powierzchni eksponowanej [102].

Symulator ciągłego promieniowania słonecznego typu SS150 (PhotoEmission

Tech. Inc.) zbudowany na lampach ksenonowych (krótko wyładowczych) znajduje się

na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej (Katedra

Elektroniki i Fotoniki; Laboratorium Fotowoltaiki, system SolarLab) (Rys. 2.18).

Na rysunku 2.19 przedstawiono porównanie widma symulatora promieniowania

słonecznego zbudowanego na lampie ksenonowej z widmem promieniowania

słonecznego dla AM1,5. Ten sprzęt moŜe być zakwalifikowany do najwyŜszej kategorii

symulatorów – klasy A określonej w normie PN – EN 60904 – 9 [18, 86, 104, 129].

Rys. 2.18 Ogólny widok kompletnego systemu

opracowanego w SolarLab [18]

Rys. 2.19 Widmo symulatora promieniowania

słonecznego SS150 porównane z widmem

promieniowania słonecznego dla AM1,5

(znormalizowane dla 1000 W·m-2) [18, 55]

34

Firma PhotoEmission Tech. Inc. posiada w swojej

ofercie cztery rodzaje symulatorów promieniowania

słonecznego [106]:

• SS50AAA – źródło promieniowania ksenon

krótkołukowy 150 W (AM1,5),

• SS100AAA – źródło promieniowania ksenon

krótkołukowy 500 W (AM1,5; AM1; AM0),

• SS150AAA – źródło promieniowania ksenon

krótkołukowy 1000 W (AM1,5; AM1; AM0) (Rys. 2.20)

• oraz SS300AAA – źródło promieniowania ksenon

krótkołukowy 3000 W (AM1,5; AM1; AM0).

Rys. 2.20 Symulator SS150AAA firmy Photo Emission Tech. Inc. [106]

W Laboratorium Fotowoltaiki (Zakład Optoelektroniki Wydział Elektroniki

i Technik Informacyjnych, Centrum Fotowoltaiki;) Politechniki Warszawskiej znajdują

się dwa symulatory promieniowania słonecznego [97]:

• symulator ciągłego promieniowania słonecznego Photo Emission SS300B (klasy

B/B/B) o natęŜeniu promieniowania 500 – 1 100 W·m-2 do oświetlania powierzchni

300 x 300 mm (Rys. 2.21)

• oraz symulator błyskowy PASAN SSIIIB (klasy A/A/A) z moŜliwością montaŜu

modułów o wymiarach 2 000 x 2 000 mm (Rys. 2.22)

35

Rys. 2.21 Symulator SS300BBB firmy Photo Emission na Politechnice Warszawskiej [97]

Rys. 2.22 Zestaw do badania ogniw PV na Politechnice Warszawskiej

zawierający symulator Pasan SSIIIB [97]

36

Instytut Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej

wyposaŜony jest w: źródło UV-VIS ksenonowe 150 W, elektronicznie sterowany

monochromator oraz układ filtrów do symulacji widma światła słonecznego (Rys. 2.23).

[103]

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

Na Wydziale Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki

Katedry Przyrządów Półprzewodnikowych

i Optoelektronicznych Politechniki Łódzkiej

znajduje się uniwersalne stanowisko

pomiarowe składające się z oświetlacza

zbudowanego z czterech niezaleŜnie

pozycjonowanych lamp Xenophot HLX

OSRAM o mocy 250 W kaŜda (lampy

halogenowe z ksenonem zamiast

standardowego gazu wypełniającego –

kryptonu) oraz filtra wodnego, który

pochłania znaczną część zbędnego

promieniowania IR i słuŜy dodatkowo jako

dyfuzor światła (Rys. 2.24).

Rys. 2.24 Oświetlacz – Politechnika Łódzka [110]

Do komercyjnych rozwiązań, w których wykorzystano lampy ksenonowe

krótkołukowe naleŜą równieŜ: Oriel Class A Solar Simulator (o mocach stosowanych

37

lamp: 150 W, 300 W, 450 W, 1 000 W, 1 600 W) oraz Oriel Sol3A Class AAA Solar

Simulators (Rys. 2.25) (oraz inne symulatory [107]). Po zastosowaniu filtru korekcji

spektralnej (filtr AM1,5) w Oriel Class A Solar Simulator następuje zmiana widma

symulatora promieniowania słonecznego, co sprawia, iŜ ten sam symulator spełnia

wymagania normy. [107] Rysunek 2.26 przedstawia przekrój symulatora

promieniowania słonecznego firmy Oriel, w którym zastosowano jako źródło

promieniowania lampę ksenonową.

Rys. 2.25 Oriel Sol3A Class AAA Solar - widok ogólny [107]

Rys. 2.26 Przekrój symulatora promieniowania słonecznego firmy Oriel [107]

38

Inne podejście do symulacji promieniowania przedstawiono w pracach [22, 23,

24]. Prowadzone w Instytucie Elektrotechniki Politechniki Warszawskiej badania miały

na celu uzyskanie symulatora światła dziennego D65 z wykorzystaniem, jako element

emitujący promieniowanie, wysokopręŜnej lampy wyładowczej – metalohalogenkowej

o mocy 400 W. Symulator ten ma zastosowanie w kolorymetrii, np. przy ocenie

parametrów barwy wszędzie tam, gdzie wymagane jest stosowanie źródła emitującego

światło dzienne. Rozkład widmowy iluminantu D65 (Rys. 2.27) (zalecany przez CIE –

Międzynarodową Komisję ds. Oświetlenia) reprezentuje fazę światła dziennego, czyli

odpowiada rozkładowi uśrednionego promieniowania dziennego w róŜnych porach

dnia, na róŜnej szerokości geograficznej (rozkład promieniowania jak

dla ciała czarnego o temperaturze 6 500 K). Iluminat D65 jest stabelaryzowany,

w krokach co 5 nm, od 300 do 830 nm. Wszystkie źródła promieniowania, które mają

ten sam względny rozkład widmowy mocy mogą być uznane za źródło światła D65.

CIE wprowadzając iluminat typu D nie podała Ŝadnych wskazówek co do sposobu jego

realizacji. W celu uzyskania jak najwyŜszej kategorii symulatora zastosowano

unikatowy filtr interferencyjny (poprawiający parametry widmowe i kolorymetryczne)

oraz przy doborze składu chemicznego plazmy wyładowania załoŜono zastosowanie

(jako podstawową domieszkę) jonów metali ziem rzadkich (lantanowców).

Rys. 2.27 Względny rozkład widmowy iluminantu D65 [23, 24]

39

2.4 Przegląd norm

Wymagania normatywne dla symulatorów promieniowania słonecznego zawarte

są w normach dotyczących kolektorów słonecznych oraz ogniw fotowoltaicznych

oraz publikacjach [np. 18, 30, 73, 80].

Jako odniesienie został przyjęty rozkład widmowy promieniowania słonecznego

o masie optycznej AM1,5 zarówno w Normach PN – EN 60904 –3, PN – EN 60904 –8,

PN – EN 60904–9, PN – EN 12975 – 2 i PN – EN 50461 (wg PN – EN 60904 –3),

jak i w CIE Technical Report – Solar Spectra Irradiance [123, 126, 128, 129, 130, 132].

Według Normy PN – EN 60904–9 Elementy fotowoltaiczne Część 9:

Wymagania dla symulatorów promieniowania słonecznego symulator

promieniowania słonecznego jest to sprzęt uŜywany do symulacji natęŜenia

promieniowania oraz spektrum. Symulatory zazwyczaj składają się z trzech głównych

elementów: (1) źródła (źródeł) światła i powiązanego zasilania; (2) optyki i filtrów

wymaganych do zmodyfikowania wyjściowej wiązki w celu spełnienia wymagań

klasyfikacyjnych i (3) niezbędnych środków kontroli do obsługi symulatora. WyróŜnia

się symulatory promieniowania słonecznego: o działaniu ustalonym (stałym) oraz jedno

– lub wielo – impulsowym [129, 125].

Do celów oceny symulatorów, w PN – EN 60904–9, zakres długości fali został

ograniczony od 400 nm do 1100 nm. W normie tej [129] zostało równieŜ zdefiniowane

dopasowanie spektralne symulatora promieniowania słonecznego do promieniowania

słonecznego jako odchylenie od AM1,5 (określonego w normie PN – EN 60904 –3).

W normie PN – EN 60904–9 podano równieŜ procentowe dopasowanie energii

z zakresu UV, VIS i IR (dla 100 nm zakresów długości fali od 400 nm do 1 100 nm)

dla widma promieniowania słonecznego (Tab. 2.2). Jest to podstawą do określenia

odpowiednich klas symulatorów – A, B, C z tabeli 2.3 (przykład do obliczeń

przedstawiono na lampach ksenonowych niefiltrowanych). O klasie symulatora

decyduje stopień zbieŜności, stosunek procentowych udziałów promieniowania

symulatora z promieniowaniem słonecznym dla wszystkich 6 zakresów podanych

w tabeli 2.2. W normie [129] zostało równieŜ podane, Ŝe natęŜenie promieniowania

moŜe ulec zmianie podczas gromadzenia danych z pomiaru, a wtedy efektywne

natęŜenie promieniowania jest średnim natęŜeniem dla wszystkich punktów.

W części 9 Normy PN – EN 60904 podano wzór na nierównomierność natęŜenia

promieniowania na badanej powierzchni [129]:

40

( ) 100%prom. nat.min prom. nat.max

prom. nat.min - prom. nat.max % N ⋅

+= (2.5)

a w części 7 tej samej Normy [127] podano opis metody na wyznaczenie błędu

wynikającego z niedopasowania spektralnego powstającego w trakcie testowania

elementu fotowoltaicznego.

Tabela 2.2. Udział poszczególnych zakresów widmowych

w całkowitym promieniowaniu słonecznym wg [55, 129]

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

400-500 18,4%

500-600 19,9%

600-700 18,4%

700-800 14,9%

800-900 12,5%

900-1100 15,9%

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

Klasyfikacja Dopasowanie spektralne do wszystkich

zakresów wyspecyfikowanych w Tab.2.2

A 0,75 – 1,25

B 0,6 – 1,4

C 0,4 – 2,0

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

widmowej elementu fotowoltaicznego (PV) dokonuje się poprzez oświetlanie

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

widzialną jak i podczerwoną część widma) z wykorzystaniem wąskopasmowego źródła

światła szeregiem róŜnych długości fal pokrywających zakres czułości widmowej

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

wąskie pasmo) w przykładowych układach testowych moŜe być monochromator

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

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

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

moŜna dokonać w pewnych sytuacjach przy dodatkowym oświetleniu elementu białym

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

41

promieniowania. W normie [128] nazwano ten element symulatorem promieniowania

słonecznego bez określenia jakie źródło promieniowania powinno zostać zastosowane.

Zarówno w części 3, jak i 9 Normy PN – EN 60904 oraz w literaturze [20]

zdefiniowano pojęcie STC – standardowe warunki badania (Standard Test Conditions).

Są to badawcze warunki odniesienia dla pomiaru modułu lub ogniwa, fotowoltaicznego.

Wymagana optyczna masa atmosfery dla widma słonecznego odniesienia została

określona jako AM1,5, temperatura ogniwa jako (25 +/- 2) 0C, a symulator powinien

wytworzyć skuteczne natęŜenie promieniowania o wartości 1 000 W·m-2

na powierzchni testowej (wyŜsze lub niŜsze poziomy natęŜenia promieniowania mogą

być równieŜ wymagane).

W normie [123] PN – EN 12975 – 2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy

– Kolektory słoneczne – Część 2: Metodyka badań w punkcie dotyczącym badania

sprawności w stanie ustalonym z wykorzystaniem symulatora natęŜenia

promieniowania słonecznego (postanowienia ogólne) podano, Ŝe charakterystyka

cieplna większości kolektorów jest lepsza w warunkach oddziaływania bezpośredniego

promieniowania słonecznego niŜ dyfuzyjnego. Zaznaczono równieŜ, Ŝe obecnie

doświadczenie w symulacji promieniowania dyfuzyjnego jest niewielkie,

a prezentowana metoda badań jest przeznaczona do stosowania tylko w symulatorach,

gdzie symulowane promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem bezpośrednim.

W normie [123] zwrócono uwagę na fakt, Ŝe w praktyce trudno jest stworzyć jednolitą

wiązkę symulowanego promieniowania słonecznego, dlatego średni poziom natęŜenia

promieniowania powinien być mierzony nad aperturą kolektora.

W punkcie dotyczącym rozproszonego i odbitego promieniowania słonecznego

zauwaŜono, Ŝe większość symulatorów słonecznych symuluje wiązkę promieniowania

odwzorowującą tylko natęŜenie bezpośrednie promieniowania słonecznego. W celu

uproszczenia pomiaru symulowanego natęŜenia promieniowania naleŜy, na przykład

malując wszystkie powierzchnie pomieszczenia badawczego ciemną (o niskiej

refleksyjności) farbą, zminimalizować natęŜenie promieniowania odbitego.

W kolejnym punkcie Normy PN – EN 12975 – 2 zdefiniowano charakterystykę

symulatora natęŜenia promieniowania do badania sprawności w stanie ustalonym.

Podano, Ŝe lampy powinny wytworzyć średnie natęŜenie promieniowania

na aperturze kolektora o wartość co najmniej 700 W·m-2, jak równieŜ moŜna

wykorzystać w badaniach specjalistycznych wartości z zakresu od 300 W·m-2

do 1 000 W·m-2 (o dozwolonym odchyleniu od wartości średniej +/- 50 W·m-2).

42

ZauwaŜono równieŜ, Ŝe natęŜenie promieniowania zmienia się w czasie badań

(symulacji) z powodu wahań zasilania elektrycznego czy zmian mocy lamp,

a niektóre lampy wymagają ponad 30 minut działania, aby ze stanu zimnego

uzyskać stabilne warunki pracy. W Normie [123] nie określono, jakie źródła

promieniowania powinny zostać zastosowane do budowy symulatora

promieniowania słonecznego. Podano tylko, Ŝe dla niektórych typów lamp,

tj. o konstrukcji metalowo – halogenkowej, zaleca się wyznaczenie początkowego

spektrum promieniowania po ich rozgrzaniu się.

W normie PN – EN 12975 – 2 zauwaŜono równieŜ, Ŝe w przypadku

gdy kolektory słoneczne są wyposaŜone w spektralnie selektywne absorbery

lub osłony (pokrycia), naleŜy sprawdzić i ustalić wpływ róŜnicy w spektrum

na efektywny współczynnik (patrz wzór nr 4.32 podrozdział 4.5.5) kolektora

słonecznego, poniewaŜ rozkład widmowy zarówno lamp (w pomieszczeniu),

jak i nieba (w badaniach polowych) moŜe powodować i powoduje bardzo duŜe

rozbieŜności. W [123] określono równieŜ zakres długości fal, dla którego naleŜy

wyznaczyć własności spektralne symulatora słonecznego. Ustalono, Ŝe są to długości

fal od 0,3 µm do3 µm (z dokładnością szerokości pasma 0,1 µm lub mniejszą),

a jeŜeli chodzi o ilość energii cieplnej w podczerwieni na płaszczyźnie kolektora

słonecznego to naleŜy zminimalizować wpływ promieniowania podczerwonego

o długości fal powyŜej 3 µm. W Normie załoŜono, Ŝe natęŜenie promieniowania

cieplnego na kolektorze nie powinno przekraczać natęŜenia promieniowania ciała

doskonale czarnego otaczającego kolektor więcej niŜ o 5% całkowitego natęŜenia

promieniowania.

W Normie PN – EN 12976 – 2– Część 2: Metodyka badań [124] zostało

określone, Ŝe symulator promieniowania słonecznego powinien być podobny

do symulatorów promieniowania słonecznego uŜywanych do określania efektywności

kolektorów słonecznych. Norma ta w punkcie dotyczącym testowania zabezpieczenia

termicznego (badanie odporności na wysoką temperaturę) określa minimalne natęŜenie

promieniowania pochodzące od lamp na płaszczyznę kolektora:

• dla strefy klimatycznej Europa Północna 700 W·m-2,

• dla strefy klimatycznej Europa Centralna 850 W·m-2,

• dla strefy klimatycznej Obszar górski 1 050 W·m-2,

• dla strefy klimatycznej Obszar śródziemnomorski 1 050 W·m-2.

43

2.5 Charakterystyki wybranych źródeł promieniowania

Źródła promieniowania moŜna podzielić na pierwotne, w których występuje

przemiana jednego rodzaju energii w energię elektromagnetycznego promieniowania

optycznego, i wtórne, które wysyłają promieniowanie odbite lub przepuszczone

(na przykład sufit, ściany czy KsięŜyc). Z innego punktu widzenia moŜna wyróŜnić

źródła naturalne – Słońce, i sztuczne, które w dowolnym miejscu i czasie pozwalają

korzystać z energii promieniowania optycznego (lampy oraz inne źródła jak piec

stalowniczy czy łuk spawalniczy). Według Polskiej Normy Technika świetlna.

Terminologia pod pojęciem lampy rozumie się źródło wykonane w celu wytwarzania

promieniowania optycznego, zazwyczaj widzialnego. [1, 21, 33, 45, 78, 85, 120]

KaŜde źródło promieniowania moŜna opisać za pomocą wielu parametrów

słuŜących do scharakteryzowania podstawowych właściwości świetlnych,

elektrycznych, eksploatacyjnych czy konstrukcyjnych. Podczas oceny źródeł

promieniowania przydatnych do budowy symulatorów promieniowania słonecznego

waŜne są tylko niektóre właściwości oraz parametry, między innymi: ogólny wskaźnik

oddawania barw Ra [-], temperatura barwowa Tb [K] (parametry świetlne opisujące

źródła światła), moc P [W] (parametr energetyczny), oraz skuteczność świetlna

η [lm/W] i trwałość τ [h] (parametry eksploatacyjne). WaŜnym aspektem jest równieŜ

analiza rozkładu widmowego danego źródła lub zespołu źródeł promieniowania.

Analizując przydatność róŜnych źródeł promieniowania do budowy

symulatorów promieniowania słonecznego, istotnym jest uzyskanie takich parametrów

jak gęstość mocy rzędu 1 000 lub 2 000 W·m-2, trwałość, ciągłe widmo promieniowania

w zakresie od 200 – 2 500 nm oraz temperatura barwowa zbliŜona do światła dziennego

(tzn. ok 5 800 K). Skuteczność świetlna oraz wskaźnik oddawania barw mają w tym

wypadku mniejsze znaczenie. Analizując normy jak równieŜ róŜne pozycje literaturowe

i publikacje [5, 6, 7, 9, 17] moŜna zauwaŜyć, Ŝe najczęściej wymienianymi źródłami

promieniowania spełniającymi pozytywnie omówione wyŜej parametry i branymi

pod uwagę do budowy symulatorów promieniowania słonecznego są lampy:

halogenowe, metalohalogenkowe, ksenonowe oraz siarkowe [37, 105]. Owe lampy

zostaną poniŜej krótko scharakteryzowane [5, 6, 7, 9, 17, 61, 63, 64, 65, 66, 73].

Lampa halogenowa naleŜy do lamp elektrycznych inkandescencyjnych

wysyłających promieniowanie w wyniku cieplnego wzbudzenia atomów lub cząsteczek

(promieniowanie temperaturowe). Lampa ta charakteryzuje się ciągłym widmem

44

promieniowania w zakresie od 200 – 1 675 nm, chociaŜ widmo to mocno zaleŜy

od napięcia lub prądu, którym operuje się w trakcie pomiarów. Temperatura barwowa

tych źródeł promieniowania jest charakteryzowana przez krzywą ciała doskonale

czarnego i wynosi 3 200 K do 3 450 K (dlatego występuje deficyt w niebieskim

obszarze widma słonecznego – UV). Średnia trwałość tych lamp wynosi 200 godzin,

a wskaźnik oddawania barw Ra = 100. Zakres osiągalnych mocy lamp halogenowych

liniowych wynosi do 2 000 W. Lampy halogenowe znajdują zastosowanie

w medycynie, w oświetleniu scenicznym i studyjnym oraz

dla potrzeb telewizji kolorowej. Budowę i rozkład

widmowy wybranej lampy halogenowej przedstawiono

na rysunku 2.28 i 2.29. [9, 17, 37, 73, 95, 96]

Rys. 2.28 Przykładowa lampa halogenowa 1 000 W firmy Osram [96]

Rys.2.29 Względny rozkład widmowy lampy halogenowej 1 000 W [dzięki uprzejmości firmy Philips]

Lampy rtęciowo – halogenkowe inaczej zwane metalohalogenkowymi zaliczane

są do wysokopręŜnych lamp elektrycznych luminescencyjnych. Lampy te nie wysyłają

promieniowania w wyniku cieplnego wzbudzenia atomów lub cząsteczek, a na skutek

wyładowań elektrycznych w gazach (elektroluminescencja gazów) [1, 17, 21, 33, 45,

78, 85, 120]. W literaturze [45, 95, 120] do lamp wyładowczych zalicza się równieŜ

45

lampy ksenonowe, a w [21] lampy ksenonowe zalicza się do grupy lamp

inkandescencyjno – luminescencyjnych.

Lampa metalohalogenkowa charakteryzuje się ciągłym widmem

promieniowania w zakresie od 250 – 800 nm. Zakres osiągalnych mocy lamp

metalohalogenkowych wynosi 2 000 W. Temperatura barwowa wynosi około 6 000 K,

średnia trwałość około 1 000 godzin, a wskaźnik oddawania barw Ra > 80. Stosowana

jest w zewnętrznym i wewnętrznym oświetleniu dla potrzeb telewizji kolorowej,

w filmowaniu wewnętrznym i zewnętrznym, w oświetleniu scenicznym

i dyskotekowym, w rzutnikach oraz głównie w zewnętrznym oświetleniu

architektonicznym. Budowę i rozkład widmowy wybranej lampy metalohalogenkowej

przedstawiono na rysunku 2.30 i 2.31.[73, 95]

Rys.2.30 Przykładowa lampa metalohalogenkowa MSR (MSI) 1800 firmy Philips [95]

Rys. 2.31 Względny rozkład widmowy

przykładowej lampy metalohalogenkowej MSR (MSI) 1800 firmy Philips [95]

Lampa ksenonowa charakteryzuje się ciągłym widmem promieniowania

w zakresie od 250 – 2 450 nm i średnią trwałością 2 400 godzin. Posiada temperaturę

barwową zbliŜoną do światła dziennego ok. 6 000 K oraz wysoki współczynnik

oddawania barw Ra > 95. Zakres osiągalnych mocy lamp ksenonowych wynosi

do 12 000 W. NiezaleŜnie od typu lampy i mocy, barwa światła jest stała. [9, 73, 96]

46

Lampy ksenonowe stosowane są w klasycznej projekcji filmowej, cyfrowej

projekcji filmowej i projekcji wideo, oświetleniu obiektów architektonicznych,

i uzyskiwaniu efektów świetlnych oraz symulacji światła słonecznego. [96] Budowę

i rozkład widmowy wybranej lampy ksenonowej krótkołukowej firmy Osram

przedstawiono na rysunkach 2.32 i 2.33.

Rys.2.32 Lampa ksenonowa OSRAM XBO 1 000 W/HSC OFR

w specjalnie przeznaczonej do badań oprawie oświetleniowej

Komercyjne lampy ksenonowe łukowe o ciągłym rozkładzie widmowym,

z odpowiednimi filtrami, mają dobre spektralne dopasowanie do AM0 lub widma

naziemnego. Spektrum promieniowania przesuwa się nieznacznie od niebieskiego

do czerwonego w trakcie eksploatacji tych źródeł (większość zmiany widma

występujących w ciągu pierwszych 100 godzin pracy) [37].

Impulsowe lampy łukowe - pulsacyjne symulatory są szczególnie przydatne

do charakteryzowania skoncentrowanych ogniw i wielkopowierzchniowych modułów.

Widmo impulsowych źródeł światła przesuwa się mniej, z niebieskiego do czerwonego

zakresu długości fal promieniowania, z liczbą błysków lampy i jest trudne

do oszacowania, poniewaŜ występują problemy w pomiarze widmowego natęŜenia

47

promieniowania impulsowych źródeł promieniowania. Widmowe dopasowanie

niefiltrowanych lamp łukowych w zakresie UV i VIS jest doskonałe, ale ubogie

w promieniowanie podczerwone (> 700 nm) z powodu licznych linii emisyjnych

ksenonu (redukowanych przez niestandardowe filtry) [37]. Głównym powodem

korzystania z „błyskowych” zamiast „ciągłych” źródeł promieniowania jest

zmniejszenie efektów termicznych w trakcie testowania ogniw słonecznych, dlatego

ekspozycje typu Flash są często stosowane [69].

Rys.2.33 Względny rozkład widmowy przykładowej lampy ksenonowej XBO 1 600 W OFR

[dzięki uprzejmości firmy Osram]

Lampa siarkowa charakteryzuje się temperaturą barwową ok. 6 000 K

oraz współczynnikiem oddawania barw wynoszącym Ra = 79. Średni przewidywany

czas pracy samej lampy siarkowej wynosi około 60 tysięcy godzin podczas gdy średni

czas pracy magnetronu to jedynie 15 – 20 tysięcy godzin. Spektrum wytwarzanego

promieniowania jest ciągłe w całym zakresie promieniowania widzialnego (około 73%

promieniowania to promieniowanie widzialne), dzięki temu, Ŝe plazma siarkowa składa

się głównie z dwuatomowych cząstek (S2), które emitują światło poprzez emisję

cząsteczkową, a nie atomową.

Maksymalna wartość dla rozkładu widmowego lampy siarkowej przypada

na długość fali około 510 nm, przez co nadaje delikatnie zielonkawy odcień

oświetlanym przedmiotom. Promieniowanie podczerwone jest bardzo małe, podobnie

jak promieniowanie ultrafioletowe, które stanowi zaledwie 1% emitowanego

promieniowania. Budowę i rozkład widmowy wybranej lampy siarkowej przedstawiono

na rysunkach 2.34 i 2.35. [92, 93, 94]

48

Rys.2.34 Lampa siarkowa [92]

Rys. 2.35 Względny rozkład widmowy lampy siarkowej

na tle światła słonecznego [92]

W niektórych symulatorach promieniowania słonecznego

stosuje się równieŜ lampy ksenonowo – rtęciowe lub lampy

rt ęciowe krótkołukowe. Lampy rtęciowe krótkołukowe

(Rys. 2.36) charakteryzują się wysoką luminancją, wieloliniowym

widmem oraz wysoką mocą promieniowania w zakresie UV

oraz VIS, a ich główne aplikacje to: mikroskopia, endoskopia

fluorescencyjna czy utwardzanie UV). [107, 108]

Rys.2.36 Przykładowa lampa rtęciowa

krótkołukowa HBO firmy Osram [108]

Świetlówki, lampy sodowe, tradycyjne lampy rtęciowe i rtęciowo – Ŝarowe

oraz diody elektroluminescencyjne (LED) nie spełniają kryteriów rozkładu widmowego

oraz mocy, to znaczy nie moŜna osiągnąć odpowiednio ciągłego widma w zakresie

od 200 do 2 500 nm lub odpowiednio duŜej mocy źródeł i dlatego nie uwzględnia się

ich do budowy symulatorów promieniowania słonecznego. Lampy siarkowe mimo

stosunkowo duŜej wydajności równieŜ są niechętnie stosowane do symulacji

promieniowania słonecznego. Do podstawowych problemów lamp siarkowych naleŜą:

duŜy rozmiar, trudności z osiągnięciem jednorodnego rozkładu temperatur w naczyniu

wyładowczym, nagrzewanie, proces palenia ścian naczynia przez siarkę (chyba

Ŝe naczynie obraca się z duŜą prędkością), oraz niemoŜność stosowania lamp małej

mocy (nie moŜna utrzymać plazmy siarkowej przy mocy poniŜej 1 000 W) [92, 93, 94].

Analizując wady i zalety opisanych powyŜej lamp, postanowiono wziąć

pod uwagę – do obliczeń, symulacji i pomiarów w niniejszej pracy – lampę halogenową

i ksenonową.

49

3. CEL, TEZA I ZADANIA SZCZEGÓŁOWE ROZPRAWY

Opisany w podrozdziałach 2.1 oraz 2.3 symulator promieniowania słonecznego,

czyli urządzenie słuŜące do wytwarzania sztucznego promieniowania słonecznego,

powinien w sytuacji idealnej modelować promieniowanie słoneczne w skali

laboratoryjnej, jak najdokładniej odzwierciedlając warunki solarne, klimatyczne

oraz termiczne (patrz podrozdział 2.2) występujące w naturze zaleŜnie od pory dnia,

roku i rejonu Polski (lub innego kraju).

Jak zasygnalizowano we wprowadzeniu, zastosowanie symulatorów jest bardzo

szerokie (patrz podrozdział 2.1, 2.3). Najbardziej znaną (i omówioną w niniejszej pracy)

aplikacją symulatorów jest wykonywanie badań na kolektorach słonecznych i modułach

fotowoltaicznych. Testowanie tych urządzeń w warunkach zewnętrznych nie jest

moŜliwe w środowisku produkcyjnym. Dzieje się tak ze względu na wydajność,

czyli liczbę modułów przetestowanych w ramach określonego przedziału czasu,

oraz utrudnioną pracę przy wykorzystaniu naturalnego promieniowania ze względu

na zmienne warunki pogodowe [14, 57, 69]. Eksploatacyjne badania modelowe

prowadzi się więc w laboratoriach przy zastosowaniu symulatorów promieniowania

słonecznego – atestowanych urządzeń, których widmo promieniowania jest zbliŜone

do standaryzowanego widma promieniowania słonecznego.

WaŜnym czynnikiem, który determinuje dokładność pomiarów (sprawności

modułu słonecznego, otrzymane charakterystyki prądowo – napięciowe) jest moc

i widmowy skład optycznego promieniowania, padającego na próbkę [14, 57, 73].

Oczywistym jest fakt, Ŝe nigdy nie uzyska się pełnego dopasowania rozkładu

widmowego promieniowania słonecznego i stosowanego do symulacji sztucznego

źródła promieniowania (patrz podrozdział 2.5). Wykonanie takich urządzeń

o odpowiednio wysokiej dokładności, pełniących rolę imitatorów Słońca, wiąŜe się

więc z bardzo skomplikowanym, złoŜonym i kosztownym procesem naukowo –

technicznym [14, 69, 73]. Wynikiem eksperymentów prowadzonych w warunkach

laboratoryjnych moŜe być moc wyjściowa ogniw fotowoltaicznych czy kolektorów [14,

57, 69, 73]. Owa moc mierzona podczas oświetlania modułów PV promieniowaniem

z symulatora słonecznego znacznie róŜni się od wartości, które moŜna by uzyskać przez

równowaŜną ekspozycję na promieniowaniu słonecznym. Jak duŜe są to róŜnice,

wynika z typu zastosowanych w modułach PV komórek (ogniw) (patrz podrozdział 2.2)

[52, 69]. Inna metodyka wykonywania pomiarów powinna być stosowana dla ogniw

50

jednakowego typu tj. posiadających zbieŜną spektralną charakterystykę czułości

(np. stosowana do oceny sprawności ogniw słonecznych w seryjnej produkcji), a inna

w pracach badawczych, kiedy naleŜy prowadzić badania ogniw róŜnego typu [14].

W przypadku prowadzenia pomiarów, w których wysoka dokładność nie odgrywa

waŜnej roli, moŜna stosować róŜne źródła promieniowania, o parametrach

promieniowania słonecznego, których widma mogą róŜnić się od rozkładu widmowego

promieniowania słonecznego [14]. W większości przypadków symulator

promieniowania słonecznego powinien być jednak skalibrowany tak, aby zapewniać

ekspozycję na poziomie ogólnie przyjętych światowych standardów, czyli na poziomie

Standard Test Condition – STC (patrz podrozdział 4.1) czy poziomie opisanym

w odpowiednich norm branŜowych (patrz podrozdział 2.4). Tak wykonany symulator,

tester modułów PV i kolektorów słonecznych, dostosowuje wyjściowe widmo

sztucznych źródeł promieniowania do naturalnego widma słonecznego (patrz rozdział

4.4). Metodyka pracy przy pomiarach zapewnia jednocześnie, Ŝe badane obiekty

nie nagrzeją się z powodu ich ekspozycji na otrzymane promieniowanie (patrz rozdział

4.5).

Głównym celem pracy jest, przy uwzględnieniu zaleŜności widmowych,

przeprowadzenie badań eksperymentalnych i symulacyjnych oraz opracowanie

odpowiednich aplikacji, które pozwalałyby przy modelowaniu zjawiska symulacji

promieniowania słonecznego uwzględniać takŜe symulatory multiźródłowe.

Cel ten zostanie osiągnięty po zrealizowaniu następujących celów cząstkowych,

do których naleŜą:

• sformułowanie modelu matematycznego wskaźnika efektywności symulatorów

promieniowania słonecznego,

• opracowanie, na podstawie zaprojektowanego modelu, stopnia dopasowania

promieniowania z jednego źródła sztucznego lub dla symulatora wyposaŜonego w układ

kilku (np. dwóch) typów sztucznych źródeł (np. lampy halogenowej i ksenonowej)

do promieniowania słonecznego dla danego odbiornika (np.: ogniwa fotowoltaicznego

lub kolektora), w określonym przedziale długości fali ∆λ (dany zakres czułości

widmowej),

• uzupełnienie katalogowych rozkładów widmowych lamp halogenowych

i ksenonowych poprzez zbudowanie odpowiedniego stanowiska pomiarowego

51

i wykonanie odpowiednich badań – pomiarów rozkładów widmowych lamp

halogenowych róŜnej mocy, lamp ksenonowych róŜnej mocy oraz wyznaczenie

łącznych rozkładów widmowych promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych

róŜnej mocy,

• opracowanie, na podstawie otrzymanych danych eksperymentalnych, aplikacji

pozwalających modelować i symulować, w aspekcie widmowym, promieniowanie

symulatorów multiźródłowych.

Osiągnięcie sformułowanego w ten sposób celu pozwoli zbudować, rozwinąć

i przetestować aplikacje umoŜliwiające wyznaczanie stopnia dopasowania sztucznego

promieniowania z jednego lub kilku źródeł do promieniowania słonecznego w zakresie

czułości adekwatnym dla danej klasy odbiorników.

Teza pracy moŜe być przy tym sformułowana następująco:

Pod względem widmowym zastosowanie symulatorów multiźródłowych

pozwala na lepszą realizację symulacji promieniowania słonecznego

niŜ zastosowanie symulatorów monoźródłowych.

Przy czym za symulator multiźródłowy uwaŜa się symulator zbudowany z wielu

źródeł promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów.

Teza ta zostanie udowodniona przez:

• wybór zjawisk istotnych z punktu widzenia procesów widmowych w sztucznych

źródłach promieniowania i procesów termicznych w przykładowych odbiornikach

promieniowania (modułach fotowoltaicznych i kolektorach słonecznych),

• opracowanie algorytmu obliczeniowego uwzględniającego zjawiska widmowe

oraz jego implementację do programów Matlab i Microsoft Visual C# (przygotowanie

odpowiednich aplikacji),

• przeprowadzenie symulacji w wyŜej wymienionych programach i zbadanie

moŜliwości metody dla symulatora wyposaŜonego w pojedynczy typ źródła

promieniowania oraz w układ kilku (dwóch) róŜnych typów sztucznych źródeł (np.

lampy halogenowej lub ksenonowej) przy uwzględnieniu danego odbiornika

i określonego przedziału długości fali ∆λ,

• uwzględnienie w obliczeniach róŜnych zakresów długości fali ∆λ (np. 100 nm)

dla odpowiednich zakresów czułości widmowej,

52

• uwzględnienie rzeczywistych charakterystyk odbiorników promieniowania, czyli

zakresów czułości adekwatnych dla danej klasy odbiorników (krzywych spektralnych

dla ogniw PV np. typu c – Si, mc – Si, a – Si, CIS),

• weryfikację opracowanego algorytmu poprzez porównanie otrzymanych

wyników obliczeń symulacyjnych z danymi zawartymi w normach,

• osiągnięcie drogą optymalizacji maksymalnej zgodności eksperymentalnego

i obliczeniowego stopnia dopasowania promieniowania z sztucznego źródła (lub źródeł)

do promieniowania słonecznego.

Sformułowane w ten sposób tezy pomocnicze stanowią trzon pracy, którą

wzbogacają dodatkowe elementy rozwijające i uzupełniające poruszaną tematykę.

NaleŜy do nich modelowanie i stworzenie termicznego schematu budowy kolektora

słonecznego i modułu PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni oraz stworzenie

uproszczonego zastępczego schematu wymiany ciepła w kolektorze słonecznym

i module PV. RozwaŜania te zostaną zakończone przeprowadzeniem bilansu

energetycznego w odbiornikach promieniowania słonecznego.

W ujęciu szczegółowym treść niniejszej rozprawy doktorskiej stanowi sześć

rozdziałów uzupełnionych pięcioma załącznikami. W rozdziale pierwszym i drugim

umiejscowiono omawiane w pracy zagadnienia w odpowiedniej dziedzinie

elektrotechniki oraz uzasadniono podjęcie poruszanej tematyki. W odpowiednich

podrozdziałach poruszono problematykę znaczenia promieniowania słonecznego,

przedstawiono podstawowe pojęcia, definicje i zjawiska związane z symulacją

promieniowania słonecznego oraz dokonano przeglądu stanu badań i norm, jak równieŜ

scharakteryzowano wybrane źródła promieniowania. Trzecia część zawiera cele, tezę

i zadania szczegółowe rozprawy. W rozdziale czwartym opisano wskaźniki

efektywności symulatorów promieniowania słonecznego oraz zaprezentowano wyniki

przeprowadzonych symulacji, które:

• obrazują pomiar rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych

wraz z analizą metodyki badań, stanowiska pomiarowego oraz otrzymanych rozkładów

widmowych lamp halogenowych i ksenonowych,

• pokazują moŜliwość uwzględnienia w obliczeniach i symulacjach aspektów

widmowych,

53

• obrazują sposób modelowania oraz weryfikują poprawność aplikacji

otrzymanych przy uŜyciu odpowiednich programów komputerowych adaptujących

modele matematyczne wskaźnika efektywności symulatorów promieniowania

słonecznego do badania stopnia dopasowania promieniowania z symulatora

do promieniowania słonecznego.

W piątym rozdziale przedstawiono badania porównawcze mające na celu

zestawienie i analizę wyników obliczeń i symulacji z danymi zawartymi w normach.

Rozprawę zakończy podsumowanie zawierające omówienie zrealizowanych

celów pracy, wnioski z przeprowadzonych symulacji, uwagi dotyczące istniejących

ograniczeń i napotykanych problemów oraz zagadnienia moŜliwe do kontynuowania.

W załącznikach przedstawiono przykładowy rozkład widmowy wzorcowego

natęŜenia promieniowania słonecznego, opisy wybranych obliczeń szczegółowych,

dane dotyczące otrzymanych rozkładów widmowych lamp ksenonowych

i halogenowych oraz przykładowy opracowany algorytm obliczeniowy pozwalający

uwzględnić zjawiska widmowe, zaimplementowany do programu Matlab.

54

4. BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE

4.1 Wstęp

Parametry wyjściowe kolektorów słonecznych oraz modułów PV zaleŜą

od wielu czynników, między innymi od poziomu natęŜenia napromienienia, widma

promieniowania (długości fali promieniowania), dopasowania tego widma do materiału

oraz od temperatury poszczególnych elementów (np. ogniwa, modułu czy panelu PV).

Warunki pracy dowolnego ogniwa słonecznego ulegają zmianie wraz ze zmieniającym

się charakterem (intensywność, skład widmowy) padającego na nie promieniowania

słonecznego. Poziom natęŜenia napromienienia wynosi odpowiednio: w dzień

z bezchmurnym, niebieskim, niebem ok. 1 000 W·m-2, w dzień, gdy Słońce przebija się

przez chmury ok. 600 W·m-2, w dzień, gdy Słońce przebija się przez zamglenia

ok. 300 W·m-2 oraz w pochmurny, zimowy dzień – 100 W·m-2 [72]. Producenci

przekazują uŜytkownikowi własności paneli fotowoltaicznych jako tzw. charakterystyki

nominalne. Pomiary wykonywane są w znormalizowanych standardowych

(uśrednionych) warunkach zwanych STC (Standard Test Condition), które

zdefiniowane są następująco: natęŜenie promieniowania słonecznego powinno wynosić

1 000 W·m-2, widmo słoneczne AM = 1,5 (bezchmurne niebo w południe),

a temperatura modułu odpowiada 25 0C [18, 27, 30, 52, 57, 69] i odbiegają znacznie

od warunków rzeczywistych, w jakich pracują układy fotowoltaiczne. Nie pozwalają

one odpowiedzieć na pytanie, jak zachowują się badane moduły w warunkach

rzeczywistych (zmienne nasłonecznienie). W tej sytuacji najlepiej byłoby zbadać panele

PVw terenie, ale takie badanie jest dość niepraktyczne z punktu widzenia środowiska

produkcyjnego. Takie znormalizowane warunki są jednak dobrą podstawą

do porównywania jakości ogniw fotowoltaicznych róŜnych producentów. W przypadku,

gdy temperatura podczas testów róŜni się od opisanej w STC, wprowadza się korektę

przy uŜyciu temperaturowego współczynnika komórek PV stosowanych w modułach

fotowoltaicznych lub dokonuje się kalibracji symulatora promieniowania słonecznego

z wykorzystaniem „modułów odniesienia” (co moŜe powodować wiele niedokładności

pomiarowych i błędów obliczeniowych) [69].

WaŜnym aspektem jest wpływ temperatury powierzchni absorpcyjnej

na sprawność ogniw róŜnego typu (Rys. 4.1). Straty energetyczne wpływające na moc

wyjściową oraz na przebieg charakterystyki prądowo – napięciowej rozpatrywanych

modułów PV zaleŜą od widma promieniowania (długości fali promieniowania) oraz

55

od dopasowania tego widma do materiału. W rzeczywistych układach moc uzyskiwana

w ogniwach jest mniejsza wskutek strat spowodowanych m. in. odbiciem

promieniowania od powierzchni ogniwa czy wpływem temperatury ogniwa. Dzieje się

tak dlatego, Ŝe podwyŜszona temperatura ogniwa przyspiesza proces rekombinacji dziur

i w efekcie przyspiesza wzrost przepływu prądu wstecznego [35, 77]. Moduły PV

najlepiej pracują w określonej temperaturze (temperatura pracy ogniwa nie powinna być

ani za wysoka ani za niska), danej dla materiału, z którego są wykonane – np. krzem

w temperaturze ok. 298 K (25 0C) jest dobrym materiałem fotowoltaicznym,

a w temperaturach wysokich np. ok. 473 K (198 0C) sprawność konwersji ogniwa

maleje do poziomu 5% wartości

odpowiadającej 298K [30].

Temperatura ogniwa rzadko

odpowiada warunkom STC

i wynosi ~ 50 0C gdy na dworze

jest ~ 30 0C, a ~ 0 0C gdy

~ (-25 0C), a jej wzrost redukuje

otrzymane napięcie i moc

o ok. 0,5% na kaŜdy 1 0C.

Rys. 4.1 Wpływ temperatury powierzchni absorpcyjnej

na sprawność róŜnych ogniw PV [35]

Dokonując analizy opisanych powyŜej aspektów widmowych i termicznych,

wpływających na parametry wyjściowe kolektorów oraz modułów PV, wykonano

liczne badania eksperymentalne i symulacyjne. W rozdziale Badania eksperymentalne

i symulacyjne zostaną opisane wyniki pomiarów rozkładów widmowych lamp

halogenowych i ksenonowych oraz modelowania i symulacji zarówno w aspekcie

widmowym, jak i termicznym. Opis pomiarów będzie dotyczył: stanowiska

pomiarowego, metodyki badań oraz omówienia wyników przeprowadzonych

pomiarów. Zestawione zostaną równieŜ rezultaty przeprowadzonych obliczeń

i symulacji w aspekcie widmowym dla programu Matlab oraz Microsoft Visual C#.

Natomiast opis modelowania w aspekcie termicznym obejmować będzie schemat

budowy i uproszczony zastępczy schemat wymiany ciepła w kolektorze słonecznym

i module PV z zaznaczonymi strumieniami cieplnymi oraz bilans energetyczny.

56

4.2 Pomiar rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych

4.2.1 Stanowisko pomiarowe

Badania eksperymentalne zostały wykonane w laboratorium Zakładu Metrologii

i Optoelektroniki Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Wydziału

Elektrycznego Politechniki Poznańskiej. Zarówno sprzęt wykorzystany w trakcie

pomiarów, jak i procedurę pomiarową opisano w publikacjach [61, 63, 64, 65, 66].

Wyznaczono rozkłady widmowe lamp halogenowych róŜnej mocy, lamp ksenonowych

róŜnej mocy oraz sumarycznego widma lamp halogenowych i ksenonowych róŜnej

mocy.

Podczas pomiarów zbadano lampę ksenonową OSRAM XBO 1000 W/HSC

OFR oraz lampy halogenowe: PHILIPS EcoHalo 350 W, 230 V, Tb 2 900 K,

OSRAM 650 W, 230 V, Tb 3 200 K, OSRAM 800 W, 230 V, Tb 3 200 K,

OSRAM 1 000 W, 230 V, Tb 3 200 K, OSRAM 1 000 W, 230 V, Tb 3 000 K.

Stanowiska pomiarowe składały się z badanych lamp halogenowej i ksenonowej

umieszczonych w specjalnych oprawach, kuli całkującej połączonej światłowodem

pomiarowym ze spektrometrami (Maya firmy Ocean Optics i TGNIR firmy

Hamamatsu), wzorcowego źródła promieniowania o znanym spektralnym natęŜeniu

promieniowania (irradiancji spektralnej), komputera z odpowiednim oprogramowaniem

do spektrometrów oraz z zasilaczy (Rys. 4.3, 4.4, 4.5, 4.6).

Do pomiarów uŜyto spektrometrów Maya (firmy Ocean Optics) z zakresem

pomiarowym 200 – 1 100 nm i TGNIR (firmy Hamamatsu) z zakresem pomiarowym

900 – 1 700 nm przedstawionych na rysunkach 4.2 a) i b).

a) b) Rys.4.2 Spektrometr a) TGNIR firmy Hamamatsu oraz b) Maya firmy Oceans Optics [98, 99]

57

Rys. 4.3 Widok stanowiska pomiarowego słuŜącego do badania rozkładów widmowych lamp halogenowych

Rys. 4.4 Schemat, przedstawionego na rys. 4.3, stanowiska pomiarowego

do badania rozkładów widmowych lamp halogenowych.

Odległość lampy halogenowej od kuli całkującej wynosiła 1 m

58

Rys. 4.5 Widok stanowiska pomiarowego słuŜącego do badania rozkładów widmowych lamp ksenonowych

Rys. 4.6 Schemat, przedstawionego na rys. 4.5, stanowiska pomiarowego do badania rozkładów widmowych

lamp ksenonowych. Odległość lampy ksenonowej od kuli całkującej wynosiła 1 m

Rozkłady widmowe sumarycznego promieniowania lamp halogenowych

i ksenonowych wyznaczono w zmodyfikowanym układzie z rysunków 4.3 i 4.5

oraz schematów 4.4 i 4.6. Wymagana korekcja jest związana ze specyficznym

ustawieniem badanych źródeł promieniowania przedstawionym na rysunkach 4.7 i 4.8.

Podczas wykonywania pomiarów kąt γ, związany z rozmieszczeniem badanych

źródeł promieniowania, a dokładniej z gabarytami oprawy lampy ksenonowej, wynosił

250 29’ (schemat z Rys. 4.9).

59

Rys. 4.7 Widok stanowiska pomiarowego słuŜącego do badania

sumarycznych rozkładów widmowych lamp halogenowych i ksenonowych

Rys. 4.8 Widok stanowiska pomiarowego przedstawiający lampę halogenową w specjalnej oprawce

i lampę ksenonową w specjalnej oprawie oraz stanowisko komputerowe i zasilacze

60

Rys. 4.9 Schemat stanowiska pomiarowego przedstawionego na rys. 4.7 i 4.8 z zaznaczonym kątem γ = 250 29’

(badane lampy umieszczono prostopadle do odcinka łączącego źródło z kulą całkującą)

Zastosowany wzorzec rozkładu widmowego M2 D5 to źródło promieniowania –

lampa halogenowa OSRAM HLX 64656 275 W 24 V (Rys. 4.10). Pozostałe parametry

lampy to: prąd zasilania: I = 10,540 A, odległość wzorcowania 500 mm oraz minimalny

czas nagrzewania do pomiaru – 180 s. Skalowania

dokonano w układzie pomiarowym uŜywając kuli

całkującej połączonej światłowodami pomiarowymi

ze spektrometrami, komputera z odpowiednim

oprogramowaniem do spektrometrów oraz zasilacza

(Rys. 4.11 i 4.12). Charakterystyki widmowe

uŜytych światłowodów dostosowano do zakresów

pomiarowych spektrometrów.

Rys. 4.10 Lampa halogenowa OSRAM

HLX 64656 275 W 24 V [96]

61

Rys. 4.11 Widok stanowiska do skalowania przedstawiającego wzorcową lampę halogenową,

kulę całkującą połączoną światłowodem pomiarowym ze spektrometrami i zasilacz

Rys. 4.12 Schemat przedstawionego na rys. 4.11 stanowiska do skalowania

zawierającego wzorcową lampę halogenową

Ze względu na wysoką luminancję, emisję promieniowania nadfioletowego,

wysokie ciśnienie wewnątrz lampy, zarówno w stanie zimnym, jak i gorącym, lampy

ksenonowe mogą pracować jedynie w szczelnie zamkniętych i specjalnie

przeznaczonych do tego celu oprawach oświetleniowych. W czasie wszelkich

manipulacji lampy muszą znajdować się w specjalnej osłonie (Rys. 4.13). Przy pracy

na otwartych lampach konieczne jest stosowanie ochronnych okularów, maski na twarz

oraz rękawic ze specjalnymi osłonami tętnic (Rys. 4.14).

62

Rys.4.13 Specjalnie przeznaczona do badań lamp ksenonowych oprawa oświetleniowa

Rys. 4.14 Autorka pracy prezentująca specjalne środki ochrony w postaci maski i rękawic ochronnych

oraz lampa ksenonowa w specjalnie przeznaczonej do badań oprawie oświetleniowej

63

4.2.2 Metodyka badań

Metodyka badań została opisana w publikacjach [63, 64, 65, 66]. Pierwszym

etapem obliczania spektralnego natęŜenia promieniowania jest wzorcowanie toru

pomiarowego spektrometru. Najpierw dokonuje się pomiaru sygnału przy załączonym

wzorcowym źródle promieniowania (zmierzony zostaje zarówno „prąd jasny”

jak i „prąd ciemny”) co moŜna wyrazić zaleŜnością:

IPHDR = f(λ) [LSB] (4.1)

Następnie zostaje wykonany pomiar sygnału przy wyłączonym wzorcowym źródle

promieniowania (zmierzony zostaje tylko „prąd ciemny”) opisany zaleŜnością:

IDR = f(λ) [LSB] (4.2)

Sygnał skorygowany dla wzorcowego źródła promieniowania wyraŜa się zaleŜnością:

IPHR(λ) = IPHDR(λ) - IDR(λ) [LSB] (4.3)

Współczynnik W(λ) wyznaczono według wzoru:

( )( )

( )λΘΘλ

λPHR

2

2

I

r

rE

W I

IRRSR

⋅

⋅

= [mW·m-2·nm-1·LSB-1] (4.4)

gdzie:

ESR(λ) – spektralne natęŜenie promieniowania optycznego (irradiancja spektralna)

[mW·m-2·nm-1] wzorcowego źródła promieniowania w odległości rR

rR = 500 mm – odległość wzorcowego źródła promieniowania do powierzchni czołowej

czujnika pomiarowego w trakcie wyznaczania charakterystyki ESR(λ),

r2 – odległość wzorcowego źródła promieniowania do powierzchni czołowej czujnika

pomiarowego w trakcie wzorcowania toru pomiarowego spektrometru,

ΘIR – czas integracji spektrometru w trakcie pomiarów IPHDR = f(λ) i IDR = f(λ),

ΘI – czas integracji spektrometru w trakcie pomiarów IPHD = f(λ) i ID = f(λ).

Kolejnym etapem wyznaczenia spektralnego natęŜenia promieniowania jest jego

pomiar spektrometrem. Najpierw dokonuje się pomiaru sygnału przy załączonym

badanym źródle promieniowania (zarejestrowany zostaje zarówno „prąd jasny”

jak i „prąd ciemny”) wyraŜony zaleŜnością:

64

IPHD = f(λ) [LSB] (4.5)

Następnie zostaje wykonany pomiar sygnału przy wyłączonym badanym źródle

promieniowania (zarejestrowany zostaje tylko „prąd ciemny”) opisany zaleŜnością:

ID = f(λ) [LSB] (4.6)

Sygnał skorygowany dla badanego źródła promieniowania zostaje obliczony

ze wzoru:

IPH(λ) = IPHD(λ) - ID(λ) [LSB] (4.7)

Obliczenie spektralnego natęŜenia promieniowania (irradiancji spektralnej)

ES(λ) badanego pojedynczego źródła promieniowania następuje z zaleŜności:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )λλλλλλ WIIIE DPHS ⋅−=⋅= PHDW [mW·m-2·nm-1] (4.8)

Wyznaczenie końcowego, sumarycznego, spektralnego natęŜenia

promieniowania (irradiancji spektralnej) ES(λ) badanego układu źródeł promieniowania

wymaga zastosowania korekcji związanej ze specyficznym ustawieniem badanych

źródeł promieniowania przedstawionym na rysunku 4.7 i schemacie 4.9. Końcowe,

sumaryczne, spektralne natęŜenie promieniowania określone zostało następującymi

wzorami:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )λλλλλλγ WIIIE DPHPHs ⋅−=⋅= W [mW·m-2·nm-1·LSB-1] (4.9)

Es(λ) =Esγ(λ) cos γ [mW·m-2·nm-1] (4.10)

gdzie:

γ =25029’ i jest kątem pomiędzy odcinkiem łączącym dane źródło z kulą całkującą,

a odcinkiem prostopadłym do otworu pomiarowego kuli całkującej.

We wzorze 4.4 ESR(λ) wyraŜone w mW·m-2·nm-1 to spektralne natęŜenie

promieniowania optycznego (irradiancja spektralna) wzorcowego źródła

promieniowania w odległości rR. W przypadku zastosowania lampy halogenowej jako

wzorcowego źródła promieniowania optycznego moŜliwe jest wykorzystanie rozkładu

Plancka lub równania wielomianowego do wyznaczenia ESR dla danej wartości λ.

W przypadku wykorzystania rozkładu Plancka temperatura emitera jest tak dobierana,

Ŝeby aproksymowana charakterystyka przebiegała przez wyznaczone laboratoryjnie

65

punkty ESR = f(λ). Do aproksymacji ESR = f(λ) przyjmowane są długości fali λ równe

wartościom występującym w wynikach pomiaru uŜytego spektrometru. W przypadku

wykorzystania równania wielomianowego jego rząd i współczynniki są tak dobierane,

Ŝeby aproksymowana charakterystyka przebiegała przez wyznaczone laboratoryjnie

punkty ESR = f(λ). Do aproksymacji ESR = f(λ) przyjmowane są długości fali λ równe

wartościom występującym w wynikach pomiaru uŜytego spektrometru. Dla uŜytej

lampy halogenowej uzyskano ESR = f(λ) umoŜliwiające wiarygodne wzorcowanie toru

pomiarowego spektrometru od λ = 400 nm do λ = 1 700 nm (Rys. 4.15).

Rys. 4.15 Charakterystyka ESR = f(λ) halogenowego wzorcowego źródła promieniowania

66

4.2.3 Wyniki przeprowadzonych pomiarów

Pierwsza część pomiarów obejmowała zbadanie rozkładów widmowych

promieniowania lamp halogenowych na stanowisku opisanym w podrozdziale 4.2.1.

Zarówno sprzęt pomiarowy, jak i źródła promieniowania ustawiono według

schematu 4.4 przedstawiającego widok stanowiska pomiarowego zarejestrowanego

na zdjęciu z Rys. 4.3.

Dokonano pomiarów parametrów następujących lamp halogenowych

(Rys. 4.16):

A. PHILIPS EcoHalo 350 W/230 V, Tb 2 800 K

B. OSRAM ECO 400 W/230 V, Tb 2 950 K

C. OSRAM 650 W/230 V, Tb 3 200 K

D. OSRAM 800 W/230 V, Tb 3 200 K

E. OSRAM 1 000 W/230 V, Tb 3 000 K

F. OSRAM 1 000 W/230 V, Tb 3 200 K.

Rys. 4.16 Lampy halogenowe róŜnej mocy wykorzystane w pomiarach

67

Skalowanie przeprowadzono zgodnie z metodyką pomiarów przedstawioną

w podrozdziale 4.2.2 według schematu 4.12 obrazującego ustawienie elementów

wchodzących w skład układu pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.11.

Ze względu na ograniczony zakres prądowy zasilacza zmianie uległo napięcie

zasilania lampy OSRAM 1 000 W Tb 3 200 K, które zmieniono z 230 V na 225 V.

Wyznaczone doświadczalnie rozkłady widmowe promieniowania lamp

halogenowych róŜnej mocy przedstawiono na rysunku 4.17 oraz w publikacjach [61,

66].

Przykład obliczeniowy zamieszczono w Załączniku 2.

Kolejnym etapem prac było wyznaczenie rozkładów widmowych

promieniowania lamp ksenonowych. Badania wykonano na stanowisku pomiarowym

opisanym w podrozdziale 4.2.1. Zarówno sprzęt pomiarowy, jak i źródła

promieniowania ustawiono według schematu 4.6 przedstawiającego widok stanowiska

pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.5.

Dokonano pomiarów parametrów lampy ksenonowej OSRAM XBO

1 000 W/HSC OFR (Rys. 2.32 podrozdział 2.5). Poprzez regulację wartości prądu

i napięcia zasilania lampy ksenonowej o mocy znamionowej 1 000 W uzyskano moce

700 W, 800 W, 900 W i 1000 W, dla których wyznaczono eksperymentalnie rozkłady

widmowe.

Skalowanie przeprowadzono zgodnie z metodyką pomiarów przedstawioną

w podrozdziale 4.2.2 według schematu 4.12 obrazującego ustawienie elementów

wchodzących w skład układu pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.11.

Wyznaczone doświadczalnie rozkłady widmowe lamp halogenowych róŜnej

mocy przedstawiono na rysunku 4.18 oraz w publikacjach [64, 66].

Wykresy rozkładów widmowych promieniowania lamp ksenonowych,

szczegółowe dane dotyczące wybranej krzywej oraz przykład obliczeniowy

zamieszczono w Załączniku 3.

W końcowym etapie badań wyznaczono łączne rozkłady widmowe

promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych. Badania wykonano na stanowisku

pomiarowym opisanym w podrozdziale 4.2.1. Zarówno sprzęt pomiarowy, jak i źródła

promieniowania ustawiono według schematu 4.9 przedstawiającego widok stanowiska

pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.7 i 4.8.

68

Dla potwierdzenia wniosków wynikających z badań symulacyjnych dotyczących

dwóch źródeł promieniowania wykonano badania eksperymentalne polegające

na pomiarze łącznych rozkładów widmowych promieniowania lamp halogenowych –

PHILIPS EcoHalo 350 W/230 V Tb 2 900 K, OSRAM 650 W/230 V Tb 3 200 K,

OSRAM 800 W/230 V Tb 3 200 K, OSRAM 1 000 W/230 V Tb 3 200 K,

OSRAM 1 000 W/230 V Tb 3 000 K i lampy ksenonowej – OSRAM XBO

1 000 W/HSC OFR w następujących zestawach:

� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 350 W,

� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 800 W,

� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 1 000 W (Tb 3 200 K),

� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 1 000 W (Tb 3 000 K),

� Lampa ksenonowa 800 W, halogenowa 800 W,

� Lampa ksenonowa 700 W, halogenowa 650 W,

� Lampa ksenonowa 700 W, halogenowa 1 000 W (Tb 3 200 K),

� Lampa ksenonowa 700 W, halogenowa 1 000 W (Tb 3 000 K),

� Lampa ksenonowa 1 000 W, halogenowa 650 W.

Wartości mocy lamp ksenonowych wyznaczono poprzez regulację wartości

prądu i napięcia zasilania lampy ksenonowej (o mocy znamionowej 1 000 W).

Skalowanie przeprowadzono zgodnie z metodyką pomiarów przedstawioną

w podrozdziale 4.2.2 według schematu 4.12 obrazującego ustawienie elementów

wchodzących w skład układu pomiarowego zarejestrowanego na zdjęciu z Rys. 4.11.

Wyznaczenie końcowego, sumarycznego, spektralnego natęŜenia promieniowania

(irradiancji spektralnej) ES(λ) badanego układu źródeł promieniowania wymaga

zastosowania korekcji związanej ze specyficznym ustawieniem badanych źródeł

promieniowania przedstawionym na rysunku 4.9.

Przykładowe, wyznaczone doświadczalnie, łączne rozkłady widmowe

promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych róŜnej mocy przedstawiono

na rysunkach 4.19 i 4.20 oraz w publikacjach [63, 65].

Wykresy rozkładów widmowych promieniowania badanych układów źródeł

promieniowania oraz przykład obliczeniowy zamieszczono w Załączniku 4.

69

Rys

. 4.

17 W

yzn

aczo

ne

eksp

erym

enta

lnie

ro

zkła

dy

wid

mo

we

pro

mie

nio

wan

ia la

mp

o n

ast

ępu

jący

ch p

aram

etra

ch:

35

0 W

/23

0 V

T

b 2

90

0 K

,

40

0 W

/230

V T

b 2

950

K, 6

50 W

/23

0 V

Tb

3 2

00 K

, 800

W/2

30 V

Tb

3 2

00 K

, 1 0

00 W

/230

V Tb

3 2

00

K o

raz

1 0

00

W/2

30 V

T

b 3

00

0 K

70

Rys

. 4.

18 E

ksp

erym

enta

lnie

wyz

nac

zon

e ro

zkła

dy

wid

mo

we

pro

mie

nio

wan

ia la

mp

kse

non

ow

ych

o n

ast

ępu

jący

ch m

oca

ch:

700

, 80

0, 9

00

i 100

0 W

71

Rys

. 4.

19 E

ksp

erym

enta

lny,

su

mar

yczn

y (w

ypad

kow

y) r

ozk

ład

wid

mo

wy

pro

mie

nio

wan

ia

lam

p h

alog

eno

wej

o m

ocy

35

0 W

i ks

eno

now

ej o

mo

cy 1

00

0 W

72

Rys

. 4.

20 E

ksp

erym

enta

lny,

su

mar

yczn

y (w

ypad

kow

y) r

ozk

ład

wid

mo

wy

pro

mie

nio

wan

ia

lam

p h

alog

eno

wej

o m

ocy

1 0

00 W

(T

b 3

20

0 K

) i

ksen

ono

wej

o m

ocy

1 0

00 W

73

Producenci źródeł promieniowania niechętnie zamieszczają w swoich

katalogach rozkłady widmowe produkowanych przez siebie lamp, a zamieszczane

krzywe obejmują najczęściej tylko zakres ultrafioletowy i widzialny. Innym problemem

jest publikowanie tylko względnych charakterystyk lub przedstawianie natęŜenia

napromienienia w nieuŜytecznych dla większości rozwaŜań jednostkach. Producenci

nie opisują często procedury pomiarowej, co w wielu przypadkach utrudnia

porównywanie wykresów.

Przeprowadzone badania miały na celu otrzymanie rozkładów widmowych

lamp halogenowych i ksenonowych obejmujących promieniowanie UV, VIS i IR

oraz uzupełnienie juŜ istniejących danych dotyczących charakterystyk

widmowych. Dzięki temu uzyskano charakterystyki widmowe w szerszym zakresie

(od λλλλ = 400 nm do λλλλ = 1 700 nm) niŜ występujące w katalogach wytwórców.

W porównywalnych zakresach otrzymane rozkłady widmowe promieniowania lamp

halogenowych i ksenonowych róŜnej mocy są z zgodne z krzywymi przedstawianymi

przez producentów w katalogach.

Przedstawiono równieŜ wyniki pomiarów rozkładu widmowego

promieniowania optycznego emitowanego przez układ (zespół) dwóch lamp:

halogenowej i ksenonowej. Zakres wyznaczonych charakterystyk dostosowano

do czułości widmowej wybranych odbiorników. Sumaryczne charakterystyki

widmowe wyznaczono dla kombinacji lamp o róŜnej mocy. Stwierdzono,

Ŝe na podstawie rozkładów widmowych poszczególnych lamp moŜliwe jest określenie

sumarycznej (wypadkowej) charakterystyki widmowej symulatora.

WaŜnym było równieŜ wyskalowanie pomiarów i otrzymanie spektralnego

natęŜenia promieniowania w jednostkach [W·m-2·nm-1], co pozwala na bezpośrednie

porównywanie z rozkładami widmowymi promieniowania słonecznego.

PowaŜnym problemem podczas wykonywania pomiarów okazała się

niestabilność termiczna jednego z uŜytych spektrometrów. Zaobserwowana

niestabilność znacząco utrudniła wykonywanie pomiarów o oczekiwanej dokładności.

Pomiary przeprowadzono w sposób minimalizujący wpływ niestabilności

temperaturowej spektrometrów.

Uzyskane dane i zgromadzone wyniki pomiarów pozwalają na kontynuację

i weryfikację obliczeń i badań analitycznych.

74

4.3 Wskaźniki efektywności symulatorów promieniowania słonecznego

W celu dokonania obliczeń i symulacji (opisanych w podrozdziale 4.4)

określono efektywność symulatorów mono – i multiźródłowych. Symulator

monoźródłowy zbudowany jest z jednego źródła promieniowania na przykład

halogenowego lub ksenonowego, a symulator multiźródłowy wyposaŜony jest w układ

wielu źródeł promieniowania jednego lub kilku (np.: dwóch) róŜnych typów sztucznych

źródeł (np. lampy halogenowej i ksenonowej).

Gęstość strumienia efektywnego Eef,i-x (natęŜenie promieniowania) [W·m-2]

sztucznego źródła promieniowania lub Słońca wyznaczono na podstawie jego rozkładu

widmowego oraz czułości widmowej odbiornika w danym zakresie długości fali ∆λ

ze wzoru:

( ) ( ) ( ) ( ) λ∆λλλλλλ

λλ ⋅⋅≅⋅= +÷+÷− ∫ ∆λ)λśr(λi,∆λ)λśr(λx,,xief, 1111

2

1

ESRdESRE ix (4.11)

gdzie:

Ελ,i(λ)– to monochromatyczna gęstość strumienia promieniowania Słońca

lub i – tego sztucznego źródła

SRx(λ) – czułość widmowa odbiornika x (ogniwa fotowoltaicznego lub kolektora

słonecznego)

Według [2, 32, 36] odchylenie standardowe s lub σ (standard deviation SD)

definiujemy jako miarę rozproszenia uzyskanych poszczególnych wartości oznaczeń

wokół wartości średniej xśr (wzór 4.12) lub znanej wartości oczekiwanej µx (wzór 4.13).

( )

11

2

−

−=∑

=

n

xxN

iśri

σ (4.12)

( )

n

xN

ixi∑

=

−= 1

2µσ (4.13)

W przypadku gdy wszystkie wyniki są identyczne, odchylenie standardowe jest

równe zeru – im większe rozproszenie wyników, tym większa, ale zawsze dodatnia, jest

wartość odchylenia standardowego. Odchylenie standardowe jest zawsze liczbą

mianowaną, a miano jest wyraŜone w takich samych jednostkach jak miano wartości

wyników.

Stopień dopasowania promieniowania ze źródła sztucznego (np. lampy

halogenowej lub ksenonowej) do promieniowania słonecznego dla danego odbiornika

75

(ogniwa fotowoltaicznego lub kolektora słonecznego) w określonym przedziale ∆λ

moŜna wyznaczyć, obliczając średnie odchylenie standardowe σ pomiędzy widmowymi

wielkościami (np. strumieniem promienistym Φ(λ), Фef,źr-x(λ) lub natęŜeniem

promieniowania Ε(λ)) określającymi promieniowanie źródła symulatora na powierzchni

roboczej a promieniowaniem słonecznym Eef,Sł-x(λ).

Stopień dopasowania dla jednego, sztucznego, źródła promieniowania

wyznaczono wg wzoru:

( ) ( )( )

⋅⋅−

=∑ −−

21

2xźrf,xSłef,

m

W

N

kkEEN

uie λλσ (4.14)

gdzie: Eef,Sł-x – oznacza efektywne wartości natęŜenia promieniowania Słońca przy

określonym odbiorniku – x

Eef,źr-x – efektywne wartości natęŜenia promieniowania dla sztucznego źródła

promieniowania i tego samego odbiornika – x

N – liczba wartości branych pod uwagę w rozpatrywanym zakresie,

ki – współczynnik korygujący moc sztucznego źródła promieniowania

dla najefektywniejszego dopasowania mocy i widma źródła i Słońca

przy określonym odbiorniku:

i = ha – dla źródła halogenowego lub

i = ks – dla źródła ksenonowego

u = 1, 2 lub N – współczynnik udziału źródła ku, który uwzględnia zaleŜności

związane z geometrią, zamocowaniem itp. źródła

oraz wpływem konstrukcji urządzenia.

Dla promieniowania symulatora wyposaŜonego w układ kilku (dwóch) typów

sztucznych źródeł promieniowania odchylenie standardowe wyznaczono ze wzoru:

( ) ( )

⋅⋅−

=∑ ∑ −−

2

1

2

xźrjef,xSłef,

m

W

N

kkEEN

juijλλ

σ (4.15)

gdzie indeksem j oznaczono kolejne typy źródeł promieniowania

(np. ha - halogenowe, ks - ksenonowe)

76

4.4 Modelowanie i symulacje – aspekty widmowe

4.4.1 Wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji dla programu Matlab

Zarówno efektywność symulatorów multiźródłowych zbudowanych na lampie

halogenowej i ksenonowej, jak i aplikacje wspomagające projektowanie symulatorów

dwuźródłowych opisano w publikacjach [6, 7, 10, 11, 58, 59, 60].

Pierwsza aplikacja (SUN PROF 1) – opracowana na podstawie otrzymanych

danych eksperymentalnych pozwalających modelować i symulować, w aspekcie

widmowym, promieniowanie symulatorów multiźródłowych – umoŜliwia określenie

średniego odchylenia standardowego σ wg wzorów (4.11, 4.14, 4.15 – podrozdział 4.3)

dla danego materiału odbiornika (np. ogniwa PV) i w określonych zakresach

promieniowania przy wykorzystaniu wybranych źródeł promieniowania (lampy

halogenowej i/lub ksenonowej). W ten sposób wyznaczono, na podstawie

opracowanego modelu, stopień dopasowania promieniowania z jednego źródła

sztucznego lub dla symulatora wyposaŜonego w układ kilku (np. dwóch) typów

sztucznych źródeł (np. lampy halogenowej i ksenonowej – rys. 4.17 – krzywa dla lampy

halogenowej 1 000 W 3 200 K podrozdział 4.2.3 oraz rys. 4.18 – krzywa dla lampy

ksenonowej 1 000 W podrozdział 4.2.3) do promieniowania słonecznego (rys. 2.2

podrozdział 2.2) dla danego odbiornika (ogniwa fotowoltaicznego lub kolektora),

w określonym przedziale długości fali ∆λ (dany zakres czułości widmowej – rys. 2.6

podrozdział 2.2).

Przeprowadzono obliczenia, za pomocą programu MATLAB R2007a, opisanego

w literaturze [39, 42, 53, 74] dla dopasowania promieniowania symulatora

multiźródłowego (lampa ksenonowa i halogenowa) przy braniu pod uwagę:

� całego widmowego zakresu czułości odbiornika,

� tylko zakresu UV, tylko VIS, tylko IR,

� oraz zakresów zalecanych przez normę PN (∆λ = 100 nm).

Obliczenia wykonano z zastosowaniem zasad programowania odpowiednich

dla środowiska Matlab opisanych w literaturze [39, 42, 53, 74]. Końcowe rezultaty

obliczeń dla zakresów obejmujących nie zerową czułość materiału przedstawiają

tabele 4.1 – 4.3 oraz przykładowe rysunki 4.21 – 4.28.

Opracowany algorytm obliczeniowy pozwalający uwzględnić zjawiska

widmowe zaimplementowany do programu Matlab oraz przykład obliczeniowy

zamieszczono w Załączniku 5.

77

Tab. 4.1 Odchylenia standardowe wyznaczone dla dopasowanych mocowo symulatorów

mono – i multiźródłowych dla całego widmowego zakresu czułości odbiornika, tylko zakresu UV,

tylko VIS oraz tylko IR dla materiałów c – Si, a – Si, mc – Si i CIS

Przedział dł. fali ∆λ∆λ∆λ∆λ [nm]

σσσσ - śr. odch. stand. dla sumy źródeł

kha kks

materiał c – Si

200-1400 16,043 7,6 0,9

UV 200-400 0,000 17,0 30,0

VIS 400-800 5,799 0,0 33,0

IR 800-1400 5,702 3,9 2,8

materiał mc – Si

200-1400 19,039 11,1 0,0

UV 200-400 0,000 17,0 30,0

VIS 400-800 7,898 0,0 33,5

IR 800-1400 4,395 3,5 3,9

materiał a – Si

200-1400 3,234 0,0 39,5

UV 200-400 0,005 67,6 21,7

VIS 400-800 3,331 0,0 39,7

materiał CIS

200-1400 25,503 0,0 17,4

UV 200-400 0,205 66,0 22,0

VIS 400-800 9,887 0,0 35,7

IR 800-1400 6,201 2,0 5,4

78

Rys

. 4

.21

Wyk

res

od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

kh

a i

k ks d

la m

ater

iału

c –

Si p

rzed

ział

dłu

gości f

ali 2

00 –

1 4

00 n

m

79

Rys

. 4.

22 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

k ha i

k ks d

la m

ater

iału

mc

– S

i prz

edzi

ał d

ług

ośc

i fal

i 400

– 8

00

nm

(V

IS)

80

Rys

. 4.

23 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

kh

a i

k ks d

la m

ater

iału

a –

Si p

rzed

ział

dłu

gości f

ali 2

00 –

40

0 n

m (

UV

)

81

Rys

. 4.

24 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

k ha i

k ks d

la m

ater

iału

CIS

prz

edzi

ał d

ług

ośc

i fal

i 80

0 –

1 4

00

nm

(IR

)

82

Tab. 4.2 Odchylenia standardowe wyznaczone dla dopasowanych mocowo symulatorów

mono – i multiźródłowych dla zalecanych przez normę PN zakresów ∆λ=100 nm dla róŜnych materiałów

Przedział dł. fali ∆λ∆λ∆λ∆λ [nm]

σσσσ - śr. odch. stand. dla sumy źródeł

kha kks

materiał c – Si

300-400 0,0000 17,00 30,00

400-500 0,0009 16,88 31,08

500-600 0,6742 0,00 40,50

600-700 3,9328 0,00 35,10

700-800 0,8392 0,00 27,80

800-900 0,0038 4,75 3,82

900-1000 0,0065 1,41 4,03

1000-1100 3,7928 0,00 13,60

1100-1200 0,4784 0,00 5,00

materiał mc – Si

300-400 0,0000 17,00 30,00

400-500 0,0013 16,88 31,08

500-600 0,9677 0,00 40,54

600-700 5,2580 0,00 35,12

700-800 1,0784 0,00 27,80

800-900 0,0044 4,75 3,82

900-1000 0,0048 1,41 4,03

1000-1100 1,0467 0,00 14,60

1100-1200 0,1173 0,00 5,10

materiał a – Si

300-400 0,0050 67,60 21,70

400-500 0,0029 16,91 31,06

500-600 1,2832 0,00 40,60

600-700 3,5020 0,00 37,04

700-800 0,0018 7,80 12,00

materiał CIS

300-400 0,2050 66,00 22,00

400-500 0,0348 17,00 31,00

500-600 1,3522 0,00 40,70

600-700 5,9310 0,00 35,40

700-800 1,1020 0,00 27,80

800-900 0,0835 4,70 3,90

900-1000 0,0629 1,50 3,90

1000-1100 4,1541 0,00 13,00

1100-1200 2,3911 0,00 6,40

1200-1300 0,2530 5,00 0,10

1300-1400 0,0000 0,00 4,00

83

Rys

. 4.

25 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

kh

a i

k ks d

la m

ater

iału

c –

Si p

rzed

ział

dłu

gości f

ali 9

00 –

1 0

00 n

m

84

Rys

. 4,

26 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

kh

a i

k ks d

la m

ater

iału

mc

– S

i prz

edzi

ał d

ług

ośc

i fal

i 800

– 9

00

nm

85

Rys

. 4.

27 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

k ha i

k ks d

la m

ater

iału

a –

Si p

rzed

ział

dłu

gości f

ali 4

00 –

50

0 n

m

86

Rys

. 4.

28 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

k ha i

k ks d

la m

ater

iału

CIS

prz

edzi

ał d

ług

ośc

i fal

i 1 2

00 –

1 3

00

nm

87

W celu wykonania obliczeń wykorzystano wartości dla czułości widmowej

odbiorników z rysunku 2.6 (podrozdział 2.2) oraz dla Słońca z rysunku 2.2 (podrozdział

2.2). Zaimplementowane do wzoru 4.15 (podrozdział 4.3) dane dla lampy halogenowej

1 000 W Tb 3 200 K (z rysunku 4.17 podrozdział 4.2.3) oraz dla lampy ksenonowej

1 000 W (z rysunku 4.18 podrozdział 4.2.3) oznaczają, Ŝe współczynniki kha i kks

w tym wzorze są równe 1. Analizując współczynniki korygujące moc kha i kks

na przykład dla materiału c – Si, zakres długości fali 300 – 400 nm, wnioskuje się,

Ŝe w celu uzyskania najmniejszej wartości średniego odchylenia standardowego

dla sumy źródeł (w tym przypadku równej 0) naleŜy zastosować zespół lamp

halogenowych o łącznej mocy 17 000 W oraz ksenonowych o łącznej mocy 30 000 W.

Analizując zmiany współczynników korygujących moc, przy pomiarach

wielkości całkowitych (dla całego zakresu czułości odbiornika – ogniwa

fotowoltaicznego), moŜna zauwaŜyć, Ŝe najlepsze dopasowanie efektywnego

natęŜenia promieniowania moŜna uzyskać dla symulatorów z lampami

ksenonowymi (materiały a – Si i CIS), halogenowymi (materiał mc – Si)

lub ksenonowymi i halogenowymi (materiał c – Si). Wymagana jest przy tym

regulacja mocy lamp dla dostosowania natęŜenia promieniowania do czułości

określonego typu odbiornika. Podobnie analiza wykresów przedstawiających łączne

rozkłady widmowe promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych róŜnej mocy

zaprezentowanych na rysunkach 4.19 i 4.20 (podrozdział 4.2.3) oraz w załączniku 4

pozwala sformułować analogiczne wnioski. Najlepsze dopasowanie efektywnego

natęŜenia promieniowania dla wszystkich rozpatrywanych materiałów w zakresie UV

moŜna uzyskać dla symulatorów multiźródłowych zbudowanych na lampach

halogenowych i ksenonowych (przy równoczesnej regulacji mocy lamp).

Dla niektórych odbiorników, dla materiału c – Si, mc – Si i CIS podobna sytuacja

(symulatory z lampami ksenonowymi i halogenowymi przy niezaleŜnej regulacji mocy

kaŜdej z tych lamp) występuje takŜe przy pomiarach w zakresie promieniowania

podczerwonego. Przy pomiarach wielkości charakteryzujących fotoogniwa

dla wszystkich rozpatrywanych materiałów w zakresie promieniowania VIS lepsze

dopasowanie wykazują symulatory wyłącznie z lampami ksenonowymi róŜnej mocy.

PN klasę symulatora określa na podstawie dopasowania promieniowania symulatora

i Słońca badanego w kaŜdym zakresie ∆λ = 100 nm z przedziału 400 – 1 100 nm.

Analizując zmiany efektywnego natęŜenia promieniowania lampy ksenonowej

i halogenowej, a dokładniej współczynników korygującego moc kks i kha, dla materiałów

88

c – Si i mc – Si (zakresy długości fali 500 – 600 nm, 600 – 700 nm, 700 – 800 nm

oraz 1 000 – 1 100 nm i 1 100 – 1 200 nm), dla materiału a – Si (zakresy długości fali

500 – 600 nm, 600 – 700 nm) oraz materiału CIS (zakresy długości fali 500 – 600 nm,

600 – 700 nm, 700 – 800 nm oraz 1 000 – 1 100 nm, 1 100 – 1 200 nm i 1 300 –

1 400 nm), określono, Ŝe najmniejszą wartość średniego odchylenia standardowego

moŜna uzyskać dla symulatorów wyłącznie z lampami ksenonowymi róŜnej mocy.

Najkorzystniejsze dopasowanie dla pozostałych zakresów ∆λ = 100 nm wymaga

zastosowania co najmniej 2 typów źródeł promieniowania (lampy halogenowej

i ksenonowej przy równoczesnej regulacji mocy tych lamp).

Na podstawie zamieszczonych wykresów moŜna zauwaŜyć, Ŝe nie powinno się

konstruować symulatorów opartych na pojedynczym źródle promieniowania

oraz na jednym rodzaju źródeł promieniowania ze względu na niedopasowanie

procentowych udziałów energetycznych. Konstrukcja dobrego symulatora powinna

opierać się na wielu źródłach promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów

(z uwzględnieniem widma). Dobór źródeł promieniowania powinien odbywać się pod

kątem sumarycznego natęŜenia promieniowania oraz sumarycznego widma

promieniowania.

Istotnym jest równieŜ fakt, Ŝe podstawowym zadaniem symulatora

promieniowania słonecznego przeznaczonego do zastosowań ogólnych jest

wytworzenie natęŜenia promieniowania maksymalnie zbliŜonego do rzeczywistego

promieniowania słonecznego niezaleŜnie od odbiornika promieniowania, natomiast

zadaniem symulatora promieniowania słonecznego dedykowanego dla określonej

grupy odbiorników jest wytworzenie natęŜenia promieniowania maksymalnie

zbliŜonego do rzeczywistego promieniowania słonecznego w zakresie

odpowiadającym i uwzględniającym czułość odbiorników .

Analizując zamieszczone w pracy wykresy symulacji przeprowadzonych

w programie Matlab, moŜna zauwaŜyć, Ŝe w wielu przypadkach, niezaleŜnie

od rozpatrywanego materiału, występuje duŜa swoboda projektowania symulatorów

promieniowania słonecznego. Związane jest to z faktem, Ŝe dla róŜnych punktów

w otoczeniu minimum występują bardzo małe róŜnice wartości odchylenia

standardowego σ, co obrazuje Rys. 4.29. Projektant nie jest zmuszony do wyboru

jednego zestawu źródeł promieniowania, ale moŜe zastosować dowolną kombinację

wielu źródeł promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów (np. lampy halogenowe

i ksenonowe). Jest to bardzo waŜne, podczas projektowania symulatorów

89

promieniowania słonecznego, ze względu na ograniczoną liczbę źródeł promieniowania

dostępnych u większości producentów (patrz podrozdział 4.4.2).

Podobna dla projektanta sytuacja występuje w przedstawionym na rysunku 4.30

przykładzie. Na rysunku pokazano dla materiału a – Si (zakres długości fali

700 – 800 nm) przykładowe punkty dla minimalnej wartości odchylenia standardowego,

które powtarzają się z pewną regularnością. Analizując przedstawione dane sugeruje

się, aby w rzeczywistych konstrukcjach brać pod uwagę wartości zarówno dla lampy

ksenonowej, jak i halogenowej przy niezaleŜnej regulacji mocy kaŜdej z tych lamp,

czyli moŜna zastosować lampy z całego zakresu.

NaleŜy równieŜ zauwaŜyć, Ŝe uśrednianie wyników dla duŜych zakresów

∆λ zamazuje błędy popełniane w węŜszych (np.: 100 nm) zakresach (Rys. 4.31).

Obecne symulatory prawie zawsze opierają się na jednym typie źródła

promieniowania – lampie ksenonowej lub lampie halogenowej (określonej przez normę)

znajdującej się w niewielkiej obudowie. Wobec niezgodności widma promieniowania

kaŜdego ze współczesnych źródeł promieniowania optycznego z widmem

promieniowania słonecznego próby budowy symulatora monoźródłowego nie mogą

prowadzić do opracowania konstrukcji wysokiej klasy. A właśnie urządzenie o takich

charakterystykach jest coraz bardziej potrzebne ze względu na próby budowy

wydajniejszych kolektorów słonecznych i wydajniejszych ogniw fotowoltaicznych,

opartych (w obu przypadkach) na poszerzeniu zakresu czułości widmowej tych

urządzeń. RóŜne odbiorniki promieniowania słonecznego charakteryzują się róŜną

czułością widmową z zakresu 100 – 2 000 nm. Optymalny symulator przeznaczony

do badania tych odbiorników powinien być wyposaŜony w co najmniej dwa róŜne

typy źródeł promieniowania (np. lampy ksenonowe i halogenowe) z moŜliwością

oddzielnego doboru (regulacji) ich mocy do potrzeb danego – badanego zakresu,

co obrazują rysunki 4.21 – 4.28 oraz tabele 4.1 – 4.3.

Przez sformułowanie „moŜliwość oddzielnego doboru (regulacji) ich mocy”

rozumie się wybór konkretnej mocy z dostępnych w katalogach lamp albo stosowanie

kilku lamp róŜnej lub tej samej mocy w celu uzyskania określonej wartości mocy

symulatora. Inną moŜliwością jest regulacja strumienia świetlnego lamp.

Oba rozwiązania i ich ograniczenia zostały szerzej opisane w podrozdziale 4.4.2.

90

Rys

. 4.

29 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

k ha i

k ks d

la m

ater

iału

a –

Si p

rzed

ział

dłu

gości f

ali 6

00 –

70

0 n

m o

bra

zując

y

róŜn

e pu

nkty

w o

tocz

eniu

min

imu

m c

o p

rzek

ład

a si

ę n

a b

ard

zo m

ałe

róŜnic

e w

artoś

ci o

dch

ylen

ia s

tan

dar

dow

ego

91

Rys

. 4.

30 W

ykre

s od

chyl

enia

sta

nd

ardo

weg

o w

fun

kcji

k ha i

k ks d

la m

ater

iału

a –

Si p

rzed

ział

dłu

gości f

ali

700

– 8

00

nm

ob

razu

jąc

y

prz

ykła

do

we

punk

ty d

la m

inim

aln

ej w

artości o

dch

ylen

ia s

tand

ard

oweg

o p

ow

tarz

ając

e się

z p

ewną

reg

ula

rnośc

ią

92

Rys

. 4.

31 W

ykre

s ob

razu

jąc

y, Ŝ

e uś

red

nia

nie

wyn

ikó

w d

la d

uŜych

zak

resó

w ∆λ

zam

azu

je b

łędy

pope

łnia

ne

w węŜs

zych

(np

.: 1

00 n

m)

zakr

esac

h

93

4.4.2 Wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji dla programu

Microsoft Visual C#

W realnych warunkach projektowania optymalny dobór mocy źródeł

promieniowania nie jest moŜliwy – znamionowe wartości mocy są limitowane

ograniczoną ilością produkowanych lamp o róŜnych mocach. Fakt quasioptymalnego

doboru mocy źródeł powinien być zweryfikowany pod kątem jakości widmowej

uzyskanego sumarycznego promieniowania. Dodatkowym problemem konstrukcyjnym

jest zróŜnicowana budowa lamp halogenowych i ksenonowych, czyli m. in. róŜne

trzonki. Powoduje to konieczność zaprojektowania większej przestrzeni, w której mają

znajdować się źródła promieniowania.

W tabelach 4.4 i 4.5 zestawiono przykładowe dostępne moce źródeł

halogenowych i ksenonowych (Tab. 4.4, 4.5) wraz z uwzględnieniem ich trzonków

oraz wytycznych Normy PN – EN 60904 Część 8 – lampa halogenowa o temperaturze

barwowej 3 200 K. PoniewaŜ dobór mocy źródeł promieniowania na podstawie

graficznej ilustracji zaleŜności σ = f1(Pha, Pks) = f2(kha, kks) jest utrudniony, opracowano

jako narzędzie pomocnicze program SUN PROF 2 napisany za pomocą aplikacji

Microsoft Visual C# 2010 Express [44] pozwalający dobierać odpowiednie moce lamp

halogenowych i ksenonowych obliczone dla projektowanych symulatorów

multiźródłowych. Jest on oparty na jak najlepszym spektralnym dopasowaniu widma

promieniowania symulatora do widma promieniowania słonecznego w wybranych

zakresach promieniowania dla określonego materiału odbiornika (np. ogniwa PV) –

przy uwzględnieniu przedstawionej powyŜej metodyki doboru mocy dwóch róŜnych

typów źródeł oraz limitowanego zasobu dostępnych mocy źródeł. Niektóre rodzaje

lamp ksenonowych mają moŜliwość regulacji strumienia świetlnego – ściemniania

(nie występuje zmiana rozkładu widmowego promieniowania), a dla lamp

halogenowych zgodnie z prawem promieniowania ciała czarnego wraz ze wzrostem

temperatury rośnie emitowana energia – maksimum promieniowania przesuwa się

ku falom krótszym, dlatego podczas ściemniania występuje niekorzystna zmiana

rozkładu widmowego promieniowania. Postanowiono więc przeprowadzać dobór mocy

przez podanie najbliŜszej minimalnej i maksymalnej wartości mocy lampy katalogowej

dla rozwaŜanych lamp.

Stosowanie szkła matowego podczas projektowania symulatorów

promieniowania słonecznego pozwala zapewnić lepszą równomierność, czyli lepsze

94

spełnienie wytycznych normy. Niestety szkło takie posiada róŜne współczynniki

przepuszczania (mniejsze od 1), a co za tym idzie powoduje straty strumienia

świetlnego stosowanych lamp. W takim przypadku, aby uzyskać najbardziej zbliŜoną

moc lampy do obliczonej teoretycznie, naleŜy zwiększyć moce rozwaŜanych lamp.

Dostępne moce źródeł nie pokrywają wszystkich moŜliwych kombinacji mocy,

dlatego w wielu przypadkach odchylenie standardowe znacznie wzrasta w porównaniu

do odchylenia obliczonego dla teoretycznych mocy.

Zaproponowane aplikacje wspomagają dobór źródeł promieniowania

dla symulatorów promieniowania słonecznego pod kątem doboru typu źródła i jego

mocy. Przykładowe zestawienie uzyskanych w programie danych oraz aplikację

SUN PROF 2 napisaną za pomocą Microsoft Visual C# 2010 Express wspomagającą

projektowanie symulatorów dwuźródłowych opisano w publikacjach [10, 11, 59].

Tab. 4.4 Zestawienie mocy lamp halogenowych (Tb = 3 200 K) z uwzględnieniem trzonków [96]

P [W] trzonek

200 GX6,35

300 GX6,35; GY9,5

400 GY9,5

500 GY9,5

575 2 kołki

600 GY9,5

650 GY9,5; G22; R7s

750 2 kołki

800 G9,5; R7s

1 000 GX6,35;GX9,5;G9,5;

G22;R7s

1 200 GX9,5; G22

1 250 R7s

2 000 G22; GY16; G38; R7s

2 500 G22

5 000 G38; K24s

10 000 G38

20 000 G38

Tab. 4.5 Zestawienie mocy lamp ksenonowych z uwzględnieniem trzonków [96]

P [W] trzonek 75, 100 SFa9-2(+) SFa7,5-2(-)

150 SFc12-4(+) SFcX12-4(-) 250 SFa16-8(+) SFa16-10(-) 450 SFa20-8(+) SFa20-10(-) 500 SFa16-8(+) SFa15-10(-) 550 Kabel(+) SFc15-6(-) 700 SK27/50(+) SFcX27-8(-) 900 SFa25-10(+) SFa25-12(-)

1 000 SFa27-11(+) SFcX27-8(-) SK27/50(+) SFcX27-8(-) SFa25-14(+) SFc25-14(-)

1 550 SFa27-11(+) SFcX27-8(-) SK27/50(+) SFcX27-8(-)

1 600 SFa27-10(+) SFa27-12(-)

2 000 SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-)

SK27/50(+) SFcX27-8(-) SFa27-10(+) SFa27-12(-)

2 500 SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-) SFaX27-13(+) SFaX27-14(-)

SFa27-14(+) SFc27-14(-)

3 000 SFaX27-13(+) SFaX27-14(-) SFaX27-9,5(+) SFa27-7,9(-)

SFa27-14(+) SFc27-14(-) 3 600 SFc28-13(+) SFc28-13(-) 4 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 4 200 SFaX27-13(+) SFaX27-14(-) 4 500 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 5 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 6 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 7 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 8 000 SFaX30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 9 800 SFa30-9,5(+) SFa30-7,9(-) 12 000 SFaX30-9,5(+)SFa39-15/110(-)

95

4.5 Modelowanie – aspekty termiczne

4.5.1 Schemat budowy kolektora słonecznego z zaznaczonymi

gęstościami strumieni

Uproszczony schemat wymiany ciepła w kolektorze słonecznym

z zaznaczonymi gęstościami strumieni cieplnych q opisany został w [62]

i przedstawiony na Rys. 4.32.

Rys

. 4.

32.

Up

rosz

czo

ny

sch

emat

wym

ian

y ci

epła

w k

ole

kto

rze

słon

eczn

ym c

iecz

ow

ym (

wyb

rany

war

ian

t ko

nst

ruk

cji)

[wg

: 17

, 43

, 72

, 76

, 80]

z za

znac

zon

ymi gę

stoś

ciam

i str

umie

ni [

12

]: qk –

kon

wek

cji, q

r – r

adia

cji, q

p –

prz

ewo

dze

nia

ora

z , q uŜ –

cie

pła

od

bie

ran

ego

prz

ez c

iecz

ro

bocz

ą

kole

kto

ra s

łon

eczn

ego. E

1 [W

/m2 ]

– n

atęŜ

enie

nap

rom

ieni

enia

pad

ająceg

o n

a po

wie

rzch

nię

kole

kto

ra,

Eo [W

/m2 ]

– n

atęŜ

enie

pro

mie

nio

wan

ia

od

bite

go, E

a [W

/m2 ] –

natęŜ

enie

pro

mie

nio

wan

ia z

aab

sorb

ow

aneg

o,

Ep [W

/m2 ]

– n

atęŜ

enie

pro

mie

nio

wan

ia p

rzep

usz

czo

neg

o

96

4.5.2 Zastępczy schemat cieplny kolektora słonecznego

Zastępczy schemat cieplny kolektora słonecznego z zaznaczonymi gęstościami

strumieni cieplnych q i oporami cieplnymi właściwymi opisany został w [62]

i przedstawiony na Rys. 4.33.

Rys

. 4.

33.

Zas

tępcz

y sc

hem

at c

iep

lny

kole

kto

ra s

łon

eczn

ego

z

zazn

aczo

nym

i gęst

ości

ami s

trum

ien

i cie

pln

ych

q i o

pora

mi c

iep

lnym

i właś

ciw

ymi

97

4.5.3 Schemat budowy modułu PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni

Uproszczony schemat wymiany ciepła w module fotowoltaicznym

z zaznaczonymi gęstościami strumieni cieplnych q przedstawiono na Rys. 4.34.

Rys

. 4.

34.

Up

rosz

czo

ny

sch

emat

wym

ian

y ci

epła

w m

odu

le f

oto

wo

ltaic

znym

(w

ybra

ny w

aria

nt k

onst

rukc

ji) [

wg: 1

7, 3

0, 4

3, 7

2, 7

6, 7

7]

z za

znac

zon

ymi gęs

tośc

iam

i

stru

mie

ni [

12]:

q k –

ko

nw

ekcj

i, qr –

rad

iacj

i, qp –

prz

ewo

dze

nia

ora

z q uŜ –

en

erg

ii el

ektr

yczn

ej z

amie

nian

ej w

pr

ąd w

war

stw

ie o

gniw

a kr

zem

ow

ego

pan

elu

PV

.

E

1 [W

/m2 ]

– n

atęŜ

enie

nap

rom

ien

ien

ia p

adająceg

o n

a p

ow

ierz

chn

ię

ogn

iwa

, Eo [W

/m2 ]

– n

atęŜ

enie

pro

mie

nio

wan

ia o

dbi

teg

o,

E

a [W

/m2 ]

– n

atęŜ

enie

pro

mie

nio

wan

ia z

aab

sorb

ow

aneg

o,

Ep [W

/m2 ]

– n

atęŜ

enie

pro

mie

nio

wan

ia p

rzep

usz

czo

neg

o

98

4.5.4 Zastępczy schemat cieplny modułu PV

Zastępczy schemat cieplny modułu PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni

cieplnych q i oporami cieplnymi właściwymi został przedstawiony na Rys. 4.35.

Rys

. 4.

35.

Zas

tępcz

y sc

hem

at c

iep

lny

ogni

wa

PV

z

zazn

aczo

nym

i gęst

ości

ami s

trum

ien

i cie

pln

ych

q i o

pora

mi c

iep

lnym

i właś

ciw

ymi

99

4.5.5 Bilans energetyczny

Podane poniŜej wzory i zaleŜności są ściśle związane z omawianymi w pracy

zjawiskami oraz modelami cieplnymi kolektora słonecznego i modułu PV, których

uproszczone schematy wymiany ciepła oraz zastępcze schematy cieplne zamieszczone

zostały na Rys. 4.32 – 4.35. W schematach tych stosuje się następujące zaleŜności

i wzory.

NatęŜenie napromienienia odbiornika jest równe strumieniowi promienistemu

przypadającemu na jednostkę powierzchni, czyli gęstości powierzchniowej strumienia

promienistego q:

E [W·m-2] = q [W·m-2] (4.16)

Gęstość strumienia cieplnego qr wymienianego pomiędzy powierzchniami (kolektora

słonecznego lub modułu PV z przedmiotami znajdującymi się w ich otoczeniu)

o temperaturze TPV/Kol i Tot za pośrednictwem fal elektromagnetycznych moŜna zapisać

w postaci:

( )otr TTTq 4PV/Kol

4PV/Kol )(σ −⋅= ε (4.17)

gdzie: σ = 5,669·10-8 [W·m-2·K-4] – stała Stefana Boltzmana

ε (TPV/Kol) – emisyjność powierzchni kolektora słonecznego lub modułu PV

Zgodnie z prawem Newtona gęstość strumienia cieplnego konwekcji

qk przekazywana przez powierzchnię o temperaturze TPV/Kol gazowemu otoczeniu

o temperaturze Tot została opisana równaniem:

( )otkk ttq −= PV/Kolα (4.18)

gdzie: αk– współczynnik konwekcyjnego przejmowania ciepła.

Opory cieplne właściwe, przedstawione na zastępczym schemacie cieplnym

(Rys. 4.33 i 4.35), określone są wzorami:

a) przewodzenie

- ścianka płaska jednowarstwowa c

pth

l

λρ = (4.19)

- ścianka płaska wielowarstwowa ∑=i ci

ipth

l

λρ (4.20)

- walec wydrąŜony jednowarstwowy 1

22 lnr

rr

cpth ⋅=

λρ (4.21)

100

b) przewodzenie ciepła – konwekcja na ściance

- konwekcyjna wymiana z płaskiej powierzchni k

kth αρ 1= (4.22)

- konwekcyjna wymiana z powierzchni walca (wewnętrznej lub zewnętrznej)

kkth α

ρ 1= (4.23)

c) radiacja – przekazywanie ciepła przez promieniowanie

- radiacyjna wymiana z płaskiej powierzchni r

rth αρ 1= (4.24)

gdzie współczynnik przejmowania ciepła αr przez promieniowanie jest funkcją:

( ) ( )21

21

42

41 ~

σ −−−

= ΦαTT

TTr (4.25)

a 21

~−Φ to zastępczy współczynnik konfiguracji

Dla powierzchni S1 i S2, z których powierzchnia S1 znajduje się wewnątrz powierzchni

S2 zastępczy współczynnik konfiguracji 21

~−Φ określa się wzorem [21]:

−+

=−

111

1~

22

1

1

21

εε

Φ

S

S (4.26)

Wzory określające 21

~−Φ dla innych przypadków podano w literaturze [21].

Bilans energetyczny dla przykładowego węzła – nr 7 (Rys.4.33) – przedstawia

równanie:

151311108 pppkr qqqqq +=++ (4.27)

czyli

0151311108 =−−++ pppkr qqqqq (4.28)

Gęstość strumienia cieplnego na drodze przewodzenia qp13 (w wymienniku ciepła)

zmienia się w gęstość strumienia cieplnego na drodze konwekcji qk14, który przekształca się

w gęstość strumienia cieplnego uŜytecznego quŜ, czyli ciepło odbierane przez ciecz

roboczą kolektora.

Całkowity bilans energetyczny dla urządzeń (kolektorów słonecznych) opisany został

równaniami 4.29 – 4.41. Na Rys. 4.30 oznaczono natęŜenie napromienienia padającego

na powierzchnię kolektora (E1), natęŜenie promieniowania odbitego (Eo), natęŜenie

101

promieniowania zaabsorbowanego (Ea) oraz natęŜenie promieniowania

przepuszczonego (Ep) związane równaniem:

oap EEEE ++=1 (4.29)

zz EEEE ρατ ⋅+⋅+⋅= 1111 (4.30)

gdzie:

αz – absorpcyjność osłony kolektora

τ – transmisyjność osłony

ρz – refleksyjność zewnętrzna osłony kolektora

oraz

1=++ zz ρατ (4.31)

Szyby hartowane tworzące zewnętrzne powłoki kolektorów są obecnie

produkowane w technologiach zapewniających duŜą transmisyjność promieniowania

słonecznego do wnętrza kolektora. MoŜliwość zastosowania powłok antyrefleksyjnych

pozwala zwiększyć wydajność urządzenia nawet o kilka procent. Zakładamy,

Ŝe promieniowanie, które pada na absorber to promieniowanie pochłonięte w 100% –

czyli nie występuje odbicie od zewnętrznej powłoki kolektora ρz = 0

(czyli Eo z Rys. 4.30 jest równe 0), a promieniowanie tylko zaabsorbowane przez

zewnętrzną powłokę kolektora moŜna pominąć. Przy tych załoŜeniach efektywną

wartość mocy promieniowania moŜna opisać równaniem:

( ) ( ) 111 EEE efaefaef ⋅⋅+⋅⋅=⋅ τρτατ (4.32)

gdzie α a i ρa są odpowiednio absorpcyjnością i refleksyjnością absorbera (αa + ρa=1).

Warto zauwaŜyć, Ŝe ( )efa τα ⋅ i ( )efa τρ ⋅ zaleŜą od ilości, rodzaju i właściwości osłon.

Obecny rozwój technologii związany jest z ciągłym ulepszaniem kolektorów

słonecznych oraz montowanych w nich absorberów. Miedziane absorbery

charakteryzują się absorpcją promieniowania rzędu 5% i emisyjnością rzędu 4%,

a pokryte czarnym lakierem – absorpcją promieniowania rzędu 95% i emisyjnością

rzędu 85%. Natomiast miedziane absorbery z napylanymi powłokami o wysokiej

selektywności (czarny chrom, tlenki tytanu czy krzemu) charakteryzują się absorpcją

promieniowania rzędu 95% +/- 2% i emisyjnością w granicach 5 – 8% (tę cechę

nazywamy selektywnością). Dlatego dla nowych technologii moŜna przyjąć,

Ŝe promieniowanie padające na absorber zostanie prawie całkowicie pochłonięte,

tym samym moŜna pominąć odbicie od powierzchni absorbera (ρa = 0). W takim

102

przypadku suma gęstości strumieni konwekcji i radiacji padających na absorber jest

równa sumie gęstości strumieni przewodzenia:

117654 pprkk qqqqq +=++ (4.33)

Sprawność optyczną kolektora (optical efficiency) o powierzchni absorbera AKol moŜna

zdefiniować następująco:

( )1

Kol11

EA

AE

k

efaef

o ⋅⋅⋅−

=ρτ

η (4.34)

dla ρa = 0 z równania (4.32) otrzymujemy ( ) 11 EE efaef ⋅⋅=⋅ τατ oraz

1

Kol1

EA

AE

Kol

efo ⋅

⋅⋅=

τη czyli ( )efao ταη = .

Bilans energetyczny tak opisanego absorbera moŜna zapisać następująco:

STouŜ qAEq −⋅⋅= Kol1η (4.35)

gdzie quŜ – to gęstość strumienia ciepła odbieranego przez ciecz roboczą kolektora,

a qST – to gęstość strumienia strat złoŜonych ze:

� strat konwekcyjnych i promieniowania kolektora

rkST qqqt

+= (dla gęstości strumieni qr i qk rys. 4.30) (4.36)

� oraz strat „optycznych”

( ) Kol11 AEq oSTo⋅⋅−= η (4.37)

Po wprowadzeniu równań (4.36) i (4.37) do równania (4.35) otrzymujemy

( ) ( )Kol1Kol1Kol1

Kol1Kol1Kol1Kol1

AEAEqqAE

AEAEqqAEqqAEq

ork

orkSTSTuŜ to

⋅⋅+⋅−−−⋅=

=⋅⋅−⋅−+−⋅=−−⋅=

ηη

(4.38)

dla (4.32) i ρa=0

rkefuŜ qqAEq −−⋅⋅= Kol1τ (4.39)

Efektywność kolektora (4.40) opisywana jest sprawnością chwilową, która

mierzy stosunek mocy odbieranej z kolektora przez czynnik roboczy do iloczynu

powierzchni czołowej absorbera (kolektora) i całkowitego natęŜenia promieniowania

słonecznego padającego na daną powierzchnię.

1KolKolSł EA

quŜ

⋅=η (4.40)

103

Sprawność ta zaleŜy od:

� konstrukcji kolektora słonecznego,

� materiałów, z jakich wykonany jest kolektor słoneczny (np. sprawności absorbera

czy parametrów szklanej osłony),

� eksploatacji danego urządzenia,

� temperatury czynnika roboczego w kolektorze,

� temperatury otoczenia kolektora oraz

� natęŜenia promieniowania padającego na dany kolektor.

Sprawność kolektora słonecznego moŜna zapisać równaniem:

to

to

STSTo

STST

ouŜ

EA

qq

EA

q ηηηηη −−=⋅

+−=

⋅=

1Kol1KolKolSł (4.41)

Kolektory mogą przekształcić w energię cieplną ok. 75% energii

promieniowania (z średniej ok. 1 000 kWh·m-2). Z 1 m2 powierzchni moŜna uzyskać

do 750 kWh energii cieplnej, chociaŜ w praktyce ta wartość jest duŜo mniejsza i zaleŜy

m.in. od układu odbioru ciepła z kolektora słonecznego. [72]

W powyŜszych podrozdziałach zaprezentowano model cieplny kolektora

słonecznego i modułu PV – jego schemat budowy z zaznaczonymi gęstościami

strumieni cieplnych oraz uproszczony zastępczy schemat wymiany ciepła wraz

z zaznaczonymi oporami cieplnymi właściwymi – przewodzenia, konwekcji i radiacji

oraz całkowity bilans energetyczny i dla przykładowego węzła. Analizując

przedstawione schematy, opisane warunki klimatyczne (spektralne) Polski

(patrz podrozdział 2.2 i 4.1) oraz wymagania normatywne (patrz podrozdział 2.4)

naleŜy zwrócić uwagę, Ŝe dobry symulator promieniowania słonecznego powinien

umoŜliwiać modelowanie róŜnych warunków pogodowych – czyli odpowiednie widmo

promieniowania słonecznego (z uwzględnieniem składowej dyfuzyjnej promieniowania

słonecznego), jak i być odpowiednio dopasowany do nowo powstających technologii

(np. tandemowych czy wykorzystujących promieniowanie podczerwone).

104

5. REZULTATY KO ŃCOWE POMIARÓW, SYMULACJI I OBLICZE Ń

Udział energii w poszczególnych zakresach widmowych w całkowitym

promieniowaniu słonecznym (dla róŜnych zakresów długości fal ∆λ = 100 nm)

oraz porównanie efektywnego natęŜenia promieniowania słonecznego przedstawionego

według zaleceń normy PN – EN 60904 – 9 Część 9 [129] z wartościami efektywnego

natęŜenia promieniowania dla przykładowych symulatorów opisane zostały

w publikacjach [8, 9, 38, 57, 55] oraz przedstawione w tabelach 5.1 i 5.2.

W Tab. 5.1 zestawiono procentowy udział promieniowania Słońca w zakresie

400 – 1100 nm (w określonych przez normę [129] przedziałach długości fal

∆λ = 100 nm) z procentowym udziałem promieniowania Słońca w zakresie 200 –

1400 nm z uwzględnieniem określonych przez normę [129] przedziałów długości fal

∆λ = 100 nm. W celu wykonania obliczeń wykorzystano wartości dla Słońca

z Rys. 2.2 (podrozdział 2.2). Proponowany szerszy zakres długości fal – 200 –

1400 nm, a nie jak podaje norma 400 – 1100 nm, uwzględniany w obliczeniach

własnych wynika z brania pod uwagę rzeczywistych charakterystyk odbiorników

promieniowania, czyli zakresów czułości adekwatnych dla danej klasy

odbiorników (np. krzywych czułości spektralnej dla ogniw PV typu CIS, c – Si,

mc – Si, a – Si – Rys. 2.6 (podrozdział 2.2)).

Tab. 5.1 Zestawienie procentowych udziałów promieniowania Słońca wg wytycznych normy [129]

oraz dla krzywej z Rys. 2.2 – dane dla zakresu 200 – 1400 nm z uwzględnieniem rzeczywistych

charakterystyk odbiorników promieniowania

Procentowy udział promieniowania Słońca w zakresie Typy ogniw PV Przedział

długości fali ∆λ[nm] 400-1100

wg PN dla PV 200-1400

(dane krzywa) CIS c – Si mc – Si a – Si 200-300 - 0,000% 300-400 - 9,375% 400-500 18,400% 17,500% 500-600 19,900% 17,656% 600-700 18,400% 15,156% 700-800 14,900% 12,969% 800-900 12,500% 8,750% 900-1000 5,156% 1000-1100

15,900% 5,781%

1100-1200 - 2,813% 1200-1300 - 4,219% 1300-1400 - 0,625%

ΣΣΣΣ 100% ΣΣΣΣ 100%

105

W podrozdziale 2.2 przedstawiono czułość spektralną ogniw fotowoltaicznych

zawierającą się w przedziale 200 – 1 300 nm oraz kolektorów słonecznych z przedziału

400 – 4 000 nm. Wspomniano równieŜ, Ŝe najnowsze badania prowadzą do produkcji

ogniw o większych sprawnościach – ogniw tandemowych, które dzięki zastosowaniu

kilku ogniw o róŜnych przerwach energetycznych umoŜliwiają uzyskanie szerszego

pasma absorpcji. Symulatory promieniowania słonecznego, dedykowane dla danej

grupy odbiorników promieniowania słonecznego (nie tylko kolektorów słonecznych

czy modułów fotowoltaicznych, ale takŜe badanych próbek materiałów, roślin

czy substancji reagujących chemiczne) charakteryzującej się określoną czułością

widmową (obejmującą szerszy lub węŜszy zakres długości fal) powinny wytwarzać

promieniowanie maksymalnie zbliŜone do rzeczywistego promieniowania słonecznego

w zakresie czułości adekwatnym dla danej klasy odbiorników.

Dokonując analizy danych zamieszczonych w tabeli 5.1 moŜna wnioskować,

Ŝe według zaleceń normy [129] PN – EN 60904 – 9 Elementy fotowoltaiczne Część 9:

Wymagania dla symulatorów promieniowania słonecznego nie jest moŜliwe

zbudowanie symulatora zapewniającego właściwą symulację promieniowania

słonecznego.

W tabeli 5.2 porównano wartości efektywnego natęŜenia promieniowania

słonecznego przedstawionego według zaleceń normy PN – EN 60904 – 9 Elementy

fotowoltaiczne Część 9: Wymagania dla symulatorów promieniowania słonecznego

[129] z wartościami efektywnego natęŜenia promieniowania dla przykładowych

symulatorów. Do obliczeń wzięto pod uwagę, proponowany w rozprawie doktorskiej,

szerszy zakres długości fal – 200 – 1400 nm, oraz, jak podaje norma, zakres 400 –

1100 nm (Tab. 5.1). Do przykładowych, zaprezentowanych w tabeli, symulatorów

naleŜą: lampa halogenowa (według wytycznych Normy PN – EN 60904 Część 8 [128])

o mocy 1 000 W i temperaturze barwowej 3 200 K zasilana ze stabilizowanego

zasilacza, lampa ksenonowa o mocy 1 000 W – najczęściej stosowana w rozwiązaniach

komercyjnych oraz lampy halogenowe i ksenonowe, zastosowane równocześnie,

przy czym wymagana jest regulacja mocy kaŜdej z lamp dla dostosowania natęŜenia

promieniowania do czułości określonego typu odbiornika (dla całego zakresu czułości

odbiornika – ogniwa fotowoltaicznego). MoŜna zauwaŜyć, Ŝe najlepsze dopasowanie

efektywnego natęŜenia promieniowania moŜna uzyskać dla symulatorów, których

konstrukcja opiera się na symulatorach multiźródłowych – wielu źródłach

promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów źródeł promieniowania

106

(z uwzględnieniem widma). Wtedy efektywne natęŜenie promieniowania

dla symulatorów (najlepiej dopasowanych według badań symulacyjnych) uzyskuje

wartości zbliŜone do efektywnego natęŜenia promieniowania słonecznego (Tab. 5.2).

Tab. 5.2 Porównanie efektywnego natęŜenia promieniowania słonecznego przedstawionego

według zaleceń normy [129] z wartościami efektywnego natęŜenia promieniowania dla przykładowych

symulatorów (dla róŜnych zakresów długości fal ∆λ = 100 nm)

Materiał

Symulator

c – Si mc – Si a – Si CIS

Słońce, Eef [W·m-2] 200-1400 nm 414 478 332 738

l. halogenowa [128] Moc lampy 1 000 W

Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm

37 35 10 44

l. ksenonowa Moc lampy 1 000 W Eef [W·m-2] Symulator

PN 400-1100 nm 24 24 8 30

l. ksenonowa Moc lampy 1 000 W Eef [W·m-2] Symulator 2

200-1400 nm 25 24 9 36

Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm

302 – – – Moc l. halogenowej 7 600 W

Moc l. ksenonowej 900 W Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm 318 – – –

Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm – 388 – –

Moc l. halogenowej 11 100 W

Moc l. ksenonowej 0 W Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm – 393 – –

Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm – – 318 –

Moc l. halogenowej 0 W

Moc l. ksenonowej 39 500 W Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm – – 342 –

Eef [W·m-2] Symulator PN 400-1100 nm – – – 525

Najlepsze dopasowanie wg symulacji

Moc l. halogenowej 0 W

Moc l. ksenonowej 17 400 W Eef [W·m-2] Symulator 2 200-1400 nm – – – 628

107

6. PODSUMOWANIE

Omawiana praca bezpośrednio dotyczy zagadnień związanych z doskonaleniem

projektowania i budowy symulatorów promieniowania słonecznego słuŜących

do pomiarów i certyfikacji kolektorów słonecznych, ogniw fotowoltaicznych i innych

urządzeń przetwarzających energię słoneczną. Rozprawa doktorska dotyczy

problematyki projektowania symulatorów promieniowania słonecznego ze szczególnym

uwzględnieniem aspektów widmowych i termicznych, stanowi próbę określenia

teoretycznych podstaw przy jednoczesnej jej weryfikacji eksperymentalnej

oraz opracowania zaleceń mających na celu doskonalenie urządzeń wykorzystywanych

do sprawdzania jakości kolektorów słonecznych i innych urządzeń bazujących

na konwersji energii słonecznej. Przedmiotem pracy było, przy uwzględnieniu

zaleŜności widmowych, przeprowadzenie badań eksperymentalnych

i symulacyjnych oraz opracowanie odpowiednich aplikacji, które pozwalałyby

przy modelowaniu zjawiska symulacji promieniowania słonecznego uwzględniać

symulatory multi źródłowe.

W ramach realizacji powyŜszego celu zbadano moŜliwości proponowanych

aplikacji w odniesieniu do badania wyŜej wymienionego zjawiska, opracowano

algorytmy i skrypty pozwalające to zjawisko symulować, uzupełniono krzywe

rozkładów widmowych lamp ksenonowych i halogenowych dodatkowymi danymi

oraz zweryfikowano proponowane rozwiązania poprzez porównanie otrzymanych

wyników obliczeń i symulacji z danymi pomiarowymi i normatywnymi.

Badania i symulacje zawarte w niniejszej rozprawie zostały przeprowadzone

po przyjęciu załoŜeń upraszczających tj. wpływu współczynnika udziału źródła ku,

który uwzględnia zaleŜności związane z geometrią, zamocowaniem itp. źródła oraz

wpływem konstrukcji urządzenia.

Do szczegółowych osiągnięć pracy moŜna zaliczyć:

opis znaczenia promieniowania słonecznego (podrozdział 2.1) – wybór zjawisk

istotnych z punktu widzenia procesów widmowych w sztucznych źródłach

promieniowania i procesów termicznych w przykładowych odbiornikach

promieniowania (modułach fotowoltaicznych i kolektorach)

oraz scharakteryzowanie podstawowych pojęć, definicji i zjawisk związanych

z symulacją promieniowania słonecznego (podrozdział 2.2),

108

przegląd i ocenę stosowanych obecnie symulatorów promieniowania słonecznego

pozwalających badać efektywność odbiorników promieniowania słonecznego

np. modułów fotowoltaicznych czy kolektorów słonecznych (podrozdział 2.3)

oraz krótki opis i analizę norm potwierdzający konieczność wprowadzenia zmian

pozwalających na budowanie efektywniejszych symulatorów promieniowania

słonecznego (podrozdział 2.4),

opis własności wybranych źródeł promieniowania najczęściej stosowanych

do budowy symulatorów promieniowania słonecznego (podrozdział 2.5),

uzupełnienie katalogowych rozkładów widmowych lamp halogenowych

i ksenonowych poprzez zbudowanie odpowiedniego stanowiska pomiarowego

(podrozdział 4.2.1), opracowanie metodologii badań (podrozdział 4.2.2)

oraz wykonanie odpowiednich pomiarów (podrozdział 4.2.3),

sformułowanie modelu matematycznego wskaźnika efektywności symulatorów

promieniowania słonecznego (podrozdział 4.3),

przeprowadzenie obliczeń symulacyjnych, w których (podrozdział 4.4.1 i 4.4.2):

• opracowano, na podstawie utworzonego modelu, stopień dopasowania

promieniowania z jednego źródła sztucznego lub dla symulatora wyposaŜonego

w układ kilku (np. dwóch) typów sztucznych źródeł (np. lampy halogenowej

i ksenonowej) do promieniowania słonecznego dla danego odbiornika (ogniwa

fotowoltaicznego lub kolektora), w określonym przedziale długości fali

∆λ (dany zakres czułości widmowej) (podrozdział 4.4.1),

• opracowano algorytm obliczeniowy pozwalający uwzględnić zjawiska widmowe

oraz jego implementację do programów Matlab i Microsoft Visual C# -

przygotowanie odpowiednich aplikacji na podstawie otrzymanych danych

eksperymentalnych pozwalających modelować i symulować, w aspekcie

widmowym, promieniowanie symulatorów multiźródłowych (podrozdział 4.4.1

i 4.4.2),

Dla usprawnienia procesu doboru źródeł promieniowania dla symulatorów

słonecznych opracowano dwie aplikacje pomocne w doborze rodzajów i mocy

źródeł. Pierwsza aplikacja – wykorzystująca program MATLAB R2007a -

dla danego materiału odbiornika (np. ogniwa PV) w określonych zakresach

promieniowania pozwala określić średnie odchylenie standardowe

przy wykorzystaniu wybranych źródeł promieniowania (lampy halogenowej

109

i/lub ksenonowej). PoniewaŜ dobór mocy źródeł promieniowania na podstawie

graficznej ilustracji zaleŜności σ = f(Pha, Pks) = f2(kha, kks) jest utrudniony,

opracowano aplikację napisaną za pomocą programu Microsoft Visual C# 2010

Express pozwalającą dobierać odpowiednie moce lamp halogenowych

i ksenonowych obliczone dla projektowanych symulatorów multiźródłowych.

• zbadano i opisano, w wyŜej wymienionych programach, moŜliwości

obliczeniowe (współczynników projektowych) metody dla symulatora

wyposaŜonego w pojedynczy typ źródła promieniowania oraz w układ kilku

(dwóch) róŜnych typów sztucznych źródeł (np. lampy halogenowej

lub ksenonowej) (podrozdział 4.4.1 i 4.4.2) przy uwzględnieniu:

∗ rzeczywistych charakterystyk odbiorników promieniowania, czyli zakresów

czułości adekwatnych dla danej klasy odbiorników (krzywych spektralnych

dla ogniw PV np. typu CIS, c – Si, mc – Si, a – Si),

∗ róŜnych zakresów długości fali ∆λ dla zakresów czułości widmowej,

• wykazano i opisano, Ŝe róŜne odbiorniki promieniowania słonecznego

charakteryzują się róŜną czułością widmową z zakresu 100 – 2 000 nm.

Optymalny symulator przeznaczony do badania tych odbiorników powinien być

wyposaŜony w wiele źródeł promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów

z moŜliwością doboru (regulacji) ich mocy do potrzeb danego zakresu.

• ustalono, Ŝe osiągnięcie drogą optymalizacji maksymalnej zgodności

eksperymentalnego i obliczeniowego stopnia dopasowania promieniowania

z sztucznego źródła (lub źródeł) do promieniowania słonecznego jest moŜliwe,

• porównano wyniki obliczeń z danymi normatywnymi (rozdział 5) i wykazano,

Ŝe dotychczasowe normy przyjmują kryterium zgodności rozkładów

widmowych za jeden z warunków będących podstawą klasyfikacji klasy jakości

symulatora (procentowe dopasowanie energii z zakresu UV, VIS i IR widma

symulatora do widma promieniowania słonecznego jest podstawą do określenia

odpowiednich klas symulatorów – A, B, C), a odbiorniki takiego

promieniowania (kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne, badane próbki

materiałów, rośliny czy substancje reagujące chemiczne) wykazują się określoną

czułością widmową. Istotnym czynnikiem wydaje się uzyskanie moŜliwie duŜej

zbieŜności widmowej promieniowania słonecznego i promieniowania

uzyskiwanego w symulatorze (multiźródłowym z moŜliwością regulacji mocy

110

kaŜdej z lamp), czasami tylko w określonym zakresie, węŜszym lub szerszym

niŜ definiują to obowiązujące normy. RównieŜ proponowany szerszy zakres

długości fal – 200 – 1400 nm, a nie jak podaje norma 400 – 1100 nm,

uwzględniany w obliczeniach własnych wynika z brania pod uwagę

rzeczywistych charakterystyk odbiorników promieniowania, czyli krzywych

czułości spektralnej dla ogniw PV typu CIS, c – Si, mc – Si, a – Si,

modelowanie w aspekcie termicznym zrealizowane poprzez:

• opracowanie uproszczonego zastępczego schematu przepływu ciepła

w kolektorze słonecznym i module PV z zaznaczonymi gęstościami strumieni

(podrozdział 4.5.1 i 4.5.3),

• zaproponowanie uproszczonego zastępczego schematu wymiany ciepła

w kolektorze słonecznym i module PV (podrozdział 4.5.2 i 4.5.4),

• przeprowadzenie bilansu energetycznego w odbiornikach promieniowania

słonecznego (podrozdział 4.5.5).

Przedstawione powyŜej rezultaty i osiągnięcia pracy pozwalają stwierdzić, iŜ cel

główny pracy oraz cele cząstkowe zostały osiągnięte, a teza rozprawy jest

prawdziwa.

Problematyka rozprawy doktorskiej dotyczy symulatorów promieniowania

słonecznego dedykowanych dla określonej grupy odbiorników, np. modułów

fotowoltaicznych czy kolektorów słonecznych. Dotychczasowe publikacje doktorantki

i niniejsza praca wyraźnie wskazują, Ŝe zasadnym jest wykorzystanie w symulatorach

promieniowania słonecznego – nie tak jak dotychczas jednego, ale wielu źródeł

promieniowania jednego lub kilku róŜnych typów oraz sugerują modyfikację

obowiązujących norm określających zgodność promieniowania symulatora

z promieniowaniem słonecznym. Poprzez zaproponowanie w pracy nowej konstrukcji

symulatorów promieniowania słonecznego, moŜna oczekiwać lepszych konstrukcji

odbiorników, lepszego ich dopasowania do lokalnych warunków promieniowania

słonecznego i tym samym efektywniejszego wykorzystania solarnej energii odnawialnej

przy jednoczesnej redukcji emisji gazów do atmosfery.

Omawiana praca dzięki swojej tematyce wpisanej w dziedzinę

odnawianych źródeł energii została rekomendowana do otrzymania stypendium

z projektu „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych

za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski” realizowanego

111

przez Wojewódzki Urząd Pracy w Poznaniu, a autorka pracy została stypendystką

tego projektu w okresie od 1.12.2012 r. do 30.09.2013 r..

PoniewaŜ parametry wyjściowe testowanych m. in. modułów

fotowoltaicznych zaleŜą od poziomu natęŜenia promieniowania, dlatego zbudowanie

nowych symulatorów promieniowania słonecznego pozwoli na dostosowanie takich

wyrobów jak kolektory słoneczne czy moduły PV do róŜnych warunków solarnych.

Praca moŜe teŜ stanowić narzędzie do dokładnej, niezaleŜnej od zewnętrznego

dostawcy lub producenta, oceny efektywności tego typu urządzeń (rzetelne

ekspertyzy, certyfikaty), co sprzyjać będzie eliminowaniu mniej wydajnych rozwiązań

technicznych (moŜliwość utworzenia nowych jednostek usługowo – badawczych).

Opisane rezultaty pracy nie wyczerpują zagadnień widmowo – termicznych

aspektów symulacji promieniowania słonecznego. PoniŜej przedstawiono przykładowe

zagadnienia, które warto by rozwiązać, chcąc wykorzystywać proponowaną

w niniejszej pracy tematykę:

� pomiar rozkładów widmowych źródeł promieniowania równieŜ stosowanych

w budowie symulatorów promieniowania słonecznego – lamp

metalohalogenkowych oraz siarkowych,

� opracowanie algorytmu pozwalającego na symulację promieniowania słonecznego

z uwzględnieniem filtrów i optyki oraz współczynnika udziału źródła związanego

z geometrią, zamocowaniem itp. źródła oraz wpływem konstrukcji urządzenia

� przystosowanie opracowanych rozwiązań do warunków rzeczywistych – budowa

przykładowego symulatora promieniowania słonecznego,

� uzupełnienie podanego w pracy algorytmu w celu przeprowadzenia obliczeń

przy uwzględnieniu wszystkich czynników konstrukcyjnych i optycznych,

� opracowanie wydajnego narzędzia (aplikacji) umoŜliwiającego obliczanie

wymiany ciepła (strumienie konwekcji, radiacji i przewodzenia) w układzie

składającym się z modułu fotowoltaicznego lub kolektora słonecznego.

Aktualność tematyki, otwartość wykorzystywanych w pracy programów

komputerowych oraz złoŜoność problematyki stwarzają duŜe moŜliwości adaptacji

zaproponowanych w pracy aplikacji i rozwiązań nie tylko w jednostkach badawczych

ale i w przemyśle, oraz dają moŜliwości dalszych badań nad tą tematyką. Przewiduje

się, Ŝe prace nad symulacją promieniowania słonecznego będą przez autorkę rozprawy

doktorskiej kontynuowane.

112

LITERATURA

KsiąŜki i czasopisma

[1] Bąk J., Pabjańczyk W.: Podstawy Techniki Świetlnej, Wydawnictwo Politechniki

Łódzkiej, Łódź, 1994.

[2] Bobrowski D., Maćkowiak – Łybacka K.: Wybrane metody wnioskowania

statystycznego, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2006.

[3] Codd D., Carlson A., Rees J., Slocum A.: A low cost high flux solar simulator, Solar

Energy, Elsevier, Vol. 84, Issue 12, December, 2010, Pages 2202–2212

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X10002665 [dostęp:

czerwiec 2013]

[4] Cysewska – Sobusiak A.: Podstawy metrologii i inŜynierii pomiarowej,

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2010.

[5] Domke K., Ratajczak J.: Analiza widm promieniowania źródeł światła przydatnych

do budowy symulatorów promieniowania słonecznego, w: Mat. Konferencji ZKwE

2010 – XV Conference Computer Applications In Electrical Engineering, Poznań,

19 - 21 .04. 2010, s. 225 – 226.

[6] Domke K., Ratajczak J.: Spectrum analysis of the usefulness of the light sources

for building the sun simulators, w: Mat. IIIrd Conference of the Visegrad Countries

on Lighting LUMEN V4, Czechy, Brno, 23–26.06.10.

[7] Domke K., Ratajczak J.: Spectrum analysis of the usefulness of the light sources for

building the sun simulators, Przegląd Elektrotechniczny, nr 10, 2010, s. 183 – 186.

[8] Domke K., Ratajczak J.: Comparison of sun simulators designed for tests

of collectors and photovoltaic cell, Poznan University of Technology Academic

Journals Electrical Engineering, No 62, 2010, s. 179 – 189.

[9] Domke K., Ratajczak J.: The review of the light sources helpful for building the sun

simulators, Poznan University of Technology Academic Journals Electrical

Engineering, No 62, 2010, s. 199 – 208.

[10] Domke K., Ratajczak J.: Aplikacje wspomagające projektowanie dwuźródłowych

symulatorów promieniowania słonecznego, w: Mat. XX Krajowej Konferencji

Oświetleniowej Technika Świetlna (Konferencja PKOŚ), Warszawa, 20-21.10.2011,

s. 128 – 132.

113

[11] Domke K., Ratajczak J.: Widmowe aspekty projektowania symulatorów

promieniowania słonecznego, Przegląd Elektrotechniczny, nr 03a, 2012, s. 95 – 97.

[12] Domke K.: Modelowanie odbicia promieniowania optycznego, Wydawnictwo

Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2012.

[13] Dong, X., Ashman, P.J., Nathan. G.J.: A high-flux solar simulator system

for investigating the influence of concentrated solar radiation on turbulent reacting

flows, w: Proceedings of the 50th Annual Conference, Australian Solar Energy

Society (Australian Solar Council), Melbourne, December 2012.

http://solar.org.au/papers/12papers/CSP5Dong.pdf [dostęp: czerwiec 2013].

[14] Drozdov N., Fedotov A., Mazanik A., Partyka J., Węgierek P., śukowski P.: Ogniwa

fotowoltaiczne dla energetyki słonecznej – zagadnienia materiałowe, Wydawnictwa

Uczelniane, Politechnika Lubelska, Lublin, 2006.

[15] Freris L., Infeld D.: Renewable Energy in Power Systems, Wiley, 2008.

[16] Gajewski Z.: Międzynarodowy układ jednostek miar. Mały Poradnik, Wydawnictwo

Naukowo – Techniczne, Warszawa, 1967.

[17] Góralczyk I, Tytko R.: Racjonalna gospodarka energią, Wydawnictwo i drukarnia

Towarzystwa Słowaków w Polsce, Kraków, 2013.

[18] Granek F., śdanowicz T.: Advanced system for calibration and characterization

of solar cells, Opto – electronics review, 12, No.1, 2004, s.57-67.

[19] Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii, Wydawnictwo Instytutu

Technologii Eksploatacji – PIB, Radom – Poznań, 2010.

[20] Guła A., Gumuła S., Buczek A, Chojnacki J, Knap T, Telejko T, Tomczyk P.,

Bębenek Z., Bojarski A., Długosz P., Pająk T., Porada S., Pytel K., Wolszczak J.,

Barcik A., Drobnik P., Figórski A., Gadomski T., Mróz M., Wajss P., Wyrwa A.:

Odnawialne i niekonwencjonalne źródła energii Poradnik, Wydawnictwo Tarbonus,

Kraków – Tarnobrzeg, 2008.

[21] Hauser J.: Elektrotechnika podstawy elektrotermii i techniki świetlnej, Wydawnictwo

Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2006.

[22] Hemka L., Łukasiak R., Piotrowski L.: WysokopręŜna lampa – metalohalogenkowa

o rozkładzie widmowym symulującym światło dzienne, Prace Instytutu

Elektrotechniki, Zeszyt 226, 2006, s. 71 - 111.

[23] Hemka L., Piotrowski L., Łukasiak R.: Parametry ilościowe i jakościowe symulatora

D65 zbudowanego na bazie wysokopręŜnej lampy wyładowczej –

metalohalogenkowej, Przegląd Elektrotechniczny, nr 8, 2008, s. 206 - 209.

114

[24] Hemka L., Rafałowski M.: Analiza widmowego współczynnika przepuszczania szkła

o róŜnym składzie chemicznym w zakresie 300 – 380 nm, Prace Instytutu

Elektrotechniki, Zeszyt 237, 2008, s. 245 – 257.

[25] Jastrzębska G.: Odnawialne źródła energii i pojazdy ekologiczne, Wydawnictwa

Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2007.

[26] Jarzębski Z. M.: Energia Słoneczna: Konwersja Fotowoltaiczna, Państwowe

Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1990.

[27] Klugmann – Radziemska E., Klugmann E.: Systemy słonecznego ogrzewania

i zasilania elektrycznego budynków, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko,

Białystok, 2002.

[28] Klugmann – Radziemska E.: Efekty termiczne konwersji energii w krzemowych

ogniwach fotowoltaicznych, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 2005.

[29] Klugmann – Radziemska E., Klugmann E.: Ogniwa i moduły fotowoltaiczne

oraz inne niekonwencjonalne źródła energii, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko,

Białystok, 2005.

[30] Klugmann – Radziemska E.: Fotowoltaika w teorii i praktyce, Wydawnictwo BTC,

Legionowo, 2010.

[31] Kołodziej A.: Stabilność cienkowarstwowych tranzystorów krzemowych oraz ogniw

słonecznych, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo – Dydaktyczne Akademii

Górniczo – Hutniczej im. ST. Staszica w Krakowie, Kraków, 2008.

[32] Konieczka P. Namieśnik J.: Ocena i kontrola jakości wyników pomiarów

analitycznych, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2007.

[33] Kopeć B. Wachta H.: Instalacje elektryczne i oświetlenie Podstawy techniki

świetlnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2004.

[34] Lewandowski W. M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa

Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2001.

[35] Lewandowski W. M.: Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa

Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2007.

[36] Leitner R., Zacharski J.: Zarys matematyki wyŜszej, Wydawnictwa Naukowo –

Techniczne, Warszawa, 1998.

[37] Luque A., Hegedus S.: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley,

2008.

115

[38] Minemoto T., Nakada Y., Takahashi H., Takakura H.: Uniqueness verification

of solar spectrum index of average proton energy for evaluating outdoor performance

of photovoltaic module, Elsevier, Solar Energy, 83, 2009, s. 1294 – 1299.

[39] Mrozek B., Mrozek Z.: MATLAB i Simulink Poradnik uŜytkownika, Wydawnictwo

HELION, Gliwice, 2004.

[40] Nowicki J.: Promieniowanie słoneczne jako źródło energii, Wydawnictwo Arkady,

Warszawa, 1980.

[41] Nowicki M.: Nadchodzi era Słońca, Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa, 2012.

[42] Ostanin A.: Metody optymalizacji z MATLAB, Wydawnictwo NAKOM, Poznań,

2010.

[43] Oszczak W.: Kolektory słoneczne i fotoogniwa w Twoim domu, Wydawnictwa

Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2012.

[44] Pelland P.: Projektuj sam! Microsoft Visual C#2008 Express Edition, Polska edycja

Wydawnicza APN Promise Sp. Z o. o., Warszawa, 2008.

[45] Praca zbiorowa członków Polskiego Komitetu Oświetleniowego SEP: Technika

Świetlna ’09 Poradnik – Informator tom 1, Zakład Wydawniczy Lester Quality

Warszawa, 2009.

[46] Praca zbiorowa pod kierunkiem M. Zawadzkiego: Kolektory Słoneczne, Pompy

Ciepła – Na Tak, Oficyna Wydawnicza firmy Ekologia Sp. z o.o. , Warszawa, 2003.

[47] Palz W.: SOLAR ELECTRICITY An Economic Approach to Solar Energy,

Butterworths, Unesco, 1978.

[48] Pawluk K. Symbole literowe w tekstach z zakresu elektryki według norm IEC

i IEEE, Przegląd Elektrotechniczny, nr 7, 2011, s. 288 – 291.

[49] Pluta Z.: Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2000.

[50] Pluta Z.: Słoneczne instalacje energetyczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Warszawskiej, Warszawa, 2007.

[51] Popczyk J.: Energetyka Alternatywna, Wydawnictwo Dolnośląskiej WyŜszej Szkoły

Przedsiębiorczości i Techniki w Polkowicach, Polkowice, 2011.

[52] Porada Z.: Autonomiczne systemy fotowoltaiczne w warunkach Krakowa i okolic,

elektroinfo, nr 3, 2010, s. 56 - 58. www.elektro.info.pl [dostęp: marzec 2010]

[53] Pratap R.: MATLAB 7 dla naukowców i inŜynierów, Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa, 2009.

116

[54] Ratajczak J.: Oświetlenie iluminacyjne obiektów architektonicznych, Wydawnictwo

Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2009.

[55] Ratajczak J.: Analiza wymagań normatywnych dla symulatorów promieniowania

słonecznego, w: Mat. I Ogólnopolskiej Konferencji Młodych Energetyków,

Warszawa, 14 – 16 .04.2010, s. 82 - 85.

[56] Ratajczak J.: Przegląd symulatorów promieniowania słonecznego przeznaczonych

do badań kolektorów i ogniw fotowoltaicznych, w: Mat. Konferencji ZKwE 2010 –

XV Conference Computer Applications In Electrical Engineering, Poznań,

19-21.04.10, s. 223 – 224.

[57] Ratajczak J.: Conformity Assessment of the Solar Simulators Spectrums

and the Solar Radiation Spectrum in the Actual Weather Conditions, w: Mat.

III International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists

InterTech 2010, Poznań, 19 – 21.05.2010, s. 226 – 230.

[58] Ratajczak J.: Efektywność symulatorów multiźródłowych zbudowanych na lampie

halogenowej i ksenonowej, w: Mat. Konferencji ZKwE 2011 – XVI Conference

Computer Applications In Electrical Engineering, Poznań, 11-13.04.11, s. 229 - 230.

[59] Ratajczak J.: Spectral Aspects of the Design of Two - Souce Sun Simulators,

w: Mat. 4th International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists

InterTech 2011, Poznań, 18 – 20.05.2011, s. 136 – 143.

[60] Ratajczak J.: Efficiency of multi – source simulators built on a halogen and xenon

lamp, Poznan University of Technology Academic Journals Electrical Engineering,

No 65, 2011, s. 173 – 183.

[61] Ratajczak J., Domke K.: Spectral distributions of halogen lamps of different power,

w: Mat. 5th International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists

InterTech 2012, Poznań, 16 – 18.05.2012, s. 265 – 269.

[62] Ratajczak J., Domke K.: Model cieplny ogniw PV i kolektorów, Poznan University

of Technology Academic Journals Electrical Engineering, 70/2012, No 70, 2012,

s. 291 – 298.

[63] Ratajczak J., Wiczyński G., Domke K.: Badanie i analiza wypadkowego rozkładu

widmowego promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych, Poznan University

of Technology Academic Journals Electrical Engineering, No 73, 2013, s. 193 – 199.

[64] Ratajczak J., Wiczyński G., Domke K.: Stanowisko do pomiaru rozkładu

widmowego promieniowania lamp ksenonowych, Poznan University of Technology

Academic Journals Electrical Engineering, No 73, 2013, s. 201 – 207.

117

[65] Ratajczak J., Wiczyński G., Domke K.: Examination of spectral distribution

of radiation emitted by halogen and xenon lamps, Computer Applications

in Electrical Engineering, Politechnika Poznańska, Poznań, w druku, planowany

termin publikacji grudzień 2013.

[66] Ratajczak J.: The spectral distributions of halogen and xenon lamps, PAK – Pomiary

Automatyka Kontrola, w druku.

[67] Rodacki T., Kandyba A.: Przetwarzanie energii w elektrowniach słonecznych,

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2000.

[68] Rodziewicz T., Zdanowicz T., Ząbkowska-Wacławek M.: Performance of PV

modules fabricated in different technologies at strongly changeable insolation

conditions, w: Proc. of 17th EC PV Solar Energy Conference, 2001, s. 540–543.

http://156.17.13.7/main.htm [dostęp marzec 2010].

[69] Roy J. N., Govardhan Rao Gariki, Nagalakhsmi V.: Reference module selection

criteria for accurate testing of photovoltaic (PV) panels, Elsevier, Solar Energy,

84, 2012, s. 32 – 36.

[70] Sładkowski W.: Sztuczne nieboskłony o rozkładzie luminancji nieba całkowicie

zachmurzonego, Rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań, 1991.

[71] Sarniak M.: Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Warszawskiej, Warszawa, 2008.

[72] StrzyŜewski J.: Bezpieczny dom rodzinny Instalacje elektryczne tom II Alternatywne

źródła – energia odnawialna, Polcen Spółka z o. o., Warszawa, 2011.

[73] Ścigocka G., Dybczyński W., Halak A.: Odwzorowanie promieniowania

słonecznego dla badań ogniw fotowoltaicznych, w: Materiały Elektroniczne 1982

nr 1(37), Wydawnictwo Przemysłu Maszynowego "WEMA", Warszawa, 1982.

http://rcin.org.pl/dlibra/docmetadata?id=6311&from=&dirids=1&ver_id=&lp=1&Q

I=A595C2DA631DF3592711E7DAA7ECBC6A-45 [dostęp: czerwiec 2013]

[74] Treichel W., Stachurski M.: Matlab dla studentów ćwiczenia, zadania, rozwiązania,

Wydawnictwo WITKOM, Warszawa, 2009.

[75] Tytko R.: Odnawialne źródła energii, Wydawnictwo OWG, Warszawa, 2009.

[76] Tytko R.: Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej, Wydawnictwo i Drukarnia

Towarzystwa Słowaków w Polsce, Kraków, 2013.

[77] Wacławek M. Rodziewicz T.: Ogniwa słoneczne wpływ środowiska naturalnego

na ich pracę, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2011.

118

[78] Wiśniewski A. Elektryczne źródła światła, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Warszawskiej; Warszawa, 2010.

[79] Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk M., Kurowski K.: Kolektory słoneczne

Poradnik wykorzystania energii słonecznej, Wydanie III, Centralny Ośrodek

Informacji Budownictwa PP, Warszawa, 2006.

[80] Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk M., Kurowski K., Więcka A.: Kolektory

słoneczne energia słoneczna w mieszkalnictwie, hotelarstwie i drobnym przemyśle,

Dom Wydawniczy Medium, Warszawa, 2008.

[81] Wojas J.: Promieniowanie termiczne i jego detekcja, Wydawnictwa Naukowo –

Techniczne; Warszawa, 2008.

[82] Wolańczyk F.: Jak wykorzystać darowaną energię, Wydawnictwo KaBe, Krosno,

2011.

[83] Woś A.: ABC meteorologii, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. Adama

Mickiewicza w Poznaniu, Poznań, 2005.

[84] Woś A.: Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu

im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Poznań, 2006.

[85] śagan W.: Podstawy Techniki Świetlnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Warszawskiej; Warszawa, 2005.

[86] śdanowicz T., Roguszczak H., Prorok M.: Facilities for PV modules and cells

characterization in SOLARLAB, w: Mat. PV In Europe – from PV Technology

to Energy Solutions, Rome, Italy, 11 – 17 October 2002.

[87] śdanowicz T., Rodziewicz T., Ząbkowska - Wacławek M.: Effect o fair mass factor

on the performance of different type of PV modules, Opto – electronics review,

12, No. 1, 2004, s. 69 – 73.

119

Strony internetowe

[88] http://pl.wikipedia.org/wiki/S%C5%82o%C5%84ce [dostęp: lipiec 2009].

[89] http://www.gazetaprawna.pl/szukaj/?c=1&q=Kolektory+s%C5%82oneczne+obowi

%C4%85zkowo+w+ka%C5%BCdym+domu.+Ceny+nieruchomo%C5%9Bci+p%C3

%B3jd%C4%85+w+g%C3%B3r%C4%99 [dostęp: lipiec 2012].

[90] http://www.tvn24.pl/12692,1605421,,,slonce-znad-sahary-ogrzeje-

niemcy,wiadomosc.html [dostęp: lipiec 2009].

[91] http://www.tvn24.pl/12692,1609545,0,1,afrykanskie-slonce-ogrzeje-

europe,wiadomosc.html [dostęp: lipiec 2009].

[92] http://pl.wikipedia.org/wiki/Lampa_siarkowa [dostęp: styczeń 2010].

[93] http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_lamp [dostęp: styczeń 2010].

[94] http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_lamp [dostęp: styczeń 2010].

[95] http://www.lighting.philips.com [dostęp: styczeń 2010].

[96] http://www.osram.pl/osram_pl/ [dostęp: styczeń 2010].

[97] http://pv.pl/materialy-szkoleniowe [dostęp: kwiecień 2011].

w: Mat. szkoleniowe FOTOWOLTAIKA – projekt realizowany przez Politechnikę

Warszawską, IMiO, zespół Fotowoltaiki.

[98] http://www.oceanoptics.com/Products/maya.asp [dostęp: listopad 2012].

[99] http://jp.hamamatsu.com/products/sensor-ssd/pd186/index_en.html

[dostęp: listopad 2012].

[100] http://www.energiasloneczna.com/wspolpraca/P.A.N%20sprawozdanie%20z%20bad

an.pdf Pluta Z, Wnuk R.: Sprawozdanie z przeprowadzonych badań i wykonania

charakterystyk cieplnych Kolektora promieniowania słonecznego Heliostar 202

firmy Thermo-solar Polska, Warszawa, lipiec, 2001 (PDF) [dostęp: marzec 2013].

[101] http://www.ippt.gov.pl/zaklady/zpeb/Energetyka_sloneczna.html

[dostęp: styczeń 2010].

[102] http://www.lighting.pl/index.php?s_id=16&akcja2=osoba&litera=D&o_id=26

[dostęp: kwiecień 2013].

[103] http://www.kfm.p.lodz.pl/warsztaty/prezentacje/9-Ulanski.pdf

[dostęp: kwiecień 2013].

[104] http://156.17.13.7/main.htm - Solar LAB [dostęp: maj 2009].

[105] http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnensimulator#Lichtquelle [dostęp: kwiecień 2013].

120

[106] http://www.photoemission.com/SolarSimulationSystems.html

[dostęp: kwiecień 2013].

[107] http://www.newport.com/Solar-Simulator-Guide/1016231/1033/content.aspx

[dostęp: kwiecień 2013].

[108] http://www.msscientific.de/lamp_overview.htm [dostęp: kwiecień 2013].

[109] http://elibrary.ru/item.asp?id=12723407

Ivantsev A. S., Zhuchkova T. I.: Halogen incandescent lamp as a Sun – Simulator

[dostęp: czerwiec 2013].

[110] http://www.fotowoltaika.dsod.pl/ [dostęp: czerwiec 2013].

[111] http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-TYLX200611011.htm

Wang Yuan1,Zhang Linhua2 Design Of A New Type Of Full-Spectrum Solar

Simulator [dostęp: czerwiec 2013].

[112] http://adsabs.harvard.edu/abs/2004SPIE.5520...45W

Warner, Jeffrey H.; Walters, Robert J.; Messenger, Scott R.; Lorentzen, Justin R.;

Summers, Geoffrey P.; Cotal, Hector L.; Karam, Nassar H.: Measurement and

characterization of triple junction solar cells using a close matched multizone solar

simulator [dostęp: czerwiec 2013].

[113] http://www.ise.fraunhofer.de/de/servicebereiche/testlab-pv-modules

[dostęp: czerwiec 2013].

[114] http://www.słoneczny.com.pl/keymark.php [dostęp: czerwiec 2013].

[115] http://www.estif.org/solarkeymarknew/index.php [dostęp: czerwiec 2013].

[116] http://www.solarenergy.ch/index.php?id=44 [dostęp: czerwiec 2013].

[117] http://www.helmholtz-berlin.de/projects/pvcomb/angebot/analytik/sosi_de.html

[dostęp: czerwiec 2013].

[118] http://www.aikondocdesign.com/KHS/khspg2.htm [dostęp: czerwiec 2013].

121

Normy

[119] PN – 85/N – 01103 Promieniowanie optyczne – oznaczenia wielkości fizycznych

[120] PN – 90/E – 01005 Technika Świetlna. Terminologia.

[121] PN – EN 2591 – 320 Lotnictwo i kosmonautyka Elementy złączy elektrycznych i

optycznych Metody Badań Część 320: Symulowane promieniowanie słoneczne na

poziomie ziemi.

[122] PN – EN ISO 9488 Energia słoneczna. Terminologia.

[123] PN – EN 12975 – 2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Kolektory

słoneczne – Część 2: Metodyka badań.

[124] PN – EN 12976 – 2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Urządzenia

wykonywane fabrycznie – Część 2: Metodyka badań.

[125] PN – EN 60904 – 1 Elementy fotowoltaiczne Część 1: Określanie fotowoltaicznych

charakterystyk prądowo – napięciowych.

[126] PN – EN 60904 – 3 Elementy fotowoltaiczne Część 3: Zasady pomiaru

fotowoltaicznych (PV) elementów słonecznych przeznaczonych do zastosowań

naziemnych z wykorzystaniem wzorcowego widma promieniowania.

[127] PN – EN 60904 – 7 Elementy fotowoltaiczne Część 7: Obliczanie błędu

wynikającego z niedopasowania spektralnego powstającego w trakcie testowania

elementu fotowoltaicznego.

[128] PN – EN 60904 – 8 Elementy fotowoltaiczne Część 8: Pomiar czułości widmowej

elementu fotowoltaicznego (PV).

[129] PN – EN 60904 – 9 Elementy fotowoltaiczne Część 9: Wymagania dla symulatorów

promieniowania słonecznego.

[130] PN – EN 50461 Ogniwa słoneczne – Karta informacyjna produktu i specyfikacja

parametrów dla krystalicznych ogniw krzemowych.

[131] PN – EN 60068 – 2 – 5 Badania środowiskowe – Część 2 – 5 Próba Sa:

Odtworzenie nasłonecznienia występującego na powierzchni ziemi.

[132] CIE TECHNICAL REPORT SOLAR SPECTRAL IRRADIANCE, CIE 1990.