POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 73 Electrical Engineering 2013 Joanna RATAJCZAK* Grzegorz WICZYŃSKI* Konrad DOMKE* BADANIE I ANALIZA WYPADKOWEGO ROZKŁADU WIDMOWEGO PROMIENIOWANIA LAMP HALOGENOWYCH I KSENONOWYCH Parametry wyjściowe paneli fotowoltaicznych i kolektorów słonecznych zależą m.in. od poziomu natężenia napromienienia. Dostosowanie takich urządzeń do warunków panujących na danym terenie wymaga odtworzenia promieniowania słonecznego. W tym celu w warunkach laboratoryjnych powinny być wykorzystywane symulatory promieniowania słonecznego o rozkładzie widmowym dostosowanym do właściwości badanych urządzeń. Najczęściej stosowanymi źródłami promieniowania w tego rodzaju symulatorach są lampy: halogenowe, metalohalogenkowe, ksenonowe oraz siarkowe. Znajomość widm promieniowania tych lamp jest warunkiem koniecznym dla poprawnego projektowania symulatora promieniowania słonecznego. W artykule opisano stanowisko pomiarowe do wyznaczania wypadkowych rozkładów widmowych lamp ksenonowych i halogenowych. Przedstawiono procedurę pomiaru widma optycznego spektrometrem dla układu dwóch źródeł promieniowania. Otrzymane rozkłady widmowe poddano analizie. 1. WPROWADZENIE Podstawowym zadaniem symulatora promieniowania słonecznego przeznaczonego do zastosowań ogólnych jest wytworzenie strumienia promieniowania jak najbardziej zbliżonego do rzeczywistego promieniowania słonecznego niezależnie od właściwości odbiornika promieniowania. Natomiast zadaniem symulatora dedykowanego dla danej grupy odbiorników jest odtworzenie promieniowania słonecznego tylko w zakresie widmowym adekwatnym dla tej grupy odbiorników. Dotychczasowe normy kryterium zgodności rozkładów widmowych przyjmują za jeden z warunków będących podstawą klasyfikacji jakości symulatora. Odbiorniki takiego promieniowania (kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne, badane próbki materiałów, rośliny czy substancje reagujące chemiczne) wykazują się określoną czułością widmową. Dlatego istotnym czynnikiem jest uzyskanie możliwie dużej zbieżności widmowej promieniowania słonecznego i promieniowania uzyskiwanego w symulatorze. Niekiedy z powodów * Politechnika Poznańska.
194 Joanna Ratajczak, Grzegorz Wiczyński, Konrad Domke implementacyjnych uzyskuje się zbieżność w węższym lub szerszym zakresie widmowym niż definiują to obowiązujące normy. Charakterystyki widmowe najczęściej wykorzystywanych odbiorników promieniowania słonecznego zawierają się w przedziale 100 2000 nm. Obecne symulatory promieniowania słonecznego prawie zawsze opierają się na jednym typie źródła promieniowania lampie halogenowej (określonej przez normę) lub lampie ksenonowej. Zarówno lampa halogenowa jak i ksenonowa charakteryzuje się ciągłym widmem promieniowania w zakresie od 250 1700 nm. Lampa ksenonowa posiada temperaturę barwową zbliżoną do światła dziennego wynoszącą ok. 6000 K. Natomiast temperatura barwowa lampy halogenowej może wynosić 3000 lub 3200 K [1, 2, 3, 5, 9, 10, 11, 12]. Przykładowe rozkłady widmowe wybranej lampy halogenowej i ksenonowej przedstawiono na rys. 1 i 2 [5, 6]. Rys. 1. Względny rozkład widmowy lampy halogenowej 1000W [5] Rys. 2. Względny rozkład widmowy przykładowej lampy ksenonowej XBO 1600 W OFR [6]
Badanie i analiza wypadkowego rozkładu widmowego promieniowania 195 2. STANOWISKO POMIAROWE Stanowisko do wykonania pomiarów rozkładów widmowych wypadkowego (sumarycznego) promieniowania lamp halogenowej i ksenonowej (Rys. 3 i 4) zrealizowano w laboratorium Zakładu Metrologii i Optoelektroniki Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej. W skład stanowiska wchodziły: badane lampy halogenowa i ksenonowa umieszczone w specjalnej oprawce lub oprawie, kula całkująca i spektrometry (Maya firmy Ocean Optics zakres pomiarowy 200 1100 nm i TGNIR firmy Hamamatsu zakres pomiarowy 900 1700 nm [7, 8]) wraz ze światłowodami oraz komputer z odpowiednim oprogramowaniem i zasilacze. Ze względu na szczególne warunki pomiarów zastosowano środki ochrony opisane w publikacji [13]. Rys. 3. Widok stanowiska pomiarowego przedstawiający lampę halogenową w specjalnej oprawce i lampę ksenonową w specjalnej oprawie oraz kulę całkującą Rys. 4. Widok stanowiska pomiarowego przedstawiający lampę halogenową w specjalnej oprawce i lampę ksenonową w specjalnej oprawie oraz stanowisko komputerowe i zasilacze
196 Joanna Ratajczak, Grzegorz Wiczyński, Konrad Domke 4. METODOLOGIA POMIARU I OTRZYMANE WYPADKOWE ROZKŁADY WIDMOWE PROMIENIOWANIA LAMP HALOGENOWYCH I KSENONOWYCH Rozkłady widmowe promieniowania lamp halogenowych i ksenonowych wyznaczono w układzie takim samym jak opisany w artykule Stanowisko do pomiaru rozkładu widmowego promieniowania lamp ksenonowych, zastosowano także podobną metodologię pomiaru [13]. Jedyną różnicą jest wyznaczenie końcowego, sumarycznego, spektralnego natężenia promieniowania (irradiancji spektralnej) E S ( ) badanego układu źródeł promieniowania. Wymagana korekcja jest związana ze specyficznym ustawieniem badanych źródeł promieniowania przedstawionym na rysunku 5. Końcowe, sumaryczne, spektralne natężenie promieniowania określone zostało następującym wzorem: E s ( ) =E s ( ) cos Podczas wykonywania pomiarów kąt wynika z gabarytów oprawy lampy ksenonowej (związany jest z rozmieszczeniem badanych źródeł promieniowania) i wynosi = 25 0 29. Rys. 5. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawionego na rys. 3 z zaznaczonym kątem 25 0 29 Podczas pomiarów zbadano następujące lampy: a) ksenonową OSRAM XBO 1000W/HSC OFR, b) halogenowe: PHILIPS EcoHalo 350 W/230V 2900 K, OSRAM 650 W/230V 3200 K, OSRAM 800 W/230V 3200 K, OSRAM 1000 W/230V 3200 K, OSRAM 1000 W/230V 3000 K,
Badanie i analiza wypadkowego rozkładu widmowego promieniowania 197 w zestawach: Lampa ksenonowa 1000 W, halogenowa 350 W, Lampa ksenonowa 1000 W, halogenowa 800 W, Lampa ksenonowa 1000 W, halogenowa 1000 W (T b 3200 K), Lampa ksenonowa 1000 W, halogenowa 1000 W (T b 3000 K), Lampa ksenonowa 800 W, halogenowa 800 W, Lampa ksenonowa 700 W, halogenowa 650 W, Lampa ksenonowa 700 W, 1000 W (T b 3200 K), Lampa ksenonowa 700 W, halogenowa 1000 W (T b 3000 K), Lampa ksenonowa 1000 W, halogenowa 650 W. Przykładowe sumaryczne rozkłady widmowe promieniowania przedstawiono na rys. 6 i 7. W obu przypadkach zastosowano lampę ksenonową o mocy 1 kw. Różnica wynika z wykorzystania lamp halogenowych o różnych mocach. Rys. 6. Eksperymentalny sumaryczny (wypadkowy) rozkład widmowy promieniowania lamp halogenowej o mocy 350 W i ksenonowej o mocy 1000 W Rys. 7 Eksperymentalny sumaryczny (wypadkowy) rozkład widmowy promieniowania lamp halogenowej o mocy 1000 W (Tb 3200 K) i ksenonowej o mocy 1000 W
198 Joanna Ratajczak, Grzegorz Wiczyński, Konrad Domke 5. UWAGI KOŃCOWE W artykule przedstawiono wyniki pomiarów rozkładu widmowego promieniowania optycznego emitowanego przez układ (zespół) dwóch lamp: halogenowej i ksenonowej. Badany zespół lamp tworzy symulator promieniowania słonecznego przeznaczony do oceny działania odbiorników typu panele fotowoltaiczne i kolektory słoneczne. Zakres wyznaczonych charakterystyk dostosowano do czułości widmowej wybranych odbiorników. Sumaryczne charakterystyki widmowe wyznaczono dla kombinacji lamp o różnej mocy. Stwierdzono, że na podstawie rozkładów widmowych poszczególnych lamp możliwe jest określenie sumarycznej (wypadkowej) charakterystyki widmowej symulatora. Wyznaczone charakterystyki poszczególnych źródeł są zbieżne z danymi katalogowymi. Zgromadzone wyniki pomiarów pozwalają na kontynuację i weryfikację obliczeń analitycznych. Pomiary rozkładów widmowych wykonano w układzie: źródło promieniowania kula całkująca światłowód spektrometr. Do wzorcowania toru pomiarowego zastosowano lampę halogenową o charakterystyce widmowej określonej w przedziale 200 1700 nm. Pomiary przeprowadzono w sposób minimalizujący wpływ niestabilności temperaturowej spektrometrów. LITERATURA [1] Domke K., Ratajczak J. Spectrum analysis of the usefulness of the light sources for building the sun simulators Przegląd Elektrotechniczny 10/2010. [2] Domke K., Ratajczak J. The review of the light sources helpful for building the sun simulators Poznan University of Technology Academic Journals Electrical Engineering 62/2010, Wyd. Pol. Pozn., Poznań. [3] Domke K., Ratajczak J. Comparison of sun simulators designed for tests of collectors and photovoltaic cell Poznan University of Technology Academic Journals Electrical Engineering 62/2010, Wyd. Pol. Pozn., Poznań. [4] Domke K. Modelowanie odbicia promieniowania optycznego Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2012. [5] http://www.lighting.philips.com [dostęp: styczeń 2010]. [6] http://www.osram.pl/osram_pl/ [dostęp: styczeń 2010]. [7] http://www.oceanoptics.com/products/maya.asp [dostęp: listopad 2012]. [8] http://jp.hamamatsu.com/products/sensor-ssd/pd186/index_en.html [dostęp: listopad 2012]. [9] PN 90/E 01005 Technika Świetlna. Terminologia. [10] Praca zbiorowa członków Polskiego Komitetu Oświetleniowego SEP Technika Świetlna 09 Poradnik Informator t. 1, Zakład Wyd. Lester Quality W-wa 2009 [11] Ratajczak J. Domke K. Spectral distributions of halogen lamps of different power Materiały konferencyjne Intertech 2012, Poznań, 16 18.05.2012.
Badanie i analiza wypadkowego rozkładu widmowego promieniowania 199 [12] Ratajczak J. Efficiency of multi source simulators built on a halogen and xenon lamp Poznan University of Technology Academic Journals Electrical Engineering 65/2011, Wyd. Pol. Pozn., Poznań. [13] Ratajczak J., Wiczyński G. Domke K. Stanowisko do pomiaru rozkładu widmowego promieniowania lamp ksenonowych 18 th Scientific Conference Computer Applications in Electrical Engineering April 15 to 16, 2013 r. RESEARCH AND ANALYSIS OF THE TOTAL SPECTRAL DISTRIBUTION OF RADIATION OF HALOGEN AND XENON LAMPS Output parameters, tested photovoltaic panels and solar collectors, depend on the level of irradiance therefore build new solar simulators allow to adapt these products to the conditions prevailing in the area. Radiation sources typically used in solar simulators include: halogen lamps, metal halide lamps, xenon lamps, and sulfur lamps. Knowledge of spectral characteristics of these lamps is a necessary condition for the correct design of solar simulator. The paper described measuring position to determine the cumulative spectral distributions of the halogen and xenon lamps from the ultraviolet to the infrared. The paper also presented a procedure for measuring the optical spectrum using the spectrometer for the team of two radiation sources. Received spectral distributions have been analyzed.