W miarę zbliżania się terminu realizacji Dyrektywy Komisji Europejskiej dotyczącej minimalnych wartości energii cieplnej i elektrycznej produkowanych w krajach wspólnoty zwiększa się w Polsce zarówno ilość obiektów wytwarzających energię elektryczną [1,2] czy cieplną [3,4,5], jak i ilość badań naukowych i technicznych [6,7] z tego zakresu oraz instytucji i firm zajmujących się technikami odnawialnych źródeł energii.

Istotnym elementem polityki państwa w tym zakresie jest wspieranie inicjatyw badawczych, propagowanie rozwoju instytucji produkujących i instalujących urządzenia oraz zabezpieczenie powstania laboratoriów certyfikujących urządzenia z tej branży. Jednym z tego typu laboratoriów jest Centrum Testowania Systemów Solarnych w Parku Naukowo-Technologicznym Euro-Centrum w Katowicach posiadające w swoim wyposażeniu wielkogabarytowy,  stacjonarny  symulator  słoneczny przedstawiony na rysunku 1. Symulator umożliwia testowanie kolektorów i systemów słonecznych w warunkach sztucznych. Ten unikatowy sprzęt (podobne laboratoria – poza Katowicami, działają jeszcze w ośmiu innych miejscach, w takich krajach jak Niemcy, Kanada, Francja, Brazylia, Chiny i Libia) został wyprodukowany przez niemiecką firmę PSE AG z Freiburga, współpracującą  z Instytutem Fraunhofera ISE z tego samego miasta. Jest on przeznaczony do badania sprawności kolektorów słonecznych wykorzystujących mieszaninę wody i glikolu jako nośnika ciepła. Jego bezpośrednim zadaniem jest pomiar wydajności kolektorów słonecznych zgodnie z normami EN 12975 i EN 12976. Urządzenie daje możliwość bardzo precyzyjnego ustawienia lamp w stosunku do badanej powierzchni (zmiana kąta nachylenia pola lamp w stosunku do powierzchni badanej w zakresie 0÷90°,  możliwość  indywidualnego  przemieszczania każdej z lamp w dwóch płaszczyznach, widmo lamp odpowiada widmu Arizona AM 1.5, moc każdej z lamp 4000 W), co podnosi jakość prowadzonego badania  i wpływa na jego powtarzalność.

Opis wielkogabarytowego symulatora słonecznego W przypadku eksperymentów, które muszą być prowadzone w warunkach imitujących naturalne promieniowanie słoneczne, występuje duży problem ze stworzeniem odpowiednich  warunków  pomiarowych. Istniejące urządzenia to najczęściej jedna/kilka niedużych lamp o odpowiednim widmie  promieniowania  z  niewielkimi  możliwościami   zachowania   powtarzalności  i porównywalności warunków prowadzenia eksperymentów. Prezentowany w artykule symulator stwarza możliwości prowadzenia badań na większej powierzchni (lub równoczesne badanie większej ilości elementów)  w  stabilnych,  powtarzalnych  warunkach  z możliwością ich modyfikacji.

Stanowisko pomiarowe składa się z symulatora słonecznego ze światłem stałym, w skład którego wchodzą:

•     pole lamp
•     sztuczne niebo
•     platforma badawcza kolektora wyposażona w skaner dwuosiowy X-Y
•     nawietrzanie. (…)
1401 symulator1
Istotną częścią urządzenia jest dwuosiowy skaner X-Y umożliwiający dwuwymiarowy ruch płyty montażowej. Na płycie zamocowane są instrumenty pomiarowe, takie jak: pyranometr, ogniwo słoneczne oraz anemometr. Opcjonalnie można na niej zamocować dodatkowy pyranometr lub pyrgeometr.
Za pomocą skanera możliwy jest pomiar  macierzy  punktów  zadanych  na powierzchni  badanej.  Oprogramowanie stworzone specjalnie dla tych celów zapewnia automatyczny proces skanowania, zapisywanie  i  graficzne  przedstawienie wyników pomiarów. Kolejnym elementem wyposażenia  urządzenia,  podnoszącym jego funkcjonalność, jest system nawietrzania (imitujący wiatr) zamontowany na dolnym brzegu powierzchni badawczej. Konstrukcja  tego  elementu  wyposażenia  symulatora  umożliwia  elektryczną regulację wysokości nawietrzania w celu dostosowania pozycji przepływu powietrza do wysokości badanego elementu oraz regulację szybkości przepływu powietrza  (w zakresie od 0–4 m/s). (…)

Badania kolektora słonecznego Przeprowadzono badania w układzie jak na rysunku 4 dla kolektora słonecznego dostarczonego przez jednego z producentów, pochodzącego  z  jego  produkcji  seryjnej. Wykonując badanie, starano się m.in. sprawdzić, jaki wpływ na wyniki testu mają zmiany warunków prowadzenia pomiarów, takie jak: temperatura otoczenia, prędkość i kąt padania nawiewu imitującego wiatr w stosunku do powierzchni badanego kolektora, temperatury medium płynącego w kolektorze na wejściu i wyjściu z urządzenia, wielkość przepływu masowego. Analizowano także, jaki wpływ na wynik będzie miała zmiana długości boku siatki pomiarowej, która determinuje ilość wykonanych pojedynczych pomiarów na badanej powierzchni. Wyniki pomiarów wykonane w trakcie testu pozwalają na wykreślenie krzywych sprawności  i mocy wyjściowej, które umożliwiają ocenę sprawności i mocy wyjściowej kolektora  w zależności od ∆T (różnica średniej temperatury medium w kolektorze i temperatury otoczenia) przy stałej wartości promieniowania wynoszącej 1000 W/m 2 . Możliwe jest także określenie modyfikatora kąta padania, który określa zależność mocy wyjściowej kolektora od kąta padania promieni słonecznych. (…)

Wykorzystanie  „sztucznego  słońca”  uniezależnia  przebieg  testów  od  warunków pogodowych, pory dnia, roku i gwarantuje powtarzalność  eksperymentu  (urządzenie umożliwia bardzo precyzyjne „zadawanie” parametrów, np. zgodnie z wymogami konkretnej normy, zmiany położenia źródła światła i powierzchni badanej w zakresie 0°÷90°).

Literatura
1. B. Szymański, Dokąd zmierza fotowoltaika?, GLOBEnergia, 4, 34–35, (2012).
2. G. Lange, Fotowoltaika, GLOBEnergia,  4, 36–39, (2012).
3. S. Amraqui, A. Mezrhab, C. Abid, Combined natural convection and surface radiation in solar collector equipped with partitions, Applied Solar Energy, 47 (1), 36–47, (2011).
4. Parker, Philip M., World Outlook Report 2006–2011: Water & Air Solar Energy  Collectors 2005.
5. Design Guide for SolarWall Air Heating System, Solarwall Conserval, (2001).
6. ISO9806-1:1994: Metody badań kolektorów słonecznych – Część I: Sprawność cieplna cieczowych kolektorów słonecznych  z uwzględnieniem spadku ciśnienia.
7. ISO9806-1994: Metody badań kolektorów słonecznych – Część II: Procedury badań kwalifikacyjnych. Konstanty Marszałek Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Stanisław Grygierczyk
PNT Euro-Centrum Sp. z o.o.

Cały artykuł w numerze 1/2014
2014 1 GLOBEnergia