ιπλωµατική Εργασία: Μέτρηση απόδοσης φωτοβολταϊκών στοιχείων εργαστηριακά µε τη χρήση ηλιακού προσοµοιώτη

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ Τοµέας Ηλεκτρικής Ενέργειας Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Υλικών ιπλωµατική Εργασία: Μέτρηση απόδοσης φωτοβολταϊκών στοιχείων εργαστηριακά µε τη χρήση ηλιακού προσοµοιώτη Ρουµπακιάς Ηλίας Επιβλέπων Καθηγητής: Λιτσαρδάκης Γεώργιος θεσσαλονίκη 2009

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σύντοµη περιγραφή του θέµατος Γενικά περί φωτοβολταϊκών ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πρότυπες συνθήκες αναφοράς Απόδοση ΦΒ κυττάρων Περιγραφή µεθόδου Χαρακτηριστικά πηγής προσοµοίωσης ηλιακού φωτός Θερµοκρασιακός συντελεστής Έλεγχος γραµµικότητας µεταξύ ρεύµατος βραχυκύκλωσης και πυκνότητας ενέργειας ακτινοβολίας Σχετική και απόλυτη φασµατική απόκριση κυττάρων Εξοπλισµός µέτρησης ιαδικασία µέτρησης Υπολογισµοί Σχετική φασµατική απόκριση Απόλυτη φασµατική απόκριση Καθορισµός φασµατικής παραµέτρου απωλειών Εξοπλισµός µέτρησης ιαδικασία µέτρησης Υπολογισµοί Βαθµονόµηση πρωτεύοντος κυττάρου αναφοράς Εξοπλισµός µέτρησης ιαδικασία µέτρησης Υπολογισµοί Υλοποίηση συσκευής παραλληλοποίησης δέσµης φωτός Βαθµονόµηση δευτερεύοντος κυττάρου αναφοράς Εξοπλισµός µέτρησης ιαδικασία µέτρησης Υπολογισµοί ιαδικασία µέτρησης απόδοσης κυττάρου Εξοπλισµός µέτρησης ιαδικασία µέτρησης Υπολογισµοί ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ..., Περιγραφή εξοπλισµού Μέτρηση φασµατικής απόκρισης κυττάρου Μέτρηση θερµοκρασιακού συντελεστή Βαθµονόµηση κυττάρου αναφοράς Μέτρηση απόδοσης Μετρήσεις και παραδείγµατα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΠΟΚΛΙΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΡΟΤΥΠΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΕΚΘΕΣΕΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ...75 ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ...78

3 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Σύντοµη περιγραφή του θέµατος Στις µέρες µας, τόσο η µόλυνση του περιβάλλοντος όσο και ο κίνδυνος εξάντλησης των συµβατικών καυσίµων έχουν αναγκάσει το τοµέα της ενέργειας να στραφεί στις ήπιες (ανανεώσιµες) µορφές ενέργειας (ΑΠΕ) που αποτελούνται απο την ηλιακή, αιολική, βιοµάζα, γεωθερµική, υδροηλεκτρική και η ενέργεια των κυµάτων της θάλασσας. Η ηλιακή ενέργεια αποτελεί µία από τις πιο σηµαντικές ήπιες µορφές ενέργειας και ειδικά στην χώρα µας, όπου υπάρχει σηµαντική ηλιοφάνεια καθόλη τη διάρκεια του χρόνου. Η ηλιακή ενέργεια είναι αρκετά αξιόπιστη και δεν έχει σηµαντικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας. Ωστόσο, έχει ακόµα υψηλό κόστος εγκατεστηµένης ισχύος. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, θα ασχοληθούµε µε την απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Συγκεκριµένα, θα παρουσιασθεί µια µέθοδος µέτρησης της απόδοσης ενός στοιχείου µε την βοήθεια ηλιακού προσοµοιωτή και όχι απευθείας στο ηλιακό φως. Η µέθοδος είναι σηµαντική γιατί επιτυγχάνει µέτρηση της απόδοσης µε βάση κάποιες συνθήκες αναφοράς, κάτι που µας δίνει τη δυνατότητα η µετρούµενη απόδοση να είναι συγκρίσιµη. Στη συνέχεια της εργασίας γίνεται µια σύντοµη περιγραφή για τα ΦΒ στοιχεία και παρουσιάζεται θεωρητικά η µέθοδος σύµφωνα µε τα πρότυπα της ASTM. Στο δεύτερο µέρος παρουσιάζεται η υλοποίηση της µεθόδου όσο το δυνατόν πιο κοντά στη πρότυπη διαδικασία, ώστε να δείξουµε την αρχή λειτουργίας της µεθόδου. Συγκεκριµένα, παρουσιάζονται βήµα βήµα οι µετρήσεις και οι υπολογισµοί που έγιναν, τα όργανα και ο εξοπλισµός που χρησιµοποιήθηκε και επισηµαίνονται οι αποκλίσεις απο τη πρότυπη διαδικασία. 1.2 Γενικά περί φωτοβολταϊκών Η βασική ιδιότητα των ηµιαγωγών που χρησιµοποιούνται σε φωτοβολταϊκές διατάξεις είναι η φωτοαγωγιµότητα, η οποία κάνει τον ηµιαγωγό να άγει µε πολύ ισχυρότερο ρεύµα, όταν αυτός φωτίζεται από µία πηγή. Το πόσο ισχύρο θα είναι το ρεύµα εξαρτάται τόσο από το ίδιο το υλικό όσο και από το µήκος κύµατος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ωστόσο, το παραπάνω φαινόµενο δεν είναι αρκετό για τη δηµιουργία ροής φορέων, δηλαδή ηλεκτρικού ρεύµατος. Για να υπάρξει η προαναφερθείσα ροή θα πρέπει να υπάρξει ένα πεδίο, το οποίο θα θέσει σε κίνηση τους φορείς. Το πεδίο αυτό µπορεί να δηµιουργηθεί στις επαφές δύο διαφορετικών ηµιαγωγικών υλικών.[1]

4 Το µεγαλύτερο ποσοστό των φωτοβολταϊκών στοιχείων κατασκευάζεται απο πυρίτιο το οποίο βρίσκεται σε µεγάλα ποσοστά στην άµµο µε τη µορφή οξειδίου του πυριτίου (SiO 2 ). Τα στοιχεία αυτά χωρίζονται σε 4 κατηγορίες ανάλογα µε το τρόπο παρασκευής τους: 1. Κρυσταλλικού πυριτίου (single-crystal silicon). Σε µορφή κυψελίδας έχουν απόδοση 21-24%, ενώ σε µορφή πλαισίων έχουν 13-16%. 2. Πολυκρυσταλικού πυριτίου (multicrystaline silicon mc-si). Σε µορφή κυψελίδας έχει απόδοση 17-20%, ενώ σε µορφή φωτοβολταϊκού πλαισίου10-40%. 3. Στοιχεία άµορφου πυριτίου (amorphous ή thin film silicon). Πρόκειται για πολύ χαµηλού κόστους παραγωγή εξαιτίας της µικρής χρησιµοποιούµενης µάζας υλικού και έχουν απόδοση 6-8%. 4. Οργανικά φωτοβολταϊκά [2] Όπως φαίνεται οι αποδόσεις των διαφόρων φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι από 10% µέχρι 24%. Παρατηρούµε, δηλαδή, ότι από τη συνολική ενέργεια της ακτινοβολίας του ηλίου ένα µικρό ποσοστό γίνεται παραγόµενη ενέργεια, κάτι που οφείλεται σε διάφορες απώλειες. Συγκεκριµένα, έχουµε απώλειες µειωµένης καθαρότητας, ανακλαστικότητας, χαµηλών τιµών ακτινοβολίας, φασµατικές πόλωσης, θερµοκρασιακές και στη δίοδο αντεπιστροφής.

5 Παρακάτω, θα αναλυθεί µια µέθοδος µέτρησης της απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου η οποία είναι πολύ χρήσιµη καθώς µε τα αποτελέσµατα της µεθόδου θα µπορούµε να συγκρίνουµε τις διαφορές που υπάρχουν στην απόδοση κυττάρων ίδιας κατηγορίας. Επίσης, δίνεται η δυνατότητα να συγκρίνουµε κύτταρα διαφορετικού είδους και κατασκευής έτσι ώστε να αποκτήσουµε σαφή εικόνα για την απόδοση της κάθε κατηγορίας. Μια άλλη εξίσου σηµαντική δυνατότητα που δίνεται είναι η επαναλαµβανόµενη εφαρµογή της µεθόδου στο ίδιο κύτταρο, ώστε να παρατηρήσουµε αλλαγές στην απόδοσή του µε τη πάροδο του χρόνου. 2. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1 Πρότυπες συνθήκες αναφοράς (SRC) Η απόδοση ενός ΦΒ κυττάρου εξαρτάται από την θερµοκρασία του, από την ισχύ της πηγής από την οποία ακτινοβολείται και από την φασµατική κατανοµή της ακτινοβολίας της πηγής. Έτσι, έχουν θεσπιστεί πρότυπες συνθήκες (Standard Reporting Conditions) για τους παραπάνω παράγοντες, µε σκοπό οι αποδόσεις που υπολογίζουµε να ανάγονται σε αυτές και να είναι συγκρίσιµες µεταξύ τους.[3] Οι πρότυπες αυτές συνθήκες (SRC) είναι: Θερµοκρασία κυττάρου : 25ºC Πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας : 1000 Wm -2 Φασµατική κατανοµή της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας : AM 1.5 global ( [4] ASTM G173 ). Το φάσµα αναφοράς του ηλίου AM 1.5 αναφέρεται στο τρόπο πρόσπτωσης του φωτός και το global στο ότι λαµβάνουµε υπόψη την συνολικά προσπιπτόµενη ακτινοβολία και όχι µονο την απευθείας κάτι που φαίνεται καλύτερα στη παρακάτω αναπαράσταση. Σχήµα 2.1.1: ΑΜ αέρια µάζα [5]

6 2.2 Απόδοση ΦΒ κυττάρων Για να µετρήσουµε την απόδοση θα πρέπει πρώτα από όλα να υπολογίσουµε τη χαρακτηριστική ρεύµατος τάσης του υπό εξέταση ΦΒ στοιχείου και στη συνέχεια µπορούµε µε τη χρήση του παρακάτω τύπου να υπολογίσουµε την απόδοση: Όπου: VMAX IMAX PMAX n = AE = AE (σχ ) REF Α : επιφάνεια του ΦΒ στοιχείου V MAX, I MAX : προκύπτουν απο τη χαρακτηριστική ρεύµατος τάσης E REF : η πρότυπη συνολική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας. Η µέτρηση της απόδοσης ενός ΦΒ στοιχείου µπορεί να γίνει, είτε εξωτερικά υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός, είτε εσωτερικά σε εργαστηριακές συνθήκες µε τη χρήση προσοµοιωτών ηλιακού φωτός (solar simulator) και ενός κυττάρου αναφοράς (reference cell). Βιβλιογραφικά αναφέρεται πως η µέτρηση της απόδοσης έξω στο ηλιακό φως είναι πιο σωστή µε την έννοια ότι έχουµε τις πραγµατικές συνθήκες µέτρησης. Ωστόσο, οι µετρήσεις αυτές δε µπορούν εύκολα να αναχθούν στις πρότυπες συνθήκες µέτρησης (SRC), διότι οι εξωτερικές συνθήκες είναι συνεχώς µεταβαλλόµενες και δε µπορούν να ελεγχθούν. Αντίθετα, στη µέτρηση µε τη βοήθεια ηλιακού προσοµοιωτή είναι εύκολη η αναγωγή στις πρότυπες συνθήκες µέτρησης. Αυτό αποτελεί ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα, διότι οι αποδόσεις διαφορετικών ΦΒ στοιχείων θα είναι συγκρίσιµες καθώς αυτές θα έχουν µετρηθεί µε αναφορά στις πρότυπες συνθήκες µέτρησης. Έτσι, µε τη χρήση της µεθόδου µπορούµε να βγάλουµε συµπεράσµατα για τις αποδόσεις διαφορετικής τεχνολογίας φωτοβολταϊκών στοιχείων και γενικότερα να αποκτήσουµε πιο σαφή εικόνα για την απόδοση ΦΒ στοιχείων. [6] Στη συνέχεια θα περιγραφεί η µέτρηση της απόδοσης ενός ΦΒ κυττάρου µε τη χρήση ηλιακού προσοµοιωτή και κυττάρου αναφοράς. REF 2.3 Περιγραφή της µεθόδου Η µέθοδος απαιτεί βασικά ένα υπό εξέταση κύτταρο, ένα κύτταρο αναφοράς και ένα ηλιακό προσοµοιωτή. [7] Το κύτταρο αναφοράς χρησιµεύει στο καθορισµό της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας (Wm -2 ). Για να συµβεί αυτό θα πρέπει το κύτταρο να βαθµονοµηθεί κατάλληλα, ώστε µετρώντας σε αυτό ρεύµα να το µετατρέπουµε σε πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας και έτσι να µπορούµε να την ελέγχουµε. Η βαθµονόµηση µπορεί να γίνει είτε εξωτερικά µε ηλιακό φώς οπότε πρόκειται για πρωτεύον κύτταρο αναφοράς, είτε εσωτερικά µε ηλιακό προσοµοιωτή οπότε πρόκειται για δευτερεύον κύτταρο αναφοράς. Η επιλογή πρωτεύοντος ή δευτερεύοντος κυττάρου εξαρτάται από τις εκάστοτε ανάγκες µέτρησης, ωστόσο τα δυο είδη κύτταρων αναφοράς δεν διαφέρουν φυσικά η ηλεκτρικά αλλά διαφέρουν στη διαδικασία βαθµονόµησης.[8] Παρακάτω θα αναλυθούν και οι δύο τρόποι κατά τα πρότυπα της ASTM.

7 Όσον αφορά τον ηλιακό προσοµοιωτή θα πρέπει να πληρεί κάποιες προυποθέσεις, οι οποίες θα αναλυθούν σε παρακάτω κεφάλαιο σύµφωνα µε τα πρότυπα της ASTM. Ωστόσο, στη µέτρηση εισάγονται κάποια σφάλµατα, ένα εκ των οποίων είναι η διαφορά του φάσµατος του ηλιακού προσοµοιωτή και του φάσµατος αναφοράς ΑΜ 1.5 ( ASTM G173). Ένα άλλο εξίσου σηµαντικό σφάλµα είναι η απόκλιση της φασµατικής απόκρισης του υπό εξέταση κυττάρου από αυτή του κυττάρου αναφοράς. Έτσι, υπολογίζεται µια παράµετρος Μ (mismatch parameter) για να διορθώσουµε τα σφάλµατα. Η φασµατική παράµετρος απωλειών Μ ορίζεται: M λ 2 E( λ) R ( λ) dλ t λ1 λ3 = λ4 λ2 4 E ( λ) R ( λ) dλ E( λ) R ( λ) dλ E ( λ) R ( λ) dλ r o t λ3 λ1 λ o r (σχ ) Όπου : R r (λ) : φασµατική απόκριση του κυττάρου αναφοράς R t (λ) : φασµατική απόκριση του υπό εξέταση κυττάρου E (λ) : φασµατική κατανοµή της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας της πηγής προσοµοιώσης E 0 (λ) : φασµατική κατανοµή αναφοράς η οποία θα ληφθεί από πίνακες προτύπων (G173) Πρέπει να σηµειωθεί πως αν το κύτταρο αναφοράς και το υπό εξέταση κύτταρο είναι ίδια, δηλαδή έχουν ίδιες φασµατικές αποκρίσεις, τότε το Μ ισούται µε την µονάδα.[9] Η µέθοδος απαιτεί επίσης και τον υπολογισµό ενός θερµοκρασιακού συντελεστή α, ο οποίος χρησιµοποιείται σε περίπτωση που η θερµοκρασία κατά τη διάρκεια της µέτρησης δεν είναι η πρότυπη στους 25 ºC, ο υπολογισµός του οποίου περιγράφεται παρακάτω. Εκτός των παραπάνω πρέπει να γίνει καθορισµός της φασµατικής απόκρισης των κυττάρων και έλεγχος της γραµµικότητάς τους, διαδικασίες που επίσης περιγράφονται παρακάτω κατά τα πρότυπα της ASTM. Τέλος, εφόσον έχουµε κάνει τη βαθµονόµηση του κυττάρου αναφοράς και τις άλλες προαναφερθείσες διαδικασίες, µπορούµε να προχωρήσουµε στη µέτρηση του βαθµού απόδοσης. Με αυτή τη µέτρηση εξάγουµε τη χαρακτηριστική ρεύµατος τάσης I-V του υπό εξέταση κυττάρου µε ανηγµένες, στις πρότυπες συνθήκες, τιµές και υπολογίζουµε στη συνέχεια το βαθµό απόδοσης µε τη χρήση του τύπου 2.2.1, όπως αναφέρεται στο προηγούµενο κεφάλαιο.

8 2.4 Χαρακτηριστικά ηλιακού προσοµοιωτή (solar simulator) ( [10] ASTM E927 ) Για τη µέτρηση της απόδοσης ενός κυττάρου µε τη χρήση ηλιακού προσοµοιωτή θα πρέπει να γίνει κατάλληλη επιλογή προσοµοιωτή, ώστε να µην υπάρξουν λάθη στη µέτρηση. Η µετρούµενη απόδοση του κυττάρου µπορεί να αλλάζει µε αλλαγές της προσπίτουσας ακτινοβολίας από το προσοµοιωτή. Έτσι, σε αυτή την ενότητα παρουσιάζονται χαρακτηριστικά προσοµοιωτών, τέτοιων ώστε να προσφέρουν µια αξιόπιστη αντιστοιχία µε το φάσµα του ηλιακού φωτός. Ο εξοπλισµός για το φωτισµό των κυττάρων αποτελείται από τα εξής : 1. µια πηγή φωτός (λαµπτήρες) και µία παροχή ρεύµατος 2. οπτικό υλικό και φίλτρα που απαιτούνται για την τροποποίηση των ακτίνων του φωτός 3. απαραίτητο υλικό ελέγχου για τη λειτουργία του προσοµοιωτή, ώστε να µπορεί να ρυθµιστεί η πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας. Ο ηλιακός προσοµοιωτής µπορεί να είναι δύο τύπων: σταθερής κατάστασης (steady state simulator) που ακτινοβολεί συνεχώς ή παλµών (pulsed simulator) που ακτινοβολεί κατά συγκεκριµένα χρονικά διαστήµατα. Η απόδοσή του εξαρτάται απο τη κλάση του, δηλαδή αν είναι κλάσης Α, Β ή C. Παρακάτω φαίνονται δύο πίνακες µε χαρακτηριστικά προσοµοιωτών ανάλογα µε τη κλάση τους και τη φασµατική κατανοµή. Χαρακτηριστικά προσοµοιωτών Α Β C Ανοµοιοµορφία πυκνότητα ενέργειας ακτινοβολίας ±2% ±5% ±10% Προσωρινή αστάθεια πυκνότητας ενέργειας ακτινοβολίας ±2% ±5% ±10% Συνολική πυκνότητα ενέργειας στις 30º οπτικό πεδίο 95% 85% 70% Φασµατική αντιστοιχία µε τον πίνακα ,75-1,25 0,6-1,4 0,4-2 Πίνακας 2.4.1: Χαρακτηριστικά προσοµοιωτών ανάλογα µε τη κλάση Ορισµός µεγεθών : Ανοµοιοµορφία συνολικής πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας (nonuniformity of total irradiance) είναι ο λόγος : ± M a x I r r a d i a n c e M i n I r r a d i a n c e ( ) M a x I r r a d i a n c e + M i n I r r a d i a n c e

9 Πρόκειται, δηλαδή, για τον επί της εκατό λόγο της διαφοράς µέγιστηςελάχιστης πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας, ως προς το χώρο προς το άθροισµα τους. Χρονική αστάθεια της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας (temporal instability of irradiance) Είναι ένα µέτρο που χρησιµοποιείται ώστε να ελέγξουµε αν η πυκνότητα ενεργείας της ακτινοβολίας παραµένει σταθερή καθ όλη τη διάρκεια µέτρησης, ώστε να µην αλλοιωθούν οι µετρήσεις. Tο µέγεθος ορίζεται παρακάτω και έχει τον ίδιο ορισµό µε την ανοµοιοµορφία της πυκνότητας ενέργειας, µε τη διαφορά ότι εδώ προκύπτει και από χρονικά διαφορετικές µετρήσεις σε χρονικό διάστηµα ίσο µε τη χρονική διάρκεια της περιόδου των µετρήσεων. ± M a x I r r a d i a n c e M i n I r r a d i a n c e ( ) M a x I r r a d i a n c e + M i n I r r a d i a n c e Στο πίνακα φαίνονται τα επί της εκατό ποσοστά της συνολικής πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας για διάφορα µήκη κύµατος και για AM1.5. Στο πίνακα αναγράφονται τα ποσοστά τόσο για απευθείας πρόσπτωση της ακτινοβολίας όσο και για πρόσπτωση από ανακλάσεις. Ο πίνακας συνδέεται µε τις κλάσεις των ηλιακών προσοµοιωτών µέσω της τελευταίας γραµµής του πίνακα που αντιστοιχίζει κάθε κλάση µε τα µήκη κύµατος και τα αντίστοιχα ποσοστά της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Έτσι, ο πίνακας θα χρησιµοποιηθεί ως αναφορά, δηλαδή θα πρέπει να συγκριθεί η πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας του προσοµοιωτή µε τις αποδόσεις για ΑΜ1.5 του πίνακα για τα ίδια διαστήµατα µηκών κύµατος. ιαστήµατα µηκών % συνολική πυκνότητα ενέργειας ακτινοβολίας σε AM 1.5 κύµατος µm Direct Global 0,4-0,5 15,6 18,5 0,5-0,6 19,9 20,1 0,6-0,7 17,4 18,3 0,7-0,8 15,9 14,8 0,8-0,9 13,3 12,2 0,9-1,1 17,9 16,1 Πίνακας 2.4.2: Φασµατική κατανοµή της πυκνότητας ενέργειας ακτινοβολίας (%) Σηµείωση: Το direct απευθύνεται σε απευθείας πρόσπτωση της ακτινοβολίας ενώ το global εκτός απο το ποσό της προσπιπτόµενης ακτινοβολίας περιλαµβάνει και το υπόλοιπο διάχυτο φώς απο ανακλάσεις.

10 Κίνδυνοι που θα πρέπει να ληφθούν υπ όψην από τη χρήση προσοµοιωτών ηλιακού φωτός: - πιθανές υψηλές τάσεις από τη χρήση λαµπτήρων xenon - η υπεριώδης ακτινοβολία που προέρχεται από το τόξο των λαµπτήρων xenon και ενοχοποιείται για παθήσεις τόσο στο δέρµα όσο και στα µάτια - αν χρησιµοποιηθούν λαµπτήρες βολφραιµίου θα πρέπει να δοθεί προσοχή στις υψηλές θερµοκρασίες της τάξεως των 500 o C 2.5 Υπολογισµός θερµοκρασιακού συντελεστή (temperature coefficient) ( [11] ASTM E1125) Ο θερµοκρασιακός συντελεστής χρησιµοποιείται για τη περίπτωση που η θερµοκρασία του κυττάρου αναφοράς έχει απόκλιση µεγαλύτερη απο 1 ºC από την πρότυπη των 25ºC. Έτσι, για τον υπολογισµό του µετράµε το ρεύµα του κυττάρου αναφοράς σε διάφορες θερµοκρασίες αλλά υπο ίδια συνολική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας. Συγκεκριµένα, µε ένα αµπερόµετρο µετράµε το ρεύµα βραχυκύκλωσης σε τέσσερις ή περισσότερες θερµοκρασίες µε κέντρο τους 35ºC και εύρος τιµών 50 ºC. Όσο γίνονται αυτές οι µετρήσεις θα πρέπει η πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας να είναι σταθερή και να πληρεί τη παρακάτω προϋπόθεση: 750 Wm -2 < Ε t <1100 Wm -2 Στη συνέχεια, κάθε µία από τις τιµές ρεύµατος βραχυκύκλωσης που µετρήσαµε τις διαιρούµε µε την κανονικοποιηµένη πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας, η οποία προκύπτει αν διαιρέσουµε το ρεύµα βραχυκύκλωσης του κυττάρου αναφοράς µε την σταθερά βαθµονόµησης του. Κατόπιν, απεικονίζουµε σε ένα διάγραµµα I=f(T) τις παραπάνω τιµές σε συνάρτηση µε την θερµοκρασία. Ο θερµοκρασιακός συντελεστής α προκύπτει από την κλίση της ευθείας ελαχίστων τετραγώνων, που προσδιορίζεται από τα παραπάνω ζεύγη σηµείων, αφού διαιρεθεί µε την τιµή του ρεύµατος στους 25 ºC, υπολογισµένη από το προσεγγιστικό πολυώνυµο, δηλαδή : α = κλίση ευθείας ελαχίστων τατραγώνων/ I(25) (σχ ) 2.6 Έλεγχος γραµµικότητας µεταξύ ρεύµατος βραχυκύκλωσης και πυκνότητας ενέργειας ακτινοβολίας ( [12] ASTM 1143) Τα κύτταρα αναφοράς που θα χρησιµοποιηθούν στην µέτρηση της απόδοσης του υπό εξέταση κυττάρου πριν βαθµονοµηθούν πρέπει να ελεγχθούν για τη γραµµικότητας τους. Ο έλεγχος γραµµικότητας γίνεται µεταξύ της πειραµατικής παραµέτρου Ε (πυκνότητα ενέργειας ακτινοβολίας) και της παραµέτρου της συσκευής I SC (ρεύµα βραχυκύκλωσης).

11 Συγκεκριµένα, χωρίζουµε το διάστηµα των επιτρεπτών τιµών της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας σε τέσσερα ίσα κοµµάτια. Στη συνέχεια για τις πέντε τιµές,στα άκρα των παραπάνω διαστηµάτων, της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας παίρνουµε τις αντίστοιχες τιµές για το ρεύµα βραχυκύκλωσης. Το διάστηµα που θα χωρίσουµε είναι το : 750 Wm -2 < Ε t <1100 Wm -2 Αφού το χωρίσουµε σε τέσσερα ίσα κοµµάτια εφαρµόζουµε τους παρακάτω τύπους : m = n i= 1 n i= 1 X Y X i i 2 i (σχ ) S = n 2 i= 1 ( Y mx ) i ( n 1) n i= 1 X i 2 2 i (σχ ) Όπου : Xi : τιµές πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας Yi : τιµές ρεύµατος βραχυκύκλωσης για τις αντίστοιχες της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας. N = 5 (αριθµός τιµών) Τέλος, θα πρέπει να γίνει έλεγχος της παρακάτω συνθήκης (σχ.2.6.3), ώστε να αποδείξουµε ότι υπάρχει γραµµικότητα ανάµεσα στην πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας και στο ρεύµα βραχυκύκλωσης του κυττάρου. S 0,02 (σχ ) m 2.7 Μέτρηση σχετικής και απόλυτης φασµατικής απόκρισης κυττάρων (spectral response) ( [13] ASTM 1021) Σε αυτή την ενότητα θα ασχοληθούµε µε τη διαδικασία µέτρησης τόσο της απόλυτης όσο και της σχετικής φασµατικής απόκρισης (AW -1 ) ενός κυττάρου. Ο υπολογισµός αυτών αποσκοπεί στη χρήση τους στη διαδικασία προσδιορισµού της φασµατικής παραµέτρου απωλειών Μ. Συγκεκριµένα, στόχος µας είναι να µετρήσουµε το ρεύµα βραχυκύκλωσης του κυττάρου και την πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας της πηγής όταν το κύτταρο φωτίζεται από µία µονοχρωµατική πηγή φωτός, που µας δίνει τη δυνατότητα

12 επιλογής διαφόρων µηκών κύµατος της πηγής και κατόπιν µέσω υπολογισµών να υπολογίσουµε τη σχετική φασµατική απόκριση και στη συνέχεια την απόλυτη. Παρακάτω φαίνονται δύο διατάξεις µε τις οποίες θα κάνουµε τις µετρήσεις. Σχήµα 2.7.1: ιατάξεις µέτρησης φασµατικής απόκρισης κυττάρων Εξοπλισµός µέτρησης - Ανιχνευτή φάσµατος ο οποίος στη προκειµένη περίπτωση µπορεί να είναι ένα πυροηλεκτρικό ραδιόµετρο ή ένας βαθµονοµηµένος φωτοανιχνευτής. Σε περίπτωση που χρησιµοποιήσουµε το πυροηλεκτρικό ραδιόµετρο πρέπει να φωτιστεί η συνολική επιφάνειά του. Αντίθετα, αν χρησιµοποιηθεί ο φωτοανιχνευτής δεν είναι απαραίτητο να φωτιστεί η συνολική του επιφάνεια εφόσον η απόκριση του είναι οµοιόµορφη και γραµµική. - Μονοχρωµατική πηγή φωτός κάτι που µπορεί να υλοποιηθεί µε διάφορους τρόπους. Ένας από αυτούς είναι ο συνδυασµός ενός πρίσµατος µε ένα λαµπτήρα βολφραιµίου. Ένας άλλος τρόπος είναι µε τη χρήση lazer που προσφέρει ευελιξία εξαιτίας του γεγονότος ότι έχει µέγαλο εύρος µηκών κύµατος που µπορεί να παραχθεί. Ένας τρίτος τρόπος είναι η χρήση ενός χαµηλοπερατού οπτικού φίλτρου και µιας ευρέως φάσµατος πηγή φωτός, όπως µία λάµπα βολφραιµίου. Η µονοχρωµατική πηγή πρέπει να πληρεί τις εξής προϋποθέσεις : θα πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα παροχής µηκών κύµατος που να βρίσκονται µέσα στα όρια απόκρισης των υπό εξέταση κυττάρων το φασµατικό εύρος της πηγής δε πρέπει να υπερβαίνει τα 50nm στη µέτρηση σχετικής φασµατικής απόκρισης και τα 20nm στη µέτρηση της απόλυτης φασµατικής απόκρισης η φωτεινή πηγή πρέπει να έχει χωρική ανοµοιοµορφία ±2,5% και χρονική αστάθεια ±1%

13 - Οptical chopper το οποίο είναι ένας µηχανικά περιστεφόµενος µηχανισµός, ο οποίος θα χρησιµοποιηθεί στη διαµόρφωση του µονοχρωµατικού φωτός. Επίσης, θα πρέπει οι λεπίδες του να είναι µαύρες ή µη ανακλαστικές. - Μία δεύτερη πηγή φωτός που θα φωτίζει διαγώνια το κύτταρο και σύµφωνα µε όσα αναφέραµε στο κεφάλαιο που αφορούσε τα χαρακτηριστικά της πηγής φωτός, θα είναι κλάσης C και θα έχει χωρική οµοιοµορφία 10%. Σκοπός είναι να µπορεί να παρέχει, µαζί µε τη µονοχρωµατική πηγή, ακτινοβολία έντασης που θα επιφέρει ρεύµα βραχυκύκλωσης στο κύτταρο της τάξεως του 30% κανονικού ρεύµατος βραχυκύκλωσης. - Για τη µέτρηση της φασµατικής απόκρισης θα πρέπει να µετρήσουµε το ρεύµα βραχυκύκλωσης σε κάθε ένα από τα 12 µήκη κύµατος που θα έχουµε επιλέξει. Έτσι, θα χρειαστούµε ένα προενισχυτή σήµατος (pre-amplifier) που θα ακολουθείται απο ένα ενισχυτή (lock-in amplifier) και στη συνέχεια απο ένα βολτόµετρο ac η ένα true-rms. - Μία βάση στήριξης για το κύτταρο, ώστε να µπορεί να φωτιστεί αυτό, αλλά και ο φασµατικός ανιχνευτής, τόσο από τη µονοχρωµατική πηγή φωτός όσο και από την dc πηγή φωτός. Επίσης, θα πρέπει να µπορεί να γίνει ρύθµιση της θερµοκρασίας έως ±5ºC. Κατά τη διαδικασία της µέτρησης της φασµατικής απόκρισης θα πρέπει να πάρουµε µετρήσεις για τουλάχιστον δώδεκα µήκη κύµατος. Επίσης, σε περίπτωση που η µονοχρωµατική πηγή δεν είναι σε θέση να φωτίσει τη συνολική επιφάνεια του κυττάρου πρέπει οι µετρήσεις να επαναληφθούν για διάφορες περιοχές της επιφάνειας του κυττάρου. Πρέπει να σηµειωθεί πως µε βάση τον εξοπλισµό που αναφέρθηκε και θα χρησιµοποιηθεί στις µετρήσεις, µπορεί να υπάρχουν κάποιοι κίνδυνοι οι οποίοι πρέπει να ληφθούν υπόψη. Σηµαντικός κίνδυνος υπάρχει για τα µάτια, από τη χρήση της µονοχρωµατικής πηγής φωτός κυρίως αν επιλεχθεί η λύση της πηγής laser, γι αυτό πρέπει να χρησιµοποιηθούν ειδικά γυαλιά για ασφάλεια. Επίσης, αν χρησιµοποιηθούν λαµπτήρες τόξου, επειδή έχουν υπεριώδη συνιστώσα, υπάρχει πιθανότητα έκρηξης της λάµπας. Προσοχή πρέπει να δοθεί και στις υψήλες τάσεις που µπορεί να υπάρξουν αν χρησιµοποιηθούν λαµπτήρες τόξου ή πηγή laser. Τέλος, µπορεί να υπάρξει κίνδυνος εάν το chopper λειτουργήσει µε µεγάλες ταχύτητες περιστροφής ιαδικασία µέτρησης Για τη µέτρηση προτείνονται δύο εναλλακτικές µέθοδοι: Μέθοδος Α Τοποθετούµε το φασµατικό ανιχνευτή στο επίπεδο στήριξης πάνω στο οποίο θα βρίσκεται και το υπό εξέταση κύτταρο και φωτίζουµε τη συνολική επιφάνεια του ανιχνευτή µε την dc πηγή φωτός µε σκοπό να µετρήσουµε το επίπεδο του θορύβου χωρίς να έχει ανάψει η µονοχρωµατική πηγή φωτός. Εφόσον γίνει η µέτρηση του θορύβου θα πρέπει να είναι µικρότερη απο το 1% της προσπίπτουσας ενέργειας. Στη συνέχεια ανάβουµε τη µονοχρωµατική πηγή φωτός και µετράµε τη πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας ως συνάρτηση του µήκους κύµατος µε τον φασµατικό ανιχνευτή.

14 Αφού γίνουν οι παραπάνω µετρήσεις σβήνουµε τη µονοχρωµατική πηγή και αντικαθιστούµε τον ανιχνευτή µε το υπό εξέταση κύτταρο και φωτίζουµε τη συνολική επιφάνεια του. Αν κάτι τέτοιο δεν είναι εφικτό και δεν φωτίζεται πάνω απο το 25% της επιφάνειας του κυττάρου, τότε θα πρέπει να φωτίσουµε ξεχωριστά περιοχές του κυττάρου και να κάνουµε µετρήσεις για κάθε περιοχή. Οι περιοχές θα είναι τα τέσσερα τεταρτηµόρια της επιφάνειας του κυττάρου. Φροντίζουµε επίσης να µετρήσουµε το επίπεδο του θορύβου καταγράφοντας την έξοδο του εξοπλισµού του ανιχνευτή ως συνάρτηση των µηκών κύµατος για όλο το εύρος των µηκών. Το επίπεδο του θορύβου θα πρέπει να είναι µικρότερο απο το 10% της µικρότερης τιµής της απόκρισης. Τέλος, ανάβουµε τη µονοχρωµατική πηγή και σε κάθε επιλεγµένο µήκος κύµατος καταγράφουµε την έξοδο του true rms βολτοµέτρου για την καταγραφή του ρεύµατος. Μέθοδος Β Τοποθετούµε το υπό εξέταση κύτταρο και τον ανιχνευτή στη βάση στήριξης και κατευθύνουµε το µονοχρωµατικό φως και στα δύο, ελέγχοντας τη προϋπόθεση που αναφέρθηκε στη προηγούµενη µέθοδο για την συνολική φωτιζόµενη επιφάνεια. Στη συνέχεια µε ανοιχτή την πηγή φωτός και κλειστή τη µονοχρωµατική πηγή, µετράµε, όπως και στη προηγούµενη µέθοδο, τον θόρυβο του ανιχνευτή και τον θόρυβο του συστήµατος. Κατόπιν, ανάβουµε και την µονοχρωµατική πηγή και επιλέγοντας ένα-ένα τα µήκη κύµατος, καταγράφουµε την έξοδο του φασµατικού ανιχνευτή και την έξοδο του true rms βολτοµέτρου για την καταγραφή του ρεύµατος Υπολογισµοί Σχετική φασµατική απόκριση(aw -1 ) Παραπάνω έγινε αναφορά για το ποσοστό της φωτιζόµενης επιφάνειας αν είναι µεγαλύτερο από το 25% της συνολικής επιφάνειας του κυττάρου. Έτσι στο υπολογιστικό κοµµάτι διακρίνονται δύο περιπτώσεις: 1.Φωτιζόµενη επιφάνεια>25% της επιφάνειας του κυττάρου: Εδώ πρέπει να υπολογίσουµε ένα συντελεστή διόρθωσης Α ο οποίος κανονικοποιεί τη µονοχρωµατική πηγή φωτός σε σταθερή πυκνότητα ενέργειας σε όλο το φασµατικό εύρος της µέτρησης. Ο συντελεστής Α ορίζεται ως λόγος της µέγιστης εξόδου του φασµατικού ανιχνευτή προς την έξοδο του φασµατικού ανιχνευτή σε κάθε µήκος κύµατος. Ο συντελεστής Α i υπολογίζεται για κάθε µήκος κύµατος απο τα 12 που έχουµε επιλέξει. Στη συνέχεια πολλαπλασιάζουµε κάθε συντελεστή µε την αντίστοιχη έξοδο του true rms βολτοµέτρου (σύγχρονου ανιχνευτικού εξοπλισµού) και έτσι προκύπτει η σχετική φασµατική απόκριση: R =I ri i Ai (σχ )

15 2.Φωτιζόµενη επιφάνεια<25% της επιφάνειας του κυττάρου: Σ αυτή τη περίπτωση κάνουµε ακριβώς την ίδια διαδικασία µε τη παραπάνω περίπτωση για κάθε τεταρτηµόριο του κυττάρου και υπολογίζουµε το µέσο όρο των σχετικών φασµατικών αποκρίσεων. Τέλος, αναπαριστούµε γραφικά τη σχετική φασµατική απόκριση ως συνάρτηση του µήκους κύµατος σε ζεύγη Χ-Υ. Αξίζει να σηµειωθεί πως η σχετική φασµατική απόκριση µπορεί να µετατραπεί σε απόλυτη µε τη βοήθεια της σταθεράς Κ που ισούται µε το λόγο της σχετικής προς την απόλυτη φασµατική απόκριση. Επίσης, η σταθερά Κ ισούται µε: ISC K = Rr ( λ) Eο ( λ) dλ am (σχ ) K R ( ) = r (σχ ) ( λ) Rα λ Απόλυτη φασµατική απόκριση ίνεται από τον τύπο: R a I = (σχ ) ae Όπου α είναι η επιφάνεια του κυττάρου και Ε η πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας της µονοχρωµατικής πηγής. Έτσι, µε βαση τον τύπο υπολογίζουµε την απόλυτη φασµατική απόκριση για κάθε ενα απο τα µήκη κύµατος και στη συνέχεια τα απεικονίζουµε σε γραφικά σε ζεύγη Χ-Υ. 2.8 Υπολογισµός φασµατικής παραµέτρου απωλειών Μ (mismatch parameter) ( [14] ASTM 927) Ο υπολογισµός της παραµέτρου απωλειών στοχεύει στη µέτρηση και τη διόρθωση του λάθους το οποίο εισάγεται στον υπολογισµό της απόδοσης ενός κυττάρου απο τη διαφορά των φασµατικών αποκρίσεων του υπό εξέταση κυττάρου και των κυττάρων αναφοράς που χρησιµοποιούνται. Έτσι, η φασµατική παράµετρος Μ υπολογίζεται για δύο κύτταρα και χαρακτηρίζει τη συµπεριφορά του ενός σε σχέση µε το άλλο. Επίσης, στοχεύει στη διόρθωση του λάθους το οποίο εισάγεται από την απόκλιση της φασµατικής κατανοµής της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας του προσοµοιώτη του ήλιου και αυτής του ήλιου όπως περιγράφεται σε πρότυπα.

16 2.8.1 Εξοπλισµός µέτρησης - Φασµατοραδιόµετρο (spectroradiometer) µε το οποίο θα µετρήσουµε τη φασµατική κατανοµή της πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας της πηγής. Συγκεκριµένα, η διακριτική ικανότητα σε µήκη κύµατος θα πρέπει να είναι µέχρι 10nm. Το εύρος των µηκών κύµατος θα πρέπει να είναι µεγάλο, ώστε να καλύπτει το εύρος της φασµατικής απόκρισης του υπό εξέταση κυττάρου και του κυττάρου αναφοράς ιαδικασία µέτρησης Αρχικά, χρειαζόµαστε την φασµατική απόκριση R t (λ)(aw -1 ) του υπό εξέταση κυττάρου και R r (λ) του κυττάρου αναφοράς και τις υπολογίζουµε όπως περιγράφηκε στη προηγούµενη ενότητα. Επίσης, χρειαζόµαστε την φασµατική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας Ε(λ) (Wm -2 nm -1 ) της φωτεινής πηγής που χρησιµοποιείται, όπως αυτή µετρήθηκε από το φασµατοραδιόµετρο, καθώς και την φασµατική πυκνότητα ενέργεια της ακτινοβολίας E o (λ) (Wm -2 nm -1 ) του ήλιου όπως περιγράφεται απο πρότυπα (φάσµα αναφοράς) Υπολογισµοί Έτσι η παράµετρος απωλειών προκύπτει απο τον τύπο : M λ 2 E( λ) R ( λ) dλ t λ1 λ3 = λ4 λ2 4 E ( λ) R ( λ) dλ E( λ) R ( λ) dλ E ( λ) R ( λ) dλ r o t λ3 λ1 λ o r (σχ ) Όπου : R r (λ) : φασµατική απόκριση του κυττάρου αναφοράς R t (λ) : φασµατική απόκριση του υπό εξέταση κυττάρου E (λ) : φασµατική κατανοµή της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας της πηγής προσοµοίωσης E 0 (λ): φασµατική κατανοµή αναφοράς η οποία θα ληφθεί απο πίνακες προτύπων Τα όρια ολοκλήρωσης λ 1, λ 2 αναφέρονται στα µήκη κύµατος που αντιστοιχούν στο υπό εξέταση κύτταρο ενώ τα λ 3, λ 4 αναφέρονται στο κύτταρο αναφοράς.

17 2.9 Βαθµονόµηση πρωτεύοντος κυττάρου αναφοράς ( [15] ASTM 1125 ) Το κύριο χαρακτηριστικό των πρωτεύοντων κυττάρων αναφοράς είναι ότι η βαθµονόµησης τους γίνεται εξωτερικά στο ηλιακό φώς. Συνήθως τα πρωτεύοντα κύτταρα αναφόρας είναι µικρά κύτταρα µε διαστάσεις 20mm 20mm και έχουν ευρύ οπτικό πεδίο και µικρή θερµική µάζα.[16] Παρακάτω αναφέρεται ο εξοπλισµός που απαιτούν τα πρότυπα καθώς και η διαδικασία επεξεργασίας των µετρήσεων Εξοπλισµός - Πυρηλιόµετρο(pyrheliometer) για τη µέτρηση της συνολικής πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας. To πυρηλιόµετρο µετράει απ ευθέιας τη συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας καθ όλη τη διάρκεια της ηµέρας, καθώς έχει µηχανισµό που στρέφεται και προσανατολίζεται συνεχώς προς τον ήλιο µε βάση τις εξισώσεις τροχιάς του ηλιου. Η µέτρηση της ακτινοβολίας γίνεται µε ειδικό αισθητήρα. - Συσκευή παραλληλοποίησης δέσµης φωτός(collimator) για να περιοριστεί το πεδίο φωτισµού του κυττάρου. Παρακάτω αναφέρεται τρόπος υλοποιήσής της. - Φασµατοραδιόµετρο (spectroradiometer) όπως αυτό που απαιτείται στον καθορισµό της παραµέτρου M σε προηγούµενη ενότητα. Θα πρέπει το φασµατικό εύρος µέτρησης του οργάνου να είναι αρκέτα µεγάλο έτσι ώστε να να καλύπτει το φασµατικό εύρος απόκρισης του υπό βαθµονόµηση κυττάρου. Εάν δε καταστεί δυνατό να γίνει µέτρηση στο σύνολο των µηκών κύµατος τότε οι τιµές της φασµατικής ακτινοβολίας του ήλιου θα πρέπει να συµπληρωθούν απο πίνακες προτύπων. - Μια βάση στήριξης η οποία θα µπορεί να στρέφεται έτσι ώστε να ακολουθεί τον ήλιο και πάνω της θα στηριχθούν το πυρηλιόµετρο, η συσκευή παραλληλοποιήσης δέσµης φωτός, το φασµατοραδιόµετρο και το κύτταρο. Η επιτρεπτή γωνία απόκλισης στην τροχιά του ηλίου είναι ±0,5º. - Θερµίστορες ή θερµοζεύγη για θερµοκρασιακές µετρήσεις µε ακρίβεια 0.1 ºC και συνολικό σφάλµα ±1ºC του αναγραφόµενου. - Αµπερόµετρα και βολτόµετρα για µετρήσεις ρεύµατος µε ευκρίνεια 0,02% του µέγιστου ρεύµατος και συνολικό σφάλµα στι 1% του µέγιστου ρεύµατος ιαδικασία µέτρησης Αρχικά, πρέπει να φωτίσουµε το κύτταρο για δύο ώρες µε ακτινοβολία πυκνότητας ενέργειας 1000 Wm -2. Στη συνέχεια και πριν περάσουµε στο στάδιο των µετρήσεων για τη βαθµονόµηση του κυττάρου, πρέπει να υπολογίσουµε κάποια χαρακτηριστικά για το κύτταρο σύµφωνα µε προηγούµενες ενότητες. Συγκεκριµένα, πρέπει να υπολογιστεί η φασµατική του απόκριση R(λ) και ο θερµοκρασιακός συντελεστής α. Έτσι, ακολουθεί η διαδικασία των µετρήσεων.

18 Εφαρµόζουµε τη συσκευή παραλληλοποιήσης δέσµης φωτός, το φασµατοραδιόµετρο και το πυρηλιόµετρο στη βάση στήριξης. Στη συνέχεια µε το φασµατοραδιόµετρο µετράµε στη σχετική φασµατική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας του ηλίου Ε(λ). Κατά τη διάρκεια αυτής της µέτρησης µετράµε επίσης: 1. τη συνολική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας µε το πυρηλιόµετρο και προσέχουµε η τιµή της να είναι : 750 Wm -2 < Ε t <1100 Wm το ρεύµα βραχυκύκλωσης του κυττάρου Ιsc 3. τη θερµοκρασία του κυττάρου Τ. Οι τρεις παραπάνω µετρήσεις επαναλαµβάνονται τουλάχιστον 4 φορές και υπολογίζεται ο µέσος όρος τους, ο οποίος αντιστοιχίζεται στη µέτρηση φασµατικής πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας απο το φασµατοραδιόµετρο. Επίσης, θα πρέπει σε κάθε επανάληψη το ρεύµα βραχυκύκλωσης να έχει µια απόκλιση ±0,2%. H διαδικασία πρέπει να επαναληφθεί 3 διαφορετικές µέρες. Για να περιοριστούν λάθη ακρίβειας θα πρέπει να γίνουν τουλάχιστον 30 επαναλήψεις της µεθόδου Υπολογισµοί Θεωρούµε n τον αριθµό των επαναλήψεων της µεθόδου και για κάθε n υπολογίζουµε το συντελεστή διόρθωσης F, σύµφωνα µε τη µέθοδο υπολογισµού της παραµέτρου Μ, µε τη διαφορά ότι στην θέση της φασµατικής απόκρισης R r (λ) ενός δεύτερου κυττάρου αναφοράς το οποίο δεν υπάρχει στη συγκεκριµένη διαδικασία, αντικαθιστούµε τη φασµατική απόκριση του πυρηλιοµέτρου. Στη συνέχεια υπολογίζουµε της σταθερά βαθµονόµησης σύµφωνα µε το παρακάτω τύπο: C i = ISC 1 1 E F 1 a(25 T ) t (σχ ) Όπου: C: σταθερά βαθµονόµησης (Am 2 W -1 ) I SC : ρεύµα βραχυκύκλωσης (Α) T : θερµοκρασία κυττάρου(cº) E t : συνολική πυκνότητα ενέργειας ακτινοβολίας α : είναι ο θερµοκρασιακός συντελεστής διόρθωσης του οποίου ο υπολογισµός του αναφέρθηκε σε προηγούµενο κεφάλαιο(cº -1 ) F: φασµατικός συντελεστής διόρθωσης που υπολογίζεται αντίστοιχα µε την παράµετρο Μ. Πρέπει να σηµειωθεί πως αν η θερµοκρασία σε µία απο τις οµάδες τιµών είναι 25±1ºC, τότε από το παραπάνω τύπο δεν υπολογίζουµε το παράγοντα του παρονοµαστή που αναφέρεται στην θερµοκρασία. ηλαδή:

19 ISC 1 C = i Et F (σχ ) Στη συνέχεια υπολογίζουµε το µεσο όρο της σταθεράς βαθµονόµησης : 1 n Ci n i = 1 C= (σχ ) Υλοποίηση συσκευής παραλληλοποιήσης δέσµης φωτός (collimator) Μια σχηµατική αναπαράσταση της συσκευής φαίνεται στο παρακάτω σχήµα R : η ακτίνα του σωλήνα (άνοιγµα) r : η ακτίνα του κυττάρου και σε περίπτωση τετραγωνικού κυττάρου το r λαµβάνεται ίσο µε το µισό της διαγωνίου του θ s : γωνία σφάλµατος εντοπισµού θ ο : είναι η γωνία που αντιστοιχεί στο άνοιγµα της συσκευής Σύµφωνα µε τη γεωµετρία του σχήµατος η εφαπτοµένη της γωνία θ ο αντιστοιχεί στο λόγο R/L. Όταν καλούµαστε να υλοποιήσουµε τη συσκευή έχουµε ως δεδοµένο τις διαστάσεις του κυττάρου άρα και την ακτίνα r.

20 Επίσης, από τα πρότυπα προτείνεται ως αναλογία διαστάσεων της συσκευής να πληρείται η προϋπόθεση : 10< L/2R <12 Ωστόσο, ενδείκνυται να επιλέξουµε την τιµή 10 για το L/2R διότι είναι µία τιµή που καθιστά ικανή τη συσκευή να χρησιµοποιηθεί σε συνδυασµό µε το πυρηλιόµετρο, καθώς το απαιτούν οι µετρήσεις. Η τιµή αυτή καθιστά την γωνία θ ο ίση µε 2,86º και άρα το άνοιγµα του κώνου µε 5,72º. Τέλος, καλούµαστε να επιλέξουµε µια τιµή για τη γωνία θ s και αυτή η τιµή να πληρεί την παρακάτω προϋπόθεση: 1,26º < θ s < 2º Έτσι θα έχουµε: R r = tanθ s (σχ ) L R = tanθ o (σχ ) L σύµφωνα µε τη γεωµετρία του σχήµατος. Αντικαθιστούµε στις παραπάνω σχέσεις το r και τις τιµές των δύο γωνιών και υπολογίζουµε το R, L της συσκευής Βαθµονόµηση δευτερεύοντος κυττάρου αναφοράς ( [17] ASTM 1362) Τα δευτερεύοντα κύτταρα αναφοράς έχουν ως κύριο χαρακτηριστικό τη βαθµονόµηση εσωτερικά µε χρήση ηλιακού προσοµοιωτή και ενός πρωτεύοντος κυττάρου. Πρόκειται για συστοιχίες µικρών κυττάρων και χρησιµοποιούνται όταν µας ενδιαφέρουν θερµικές ιδιότητες. Ωστόσο, όταν χρησιµοποιούνται ηλεκτρικά συνδεδεµένο είναι µόνο ενα απο τα κύτταρα της συστοιχίας. Το µεγάλο τους µέγεθος είναι και αυτό που τα καθιστά και ώς δευτερεύοντα κύτταρα που βαθµονοµούνται µε βάση ένα πρωτεύον. [18] Εξοπλισµός µέτρησης - Ένα πρωτεύον κύτταρο αναφοράς που θα χρησιµοποιηθεί στο καθορισµό της συνολικής πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας. - Φωτεινή πηγή προσοµοίωσης ηλιακού φωτός που πληρεί τις απαιτήσεις της κλάσης Α όσον αφορά την ανοµοιοµορφία και την προσωρινή αστάθεια της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας και τις απαιτήσεις της κλάσης Β όσον αφορά την φασµατική κατανοµή της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας. - Όργανα για µέτρηση θερµοκρασίας του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος κυττάρου, τα οποία πρέπει να έχουν ευκρίνεια τουλάχιστον 0,1ºC και συνολικό σφάλµα ±1ºC του αναγραφόµενου. - Εξοπλισµό µέτρησης φασµατικής απόκρισης και µέτρησης πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας, επειδή απαιτείται υπολογισµός της φασµατικής παραµέτρου απωλειών Μ.

21 Πριν ξεκινήσει η διαδικασία βαθµονόµησης του δευτερεύοντος κυττάρου θα πρέπει να προηγηθεί ο υπολογισµός της φασµατικής απόκρισης του κυττάρου και του θερµοκρασιακού συντελεστή όπως αυτά περιγράφηκαν σε προηγούµενα κεφάλαια ιαδικασία µέτρησης Τοποθετούµε το πρωτεύον και το δευτερεύον κύτταρο αναφοράς στο ίδιο επίπεδο και σε κοντινή απόσταση. Στη συνέχεια ελέγχουµε τη συνολική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας, όπως αυτή µετρήθηκε από το πρωτεύον κύτταρο αναφοράς, ώστε να πληροί την παρακάτω προϋπόθεση: 750 Wm -2 < Ε t <1100 Wm -2 Επίσης, η πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας θα πρέπει να είναι επαρκώς σταθερή, έτσι ώστε η διακύµανση του ρεύµατος βραχυκύκλωσης του πρωτεύοντος κυττάρου να ειναι µικρότερη απο ±1% κατά τη διάρκεια της βαθµονόµησης. Στη συνέχεια µετράµε το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC στα δύο κύτταρα καθώς επίσης τη φασµατική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας όπως αυτή πρεριγράφηκε σε προηγούµενο κεφάλαιο µε τη βοήθεια του φασµατοραδιοµέτρου. Τέλος, µετράµε τη θερµοκρασία και στα δύο κύτταρα. Οι διαδικασίες θα πρέπει να επαναλήφθουν τουλάχιστον 3 φορές Υπολογισµοί Για κάθε οµάδα µετρήσεων που προέκυψε από τη κάθε επανάληψη υπολογίζουµε τη παράµετρο απωλειών Μ όπως αυτή περιγράφηκε παραπάνω. Αν σε κάποια οµάδα προκύψει τιµή της Μ έξω απο το διάστηµα -1,2 < Μ < 1,2 τότε αυτή η οµάδα µετρήσεων απορρίπτεται. Σ αυτό το σηµείο υπολογίζουµε τη σταθερά βαθµονόµησης C (Am 2 W -1 ) σύµφωνα µε το παρακάτω τύπο: C i I C p 1 ap ( Tpi 25) si = M I 1 a ( T 25) i pi s si (σχ ) Όπου: I Si, I Pi : ρεύµα βραχυκύκλωσης δευτερεύοντος και πρωτεύοντος κύτταρου αναφοράς αντίστοιχα (Α) Μ i : φασµατική παράµετρος απωλειών C p : σταθερά βαθµονόµησης πρωτεύοντος κυττάρου όπως αυτή υπολογίστηκε στο κεφάλαιο της βαθµονόµησης του πρωτεύοντος (Am 2 W -1 ) Τ Si, Τ Pi : θερµοκρασία δευτερεύοντος και πρωτεύοντος κύτταρου αναφοράς αντίστοιχα(ºc) a S, a P : θερµοκρασιακοί συντελεστές δευτερεύοντος και πρωτεύοντος κύτταρου αναφοράς αντίστοιχα(cº -1 ) Σε αυτό το σήµειο µπορούµε να υπολογίσουµε το µέσο όρο της σταθεράς βαθµονόµησης

22 1 n Ci n i = 1 C= (σχ ) Οπου n είναι ο αριθµός των επαναλήψεων των µετρήσεων ιαδικασία µέτρησης απόδοσης κυττάρου ( [19] ASTM E948 ) Η ιδέα της µεθόδου βασίζεται στη µέτρηση ρεύµατος τόσο στο υπό εξέταση κύτταρο όσο και στο βαθµονοµηµένο αναφοράς κάτω απο την επίδραση της ίδιας πηγή φωτός, δηλαδή ίδια πυκνότητα ενέργεια ακτινοβολίας. Έτσι, µε τις δυό αυτές µετρήσεις και την σταθερά βαθµονόµησης του κυττάρου αναφοράς γίνεται η αναγωγή στις πρότυπες συνθήκες που αφορούν την συνολική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας. Η αναγωγή στις πρότυπες συνθήκες θερµοκρασίας γίνεται µε την βοήθεια του θερµοκρασιακού συντελεστή, του οποίου ο υπολογισµός του αναφέρθηκε σε προηγούµενη ενότητα. Τέλος, η αναγωγή στην φασµατική κατανοµή των πρότυπων συνθηκών γίνεται µε την φασµατική σταθερά απωλειών M. Εφόσον έχουµε τα ανηγµένα ζεύγη τιµών ρεύµατος τάσης (I-V) µπορούµε στην συνέχεια να υπολογίσουµε την ισχύ εξόδου του κυττάρου και ακολούθως την απόδοση και το συντελεστή πλήρωσης, µε τη χρήση τύπων που περιγράφονται αναλυτικα παρακάτω Εξοπλισµός µέτρησης Εκτός από το υπό εξέταση κύτταρο θα χρειαστούµε: - Βαθµονοµηµένο κύτταρο αναφοράς µε το οποίο θα γίνεται ο καθορισµός της πυκνότητας ενέργεια της ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της µέτρησης. - Βάση στήριξης έτσι ώστε να στηρίξουµε σε αυτό το υπό εξέταση και το δευτερεύον κύτταρο αναφοράς και να διασφαλίσουµε σταθερή θερµοκρασία κατά τη διάρκεια της µέτρησης µε µια απόκλιση ±0,5%. - Αµπερόµετρα για τη µέτρηση του ρεύµατος βραχυκυκλώµατος Ι SC µε εύκρινεια 0,02% και σφάλµα 0,1% του µεγίστου ρεύµατος. - Βολτόµετρα για τη µέτρηση της τάσης στα άκρα του κυττάρου µε ευκρίνεια 0,02% και σφάλµα 0,1% της µέγιστης τάσης. - Μεταβλητή αντίσταση µε σκοπό να λειτουργήσουµε το κύτταρο σε διάφορα ζεύγη τιµών Ι-V - Πηγή προσοµοίωσης της ηλιακής ακτινοβολίας που να πληροί τα χαρακτηριστικά των προσοµοιωτών που αναφέρονται στη δεύτερη ενότητα. - Όργανα για µέτρηση θερµοκρασίας µε ευκρίνεια 0,1ºC και συνολικό σφάλµα ±0,1ºC ιαδικασία µετρήσης Η ηλεκτρική διάταξη (Kelvin connection) που χρησιµοποιούµε φαίνεται στο σχήµα ( ):

23 Σχήµα : Ηλεκτρική διάταξη µέτρησης απόδοσης ΦΒ κυττάρου Αν η συνολική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της µέτρησης έχει απόκλιση ±2% από την πρότυπη τιµή δεν απαιτείται στη παραπάνω συνδεσµολογία αντίσταση σειράς, αλλιώς πρέπει να χρησιµοποιήσουµε στους υπολογισµούς µία αντίσταση Rs σε σειρά µε το υπό εξέταση κύτταρο. 980 Wm -2 < Ε t <1020 Wm -2 Υπολογισµός αντίστασης σειράς Rs Για σταθερή θερµοκρασία και σε δυο διαφορετικές τιµές της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας Ε 1, Ε 2 παίρνουµε δυο χαρακτηριστικές I-V.

24 Συγκεκριµένα για Ε 1 και Ι 1 =0,9 Ι SC1 βρίσκουµετην τάση V 1 και οµοιώς για Ε 2, Ι 2 =0,9 Ι SC2 και V 2. Έτσι, η τιµη της Rs θα είναι : R S V = I V I (σχ ) Αφού καθορίσουµε την τιµή της αντίστασης σειράς πρέπει να µετρήσουµε την συνολική επιφάνεια του κυττάρου στην οποία πρέπει να συµπεριληφθεί η περιοχή που καλύπτεται απο ηλεκτρόδια και επαφές. Επόµενο στάδιο της διαδικασίας είναι ο καθορισµός της φασµατικής παραµέτρου απωλειών Μ όπως αυτή περιγράφηκε σε προηγούµενο κεφάλαιο. Ο υπολογισµός της θα γίνει µεταξύ των φασµατικών αποκρίσεων του κυττάρου αναφοράς και του υπό εξέταση κυττάρου και µεταξύ της φασµατικής κατανοµής του ηλιακού προσοµοιωτή που επιλέξαµε και του φάσµατος αναφοράς. Στη συνέχεια θα πρέπει να τοποθετήσουµε το υπό εξέταση και το δευτερεύον κύτταρο αναφοράς στη βάση στήριξης για να ξεκινήσουµε τις υπόλοιπες µετρήσεις. Αρχικά, µετράµε τη θερµοκρασία του κυττάρου αναφοράς T r καθώς και το ρεύµα βραχυκύκλωσης του Ι r Στη συνέχεια, αντικαθιστούµε το κύτταρο αναφοράς µε το υπό εξέταση κύτταρο και µετράµε τη θερµοκρασία του κυττάρου αναφοράς T r µε επιτρεπτή απόκλιση ±1Cº. Τέλος, στη συνδεσµολογία που φαίνεται στο σχήµα αλλάζοντας τη τιµή της µεταβλητής αντίστασης παίρνουµε τιµές ρεύµατος και τάσης του υπό εξέταση κυττάρου, ώστε να σχηµατίσουµε τη χαρακτηριστική I-V και παράλληλα µετράµε και τη θερµοκρασία του Υπολογισµοί Εφόσον έχουµε µετρήσει τιµές ρεύµατος,τάσης και θερµοκρασίας για διάφορες τιµές της µεταβλητής αντίστασης πρέπει να τις διορθώσουµε ώστε να συµβαδίζουν µε τις πρότυπες συνθήκες µέτρησης. ιόρθωση µετρούµενων τιµών Σε αυτό το σηµείο µέσω των παρακάτω τύπων θα κάνουµε αναγωγή των µετρούµενων τιµών στις πρότυπες συνθήκες µετρήσεις (Standard Reporting Conditions). Αρχικά, διορθώνουµε τις τιµές της χαρακτηριστικής I-V σύµφωνα µε τους παρακάτω τύπους:

25 I 0 IE0C = MI [1 a ( T T )] r r 0 r (σχ ) V = V R ( I I ) (σχ ) 0 S 0 Όπου: E ο : συνολική πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας αναφοράς I,V: µετρούµενες τιµές ρεύµατος και τάσης απο τη διάταξη I 0,V 0 : διορθωµένες τιµές ρεύµατος και τάσης Μ: φασµατική παράµετρος απωλειών C: Σταθερά βαθµονόµησης όπως υπολογίστηκε στη διαδικασία βαθµονόµησης του δευτερεύοντος κυττάρου αναφοράς α r : θερµοκρασιακός συντελεστής Τ ο Τ r : θερµοκρασία υπο εξέταση κυττάρου και κυττάρου αναφοράς αντίστοιχα I r : ρεύµα βραχυκύκλωσης δευτερεύοντος κυττάρου αναφοράς Καθορισµός ρεύµατος βραχυκύκλωσης: Όταν η τιµή της τάσης Vο είναι από -0,005 V OC < V O <+0,005 V OC τότε το ρεύµα αυτού του ζεύγους τιµών θεωρείται το ρεύµα βραχυκύκλωσης. Αν δεν υπάρχει κάποιο ζεύγος τιµών που να πληρεί την παραπάνω προϋπόθεση, τότε επιλέγουµε τα δύο ζεύγη τιµών που η τιµή της τάσης τους είναι πιο κοντά στο 0 και απο τις δύο τιµές των ζευγών και µε γραµµική παρεµβολή στο 0 υπολογίζουµε το ρεύµα βραχυκύκλωσης. Καθορισµός τάσης ανοικτού κυκλώµατος: Όταν η τιµή του ρεύµατος Ι O είναι από -0,005 Ι SC <I O <+0,005 I SC τότε η τάση αυτού του ζεύγους τιµών θεωρείται η τάση ανοικτού κυκλώµατος. Αν δεν υπάρχει κάποιο ζεύγος τιµών που να πληρεί τη παραπάνω προϋπόθεση, τότε επιλέγουµε τα δύο ζεύγη τιµών που η τιµή στο ρεύµα τους είναι πιο κοντά στο 0 και απο τις δυο τιµές των ζευγών και µε γραµµική παρεµβολή στο 0 υπολογίζουµε τη τάση ανοικτού κυκλώµατος. Επόµενο στάδιο είναι ο προσδιορισµός της ισχύς εξόδου απο τον πολλαπλασιασµό του ρεύµατος µε την τάση για κάθε ζεύγος τιµών και στην συνέχεια τον καθορισµό της µέγιστης ισχύος εξόδου P m απο την γραφική παράσταση της ισχύος P συναρτήσει της τάσης V. Με αυτή τη διαδικασία είναι πιθανό ο προσδιορισµός της µέγιστης ισχύος να µην είναι ακριβής, έτσι απαιτείται ο προσδιορισµός ενός πολυωνύµου 4 ου βαθµού που θα αντιστοιχεί στην καµπύλη ελαχίστων τετραγώνων των ζευγών P,V και βρίσκονται ανάµεσα στα παρακάτω όρια:

26 0,75 Ι m < I 0 <1,15 I m 0,75 V m < V 0 < 1,15 V m Στη συνέχεια βρίσκουµε τη παράγωγο του πολυωνύµου και υπολογίζουµε µία ρίζα του µε µια µέθοδο αριθµητικής ανάλυσης όπως η Newton-Horner θέτοντας ως αρχική τιµή της επαναληπτικής διαδικασίας την V m. Αφού υπολογίσουµε την ρίζα V m την αντικαθιστούµε στο πολυώνυµο και βρίσκουµε την µέγιστη ισχύ P m. Έτσι, είµαστε σε θέση να υπολογίσουµε την απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου απο την παρακάτω σχέση: Pm n= 100 (σχ ) AE Τέλος, µπορούµε να υπολογίσουµε το συντελεστή πλήρωσης ( fill factor ) του φωτοβολταϊκού κυττάρου: O Pm FF = 100 V I (σχ ) OC SC

27 3. ΜΕΤΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει περιγραφή της µέτρησης της απόδοσης ενός κυττάρου που πραγµατοποιήθηκε, σύµφωνα µε τη διαδικασία που περιγράψαµε στο θεωρητικό µέρος. Επειδή δε χρησιµοποιήθηκε ακριβώς ο εξοπλισµός που απαιτούσαν τα πρότυπα θα επισηµανθούν οι διαφορές. Στη µέτρηση αυτή επιλέξαµε να χρησιµοποιήσουµε ένα πρωτεύον κύτταρο αναφοράς (δηλαδή βαθµονοµηµένο υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός) και απλές συµβατικές λάµπες αντί για ηλιακό προσοµοιωτή. Επίσης, το υπό εξέταση κύτταρο και το κύτταρο αναφοράς ήταν ακριβώς ίδια, πράγµα που σηµαίνει ίδια φασµατική απόκριση. 3.1 Περιγραφή εξοπλισµού Κύψελες Οι κυψέλες που χρησιµοποιήθηκαν τόσο ως υπο εξέταση κύτταρο όσο και ως κύτταρο αναφοράς ήταν της εταιρίας Kemo µε τα εξής ηλεκτρικά χαρακτηριστικά: Ονοµαστική τάση 0,5 V ( τάση ανοικτού κυκλώµατος ) Ονοµαστικό ρεύµα Μέγιστη τάση Μέγιστο ρεύµα 800 ma ( ρεύµα βραχυκύκλωσης) 0,6 V 2 Α( όταν φωτίζεται απο λάµπα αλογόνου) Πίνακας 3.1.1: Ονοµαστικά χαρακτηριστικά κυψέλης Kemo Εικόνα 3.1.1: Κυψέλη Kemo

28 Μονοχρωµατικές ακτίνες Laser Στη διαδικασία καθορισµού της φασµατικής απόκρισης των κύτταρων ως µονοχρωµατική πηγή φωτός χρησιµοποιήσαµε ακτίνες laser σε 6 συγκεκριµένα µήκη κύµατος. Οι ακτίνες ήταν της εταιρίας Spectra-Physics και Melles Griot στο εργαστήριο οπτικής. Τα laser ήταν ηλίου νέου (He-Ne) και αργού (Ar + ) µε τα παρακάτω ονοµαστικά χαρακτηριστικά : λ(nm) Ισχύς εξόδου 457,9 200 mw 476,5 450 mw 488 1,5 W 496,5 600 mw 514,5 2 W 632,8 38 mw Πίνακας 3.1.2: Ονοµαστικά χαρακτηριστικά Laser spectra physics και melles griot Η συνολική ισχύς εξόδου της συσκευής είναι 6 mw αλλά µπορέσαµε να χρησιµοποιήσουµε µόνο τα παραπάνω µήκη κύµατος διότι σε άλλα µήκη ήταν πολύ χαµηλή η ισχύς εξόδου. Εικόνα : Μονοχρωµατικά LASER

29 Power meter Χρησιµοποιήθηκε για τη µέτρηση της ισχύος της δέσµης του laser πριν η δέσµη πέσει πάνω στο κύτταρο. Εικόνα : Power meter Πυρανόµετρο Για τη µέτρηση της συνολικής πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας του ηλίου χρησιµοποιήσαµε το πυρανόµετρο που περιγράφεται παρακάτω. Πρόκειται για το µοντέλο CMP6 της εταιρίας Κipp & Zonen µε σειριακό αριθµό και τα εξής χαρακτηριστικά : Φασµατικό εύρος nm Ευαισθησία 5-20µV/W/ m 2 Χρόνος απόκρισης 18s Κατευθυντήριο σφάλµα (στις80ºµε ±20 W/m 2 ακτίνα 1000 W/m 2 ) Επίδραση της θερµοκρασίας στην ±4% ευαισθησία Θερµοκρασιακό εύρος λειτουργίας -40 ºC εως +80 ºC Μέγιστη πυκνότητα ενέργειας της 4000 Wm -2 ηλιακή ακτινοβολίας Οπτικό πεδίο 180º Πίνακας 3.1.3: Xαρακτηριστικά πυρανοµέτρου CMP6 Κipp & Zonen Η ευαισθησία του συγκεκριµένου οργάνου είναι 17,79 µv/w/ m 2

30 Εικόνα 3.1.4: Πυρανόµετρο Κipp & Zonen Καταγραφικό Το καταγραφικό που χρησιµοποιήσαµε είναι το data logger CR1000 της εταιρίας Campbell Scientific. Το καταγραφικό έχει υποδοχές για τα όργανα µέτρησης και σειριακές θύρες για τη σύνδεση µε υπολογιστή. Το καταγραφικό χρησιµοποιήθηκε σε συνδυασµό µε το λογισµικό PC200W στο οποίο θέσαµε την τιµή της ευαισθησίας του πυρανοµέτρου η οποία δινόταν απο το πιστοποιητικό βαθµονόµησης του. Στη συνέχεια επιλέξαµε καθέ πόσο θέλουµε να έχουµε µέτρηση. Τέλος, κατα τη χρήση του λογισµικού χρησιµοποιήθηκε το monitor mode καθώς οι ανάγκες µέτρησης απαιτούσαν την απευθείας καταγραφή της ακτινοβολίας και οχί την καταγραφή και αποθήκευση τιµών σε ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα. Εικόνα 3.1.5: Καταγραφικό CR1000

31 Ψηφιακά πολύµετρα Χρησιµοποιήθηκε το πολύµετρο mastech M92A µε τα εξής χαρακτηριστικά. Συνεχές ρεύµα 200µΑ-20Α Εναλασσόµενο ρεύµα 200µΑ-20Α Συνεχής τάση 2-750V Εναλασσόµενη τάση 2V-750V Αντίσταση 200Ω-20ΜΩ Τροφοδοσία Μπαταρία 9V ιαστάσεις 175x88x43mm Βάρος 250gr Πίνακας 3.1.4: Xαρακτηριστικά πολυµέτρου mastech M92A Εικόνα 3.1.6: Ψηφιακό πολύµετρο mastech M92A Μεταβλητή αντίσταση Για τη µέτρηση της απόδοσης απαιτείται,όπως έχει αναφερθεί, υπολογισµός της χαρακτηριστικής I-V του κυττάρου και έτσι για να πάρουµε µετρήσεις σε διαφορά ρεύµατα και τάσεις χρησιµοποιήθηκε ενα ποτενσιόµετρο των 100 Ω.

32 Θερµόµετρο Πρόκειται για ένα απλό εµπορικό θερµόµετρο µε ευκρίνεια ενος δέκατου και µε δυνατότητα µέτρησης δυο θερµοκρασιών. Η µια γίνεται µε µέτρηση απο το κυρίως σώµα του οργάνου και η άλλη µε ενα εξωτερικό στέλεχος όπως φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 3.1.7: θερµόµετρο Φωτεινή πηγή Μια λάµπα 100W απο ένα φωτιστικό γραφείου. Εικόνα 3.1.8: Λάµπα

33 Φασµατόµετρο Χρησιµοποιήθηκε η φωτοδίοδος RC-VIS C9407 της εταιρίας Hamamatsu η οποία έχει εξοδο USB και συνοδεύεται µε δυο λογισµικά το rc evaluation και rcdiva.το πρώτο δίνει το φάσµα της ισχύος σε ψηφιακά counts σε συνάρτηση µε το µήκος κύµατος σε nm. Το δεύτερο δίνει το φάσµα της προσπιπτόµενης ισχύος ως επι τις εκατό ποσοστό του κορεσµού της φωτοδιόδου σαν συνάρτηση του µήκους κύµατος σε nm. ηλαδή οι µετρήσεις που δίνει το συγκεκριµένο όργανο ειναι σχετικά µέγεθη όσο αφόρα την ισχύ, δεν είναι βαθµονοµηµένο ως προς την ισχύ. Ωστόσο, η φωτοδίοδος είναι βαθµονοµηµένη όσο αφορά το µήκος κύµατος κάθως µε επιλογή µέσα απο το λογισµικό µετατρέπονται τα pixel σε µήκη κύµατος. Επίσης, οι µετρήσεις που µπορούν να πραγµατοποιηθούν αφορούν µονο το ορατό φάσµα φωτός. Ο κατασκευαστής αναφέρει πως το όργανο κυρίως αναφέρεται σε µετρήσεις εσωτερικού χώρου καθώς η ακρίβεια του µειώνεται η απόδοση του λόγω θερµοκρασίας. Εύρος φασµατικής απόκρισης nm Φασµατική ευκρίνεια 9nm Σύνδεση USB1.1 Τρόπος είσοδου φωτός Ίνα ιαστάσεις 75(W)/ 53(D) /46(H) (mm) A/D µετατροπέας 16bit Xρόνος ολοκλήρωσης msec Αισθητήρας CMOS linear image sensor (S N) Αριθµός pixel 256 Πίνακας 3.1.5: Xαρακτηριστικά φωτοδιόδου C9407 Hamamatsu Εικόνα 3.1.9: Φωτοδίοδος Hamamatsu