Gwałtowny rozwój fotowoltaiki i innych odnawialnych źródeł energii spowodował wzrost popytu na prace badawcze i rozwojowe w tych obszarach oraz zapotrzebowania na kadry inżynierskie o takim profilu. Szereg uczelni, w tym Akademia Górniczo- -Hutnicza, uruchomiło nowe kierunki studiów lub nowe specjalizacje związane z obszarem odnawialnych źródeł. Przykładem takiej działalności było powołanie przez Senat AGH Centrum Fotowoltaiki. Prezentowany artykuł opisuje powstałe w Centrum laboratoria oraz ich możliwości badawcze i pomiarowe

Dyndał, Katarzyna

Lewińska, Gabriela

Marszałek, Konstanty

Polish

Konstanty Marszałek

Katarzyna Dyndał

Gabriela Lewińska

Crossref

Centrum Fotowoltaiki AGH jako element systemu wspierającego rozwój odnawialnych źródeł energii

AGH (Akademia Górniczo-Hutnicza) University of Science and Technology: Journals

Energetyka Rozproszona zeszyt 9, 2023 © Autorzy. Creative Commons CC-BY 4.0https://doi.org/10.7494/er.2023.9.51Konstanty MARSZAŁEK, Katarzyna DYNDAŁ, Gabriela LEWIŃSKACentrum Fotowoltaiki AGH  jako element systemu wspierającego  rozwój odnawialnych źródeł energii Abstrakt: Gwałtowny rozwój fotowoltaiki i innych odnawialnych źródeł energii spowodował wzrost popytu na prace badawcze i rozwojowe w tych obszarach oraz zapotrzebowania na kadry inży-nierskie o takim profilu. Szereg uczelni, w tym Akademia Górniczo- -Hutnicza, uruchomiło nowe kierunki studiów lub nowe specjali-zacje związane z obszarem odnawialnych źródeł. Przykładem takiej działalności było powołanie przez Senat AGH Centrum Fotowolta-iki. Prezentowany artykuł opisuje powstałe w Centrum laboratoria oraz ich możliwości badawcze i pomiarowe.Słowa kluczowe: fotowoltaika, laboratoria terenowe i stacjonarneDziałalność badawcza i dydaktycznaAkademia Górniczo-Hutnicza intensywnie włączyła się w nurt rozwoju odnawialnych źródeł energii. Na wielu wydziałach kierunki kształcenia związane z energety-ką profilowane są pod tym kątem, a także powstają kolejne – związane konkretnie z OZE. Jednym z dzia-łań w tym obszarze było powołanie Centrum Foto-woltaiki (CF), które po kilku latach rozbudowy bazy aparaturowej i kadrowej zostało włączone do Cen-trum Technologii Kosmicznych. Naturalnym powo-dem tej fuzji jest fakt zastosowania fotowoltaiki we wszystkich misjach kosmicznych. Nie bez znaczenia było także przygotowanie merytoryczne i aparaturo-we CF. Pracownicy Centrum są jednocześnie zatrud-nieni w Instytucie Elektroniki Wydziału Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji. Oprócz prac badaw-czych prowadzą działalność dydaktyczną w zakresie odnawialnych źródeł energii, w szczególności foto-woltaiki, na kilku wydziałach oraz w ramach Szkoły Doktorskiej. Efektem tych działań są obronione pra-ce dyplomowe: kilkadziesiąt inżynierskich, kilkana-ście magisterskich, a także doktorat na temat ogniw cienkowarstwowych przeznaczonych do aplikacji ko-smicznych. We wszystkich tych rozprawach kładziono nacisk na praktyczne i projektowe aspekty zastoso-wań odnawialnych źródeł, a opisywane w nich bada-nia były często prowadzone w kooperacji z podmiota-mi przemysłowymi. W ramach tej działalności zespół w składzie K. Marszałek, K. Dyndał i G. Lewińska przygotował podręcznik pt. Fotowoltaika (Photovolta-ics) – w polskiej i angielskiej wersji językowej, który jest dostępny w zasobach internetowych Centrum e-Learningu AGH.Prace badawcze w laboratoriachKolejnym aspektem działalności Centrum jest roz-wijanie podległych mu laboratoriów i prowadzenie w nich prac badawczych. Infrastruktura obejmuje dwa laboratoria stacjonarne znajdujące się w obrębie kam-pusu AGH w Krakowie oraz laboratorium terenowe na terenie Centrum Zrównoważonego Rozwoju i Po-szanowania Energii WGGiOŚ AGH w Miękini.Laboratorium fotowoltaiczne wykonuje pomia-ry i dokonuje analiz pracy modułów w rzeczywistych warunkach pogodowych dzięki naziemnej instalacji fotowoltaicznej (złożonej z jedenastu niezależnych torów pomiarowych) oraz instalacji nadążnej, które zostały przedstawione na Rys. 1. Odczyt, wizualizacja i rejestracja danych odbywa-ją się w trybie ciągłym za pomocą programu mLog zło-żonego z trzech modułów: mLog Server, mLog Client oraz mLog View. Informacji o aktualnej sytuacji pogo-dowej dostarcza przenośna stacja meteorologiczna  52  Konstanty MARSZAŁEK, Katarzyna DYNDAŁ, Gabriela LEWIŃSKAzaprojektowana i wykonana przez Zakład Elektroniki i Automatyki Przemysłowej A-STER, którą przedsta-wiono na Rys. 2. Stacja umożliwia pomiar kierunku i prędkości wiatru, temperatury powietrza, wilgotno-ści względnej powietrza oraz napromieniowania sło-necznego.Na wyposażenie laboratorium składają się także panele fotowoltaiczne, m.in. monokrystaliczne, poli-krystaliczne, mikromorficzne, cienkowarstwowe (CdTe, CIGS), takich firm jak: Trunsun Solar, Solar Frontier, German Solar, Hanplast Solar, Sontor, Advanced Solar Power ASP, TSMC Solar. Oprócz tradycyjnych paneli zbudowanych z ogniw o standardowych wy-miarach, na wyposażeniu laboratorium znajdują się także najnowocześniejsze panele wykonane z ogniw połówkowych technologią SmartWire oraz panele dwustronne wykonane technologią Bifacial. Wybra-ne panele fotowoltaiczne, dla których wykonywane są badania w laboratorium, zostały przedstawione na Rys. 3.a)          b)  Rys. 1. Instalacje fotowoltaiczne w laboratorium terenowym: a) instalacja naziemna składająca się z jedenastu niezależnych torów pomiarowych; b) instalacja nadążna zlokalizowana w terenowym laboratorium fotowoltaicznym na terenie Centrum Zrównoważonego Rozwoju i Poszanowania Energii WGGiOŚ AGH w Miękini  a)     b) Rys. 2. Przenośna stacja meteorologiczna  firmy A-STER znajdująca się w terenowym laboratorium fotowoltaicznym w MiękiniRys. 3. Panele fotowoltaiczne wykonane technologiami: a) SmartWire; b) Bifacial, będące częścią wyposażenia stacjonarnego laboratorium fotowoltaicznego AGH w MiękiniEnergetyka Rozproszona zeszyt 9, 2023Centrum Fotowoltaiki AGH jako element systemu wspierającego rozwój odnawialnych źródeł energii 53Laboratorium wykonuje kompletne pomiary pa-rametrów pracy paneli fotowoltaicznych za pomocą wysokiej klasy wielofunkcyjnego miernika MI 3108 Eurotest PV łączącego funkcje miernika parametrów instalacji elektrycznych i testera instalacji fotowoltaicz-nych. Przyrząd umożliwia m.in. tworzenie charaktery-styk prądowo-napięciowych, przeliczanie zmierzonych parametrów do wartości STC (Standard Test Condition – standardowe warunki testowania) oraz pomiar mocy po stronach AC i DC falownika/inwertera. Laborato-rium wyposażone jest także w profesjonalną kamerę termowizyjną FLIR C5 pozwalającą zidentyfikować np. przegrzewające się miejsca ogniw (tzw. hotspoty), a także luksomierz Voltcraft LX 1108 umożliwiający pomiar natężenia promieniowania słonecznego.Najważniejszym elementem laboratorium jest symulator promieniowania słonecznego SS-X200R klasy AAA, wyprodukowany przez firmę Enlitech, który został przedstawiony na Rys. 4. Urządzenie prze-znaczone jest do badań ogniw fotowoltaicznych, m.in. monokrystalicznych, polikrystalicznych i perowski-towych, jak również cienkowarstwowych (np. CIGS, CdTe). Wyposażenie symulatora stanowi lampa Xe o mocy 1600 W i filtry dające widmo promieniowa-nia AM1,5G i AM0 od 350 nm do 1450 nm (zgodne z normą ASTM E927). Wyposażenie symulatora słonecznego daje możliwość przeprowadzania specjalistycznych ba-dań ogniw fotowoltaicznych w warunkach kos-micznych, czyli w obecności promieniowania kosmicz-nego, tzn. w jego części falowej o widmie AM0. Stanowisko jest również wyposażone w jednostkę źródłowo-pomiarową serii B2901A firmy Keysight Technologies, umożliwiającą precyzyjny pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych I(U). Para-metry techniczne symulatora charakteryzują się szerokim zakresem napięć (od −210 V do +210 V) i prądów (od −3 A DC do +3 A DC i od −10,5 A do +10,5A impulsowy) oraz doskonałą rozdzielczo-ścią pomiarową (100 fA i 100 nV) i źródłową (1 pA i 1 μV). Symulator słoneczny umożliwia pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych I(U) dla ogniw fotowoltaicznych o maksymalnym wymia-rze 200 mm × 200 mm. Dzięki pomiarom możli-we jest wyznaczenie najważniejszych parametrów ogniw PV, takich jak: prąd zwarcia (Isc), prąd, przy którym można pobrać maksymalną moc z ogniwa fotowoltaicznego (Ipm), napięcie obwodu otwarte-go (Voc), napięcie, przy którym można pobrać maksy-malną moc z ogniwa fotowoltaicznego (Vpm), spraw-ność ogniwa PV (η) oraz współczynnik wypełnienia (fill factor, FF).  a)          b) Rys. 4. Symulator promieniowania słonecznego SS-X200R klasy AAA firmy Enlitech będący na wyposażeniu laboratorium fotowoltaicznego AGH: a) widok ogólny; b) symulator wraz z widokiem na stolik pomiarowy z ogniwem fotowoltaicznym 54  Konstanty MARSZAŁEK, Katarzyna DYNDAŁ, Gabriela LEWIŃSKALaboratorium fotowoltaiczne prowadzi również działalność projektową w zakresie systemów ener-getycznych i cieplnych (instalacje fotowoltaiczne, pompy ciepła, magazyny energii) oraz systemów hy-brydowych. Narzędziem do projektowania systemów OZE są dwa specjalistyczne programy: PV*SOL firmy Valentin Software GmbH (10 licencji) oraz Polysun firmy Vela Solaris (10 licencji typu floating), które są wykorzystywane przez projektantów i instalatorów na całym świecie. Program Polysun jest zainstalowa-ny na serwerze sieciowym, co sprawia, że możliwy jest zdalny dostęp do oprogramowania. Przykładowy projekt hybrydowego systemu energetycznego, skła-dającego się z instalacji fotowoltaicznej, pompy ciepła i zasobnika energii, wykonany w programie Polysun, został przedstawiony na Rys. 5.W laboratorium fotowoltaicznym realizowane są prace dyplomowe (inżynierskie, magisterskie i doktor skie) oraz zajęcia dydaktyczne dla studentów i doktorantów z różnych wydziałów AGH, m.in. z Wydziału Informa-tyki, Elektroniki i Telekomunikacji, Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, a także ze Szkoły Doktorskiej. Laboratorium fotowoltaiczne prowadzi działalność naukowo-badawczą dotyczącą OZE, czego wynikiem są artykuły opublikowane w recenzowanych czasopis-mach o zasięgu krajowym oraz zagranicznym. Jednost-ka jest także zaangażowana w badania naukowe oraz prace badawcze dla przemysłu. Obecnie laboratorium współpracuje z firmą PZL Sędziszów, która zajmuje się produkcją nowoczesnych paneli fotowoltaicznych dla marki Avia Solar. Aktualna współpraca dotyczy analizy stanu technicznego ogniw fotowoltaicznych za pomocą elektroluminescencji oraz badań uszkodzeń paneli foto-woltaicznych za pomocą podczerwieni (Rys. 6), a także wyznaczania parametrów elektrycznych ogniw PV.Rys. 5. Model hybrydowego systemu energetycznego składającego się z modułów fotowoltaicznych, magazynu energii i pompy ciepła zastosowany do symulacji przy użyciu VelaSolaris Polysuna)    b) Rys. 6. Stanowisko do pomiaru uszkodzeń ogniw fotowoltaicznych za pomocą kamery termowizyjnej: a) panel smart wire z kamerą termowizyjną; b) zdjęcie panelu wykonane w podczerwieni z zaznaczonym przegrzewającym się miejscem (czerwony punkt)Energetyka Rozproszona zeszyt 9, 2023Centrum Fotowoltaiki AGH jako element systemu wspierającego rozwój odnawialnych źródeł energii 55Działalność pracowni optycznejCentrum prowadzi ponadto badania w pracowni optycznej. Koncentrują się one wokół konstrukcji elektronicznych urządzeń optoelektronicznych (cien-kowarstwowych i polimerowych ogniw fotowoltaicz-nych, organicznych diod luminescencyjnych, senso-rów) i badań nad nimi.Podstawowymi urządzeniami badawczymi wyko-rzystywanymi w pracowni są spektrofotometr świa-tłowodowy Avantes Sensline Ava-Spec ULS-RS-TEC (CCD 2048×64 pikseli) wraz z lampą Avantes AvaLight DH-S-BAL-Hal, z dodatkowym sprzętem (kule całku-jące, wzorzec bieli, filtry), oraz elipsometr spektrosko-powy Wollam 2000 (Rys. 7).Na Rys. 8 przedstawiono wyniki pomiarów elip-sometrycznych w funkcji długości fali (linia ciągła) oraz z dopasowaniem modelu fizycznego (linia prze-rywana).Układ pomiarowy jest przeznaczony do badań zarówno materiałów, jak i wykonanych z nich cienkich warstw oraz układów cienkich warstw. Dzięki dużej czułości i modyfikowalnemu układowi optycznemu za jego pomocą można przeprowadzić badania mate-riałów organicznych i nieorganicznych stosowanych w sensorach (diodach luminescencyjnych, ogniwach fotowoltaicznych, tranzystorach oraz pamięciach), a także całych urządzeń. W materiałach obserwo-wane są znaczne zmiany współczynników ekstynkcji i załamania w funkcji temperatury, w zakresie bliskiej podczerwieni (Rys. 9).Rys. 7. Elipsometr spektroskopowy Wollam 2000 Rys. 8. Kąty elipsometryczne w funkcji długości fali wraz z dopasowaniem bazującym na modelu Cauchy’ego dla warstw krzemionkowych 56  Konstanty MARSZAŁEK, Katarzyna DYNDAŁ, Gabriela LEWIŃSKARys. 9. Mapy: a) współczynnika załamania i b) współczynnika ekstynkcji dla warstw AZODo przeprowadzenia pomiarów przewodnictwa elektrycznego warstw do zastosowań w fotoogni-wach używany jest miernik oporności powierzchnio-wej firmy Materials Development Corp, zakupiony w 2023 r. (Rys. 10). Wykorzystuje on metodę cztero-punktowego pomiaru oporności. Na zestaw pomia-rowy składa się miernik Resistivity Test Unit RM3000 (pomiary z zakresu od 10 nA do 100 mA, napięcie zgodności od 0 V do 50 V) oraz próbnik Multi-Height Microposition Probe. Do kalibracji urządzenia uży-wana jest próbka referencyjna na bazie tlenku indo-wo-cynowego. Zakres pomiarowy miernika wynosi od 1 Ω/□ do 10 Ω/□. Układ jest sterowany za pomocą komputerowego oprogramowania do obsługi i kontroli danych (pamięć urządzenia: co najmniej 50 pomiarów).Miernik ma możliwość pomiaru napięcia o war-tości od 0,01 mV do 1250 mV, jego dokładność wy-nosi 0,5% w całym zakresie, a 0,2% w średnim zakre-sie pomiarowym. Obecnie prowadzone są badania rezystywności dla warstw zbudowanych z domiesz-kowanych materiałów tlenkowych CuO i Cu2O (jako warstw absorbera ogniwa), ZnO i WO3 (jako warstw emitera), a także ZnO:Al (jako elektrody transparent-nej w cienkowarstwowym ogniwie słonecznym).Rys. 10. Miernik oporności powierzchnioweja) b) Centrum Fotowoltaiki AGH jako element systemu wspierającego rozwój odnawialnych źródeł energii 57Poniżej przedstawiono listę publikacji z ostatnich kilku lat powstałych w ramach prac prowadzonych w Centrum Fotowoltaiki. Zaprezentowane w artyku-le aspekty działania Centrum wpisują się w tematykę rozwoju odnawialnych źródeł energii czy energetyki rozproszonej, jak również w zakres projektu Europej-skiego Uniwersytetu Kosmicznego, którego AGH jest współrealizatorem.Lista publikacji pracowników Centrum Fotowoltaiki AGH:Dyndał K., Sanetra J., Marszałek K.W. (2021), Study of the Second--generation of CdTe and CIGS Thin Film PV Modules Under Natu-ral Sunlight Conditions, „Renewable Energy and Power Quality Journal” 19: 379–384.Dyndał K., Marszałek K.W., Kąkol Z. (2022), Design of Complex Ener-gy Systems (Thin Film Photovoltaics, Collectors, Heat Pumps and Energy Storage), „Przegląd Elektrotechniczny” 98 (9): 243–246.Iwanek S., Sanetra J., Marszalek K.W. (2022), Optical Method for Ho-mogeneity Testing of thin Films Electrodes for Photovoltaic Cells, „Przegląd Elektrotechniczny” 98 (9): 239–242.Lewińska G., Danel K.S., Wisła-Świder A., Usatenko Z., Kanak J., Walczak Ł., Kuterba P., Sanetra J., Marszałek K.W. (2020), Photoelectrical Properties and Surface Examination of Lumines-cent Copolymer Compounds, „Applied Surface Science” 533 (15): 147366. Lewińska G., Khachatryan K., Danel K.S., Danel Z., Sanetra J., Mar-szałek K.W. (2020), Investigations of the Optical and Thermal Properties of the Pyrazoloquinoline Derivatives and Their Appli-cation for OLED Design, „Polymers” 12 (11): 2707. Lewińska G., Dyndał K., Sanetra J., Marszałek K.W. (2021), Micro-morph and Polymorphous Solar Panel in a Warm Temperature Transitional Climate – Comparison of Outdoor Performance and Simulations, „Renewable Energy and Power Quality Jour-nal” 19: 385–390.Lewińska G., Jeleń P., Kanak J., Walczak Ł., Socha R., Sitarz M., Sa-netra J., Marszałek K.W. (2021), Investigation of Dye Dopant Influence on Electrooptical and Morphology Properties of Poly-meric Acceptor Matrix Dedicated for Ternary Organic Solar Cells, „Polymers” 13 (23): 4099.Lewińska G., Sosna D., Kanak J., Danel K.S., Sanetra J., Sahraoui B., Marszalek K.W. (2022), The Role of Small Molecules and Qu-antum Dots Doping on the Morphology of Layers for Potential Applications in Ternary Solar Cells, „Optical Materials” 134: 113056. Marszałek K.W., Dyndał K., Lewińska G. (2021), Fotowoltaika, https://epodreczniki.open.agh.edu.pl/handbook/35 [dostęp: 17.04.2023]. Marszałek K.W., Dyndał K., Lewińska G., Sanetra J. (2021), Pho-tovoltaics, https://epodreczniki.open.agh.edu.pl/handbook/ 1175 [dostęp: 17.04.2023].Ungeheuer K., Marszałek K.W., Mitura-Nowak M. (2022), Modi-fication of Semiconducting Copper Oxide Thin Films Using Ion Implantation, „Przegląd Elektrotechniczny” 98 (9): 255–258.Ungeheuer K., Marszałek K.W., Mitura-Nowak M., Jelen P., Perza-nowski M., Jelen P., Marszałek M., Sitarz M. (2022), Influence of Cr Ion Implantation on Physical Properties of CuO Thin Films, „International Journal of Molecular Sciences” 23 (9): 4541.Ungeheuer K., Marszałek K.W., Mitura-Nowak M., Jelen P., Perza-nowski M., Marszałek M., Sitarz M. (2022), Cuprous Oxide Thin Films Implanted with Chromium Ions – Optical and Physi-cal Properties Studies, „International Journal of Molecular Sci-ences” 23 (15): 8358.AGH Photovoltaics Centre as part of  a system supporting the development of renewable energy sourcesAbstract: The rapid development of photovoltaics and other renew-able energy sources has increased the demand for research and development work in these areas and the need for engineering personnel with such a profile. A number of Universities including AGH have launched new majors or new specializations related to the area of renewable sources. One such was the establishment of the Photovoltaics Center by the AGH Senate. The paper presented here describes the laboratories established at the center and their research and measurement capabilities.Keywords: photovoltaics, stationary laboratory, field laboratoryDr hab. inż. Konstanty Marszałek, prof. AGH AGH Akademia Górniczo-HutniczaWydział Informatyki, Elektroniki  i Telekomunikacji marszale@agh.edu.plDr inż. Katarzyna DyndałAGH Akademia Górniczo-HutniczaWydział Informatyki, Elektroniki  i Telekomunikacji Dr inż. Gabriela LewińskaAGH Akademia Górniczo-HutniczaWydział Informatyki, Elektroniki  i Telekomunikacji 

Gwałtowny rozwój fotowoltaiki i innych odnawialnych źródeł energii spowodował wzrost popytu na prace badawcze i rozwojowe w tych obszarach oraz zapotrzebowania na kadry inżynierskie o takim profilu. Szereg uczelni, w tym Akademia Górniczo- -Hutnicza, uruchomiło nowe kierunki studiów lub nowe specjalizacje związane z obszarem odnawialnych źródeł. Przykładem takiej działalności było powołanie przez Senat AGH Centrum Fotowoltaiki. Prezentowany artykuł opisuje powstałe w Centrum laboratoria oraz ich możliwości badawcze i pomiarowe.The rapid development of photovoltaics and other renewable energy sources has increased the demand for research and development work in these areas and the need for engineering personnel with such a profile. A number of Universities including AGH have launched new majors or new specializations related to the area of renewable sources. One such was the establishment of the Photovoltaics Center by the AGH Senate. The paper presented here describes the laboratories established at the center and their research and measurement capabilities

Biblioteka Nauki - repozytorium artykuÅÃ³w

AGH Photovoltaics Centre as part of a system supporting the development of renewable energy sources

https://journals.agh.edu.pl/er/article/download/5667/2936

Centrum Fotowoltaiki AGH jako element systemu wspierającego rozwój odnawialnych źródeł energii

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Crossref

AGH (Akademia Górniczo-Hutnicza) University of Science and Technology: Journals

Biblioteka Nauki - repozytorium artykuÅÃ³w

Centrum Fotowoltaiki AGH jako element systemu wspierającego rozwój odnawialnych źródeł energii

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Crossref

AGH (Akademia Górniczo-Hutnicza) University of Science and Technology: Journals

Biblioteka Nauki - repozytorium artykuÅÃ³w

Biblioteka Nauki - repozytorium artykuÅÃ³w