Strona główna 
ZB nr 8(86)/96, sierpień '96

MONITORING OŚWIETLENIA SŁONECZNEGO

Wzrastająca konieczność stosowania ekologicznych źródeł energii pociąga za sobą potrzebę stosowania i wykorzystania ogniw i baterii słonecznych w coraz większej skali.

Ważnym czynnikiem jest moc promieniowania padającego na powierzchnię ogniwa lub baterii, która jest uzależniona od stopnia nasłonecznienia. Insolacja lub inaczej nasłonecznienie w obserwacjach meteorologicznych mierzy się ilością promieniowania otrzymanego przez poziomą powierzchnię terenu i wyraża w dżulach (kaloriach) ciepła na metr kwadratowy (cm2) powierzchni w ciągu sekundy (minuty). Jego intensywność zależy od astronomicznej wysokości Słońca, przeźroczystości atmosfery, w szczególności - od zachmurzenia.

Dokonuje się również pomiaru usłonecznienia tj. czasu, w którym powierzchnia terenu jest oświetlona bezpośrednio promieniami słonecznymi. W klimatologii wielkością tą określa się średnią liczbę godzin słońca dziennego w poszczególnych porach (lub miesiącach) roku, lub też całoroczną sumę godzin słonecznych.

Chcąc przybliżyć problem w aspekcie ekonomiczno-badawczym zaproponowałem zadanie, które można by streścić jako:

  1. monitoring usłonecznienia w miejscu zamieszkania lub w miejscu przebywania młodzieży;
  2. monitoring nasłonecznienia.

Zadanie to, ze względu na czas trwania oraz celowość skierowania go indywidualnie do ucznia, potraktowaliśmy jako pracę domową.

CELE OSIĄGANE
W TRAKCIE POMIARóW

Spostrzeżenia i wnioski, które powinna młodzież zebrać jako podsumowanie rozwiązania problemu, to efekty realizacji celów postawionych przed uczniami, a które możemy zapisać jako:
  1. kształcenie umiejętności wyboru metody obserwacji, zgodnie z możliwościami i warunkami technicznymi;
  2. poszukiwanie rozwiązań prostych i jednocześnie umożliwiających obrazową interpretację obserwacji lub pomiarów;
  3. nabycie umiejętności organizacji pracy w trakcie rozwiązywania problemu;
  4. kształcenie nawyku regularnych obserwacji jako warunku zebrania kompleksowych wyników, przybliżających rozwiązanie problemu w sposób obiektywny i całościowy;
  5. wyrobienie umiejętności opracowywania wyników pomiarów, mających posłużyć do dokonania spostrzeżeń i wyciągnięcia odpowiednich wniosków;
  6. uświadomienie, że praca indywidualna stanowi cenny wkład do wyników zebranych przez kolegów z grupy, klasy, szkoły, czyli kształcenie i rozwijanie zachowania i współistnienia w gromadzie;
  7. kształcenie umiejętności pozyskiwania informacji o wynikach pracy innych osób, a także przekazywanie informacji o własnych pomiarach, ich wynikach i proponowanych wnioskach.

Klasyfikacje pomiarów
 Jeśli mówimy o pomiarach to możemy dokonać kilku klasyfikacji:
  • ze względu na czas dokonania pomiaru:
  • chwilowy, czyli w danej chwili, ale o określonej godzinie, w danym ustalonym miejscu;
  • okresowy, trwający pewien czas, ale w określonej porze (godzinie) dnia, najlepiej tej samej każdego dnia;
  • ciągły, proponujemy od wschodu do zachodu słońca;
  • ze względu na metodę pomiaru (w trakcie realizacji zadania posługiwano się ogólnie dwiema metodami):
  • subiektywną, w trakcie której spostrzeżenia i obserwacje były dokonane przez uczniów bez użycia jakichkolwiek przyrządów pomiarowych;
  • obiektywną, czyli pomiary pewnych wielkości fizycznych umożliwiły oszacowanie, nawet w odpowiedniej skali, wielkości usłonecznienia. W metodzie tej musimy pamiętać oczywiście o odpowiedniej kalibracji lub korzystamy z przyrządów wyskalowanych w interesujących nas wielkościach fizycznych;
  • przewidująco-sprawdzająca, którą opiszemy poniżej.

    Schemat blokowy oraz pewne zależności w metodach pomiarowych przedstawia rysunek. W wyraźny sposób oddzielone są wymienione już dwie metody.

    Wśród metod doświadczalnego określenia oświetlenia Ziemi możemy także wyróżnić monitoring:

    Na wspomnianym rysunku przedstawiony jest też blok o nazwie "Przewidująco-sprawdzająca". Realizacja zadania tą metodą opierała się na zebraniu wiadomości przewidujących pogodę z wycinków prasowych i następnie sprawdzeniu, czy przewidywane warunki meteorologiczne zaistniały. Przewidywanie pogody wykonywano używając chociażby komputerów lub satelitów meteorologicznych i zostało to dokonane przez odpowiednie służby meteorologiczno-naukowe, natomiast samo "sprawdzenie" uczniowie dokonali samodzielnie.

    Wykonując zadanie metodą obiektywną uczniowie posługiwali się elementami elektronicznymi.

    Poniżej przedstawiam jeden ze sposobów przeprowadzenia praktycznie usłonecznienia i nasłonecznienia.

    Metody możliwe do stosowania w monitoringu usłonecznienia

    MONITORING USŁONECZNIENIA

    Układ pomiarowy
     Jednym z elementów wyko
    rzystywanych w naszych pomiarach była fotobateria (lub fotoogniwo). W tym przetworniku energii słonecznej na elektryczną zjawiskiem fizycznym, które umożliwia realizację tej przemiany, jest efekt fotoelektryczny (fotowoltaiczne zjawisko).


    Na dołączonym rysunku przedstawiam schemat blokowy układu pomiarowego.


    Idea pomiaru oparta jest na możliwości gromadzenia na okładkach kondensatora ładunku, którego wielkość będzie zależała od prądu, a ten oczywiście popłynie z przetwornika, jakim jest bateria słoneczna. Ładunek zgromadzony na okładkach kondensatora ustali wartość napięcia na tym elemencie. Promienie świetlne ze źródła, jakim jest Słońce, padają na przetwornik. Powstaje prąd, którego część przepływa przez jedną gałąź obwodu, czyli przez rezystor R1. W myśl praw opisanych przez Kirchhoffa, jego druga część płynie w równoległej gałęzi. Stanowią ją, rezystor R2, dioda D oraz kondensator C. Na rezystorze R1 wytwarza się napięcie, które polaryzuje diodę w kierunku przewodzenia, dzięki czemu energia pochodząca z baterii (lub ogniwa) może być wykorzystana do ładowania kondensatora C. W układzie tym zastosowaliśmy kondensator o dużej pojemności, a dla danej baterii należy dobrać odpowiednie wartości rezystorów. Stosowana bateria słoneczna, którą pozyskano z popsutego kalkulatora, ma wymiary 5,5[mm] x 25[mm] x 10[sztuk].

    W ciemności lub przy osłabieniu oświetlenia napięcie na baterii fotoelektrycznej zmniejsza się poniżej napięcia ustalonego już na kondensatorze, dioda w układzie zostaje spolaryzowana w kierunku zaporowym i kondensator nie rozładuje się przez przetwornik energii. Bateria nie jest obciążeniem dla ładunków zgromadzonych na kondensatorze. Pomiar napięcia na kondensatorze umożliwia określenie wielkości usłonecznienia w danym miejscu. Wartość napięcia jest zależna od wielkości ładunku, w myśl wzoru U = (1/c) Q, a ten z kolei zależy od ilości energii pochodzącej od Słońca i docierającej do stosowanego przetwornika.

    Po zachodzie Słońca i po pomiarze wartości napięcia kondensator jest na pewien czas zwierany i rano następnego dnia można włączyć układ, powtarzając cykl pomiarowy.

    Kalibracja układu pomiarowego
     W celu określenia usłonecznienia należy układ wykalibrować lub przystosować tak do pomiarów, by były one proste w wykonaniu i nie sprawiały kłopotu w interpretacji. W naszych pomiarach wykonywanych w określonym czasie uzyskaliśmy wyniki, które umożliwiły wykreślenie krzywej obrazującej zmianę napięcia na użytym w układzie kondensatorze. Na rysunku zamieściłem graficzne przedstawienie zależności zmian napięcia w czasie. Przeprowadzone pomiary były wykonane poprzez symulację oświetlenia przetwornika. Jako źródła światła - użyliśmy lampy halogenowej o mocy 500 [W] zasilanej z sieci elektrycznej. Baterię słoneczną umieściliśmy w odległości 90[cm] od tego źródła światła.


    Napięcie na kondensatorze zmienia się w czasie ekspotencjalnie. Przyłożone napięcie stałe Uo powoduje zaistnienie przepływu prądu. Ładunki gromadzą się na okładkach kondensatora. Gromadzenie ładunku wpływa na powstanie napięcia na tym elemencie, zgodnie z wzorem U=Q/C, gdzie U-napięcie, Q-ładunek wprowadzony na okładki, C-pojemność kondensatora. Zmiana ładunku w czasie wpływa na zmianę napięcia na tym elemencie. Narastanie wartości napięcia opisać można wzorem

    Uc = Uo[1-exp(-t/RC)]
    lub
    Uc=Uo [1 - e-t/RC]
    gdzie: t to czas upływający od początku przebiegu procesu oświetlania przetwornika i zamiany energii świetlnej na energię elektryczną kondensatora.

    Pomiar napięcia przy użyciu woltomierza, najlepiej elektronicznego, umożliwi odczyt usłonecznienia na wspomnianym już powyżej wykresie. Dokładniejsze pomiary narzucają konieczność zastosowania odpowiednio dokładnej skali napięcia i czasu. Pomiary w warunkach realnych wymagają kalibracji, czyli określenia zależności Uc = f(t) przy słonecznym oświetleniu.


    Przeprowadzenie symulacji było konieczne. Dokonaliśmy w ten sposób przygotowania do planowych, długotrwałych pomiarów realnych np. w miejscu zamieszkania.

    Problem wykonania pomiarów jest otwarty na eksperymentowanie i badanie, także z tym układem. Można zmieniać elementy składowe, poczynając od przetwornika energii, a kończąc na samym elemencie "magazynującym" tę energię, czyli kondensatorze.

    Monitoring nasłonecznienia
     Znając określenie nasłonecznienia należy dokonać pomiaru tej wielkości w warunkach szkolnych. Przypomnijmy za słownikiem pojęć geograficznych:
    nasłonecznienie, insolacja - wielkość oddziaływania promieniowania słonecznego na Ziemię lub wielkość nagrzewania pow.Ziemi przez promienie Słońca. Mierzy się ilością energii padającej na jednostkę pow. w jednostce czasu...
    Dane potrzebne do projektowania urządzeń wykorzystujących energię słoneczną, a dotyczące nasłonecznienia, należy otrzymać z długo prowadzonych obserwacji.

    Zebranie i opracowanie takich danych stanowi długoterminowe działania. Liczba punktów pomiarowych - monitoringu - z których dostępne są wyniki, będzie wzrastać w miarę, jak do świadomości ludzi dociera ich znaczenie.

    Czynności te muszą poprzedzić masowe zastosowanie, z ekonomicznego punktu widzenia uzasadnione, urządzeń napędzanych energią słoneczną.

    Działania w szkole są jednym z elementów kształcenia postawy młodego pokolenia w tym problemie.

    DOŚWIADCZENIE

    Uwzględniając, obok gromadzenia ładunków, możliwość magazynowania przez kondensator energii, w oszacowaniu nasłonecznienia stosujemy układ już opisany w monitoringu usłonecznienia. Wielkość energii gromadzonej w tym elemencie zależy od jego pojemności oraz od ładunku gromadzonego na okładkach. Ilość ładunku jest uzależniona od wartości fotoprądu, który jest zależny od wartości energii świetlnej docierającej ze Słońca.

    Energię kondensatora obliczamy z wzoru:

    E = (1/2) (Q U)
    dla Q = C U lub U = Q/c
    otrzymamy:
    E = (1/2) (Q2/c)
    lub E = (1/2) (c u2)
    Odczytane napięcie z wykresu oraz znajomość pojemności umożliwi obliczenie energii. Pomiar pola powierzchni ogniwa słonecznego lub baterii w badaniu nasłonecznienia posłużą do oszacowania i zebrania potrzebnych danych.

    Modyfikacja układu z monitoringu usłonecznienia jest przedstawiona na dołączonym schemacie. Zastosowaliśmy baterię kondensatorów, połączonych równolegle - pojemność się dodaje i wynosi:

    C = 10x22000 m= 220 000 m= 0.22 F
    Oczywiście pamiętać należy o rezystorze, który wraz z wartością pojemności umożliwi poinformowanie użytkownika o stałej czasowej ładowania i rozładowania układu. Użyte kondensatory powinny być dopasowane do napięcia powstającego na przetworniku energii słonecznej.


    Dołączone wyniki oraz wykresy powstały w trakcie kalibracji układu. Przeprowadzone w pracowni fizycznej pomiary wstępne posłużą do zbierania danych w przeciągu najbliższego czasu.

    W tabeli I przedstawiono nasłonecznienie na różnych szerokościach geograficznych przy bezchmurnym niebie. Natomiast w tabeli II informacje o nasłonecznieniu w kilku miastach świata.

    TABELA I


    Położenie Szerokość      Nasłoniecznienie (kWh/m2)
    geograficzna maksymalne minimalne roczne
    Równik 0 6,5 (7,5) 5,8 (6,8) 2200 (2300)
    Zwrotnik Raka 231/2 7,1 (8,3) 3,4 (4,2) 1900 (2300)
    Szer. pośrednia 45 7,2 (8,5) 1,2 (1,7) 1500 (1900)
    Polska centr. 52 7,0 (8,4) 0,5 (0,8) 1400 (1700)
    Koło
    podmiegunowe    		 66 1/2 6,5 (7,9) 0 (0) 1200 (1400)

    TABELA II

    MIASTO nasłoniecznienie - natężenie promieniowania (kWh/m2)
    Sahara 2250
    Marsylia 1860
    Paryż 1500
    Lugano 1500
    Freiburg 1270
    Zurich 1160
    Berlin 1000
    Braunschweig 936
    Hamburg 930
    Londyn 927

    mgr Kazimierz Mikulski
     Zespół Szkół Elektronicznych
    Karłowicza 20
    85-092 Bydgoszcz
    kazikm@mail.zse.bydgoszcz.pl
    http://www.zse.bydgoszcz.pl

    ZB nr 8(86)/96, sierpień '96
    Początek strony