Inicio rápido: descripción general del Generador de Espectro Solar

En este inicio rápido utilizamos el Generador de Espectro Solar de OghmaNano para simular la irradiancia espectral solar en la superficie de la Tierra. La herramienta genera el espectro solar AM1.5G estándar junto con los componentes calculados de irradiancia global, directa y difusa. Estos espectros pueden exportarse y aplicarse directamente en simulaciones ópticas o fotovoltaicas de dispositivos.

1. Fundamentos:

El generador se basa en el Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres de Bird y Riordan (1986), publicado en el Journal of Applied Meteorology and Climatology (enlace). Este modelo se utiliza ampliamente para el modelado de irradiancia solar en fotovoltaica y ciencia atmosférica.

El espectro se calcula teniendo en cuenta los principales procesos atmosféricos: dispersión de Rayleigh, absorción por ozono, gases y vapor de agua, además de la atenuación por aerosoles y partículas. Los parámetros de entrada incluyen la hora del día, la fecha, la latitud, la altitud y las condiciones atmosféricas como la presión, la profundidad óptica de aerosoles y el contenido de vapor de agua.

Estos controles le permiten explorar cómo varían los espectros solares con el entorno. Por ejemplo, ángulos solares más bajos (mañana/tarde) incrementan la masa de aire y desplazan el espectro hacia el rojo, mientras que un alto contenido de vapor de agua intensifica las bandas de absorción en el infrarrojo cercano. El aumento de aerosoles o de contaminación reduce la irradiancia directa y aumenta el componente difuso; los espectros para una ciudad contaminada como Pekín son muy diferentes de los de Londres o de un sitio limpio de gran altitud.

Generar y comparar espectros bajo diferentes condiciones ayuda a demostrar cómo los factores atmosféricos y ambientales influyen en la iluminación del dispositivo. Para fines de referencia, se incluye el espectro AM1.5G estándar, que integra hasta ~1000 W m⁻² bajo condiciones de ensayo estándar.

2. Primeros pasos:

Para comenzar, abra la ventana Nueva simulación desde la cinta Archivo en el menú principal. Para este tutorial seleccionaremos un ejemplo de Célula solar orgánica (véase ??). Puede elegir cualquiera de los dispositivos disponibles — los espectros solares generados son independientes del tipo de dispositivo — pero las células solares orgánicas constituyen un caso de demostración útil (véase ??).

Una vez creada la simulación, vaya a la cinta Optical y haga clic en el icono Optical database (véase ??). Esto abrirá la base de datos donde los espectros solares pueden visualizarse, generarse e importarse.

Una vez que haya seleccionado el elemento Optical database, se abrirá la ventana de la base de datos (véase ??). Aquí puede ver espectros existentes como AM1.5G, AM0, LED y láseres. Para crear una nueva entrada, haga clic en el botón Add Spectra en el lado derecho. Esto abre un cuadro de diálogo (véase ??) donde puede introducir un nombre para el nuevo espectro. En este ejemplo lo llamaremos Example.

Tras confirmar, aparecerá un nuevo icono etiquetado como Example en la ventana de la base de datos. Al hacer doble clic en este nuevo elemento se abrirá el Optical Spectrum Editor (véase ??), donde puede visualizar, editar o importar datos espectrales.

3. Generación de espectros con el Generador de Espectro Solar

Desde el Optical Spectrum Editor (??), haga clic en Solar spectrum generator. Esto abre el generador mostrado en ??, ??, y ??. La herramienta implementa el modelo descrito por Bird y Riordan (1986), Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres (enlace), para calcular AM1.5G junto con los componentes global, directo y difuso calculados bajo condiciones definidas por el usuario.

Hora del día — Establece la hora solar. A medida que el sol desciende (mañana/tarde), el ángulo cenital solar aumenta, la longitud de trayectoria a través de la atmósfera crece (mayor masa de aire), y la atenuación en UV/visible aumenta; el espectro tiende a desplazarse ligeramente hacia el rojo y la fracción difusa aumenta.

Fecha (día del año) — Controla la geometría estacional (declinación). Las fechas de verano producen una mayor elevación solar en una ubicación dada, incrementando la irradiancia directa; las fechas de invierno la reducen. Esto explica las diferencias observadas entre ?? y ??.

Latitud — Establece la ubicación del observador. Las latitudes más bajas generalmente experimentan una mayor elevación solar máxima y, por tanto, una menor masa de aire; las latitudes altas presentan un mayor recorrido atmosférico, intensificando los efectos de Rayleigh y de los aerosoles y reduciendo el componente directo.

Presión — Aproxima la altitud/meteorología. Una presión más baja (gran altitud) reduce la densidad molecular y la dispersión de Rayleigh, aumentando la transmitancia a longitudes de onda cortas; una presión más alta produce lo contrario.

Profundidad óptica de aerosoles (AOD) — Representa la carga de partículas (bruma/contaminación). Un AOD mayor intensifica la extinción por aerosoles, suprimiendo el haz directo y transfiriendo energía al componente difuso. Compare el caso limpio con el caso contaminado en ??.

Contenido de agua — Establece el vapor de agua precipitable. Al aumentarlo, se profundizan las bandas de absorción en el infrarrojo cercano (por ejemplo, alrededor de 940 nm y más allá), reduciendo la irradiancia IR mientras la mayor parte de la región visible se ve menos afectada.

Ajuste estos controles para generar espectros específicos del sitio y de las condiciones, y luego exporte el resultado para utilizarlo en otros puntos del flujo de trabajo de simulación.

4. Comparación de AM1.5G, I_global, I_direct e I_diffuse

Al ejecutar el Generador de Espectro Solar, los resultados se representan junto con el espectro de referencia AM1.5G estándar. Esta referencia se utiliza ampliamente en fotovoltaica como referencia para ensayar y comparar el rendimiento de las células solares bajo condiciones de "1 sol".

El generador además produce tres componentes de la irradiancia solar:

• I_global: La irradiancia total que alcanza una superficie horizontal a nivel del suelo. Es la suma de I_direct e I_diffuse, y es el espectro utilizado en OghmaNano para las simulaciones fotovoltaicas finales del dispositivo.
• I_direct: El haz colimado no dispersado que viaja directamente desde el disco solar hasta la superficie. Domina bajo cielos despejados y con gran elevación solar, pero disminuye fuertemente con bruma, contaminación o a masas de aire elevadas (por ejemplo, mañana/tarde, latitudes más altas).
• I_diffuse: El componente dispersado originado por moléculas, aerosoles y partículas en la atmósfera. Llena la bóveda celeste y aumenta en importancia cuando el haz directo está atenuado — por ejemplo, en condiciones nubladas, brumosas o contaminadas.

Comparación con AM1.5G: El espectro AM1.5G es esencialmente un estándar fijo que representa I_global a una masa de aire de 1,5 y un ángulo de inclinación típico de latitudes medias. En cambio, las curvas simuladas de I_global, I_direct e I_diffuse varían dinámicamente con la ubicación, la estación, la hora del día y las condiciones atmosféricas. Compararlas le permite ver cómo las condiciones del mundo real se desvían del caso AM1.5G "idealizado".