Guide de démarrage rapide : présentation du générateur de spectre solaire.

Dans ce guide de démarrage rapide, nous utilisons le générateur de spectre solaire d’OghmaNano pour simuler l’irradiance spectrale solaire à la surface de la Terre. L’outil génère le spectre solaire standard AM1.5G ainsi que les composantes d’irradiance globale, directe et diffuse calculées. Ces spectres peuvent être exportés et utilisés directement dans les simulations d’appareils optiques ou photovoltaïques.

1. Contexte :

Le générateur est basé sur le modèle spectral solaire simplifié pour le calcul de l’irradiance directe et diffuse sur des plans horizontaux et inclinés à la surface de la Terre, pour les atmosphères sans nuages, développé par Bird et Riordan (1986) et publié dans le Journal of Applied Meteorology and Climatology (link). Ce modèle est largement utilisé pour la modélisation de l’irradiance solaire dans le domaine de la photovoltaïque et des sciences atmosphériques.

Le spectre est calculé en tenant compte des principaux processus atmosphériques : la diffusion de Rayleigh, l’absorption par l’ozone, les gaz et la vapeur d’eau, ainsi que l’atténuation due aux aérosols et aux particules. Les paramètres d’entrée comprennent l’heure, la date, la latitude, l’altitude et les conditions atmosphériques telles que la pression, l’épaisseur optique des aérosols et la teneur en vapeur d’eau.

Ces paramètres vous permettent d’étudier la manière dont les spectres solaires varient en fonction de l’environnement. Par exemple, un angle solaire plus faible (le matin ou le soir) augmente la masse d’air et provoque un décalage vers le rouge du spectre, tandis qu’une forte concentration de vapeur d’eau renforce les bandes d’absorption du proche infrarouge. Une augmentation des aérosols ou de la pollution réduit l’irradiance directe et augmente la composante diffuse ; les spectres d’une ville polluée comme Pékin sont très différents de ceux de Londres ou d’un site propre situé en altitude.

La génération et la comparaison de spectres dans différentes conditions permettent de démontrer comment les facteurs atmosphériques et environnementaux influencent l’éclairage des dispositifs. À des fins de comparaison, le spectre standard AM1.5G est inclus, et son intégrale atteint environ 1 000 W m−2 dans les conditions d’essai standard.

2. Pour commencer :

Pour commencer, ouvrez la fenêtre « Nouvelle simulation » dans le ruban « Fichier » du menu principal. Pour ce tutoriel, nous allons sélectionner un exemple de cellule solaire organique (voir ??). Vous pouvez choisir n’importe lequel des dispositifs disponibles, car les spectres solaires générés sont indépendants du type de dispositif, mais les cellules solaires organiques constituent un exemple intéressant à des fins de démonstration (voir ??).

Une fois la simulation créée, accédez à la barre d’outils « Optique » et cliquez sur l’icône « Base de données optique » (voir ??). Cela ouvrira la base de données dans laquelle vous pourrez consulter, générer et importer des spectres solaires.

Une fois que vous avez sélectionné l’élément de la base de données optique, la fenêtre de la base de données s’ouvrira (voir ??). Vous y verrez les spectres existants, tels que AM1.5G, AM0, les LED et les lasers. Pour créer une nouvelle entrée, cliquez sur le bouton « Ajouter un spectre » situé sur le côté droit. Une boîte de dialogue s’ouvrira (voir ??), dans laquelle vous pourrez saisir un nom pour le nouveau spectre. Dans cet exemple, nous l’appellerons Example.

Une fois la confirmation effectuée, une nouvelle icône intitulée « Example » apparaîtra dans la fenêtre de la base de données. En double-cliquant sur cet nouvel élément, l’éditeur de spectre optique s’ouvrira (voir ??), et vous pourrez y consulter, modifier ou importer des données spectrales.

3. Générer des spectres à l’aide du générateur de spectre solaire.

Dans l’éditeur de spectre optique (??), cliquez sur « Générateur de spectre solaire ». Cela ouvre le générateur illustré dans ??, ?? et ??. L’outil met en œuvre le modèle décrit par Bird et Riordan (1986), « Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth’s Surface for Cloudless Atmospheres » (link), afin de calculer l’indice AM1.5G, ainsi que les composantes globales, directes et diffuses calculées dans les conditions définies par l’utilisateur.

Heure de la journée : détermine l’heure solaire. Au fur et à mesure que le soleil descend (le matin ou le soir), l’angle zénithal solaire augmente, la longueur du trajet à travers l’atmosphère s’allonge (ce qui augmente la masse d’air), et l’atténuation des rayons UV et visibles s’intensifie ; le spectre a tendance à se décaler légèrement vers le rouge et la proportion de lumière diffuse augmente.

Date (jour de l’année) — Permet de contrôler la géométrie saisonnière (déclinaison). Les dates d’été entraînent une plus grande hauteur du soleil à un endroit donné, ce qui augmente l’irradiance directe ; les dates d’hiver la réduisent. Cela explique les différences observées entre ?? et ??.

Latitude : permet de définir la position de l’observateur. Les latitudes plus basses connaissent généralement une élévation solaire maximale plus importante et, par conséquent, une masse d’air plus faible ; les latitudes plus élevées sont soumises à un plus grand parcours atmosphérique, ce qui renforce les effets de Rayleigh et des aérosols et réduit la composante directe.

Pression : donne une indication approximative de l’altitude et des conditions météorologiques. Une pression plus faible (en haute altitude) diminue la densité moléculaire et la diffusion de Rayleigh, ce qui augmente la transmission des courtes longueurs d’onde ; une pression plus élevée a l’effet inverse.

L’épaisseur optique des aérosols (EOA) représente la concentration de particules (brume/pollution). Une EOA plus élevée renforce l’extinction des aérosols, atténue le faisceau direct et transfère l’énergie vers la composante diffuse. Comparez le cas où l’air est propre au cas où l’air est pollué dans ??.

Teneur en eau : détermine la quantité de vapeur d’eau susceptible de se condenser. L’augmentation de cette valeur intensifie les bandes d’absorption du proche infrarouge (par exemple, autour de 940 nm et au-delà), ce qui réduit l’irradiance infrarouge tout en affectant moins la majeure partie du spectre visible.

Ajustez ces paramètres pour générer des spectres spécifiques au site et aux conditions, puis exportez le résultat pour l’utiliser dans d’autres étapes du processus de simulation.

4. Comparaison des valeurs AM1.5G, Iglobal, Idirect et Idiffuse.

Lorsque vous exécutez le générateur de spectre solaire, les résultats sont affichés en parallèle avec le spectre de référence standard AM1.5G. Cette référence est largement utilisée dans le domaine de la photovoltaïque comme point de référence pour tester et comparer les performances des cellules solaires dans des conditions d’« ensoleillement standard ».

Le générateur produit également trois composantes de l’irradiance solaire :

• Iglobal : l’irradiance totale atteignant une surface horizontale au niveau du sol. Il s’agit de la somme de l’irradiance directe (Idirect) et de l’irradiance diffuse (Idiffuse), et c’est le spectre utilisé dans OghmaNano pour les simulations finales des dispositifs photovoltaïques.
• Idirect : le faisceau direct et non diffusé, qui voyage en ligne droite depuis le disque solaire jusqu’à la surface. Il est prédominant par temps clair et lorsque le soleil est haut dans le ciel, mais il diminue considérablement en cas de brume, de pollution ou lorsque la masse d’air est importante (par exemple, le matin ou le soir, ou aux latitudes élevées).
• Idiffuse : la composante diffuse provenant des molécules, des aérosols et des particules présentes dans l’atmosphère. Elle remplit la voûte céleste et prend de l’importance lorsque le faisceau direct est atténué, par exemple, par temps nuageux, brumeux ou en cas de pollution.

Comparaison avec AM1.5G : le spectre AM1.5G est essentiellement une norme fixe qui représente l’irradiance globale pour une masse d’air de 1,5 et un angle d’inclinaison typique des latitudes moyennes. En revanche, les courbes simulées de l’irradiance globale, de l’irradiance directe et de l’irradiance diffuse varient dynamiquement en fonction du lieu, de la saison, de l’heure et des conditions atmosphériques. En les comparant, on peut constater à quel point les conditions réelles diffèrent du cas « idéalisé » AM1.5G.