Γρήγορη εκκίνηση: Επισκόπηση της γεννήτριας ηλιακού φάσματος.

Σε αυτό το σύντομο εγχειρίδιο, χρησιμοποιούμε τον Γεννήτορα Ηλιακού Φάσματος του OghmaNano για να προσομοιώσουμε την ηλιακή φασματική ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης. Το εργαλείο παράγει το τυπικό ηλιακό φάσμα AM1.5G, καθώς και τις υπολογισμένες συνιστώσες της συνολικής, άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας. Αυτά τα φάσματα μπορούν να εξαχθούν και να εφαρμοστούν απευθείας σε προσομοιώσεις οπτικών ή φωτοβολταϊκών συσκευών.

1. Ιστορικό:

Η γεννήτρια βασίζεται στο απλό ηλιακό φασματικό μοντέλο για την άμεση και διάχυτη ακτινοβολία σε οριζόντιες και κεκλιμένες επιφάνειες στην επιφάνεια της Γης, για ατμόσφαιρες χωρίς νέφη, που αναπτύχθηκε από τους Bird και Riordan (1986) και δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Journal of Applied Meteorology and Climatology (link). Αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται ευρέως για τη μοντελοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας στις φωτοβολταϊκές και στις ατμοσφαιρικές επιστήμες.

Το φάσμα υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη τις κύριες ατμοσφαιρικές διεργασίες: τη σκέδαση Rayleigh, την απορρόφηση από το όζον, τα αέρια και τους υδρατμούς, καθώς και την εξασθένηση από τα αερολύματα και τα σωματίδια. Οι παράμετροι εισόδου περιλαμβάνουν την ώρα της ημέρας, την ημερομηνία, το γεωγραφικό πλάτος, το υψόμετρο και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως η πίεση, το οπτικό βάθος των αερολυμάτων και η περιεκτικότητα σε υδρατμούς.

Αυτές οι ρυθμίσεις σάς επιτρέπουν να εξερευνήσετε πώς τα ηλιακά φάσματα μεταβάλλονται ανάλογα με το περιβάλλον. Για παράδειγμα, οι μικρότερες γωνίες του ήλιου (πρωί/βράδυ) αυξάνουν τη μάζα της ατμόσφαιρας και μετατοπίζουν το φάσμα προς το κόκκινο, ενώ η υψηλή περιεκτικότητα σε υδρατμούς ενισχύει τις ζώνες απορρόφησης στην περιοχή του κοντινού υπέρυθρου. Η αυξημένη συγκέντρωση αερολυμάτων ή η ρύπανση μειώνουν την άμεση ακτινοβολία και ενισχύουν τη διάχυτη συνιστώσα — τα φάσματα για μια ρυπογόνο πόλη όπως το Πεκίνο διαφέρουν σημαντικά από αυτά για το Λονδίνο ή μια καθαρή τοποθεσία σε μεγάλο υψόμετρο.

Η δημιουργία και η σύγκριση φασμάτων υπό διαφορετικές συνθήκες βοηθά στην επίδειξη του τρόπου με τον οποίο οι ατμοσφαιρικοί και περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν τον φωτισμό της συσκευής. Για λόγους αναφοράς, συμπεριλαμβάνεται το τυπικό φάσμα AM1.5G, το οποίο ενσωματώνεται σε περίπου 1000 W m−2 υπό τυπικές συνθήκες δοκιμής.

2. Ξεκινώντας:

Για να ξεκινήσετε, ανοίξτε το παράθυρο "Νέα προσομοίωση" από την καρτέλα "Αρχείο" στην κύρια μπάρα μενού. Για αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, θα επιλέξουμε ένα παράδειγμα οργανικού ηλιακού στοιχείου (δείτε ??). Μπορείτε να επιλέξετε οποιαδήποτε από τις διαθέσιμες συσκευές — τα φάσματα ηλιακής ακτινοβολίας που παράγονται είναι ανεξάρτητα από τον τύπο της συσκευής — αλλά τα οργανικά ηλιακά στοιχεία αποτελούν ένα χρήσιμο παράδειγμα επίδειξης (δείτε ??).

Αφού δημιουργηθεί η προσομοίωση, μεταβείτε στην καρτέλα "Οπτικά" και κάντε κλικ στο εικονίδιο "Οπτική βάση δεδομένων" (δείτε ??). Αυτό θα ανοίξει τη βάση δεδομένων, όπου μπορείτε να δείτε, να δημιουργήσετε και να εισαγάγετε ηλιακά φάσματα.

Αφού επιλέξετε το στοιχείο της οπτικής βάσης δεδομένων, θα ανοίξει το παράθυρο της βάσης δεδομένων (δείτε ??). Εδώ μπορείτε να δείτε υπάρχοντα φάσματα, όπως τα AM1.5G, AM0, LED και λέιζερ. Για να δημιουργήσετε μια νέα εγγραφή, κάντε κλικ στο κουμπί "Προσθήκη φάσματος" στην δεξιά πλευρά. Αυτό θα ανοίξει ένα παράθυρο διαλόγου (δείτε ??) όπου μπορείτε να εισαγάγετε ένα όνομα για το νέο φάσμα. Σε αυτό το παράδειγμα, θα το ονομάσουμε Example.

Αφού επιβεβαιώσετε, θα εμφανιστεί ένα νέο εικονίδιο με την ετικέτα Example στο παράθυρο της βάσης δεδομένων. Κάνοντας διπλό κλικ σε αυτό το νέο στοιχείο, θα ανοίξει ο Επεξεργαστής Οπτικού Φάσματος (δείτε ??), όπου μπορείτε να δείτε, να επεξεργαστείτε ή να εισαγάγετε φασματικά δεδομένα.

3. Δημιουργία φασμάτων με τη χρήση της εφαρμογής «Δημιουργός Ηλιακού Φάσματος».

Από τον Επεξεργαστή Οπτικού Φάσματος (??), κάντε κλικ στην επιλογή "Δημιουργός ηλιακού φάσματος". Αυτό ανοίγει τον δημιουργό που εμφανίζεται στις εικόνες ??, ?? και ??. Το εργαλείο υλοποιεί το μοντέλο που περιγράφεται από τους Bird και Riordan (1986), "Απλό ηλιακό φασματικό μοντέλο για την άμεση και διάχυτη ακτινοβολία σε οριζόντιες και κεκλιμένες επιφάνειες στην επιφάνεια της Γης για ατμόσφαιρες χωρίς νέφη" (link), για να υπολογίσει το AM1.5G παράλληλα με τις υπολογιζόμενες συνολικές, άμεσες και διάχυτες συνιστώσες υπό συνθήκες που καθορίζονται από τον χρήστη.

Ώρα της ημέρας — Καθορίζει την ηλιακή ώρα. Καθώς ο ήλιος κινείται χαμηλότερα (πρωί/απόγευμα), η ηλιακή ζενιθιακή γωνία αυξάνεται, το μήκος της διαδρομής μέσω της ατμόσφαιρας αυξάνεται (μεγαλύτερη ατμοσφαιρική μάζα) και η απορρόφηση της υπεριώδους και ορατής ακτινοβολίας αυξάνεται· το φάσμα τείνει να μετατοπιστεί ελαφρώς προς το κόκκινο και το ποσοστό της διάχυτης ακτινοβολίας αυξάνεται.

Ημερομηνία (ημέρα του έτους) — Ελέγχει τη γεωμετρία της εποχής (κλίση). Οι ημερομηνίες του καλοκαιριού έχουν ως αποτέλεσμα υψηλότερη ηλιακή γωνία σε μια δεδομένη τοποθεσία, αυξάνοντας την άμεση ηλιακή ακτινοβολία· οι ημερομηνίες του χειμώνα τη μειώνουν. Αυτό εξηγεί τις διαφορές που παρατηρούνται μεταξύ των ?? και ??.

Γεωγραφικό πλάτος — Καθορίζει τη θέση του παρατηρητή. Σε χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη, παρατηρείται γενικά υψηλότερη μέγιστη γωνία ανύψωσης του ήλιου και, κατά συνέπεια, μικρότερη ατμοσφαιρική μάζα· σε υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη, η ατμόσφαιρα διανύεται σε μεγαλύτερο βαθμό, ενισχύοντας τις επιδράσεις της σκέδασης Rayleigh και των αερολυμάτων και μειώνοντας τη συνιστώσα της άμεσης ακτινοβολίας.

Πίεση — Προσεγγίζει το υψόμετρο/μετεωρολογικές συνθήκες. Η χαμηλότερη πίεση (σε μεγάλο υψόμετρο) μειώνει την μοριακή πυκνότητα και τη σκέδαση Rayleigh, αυξάνοντας τη διαπερατότητα στις μικρότερες μήκη κύματος· η υψηλότερη πίεση έχει το αντίθετο αποτέλεσμα.

Ο οπτικός βάθος αερολυμάτων (AOD) — αντιπροσωπεύει τη συγκέντρωση σωματιδίων (σκόνη/ρύπανση). Υψηλότερο AOD ενισχύει την εξασθένηση των αερολυμάτων, μειώνοντας την άμεση ακτινοβολία και μεταφέροντας ενέργεια στην διάχυτη ακτινοβολία. Συγκρίνετε την περίπτωση καθαρού αέρα με την περίπτωση μολυσμένου αέρα στην εικόνα ??.

Περιεκτικότητα σε νερό — Καθορίζει την ποσότητα υδρατμών. Η αύξηση αυτής της τιμής ενισχύει τις ζώνες απορρόφησης στην περιοχή του κοντινού υπέρυθρου (π.χ., γύρω στα 940 nm και άνω), μειώνοντας την ακτινοβολία υπέρυθρου, ενώ η ορατή περιοχή του φάσματος επηρεάζεται λιγότερο.

Ρυθμίστε αυτές τις παραμέτρους για να δημιουργήσετε φάσματα που είναι προσαρμοσμένα στις συγκεκριμένες συνθήκες και χαρακτηριστικά της τοποθεσίας και, στη συνέχεια, εξάγετε το αποτέλεσμα για να το χρησιμοποιήσετε σε άλλα στάδια της διαδικασίας προσομοίωσης.

4. Σύγκριση των AM1.5G, Iglobal, Idirect και Idiffuse.

Κατά την εκτέλεση του προγράμματος δημιουργίας ηλιακού φάσματος, τα αποτελέσματα απεικονίζονται παράλληλα με το τυπικό φάσμα αναφοράς AM1.5G. Αυτή η αναφορά χρησιμοποιείται ευρέως στην φωτοβολταϊκή τεχνολογία ως σημείο αναφοράς για τη δοκιμή και τη σύγκριση της απόδοσης των ηλιακών κυψελών σε συνθήκες "1 ήλιου".

Επιπλέον, η γεννήτρια παράγει τρεις συνιστώσες της ηλιακής ακτινοβολίας:

• Iglobal: Η συνολική ακτινοβολία που φτάνει σε μια οριζόντια επιφάνεια στο επίπεδο του εδάφους. Είναι το άθροισμα της Idirect και της Idiffuse και αποτελεί το φάσμα που χρησιμοποιείται στο OghmaNano για τις τελικές προσομοιώσεις φωτοβολταϊκών συσκευών.
• Idirect: Η μη διασκορπισμένη, συγκεντρωμένη ακτίνα που ταξιδεύει απευθείας από τον ηλιακό δίσκο προς την επιφάνεια. Κυριαρχεί σε συνθήκες καθαρού ουρανού και υψηλής ηλιακής γωνίας, αλλά μειώνεται σημαντικά σε συνθήκες ομίχλης, ρύπανσης ή σε μεγάλες ατμοσφαιρικές μάζες (π.χ., πρωί/βράδυ, υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη).
• Idiffuse: Το διάχυτο συστατικό που προέρχεται από μόρια, αερολύματα και σωματίδια στην ατμόσφαιρα. Γεμίζει τον ουράνιο θόλο και αποκτά μεγαλύτερη σημασία όταν η άμεση ακτινοβολία εξασθενεί – για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια συννεφιασμένων, ομιχλώδων ή ρυπογόνων συνθηκών.

Σύγκριση με το AM1.5G: Το φάσμα AM1.5G είναι ουσιαστικά ένα σταθερό πρότυπο που αντιπροσωπεύει την παγκόσμια ηλιακή ακτινοβολία σε μια ατμοσφαιρική μάζα 1,5 και μια γωνία κλίσης τυπική για τις μέσες γεωγραφικές περιοχές. Αντίθετα, οι προσομοιωμένες καμπύλες της παγκόσμιας, της άμεσης και της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας μεταβάλλονται δυναμικά ανάλογα με την τοποθεσία, την εποχή, την ώρα της ημέρας και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Η σύγκρισή τους επιτρέπει να διαπιστώσουμε πώς οι πραγματικές συνθήκες αποκλίνουν από την "ιδανική" περίπτωση του AM1.5G.