クイックスタート：Solar Spectrum Generator の概要

このクイックスタートでは、OghmaNano の Solar Spectrum Generator を使用して、 地表における太陽分光放射照度をシミュレーションします。このツールは標準の AM1.5G 太陽スペクトル とともに、計算された 全天、直達、 および 散乱 放射照度成分を出力します。これらのスペクトルはエクスポートして、 光学または太陽光発電デバイスシミュレーションに直接適用できます。

1. 背景：

このジェネレータは、 Bird と Riordan（1986）による Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres に基づいており、Journal of Applied Meteorology and Climatology に掲載されています （link）。 このモデルは、太陽光発電および大気科学における 太陽放射照度モデリング に広く使用されています。

スペクトルは、主要な大気過程、すなわちレイリー散乱、オゾン・気体・水蒸気による吸収、 さらにエアロゾルおよび粒子状物質による減衰を考慮して計算されます。 入力パラメータには、時刻、日付、緯度、高度、および圧力、 エアロゾル光学的厚さ、水蒸気量などの大気条件が含まれます。

これらの制御により、太陽スペクトル が環境によってどのように変化するかを調べることができます。 たとえば、太陽高度が低い（朝／夕方）とエアマスが増加し、スペクトルは赤方化し、 水蒸気量が多いと近赤外吸収帯が強まります。エアロゾルや汚染が増えると 直達放射照度は減少し、散乱成分は増加します。北京のような汚染都市のスペクトルは、 ロンドンや清浄な高地サイトのものとは大きく異なります。

異なる条件下でスペクトルを生成して比較することは、大気および環境要因が デバイス照明にどのように影響するかを示すのに役立ちます。ベンチマーク用として、 標準試験条件下で約 1000 W m⁻² に積分される 標準 AM1.5G スペクトルが含まれています。

2. はじめに：

まず、メインメニューの File リボンから New simulation ウィンドウを開きます。 このチュートリアルでは Organic solar cell の例を選択します （?? を参照）。 利用可能な任意のデバイスを選択できます。生成される太陽スペクトルはデバイスタイプとは独立です。 ただし、有機太陽電池は有用な実演例になります （?? を参照）。

シミュレーションを作成したら、Optical リボンに移動して Optical database アイコンをクリックします （?? を参照）。 これにより、太陽スペクトルを表示、生成、インポートできるデータベースが開きます。

Optical database 項目を選択すると、データベースウィンドウが開きます （?? を参照）。 ここでは AM1.5G、AM0、LED、レーザーなどの既存スペクトルを確認できます。新しい項目を作成するには、 右側の Add Spectra ボタンをクリックします。これによりダイアログが開き （?? を参照）、 新しいスペクトルの名前を入力できます。この例では Example とします。

確認後、データベースウィンドウに Example というラベルの新しいアイコンが表示されます。 この新しい項目をダブルクリックすると、Optical Spectrum Editor が開きます （?? を参照）。 ここではスペクトルデータを表示、編集、またはインポートできます。

3. Solar Spectrum Generator によるスペクトル生成

Optical Spectrum Editor （??） から、Solar spectrum generator をクリックします。これにより ??、 ??、および ?? に示すジェネレータが開きます。このツールは Bird と Riordan（1986）によるモデル Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres （link） を実装しており、ユーザー定義条件下で AM1.5G とともに計算された全天、直達、散乱成分を求めます。

時刻 — 太陽時を設定します。太陽が低くなる（朝／夕方）ほど天頂角は増加し、 大気中の光路長は長くなり（エアマス増加）、UV／可視の減衰は増加します。スペクトルはやや赤方化し、 散乱成分の割合が増加する傾向があります。

日付（年内日） — 季節的な幾何（赤緯）を制御します。夏の日付では、ある地点における 太陽高度が高くなり、直達放射照度が増加します。冬の日付ではこれが低下します。これが ?? と ?? の違いを説明します。

緯度 — 観測地点を設定します。低緯度では一般に太陽の最大高度が高く、 したがってエアマスは小さくなります。高緯度では大気通過量が増え、レイリー散乱および エアロゾル効果が強まり、直達成分は減少します。

圧力 — 高度／気象を近似します。低圧（高地）では分子密度が低下し、 レイリー散乱が減少するため、短波長透過率が増加します。高圧では逆になります。

エアロゾル光学的厚さ（AOD） — 粒子状負荷（霞／汚染）を表します。AOD が大きいほど エアロゾル消衰が強くなり、直達ビームは抑制され、エネルギーは散乱成分へ移ります。 清浄な場合と汚染された場合を ?? で比較してください。

水分量 — 可降水量を設定します。これを増やすと近赤外吸収帯（たとえば 940 nm 付近およびそれ以上）が深くなり、IR 放射照度は減少しますが、 可視の大部分への影響は比較的小さくなります。

これらの制御を調整して、サイトおよび条件に固有のスペクトルを生成し、その後 シミュレーションワークフローの他の場所で使用するために結果をエクスポートしてください。

4. AM1.5G、I_global、I_direct、I_diffuse の比較

Solar Spectrum Generator を実行すると、結果は標準の AM1.5G 基準スペクトル と並べてプロットされます。この基準は 太陽光発電において、“1 sun” 条件下での太陽電池性能の試験および比較の ベンチマークとして広く用いられています。

さらに、このジェネレータは太陽放射照度の 3 つの成分を出力します：

• I_global: 地表の水平面に到達する全放射照度。 これは I_direct と I_diffuse の和であり、 OghmaNano では最終的な太陽光発電デバイスシミュレーションに使用される スペクトルです。
• I_direct: 太陽円盤から表面へ直接到達する、散乱を受けていない コリメートされたビーム。晴天で太陽高度が高い場合に支配的ですが、霞、汚染、 または大きなエアマス条件（たとえば朝／夕方や高緯度）では大きく減少します。
• I_diffuse: 大気中の分子、エアロゾル、粒子状物質から生じる 散乱成分。これは天空全体を満たし、直達ビームが減衰したとき、 たとえば曇天、霞、または汚染条件で重要性が増します。

AM1.5G との比較： AM1.5G スペクトルは本質的に固定された標準であり、 エアマス 1.5 および中緯度に典型的な傾斜角における I_global を表します。 これに対して、シミュレーションされた I_global、 I_direct、および I_diffuse の曲線は、 位置、季節、時刻、および大気条件に応じて動的に変化します。これらを比較することで、 実環境条件が「理想化された」AM1.5G 条件からどのように逸脱するかを確認できます。