Szybki start: Omówienie generatora widma słonecznego.

W tym krótkim przewodniku wykorzystujemy generator widma słonecznego OghmaNano do symulacji widma promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi. Narzędzie to generuje standardowe widmo słoneczne AM1.5G oraz obliczone składowe promieniowania globalnego, bezpośredniego i rozproszonego. Wygenerowane widma można eksportować i bezpośrednio wykorzystywać w symulacjach urządzeń optycznych lub fotowoltaicznych.

1. Wprowadzenie:

Generator opiera się na prostym modelu spektralnym promieniowania słonecznego, uwzględniającym promieniowanie bezpośrednie i rozproszone na poziomej i nachylonej powierzchni na powierzchni Ziemi, w warunkach bezchmurnej atmosfery, opracowanym przez Birda i Riordana w 1986 roku i opublikowanym w czasopiśmie „Journal of Applied Meteorology and Climatology” (link). Model ten jest powszechnie stosowany do modelowania promieniowania słonecznego w fotowoltaice i naukach o atmosferze.

Widmo obliczane jest z uwzględnieniem głównych procesów atmosferycznych: rozpraszania Rayleigha, absorpcji przez ozon, gazy i parę wodną, a także tłumienia przez aerozole i cząstki stałe. Parametry wejściowe obejmują porę dnia, datę, szerokość geograficzną, wysokość oraz warunki atmosferyczne, takie jak ciśnienie, optyczna głębokość aerozoli i zawartość pary wodnej.

Dzięki tym funkcjom można badać, jak widmo promieniowania słonecznego zmienia się w zależności od warunków środowiskowych. Na przykład, niższy kąt padania promieni słonecznych (rano/wieczorem) zwiększa masę powietrza i powoduje przesunięcie widma w stronę czerwieni, natomiast wysoka zawartość pary wodnej wzmacnia pasma absorpcji w zakresie bliskiej podczerwieni. Zwiększona ilość aerozoli lub zanieczyszczeń zmniejsza bezpośrednie promieniowanie i zwiększa składową rozproszoną – widma dla zanieczyszczonego miasta, takiego jak Pekin, różnią się znacznie od widm dla Londynu lub czystego miejsca położonego na dużej wysokości.

Generowanie i porównywanie spektrów w różnych warunkach pozwala zademonstrować, w jaki sposób czynniki atmosferyczne i środowiskowe wpływają na oświetlenie urządzenia. W celu porównania wykorzystywany jest standardowy spektrum AM1.5G, którego całkowita wartość wynosi około 1000 W/m² w standardowych warunkach testowych.

2. Jak zacząć:

Na początek otwórz okno „Nowa symulacja” w menu „Plik”. W ramach tego samouczka wybierzemy przykład organicznej ogniwa słonecznego (zobacz ??). Możesz wybrać dowolne dostępne urządzenie – generowane spektrum promieniowania słonecznego jest niezależne od typu urządzenia – ale organiczne ogniwa słoneczne stanowią dobry przykład do demonstracji (zobacz ??).

Po utworzeniu symulacji przejdź do sekcji „Optyczna” i kliknij ikonę bazy danych optycznej (patrz ??). Otworzy to bazę danych, w której można przeglądać, generować i importować widma słoneczne.

Po wybraniu elementu z bazy danych optycznych otworzy się okno bazy danych (patrz ??). Tutaj można zobaczyć istniejące widma, takie jak AM1.5G, AM0, diody LED i lasery. Aby utworzyć nowy wpis, kliknij przycisk „Dodaj widma” po prawej stronie. Otworzy się okno dialogowe (patrz ??), w którym można wprowadzić nazwę nowego widma. W tym przykładzie nazwiemy je Example.

Po potwierdzeniu w oknie bazy danych pojawi się nowa ikona oznaczona jako Example. Kliknięcie dwukrotne tej nowej ikony otworzy edytor widma optycznego (patrz ??), w którym można przeglądać, edytować lub importować dane spektralne.

3. Tworzenie widm za pomocą generatora widm słonecznych.

W programie Optical Spectrum Editor (??) kliknij opcję „Generator widma słonecznego”. Otworzy się okno generatora, jak pokazano na ilustracjach ??, ?? i ??. Narzędzie implementuje model opisany przez Birda i Riordana (1986), czyli „Uproszczony model widma słonecznego dla promieniowania bezpośredniego i rozproszonego na poziomej i nachylonej powierzchni na powierzchni Ziemi w bezchmurnej atmosferze” (link), aby obliczyć wartość AM1.5G oraz wyznaczyć globalne, bezpośrednie i rozproszone składowe promieniowania w warunkach określonych przez użytkownika.

Pora dnia — określa godzinę słoneczną. W miarę jak słońce przesuwa się niżej (rano/wieczorem), kąt zenitalny słońca wzrasta, długość promienia słonecznego przechodzącego przez atmosferę się wydłuża (zwiększa się masa powietrza), a osłabienie promieniowania UV i widzialnego wzrasta; widmo przesuwa się nieznacznie w kierunku czerwieni, a udział promieniowania rozproszonego się zwiększa.

Data (dzień roku) — kontroluje sezonową geometrię (deklinację). W letnich datach wysokość słońca w danym miejscu jest większa, co zwiększa bezpośrednie promieniowanie; w zimowych datach wysokość słońca jest mniejsza. To wyjaśnia różnice obserwowane między ?? a ??.

Szerokość geograficzna — określa położenie obserwatora. Obszary położone na niższych szerokościach geograficznych charakteryzują się zazwyczaj wyższym kątem maksymalnego wzniesienia Słońca, a co za tym idzie, mniejszą masą powietrza; na wyższych szerokościach geograficznych światło słoneczne pokonuje dłuższą drogę w atmosferze, co wzmacnia efekty rozpraszania Rayleigha i obecności aerozoli oraz zmniejsza udział promieniowania bezpośredniego.

Ciśnienie – przybliżona wartość wysokości/warunków meteorologicznych. Niższe ciśnienie (na większej wysokości) zmniejsza gęstość cząsteczek i rozpraszanie Rayleigha, zwiększając przepuszczalność promieniowania o krótkiej długości fali; wyższe ciśnienie działa odwrotnie.

Optyczna głębokość aerozolu (AOD) – odzwierciedla zawartość cząstek stałych w powietrzu (mgła/zanieczyszczenie). Wyższa wartość AOD zwiększa osłabienie promieniowania przez aerozole, tłumi bezpośrednie promieniowanie i przekazuje energię do składowej rozproszonej. Porównaj sytuację przy czystym powietrzu z sytuacją przy zanieczyszczonym powietrzu w ??.

Zawartość wody – określa ilość opadającej pary wodnej. Zwiększenie tej wartości powoduje pogłębienie pasm absorpcji w bliskiej podczerwieni (np. w okolicach 940 nm i wyżej), co zmniejsza promieniowanie podczerwone, przy minimalnym wpływie na większość zakresu widzialnego.

Dostosuj te parametry, aby wygenerować spektrum charakterystyczne dla danego miejsca i warunków, a następnie wyeksportuj wynik, aby wykorzystać go w innych etapach symulacji.

4. Porównanie parametrów AM1.5G, Iglobal, Idirect i Idiffuse.

Podczas uruchamiania programu Solar Spectrum Generator, wyniki są wyświetlane obok standardowego spektrum referencyjnego AM1.5G. To spektrum jest powszechnie stosowane w fotowoltaice jako punkt odniesienia do testowania i porównywania wydajności ogniw słonecznych w warunkach odpowiadających „jednemu nasłonecznieniu”.

Generator dodatkowo generuje trzy składowe promieniowania słonecznego:

• Iglobal: Całkowite promieniowanie docierające do poziomej powierzchni na poziomie gruntu. Jest to suma promieniowania bezpośredniego (Idirect) i promieniowania rozproszonego (Idiffuse) i stanowi spektrum wykorzystywane w OghmaNano do ostatecznych symulacji urządzeń fotowoltaicznych.
• Promieniowanie bezpośrednie: nie rozproszone, skupione promienie słoneczne, padające bezpośrednio z tarczy słonecznej na powierzchnię. Jest ono dominujące przy bezchmurnym niebie i wysokim położeniu słońca, ale znacznie słabnie w przypadku mgły, zanieczyszczeń lub przy dużej masie powietrza (np. rano/wieczorem, na wyższych szerokościach geograficznych).
• Idiffuse: Rozproszony składnik światła, powstający w wyniku obecności cząsteczek, aerozoli i zawiesin w atmosferze. Wypełnia on przestrzeń nieba i zyskuje na znaczeniu, gdy promieniowanie bezpośrednie jest osłabiane – na przykład podczas pochmurnej pogody, mgły lub zanieczyszczenia powietrza.

Porównanie z AM1.5G: Spektrum AM1.5G stanowi zasadniczo stałą normę, reprezentującą globalne promieniowanie słoneczne przy współczynniku masy powietrza wynoszącym 1,5 i kącie padania promieni typowym dla obszarów o średnich szerokościach geograficznych. W przeciwieństwie do tego, symulowane krzywe przedstawiające globalne, bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne zmieniają się dynamicznie w zależności od lokalizacji, pory roku, pory dnia i warunków atmosferycznych. Porównanie tych krzywych pozwala zobaczyć, w jaki sposób rzeczywiste warunki odbiegają od „idealizowanego” modelu AM1.5G.