Швидкий старт: огляд генератора сонячного спектра.

У цьому короткому посібнику ми використовуємо генератор сонячного спектра OghmaNano для моделювання сонячної спектральної інтенсийності на поверхні Землі. Цей інструмент генерує стандартний сонячний спектр AM1.5G, а також обчислює глобальні, прямі та розсіяні компоненти інтенсийності. Ці спектри можна експортувати та безпосередньо використовувати в моделюванні оптичних пристроїв або фотоелектричних установок.

1. Передумови:

Генератор базується на простій сонячній спектральній моделі для розрахунку прямої та розсіяної сонячної радіації на горизонтальних і похилих площинах на поверхні Землі для безхмарної атмосфери, розробленій Бердом і Ріорданом (1986), і опублікованій у журналі «Застосовна метеорологія та кліматологія» (link). Ця модель широко використовується для моделювання сонячної радіації у фотоелектриці та атмосферних науках.

Спектр розраховується з урахуванням основних атмосферних процесів: розсіювання Релея, поглинання озоном, газами та водяною парою, а також ослаблення, спричинене аерозолями та твердими частинками. Вхідні параметри включають час доби, дату, широту, висоту та атмосферні умови, такі як тиск, оптична товщина аерозольного шару та вміст водяної пари.

За допомогою цих налаштувань ви можете вивчити, як сонячний спектр змінюється залежно від умов навколишнього середовища. Наприклад, менший кут нахилу сонця (вранці/ввечері) збільшує масу повітря та спричиняє червоне зміщення спектра, тоді як високий вміст водяної пари посилює смуги поглинання в ближній інфрачервоній області. Збільшення кількості аерозолів або забруднення зменшує пряме випромінювання та збільшує розсіяну складову — спектри для забрудненого міста, як-от Пекін, значно відрізняються від спектрів для Лондона або чистого місця, розташованого на великій висоті.

Створення та порівняння спектрів за різних умов допомагає продемонструвати, як атмосферні та екологічні фактори впливають на освітлення пристрою. Для порівняльного аналізу використовується стандартний спектр AM1.5G, інтегральне значення якого становить приблизно 1000 Вт/м² за стандартних умов тестування.

2. Початок роботи:

Для початку відкрийте вікно «Нова симуляція» на стрічці «Файл» у головному меню. Для цього навчального посібника ми виберемо приклад органічної сонячної батареї (див. ??). Ви можете обрати будь-який із доступних пристроїв — спектри сонячного випромінювання, що генеруються, не залежать від типу пристрою, — але органічні сонячні батареї є корисним прикладом для демонстрації (див. ??).

Після створення моделі перейдіть на вкладку «Оптика» та натисніть на піктограму бази даних оптики (див. ??). Відкриється база даних, де можна переглядати, створювати та імпортувати сонячні спектри.

Після того, як ви оберете потрібний елемент в оптичній базі даних, відкриється вікно бази даних (див. ??). Тут ви зможете побачити наявні спектри, такі як AM1.5G, AM0, світлодіоди та лазери. Щоб створити новий запис, натисніть кнопку «Додати спектр» у правій частині вікна. Відкриється діалогове вікно (див. ??), де ви зможете ввести назву для нового спектра. У цьому прикладі ми назвемо його Example.

Після підтвердження в вікні бази даних з’явиться нова іконка з позначкою Example. Подвійне клацання по цій новій іконці відкриє редактор оптичного спектру (див. ??), де ви зможете переглядати, редагувати або імпортувати спектральні дані.

3. Створення спектрів за допомогою генератора сонячного спектра.

У редакторі оптичного спектра (??) натисніть «Генератор сонячного спектра». Відкриється генератор, зображений на ??, ?? і ??. Цей інструмент реалізує модель, описану Бердом і Ріорданом (1986), – «Проста модель сонячного спектра для прямого та розсіяного випромінювання на горизонтальних і похилих площинах на поверхні Землі для безхмарної атмосфери» (link), і використовується для обчислення AM1.5G разом із розрахованими глобальними, прямими та розсіяними компонентами за заданих користувачем умов.

Час доби — визначає сонячну годину. У міру того, як сонце опускається нижче (вранці/ввечері), кут зеніту збільшується, довжина шляху, який промінь проходить через атмосферу, зростає (збільшується об’єм повітря), і посилюється поглинання ультрафіолетового/видимого випромінювання; спектр дещо зміщується в бік червоного кольору, і збільшується частка розсіяного випромінювання.

Дата (день року) — визначає сезонну геометрію (схилення). Літні дати забезпечують вищу кутову висоту Сонця в певній місцевості, що збільшує пряме сонячне випромінювання; зимові дати зменшують його. Це пояснює відмінності, які спостерігаються між ?? і ??.

Широта — визначає місцезнаходження спостерігача. У нижчих широтах зазвичай спостерігається більша максимальна висота Сонця над горизонтом, а отже, менша маса повітря; у високих широтах світло проходить більшу відстань в атмосфері, що посилює ефекти розсіювання Релея та аерозолів і зменшує пряму складову.

Тиск — приблизно відображає висоту/метеорологічні умови. Нижчий тиск (на великій висоті) зменшує молекулярну щільність і розсіювання Релея, збільшуючи пропускну здатність коротких хвиль; вищий тиск чинить зворотний вплив.

Оптична товщина аерозольного шару (ОТА) — відображає концентрацію твердих частинок (димка/забруднення). Зі збільшенням ОТА посилюється розсіювання аерозолю, що зменшує інтенсивність прямого променя та передає енергію до дифузної складової. Порівняйте чистий варіант із забрудненим варіантом у ??.

Вміст води — визначає кількість водяної пари, яка може конденсуватися. Збільшення цього показника посилює смуги поглинання в ближній інфрачервоній області спектра (наприклад, навколо 940 нм і далі), зменшуючи інтенсивність інфрачервоного випромінювання, при цьому більша частина видимого спектра залишається майже незмінною.

Відрегулюйте ці параметри, щоб створити спектри, що відповідають конкретним характеристикам об’єкта та умовам, а потім експортуйте отримані дані для подальшого використання в процесі моделювання.

4. Порівняння стандартів AM1.5G, Iglobal, Idirect та Idiffuse.

Під час роботи генератора сонячного спектра результати відображаються разом зі стандартним еталонним спектром AM1.5G. Цей еталон широко використовується у фотоелектриці як зразок для тестування та порівняння характеристик сонячних елементів в умовах, що імітують «одне сонце».

Генератор додатково надає інформацію про три складові сонячної радіації:

• Iglobal: загальна сонячна радіація, що досягає горизонтальної поверхні на рівні землі. Це сума прямої (Idirect) та розсіяної (Idiffuse) радіацій, і саме цей спектр використовується в OghmaNano для остаточного моделювання фотоелектричних пристроїв.
• Пряме сонячне проміння: нерозсіяний, сфокусований промінь, який безпосередньо досягає поверхні від сонячного диска. Воно переважає за чистого неба та високого положення Сонця, але значно зменшується за наявності туману, забруднення або при великій оптичній масі атмосфери (наприклад, вранці/ввечері, у високих широтах).
• Дифузне розсіювання: розсіяна складова, що виникає внаслідок молекул, аерозолів і твердих частинок в атмосфері. Воно заповнює небесну сферу і стає більш значущим, коли пряме сонячне проміння послаблюється, наприклад, під час хмарної, туманної або забрудненої погоди.

Порівняння з AM1.5G: спектр AM1.5G по суті є фіксованим стандартом, що представляє собою глобальне сонячне випромінювання при атмосферній масі 1,5 і куті нахилу, типовому для середніх широт. На відміну від цього, змодельовані криві глобального, прямого та розсіяного сонячного випромінювання динамічно змінюються залежно від місцевості, пори року, часу доби та атмосферних умов. Порівняння цих кривих дає змогу побачити, наскільки реальні умови відрізняються від «ідеалізованого» випадку AM1.5G.