Hmotnost vzduchu (sluneční energie) - Air mass (solar energy)

Hmotnost vzduchu koeficient definuje přímou délku optické dráhy skrze v zemské atmosféře , vyjádřený jako poměr vzhledem k délce dráhy ve svislém směru nahoru, tedy v zenitu . Koeficient hmotnosti vzduchu lze použít k charakterizaci slunečního spektra poté, co sluneční záření prošlo atmosférou.

Koeficient hmotnosti vzduchu se běžně používá k charakterizaci výkonu solárních článků za standardizovaných podmínek a často se na něj odkazuje pomocí syntaxe „AM“ následované číslem. „AM1,5“ je téměř univerzální při charakterizaci pozemských panelů generujících energii .

Popis

Účinná teplota , nebo černé těleso teploty, slunce (5777 K), je teplota černé těleso o stejné velikosti, musí mít, čímž se získá stejný celkový emisní energii.

Spektrum slunečního záření nad atmosférou a na povrchu

Sluneční záření těsně odpovídá radiátoru černého tělesa při asi 5800 K. Při průchodu atmosférou je sluneční světlo oslabeno rozptylem a absorpcí ; čím více atmosféry prochází, tím větší je útlum .

Jak sluneční světlo cestuje atmosférou, chemikálie interagují se slunečním zářením a absorbují určité vlnové délky, čímž mění množství světla s krátkou vlnovou délkou dopadajícího na zemský povrch. Aktivnější složkou tohoto procesu je vodní pára, která má za následek širokou škálu absorpčních pásem na mnoha vlnových délkách, zatímco molekulární dusík, kyslík a oxid uhličitý se k tomuto procesu přidávají. V době, kdy dosáhne zemského povrchu, je spektrum silně omezeno mezi daleko infračerveným a blízkým ultrafialovým zářením.

Atmosférický rozptyl hraje roli při odstraňování vyšších frekvencí z přímého slunečního světla a jeho rozptylu po obloze. To je důvod, proč se obloha jeví modře a slunce žlutě-více vysokofrekvenčního modrého světla přichází k pozorovateli nepřímými rozptýlenými cestami; a přímou cestu sleduje méně modrého světla, které dává slunci žlutý nádech. Čím větší je vzdálenost v atmosféře, kterou sluneční světlo cestuje, tím je tento efekt větší, a proto slunce vypadá za úsvitu a západu slunce oranžově nebo červeně, když sluneční světlo cestuje velmi šikmo atmosférou - postupně je více modrých a zelených odstraněny z přímých paprsků, což dává slunci oranžový nebo červený vzhled; a obloha vypadá růžově - protože blues a greeny jsou rozptýleny po tak dlouhých cestách, které jsou před příchodem k pozorovateli velmi zeslabeny, což má za úsvitu a západu slunce charakteristickou růžovou oblohu.

Definice

Pro délku dráhy atmosférou a sluneční záření dopadající pod úhlem vzhledem k normálu k zemskému povrchu je koeficient hmotnosti vzduchu: ${\ displaystyle L}$ ${\ Displaystyle z}$

{\ displaystyle AM ​​= {\ frac {L} {L _ {\ mathrm {o}}}}}

( A.1 )

kde je délka dráhy v zenitu (tj. normální k zemskému povrchu) na úrovni moře . ${\ displaystyle L _ {\ mathrm {o}}}$

Počet hmotností vzduchu je tedy závislý na výškové dráze Slunce po obloze, a proto se mění podle denní doby a podle ročních období v roce a podle zeměpisné šířky pozorovatele.

Výpočet

Atmosférické efekty na optický přenos lze modelovat tak, jako by se atmosféra soustředila přibližně v nižších 9 km.

Aproximace hmotnosti vzduchu prvního řádu je dána vztahem

{\ Displaystyle AM ​​\ cca {\ frac {1} {\ cos \, z}} \,}

( A.1 )

kde je úhel zenitu ve stupních. ${\ Displaystyle z}$

Výše uvedená aproximace přehlíží konečnou výšku atmosféry a předpovídá nekonečnou vzduchovou hmotu na obzoru. Je však přiměřeně přesný pro hodnoty až kolem 75 °. K přesnějšímu modelování tloušťky cesty k horizontu byla navržena řada vylepšení, jako například ta, kterou navrhli Kasten a Young (1989): ${\ Displaystyle z}$

{\ Displaystyle AM ​​= {\ frac {1} {\ cos \, z+0,50572 \, (96.07995-z)^{-1.6364}}} \,}

( A.2 )

Podrobnější seznam takových modelů je uveden v hlavním článku Airmass pro různé atmosférické modely a experimentální datové sady. Na úrovni hladiny moře je hmotnost vzduchu směrem k obzoru ( = 90 °) přibližně 38. ${\ Displaystyle z}$

Modelování atmosféry jako jednoduché sférické skořápky poskytuje rozumnou aproximaci:

{\ Displaystyle AM ​​= {\ sqrt {(r \ cos z)^{2}+2r+1}} \;-\; r \ cos z \,}

( A.3 )

kde poloměr Země = 6371 km, efektivní výška atmosféry ≈ 9 km a jejich poměr ≈ 708. ${\ displaystyle R _ {\ mathrm {E}}}$ ${\ displaystyle y _ {\ mathrm {atm}}}$ ${\ displaystyle r = R _ {\ mathrm {E}}/y _ {\ mathrm {atm}}}$

Tyto modely jsou porovnány v následující tabulce:

Odhady součinitele vzdušné hmotnosti na hladině moře
${\ Displaystyle z}$	Plochá Země	Kasten & Young	Sférická skořápka
stupeň	( A.1 )	( A.2 )	( A.3 )
0 °	1,0	1,0	1,0
60 °	2.0	2.0	2.0
70 °	2.9	2.9	2.9
75 °	3.9	3.8	3.8
80 °	5.8	5.6	5.6
85 °	11.5	10.3	10.6
88 °	28.7	19.4	20.3
90 °	${\ displaystyle \ infty}$	37,9	37,6

To znamená, že pro tyto účely lze považovat atmosféru za účinně koncentrovanou kolem dna 9 km, tj. V podstatě všechny atmosférické efekty jsou způsobeny atmosférickou hmotou v dolní polovině troposféry . Toto je užitečný a jednoduchý model při zvažování atmosférických účinků na sluneční intenzitu.

Případy

AM0

Spektrum mimo atmosféru, aproximované černým tělesem 5800 K, se označuje jako „AM0“, což znamená „nulová atmosféra“. Solární články používané pro aplikace v oblasti vesmírné energie, jako jsou ty na komunikačních družicích , jsou obecně charakterizovány pomocí AM0.

AM1

Spektrum po cestě atmosférou na hladinu moře se sluncem přímo nad hlavou se z definice označuje jako „AM1“. To znamená „jedna atmosféra“. AM1 ( = 0 °) až AM1.1 ( = 25 °) je užitečný rozsah pro odhad výkonu solárních článků v rovníkových a tropických oblastech. ${\ Displaystyle z}$ ${\ Displaystyle z}$

AM1.5

Solární panely obecně nepracují pod přesně jednou tloušťkou atmosféry: pokud je slunce pod úhlem k povrchu Země, efektivní tloušťka bude větší. Mnoho z hlavních světových populačních center, potažmo solárních zařízení a průmyslu, v celé Evropě, Číně, Japonsku, Spojených státech amerických i jinde (včetně severní Indie, jižní Afriky a Austrálie) leží v mírných zeměpisných šířkách. Číslo AM představující spektrum ve středních zeměpisných šířkách je proto mnohem běžnější.

„AM1,5“, tloušťka 1,5 atmosféry, odpovídá úhlu slunečního zenitu = 48,2 °. Zatímco číslo AM v létě pro střední šířky ve středních částech dne je menší než 1,5, vyšší hodnoty platí ráno a večer a v jiných obdobích roku. Proto je AM1,5 užitečné k reprezentaci celkového ročního průměru pro střední zeměpisné šířky. Specifická hodnota 1,5 byla vybrána v 70. letech pro účely standardizace na základě analýzy údajů o slunečním záření v souběžných Spojených státech. Od té doby solární průmysl používá AM1.5 pro všechny standardizované testy nebo hodnocení terestrických solárních článků nebo modulů, včetně těch, které se používají v koncentračních systémech. Nejnovější standardy AM1.5 týkající se fotovoltaických aplikací jsou ASTM G-173 a IEC 60904, všechny jsou odvozeny ze simulací získaných pomocí kódu SMARTS . ${\ Displaystyle z}$

Osvětlení pro denní světlo ( tato verze ) pod AM1,5 je udáváno 109 870 luxů (odpovídá spektru AM 1,5 až 1 000,4 W/m ² ).

AM2 ~ 3

AM2 ( = 60 °) až AM3 ( = 70 °) je užitečný rozsah pro odhad celkového průměrného výkonu solárních článků instalovaných ve vysokých zeměpisných šířkách, například v severní Evropě. Podobně AM2 až AM3 je užitečné pro odhad zimního výkonu v mírných zeměpisných šířkách, např. Koeficient vzdušné hmotnosti je v zimě vyšší než 2 ve všech denních hodinách v zeměpisných šířkách až 37 °. ${\ Displaystyle z}$ ${\ Displaystyle z}$

AM38

AM38 je obecně považován za vzduchovou hmotu v horizontálním směru ( = 90 °) na úrovni hladiny moře. V praxi však existuje vysoký stupeň variability sluneční intenzity přijímané v úhlech blízko horizontu, jak je popsáno v další části Intenzita slunečního záření . ${\ Displaystyle z}$

Ve vyšších nadmořských výškách

Relativní hmotnosti nasávaného vzduchu je pouze funkcí úhlu zenitu Slunce, a proto se nemění s lokálním převýšením. Naopak absolutní hmotnost vzduchu, která se rovná relativní hmotnosti vzduchu vynásobené místním atmosférickým tlakem a dělenou standardním tlakem (hladina moře), klesá s nadmořskou výškou. U solárních panelů instalovaných ve vysokých nadmořských výškách, např. V oblasti Altiplano , je možné použít nižší absolutní čísla AM než pro odpovídající šířku na úrovni hladiny moře: čísla AM menší než 1 směrem k rovníku a odpovídajícím způsobem nižší čísla, než je uvedeno výše pro jiné zeměpisné šířky. Tento přístup je však přibližný a nedoporučuje se. Nejlepší je simulovat skutečné spektrum na základě relativní hmotnosti vzduchu (např. 1,5) a skutečných atmosférických podmínek pro konkrétní nadmořskou výšku kontrolovaného místa.

Intenzita slunečního záření

Intenzita slunečního záření na kolektoru se snižuje s rostoucím koeficientem vzdušné hmoty, ale vzhledem ke komplexním a proměnlivým atmosférickým faktorům, které se vyskytují, ne jednoduchým nebo lineárním způsobem. Například téměř veškeré vysokoenergetické záření je odstraněno v horních vrstvách atmosféry (mezi AM0 a AM1), takže AM2 není dvakrát tak špatný jako AM1. Kromě toho existuje velká variabilita v mnoha faktorech přispívajících k atmosférickému útlumu, jako je vodní pára, aerosoly, fotochemický smog a účinky teplotních inverzí . V závislosti na úrovni znečištění ovzduší se celkový útlum může měnit až o ± 70% směrem k horizontu, což výrazně ovlivňuje výkonnost zejména směrem k horizontu, kde jsou účinky nižších vrstev atmosféry mnohonásobně zesíleny.

Jeden model aproximace sluneční intenzity versus vzdušná hmotnost je dán vztahem:

{\ Displaystyle I = 1,1 \ krát I _ {\ mathrm {o}} \ krát 0,7^{(AM^{0,678})} \,}

( I.1 )

kde sluneční intenzita mimo zemskou atmosféru = 1,353 kW/m ² , a faktor 1,1 je odvozen za předpokladu, že difúzní složka je 10% přímé složky. ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {o}}}$

Tento vzorec se pohodlně vejde do středního rozsahu očekávané variability na základě znečištění:

Intenzita slunečního záření vs. úhel zenitu a součinitel vzdušné hmoty AM ${\ Displaystyle z}$
${\ Displaystyle z}$	DOPOLEDNE	dosah kvůli znečištění	vzorec ( I.1 )	ASTM G-173
stupeň		W/m ²	W/m ²	W/m ²
-	0	1367	1353	1347,9
0 °	1	840 .. 1130 = 990 ± 15%	1040
23 °	1,09	800 .. 1110 = 960 ± 16%	1020
30 °	1.15	780 .. 1100 = 940 ± 17%	1010
45 °	1,41	710 .. 1060 = 880 ± 20%	950
48,2 °	1.5	680 .. 1050 = 870 ± 21%	930	1000,4
60 °	2	560 .. 970 = 770 ± 27%	840
70 °	2.9	430 .. 880 = 650 ± 34%	710
75 °	3.8	330 .. 800 = 560 ± 41%	620
80 °	5.6	200 .. 660 = 430 ± 53%	470
85 °	10	85 .. 480 = 280 ± 70%	270
90 °	38		20

To ukazuje, že značný výkon je k dispozici jen několik stupňů nad horizontem. Například když je slunce více než asi 60 ° nad horizontem ( <30 °), je sluneční intenzita asi 1000 W/m ² (z rovnice I.1, jak je uvedeno v tabulce výše), zatímco když je slunce pouze 15 ° nad horizontem ( = 75 °) je sluneční intenzita stále asi 600 W/m ² nebo 60% své maximální úrovně; a pouhých 5 ° nad horizontem stále 27% maxima. ${\ Displaystyle z}$ ${\ Displaystyle z}$

Ve vyšších nadmořských výškách

Jeden přibližný model pro zvýšení intenzity s nadmořskou výškou a přesností na několik kilometrů nad mořem je dán:

{\ displaystyle I = 1,1 \ times I _ {\ mathrm {o}} \ times [(1-h/7.1) 0.7^{(AM)^{0.678})}+h/7.1] \,}

( I.2 )

kde je výška slunečního kolektoru nad hladinou moře v km a je vzdušná hmota (od A.2 ), jako kdyby byl kolektor instalován na úrovni hladiny moře. ${\ Displaystyle h}$ ${\ displaystyle AM}$

Alternativně by vzhledem k významným praktickým variabilitám mohl být pro odhad AM použit homogenní sférický model za použití:

{\ Displaystyle AM ​​= {\ sqrt {(r+c) ^{2} \ cos ^{2} z+(2r+1+c) (1-c)}} \;-\; (r+c) \ cos z \,}

( A.4 )

kde normalizované výšky atmosféry a kolektoru jsou ≈ 708 (jak je uvedeno výše) a . ${\ displaystyle r = R _ {\ mathrm {E}}/y _ {\ mathrm {atm}}}$ ${\ Displaystyle c = h/y _ {\ mathrm {atm}}}$

A pak výše uvedenou tabulku nebo příslušnou rovnici ( I.1 nebo I.3 nebo I.4 pro průměrný, znečištěný nebo čistý vzduch) lze použít k odhadnutí intenzity z AM normálním způsobem.

Tyto aproximace na I.2 a A.4 jsou vhodné pro použití pouze v nadmořských výškách několika kilometrů nad mořem, což znamená, že snižují na výkonnostní úrovně AM0 pouze kolem 6 a 9 km. Naproti tomu velká část útlumu složek s vysokou energií se vyskytuje v ozonové vrstvě - ve vyšších nadmořských výškách kolem 30 km. Tyto aproximace jsou proto vhodné pouze pro odhad výkonu pozemních kolektorů.

Účinnost solárních článků

Silikonové solární články nejsou příliš citlivé na části spektra ztracené v atmosféře. Výsledné spektrum při zemském povrchu lépe odpovídá bandgap z křemíku , aby křemíkové solární články jsou účinnější při AM1 než AP0. Tento zjevně neintuitivní výsledek vzniká jednoduše proto, že křemíkové články nemohou příliš využívat záření s vysokou energií, které atmosféra odfiltruje. Jak je znázorněno níže, přestože účinnost je u AM0 nižší, celkový výstupní výkon ( P _out ) pro typický solární článek je stále nejvyšší u AM0. Naopak tvar spektra se s dalším nárůstem atmosférické tloušťky významně nemění, a proto se účinnost článku pro čísla AM nad 1 výrazně nemění.

Výstupní výkon vs. součinitel vzdušné hmoty
DOPOLEDNE	Intenzita slunečního záření	Výstupní výkon	Účinnost
	P _ve W/m ²	P _out W/m ²	P _out / P _in
0	1350	160	12%
1	1000	150	15%
2	800	120	15%

To ilustruje obecnější bod, který uvádí, že sluneční energie je „volná“ a kde dostupný prostor není omezením, další faktory, jako je celkový P _out a P _out, jsou často důležitějšími faktory než účinnost ( P _out /P _in ).

Languages

In other projects