Воздушная масса (солнечная энергия) - Air mass (solar energy)

В коэффициент воздушной массы определяет прямой длина оптического пути сквозь Атмосфера Земли, выражается как отношение длины пути вертикально вверх, т.е. зенит. Коэффициент воздушной массы можно использовать для определения характеристик солнечного спектра после солнечная радиация путешествовал по атмосфере.

Коэффициент воздушной массы обычно используется для характеристики производительности солнечные батареи в стандартных условиях, и часто используется синтаксис «AM», за которым следует число. «АМ1.5» практически универсален при характеристике наземной энергетики. панели.

Описание

В эффективная температура, или же черное тело Температура Солнца (5777 К) - это температура, которую должно иметь черное тело такого же размера, чтобы иметь такую же общую мощность излучения.

Спектр солнечного излучения над атмосферой и у поверхности

Солнечное излучение близко соответствует черное тело радиатор около 5800 К.^[1]Проходя через атмосферу, солнечный свет ослабляется рассеяние и поглощение; чем больше атмосферы, через которую он проходит, тем больше затухание.

Когда солнечный свет проходит через атмосферу, химические вещества взаимодействуют с солнечным светом и поглощают определенные длины волн, изменяя количество коротковолнового света, достигающего поверхности Земли. Более активным компонентом этого процесса является водяной пар, что приводит к появлению большого количества полос поглощения. на многих длинах волн, в то время как молекулярный азот, кислород и углекислый газ добавляют к этому процессу. К тому времени, когда он достигает поверхности Земли, спектр сильно ограничивается дальним инфракрасным и ближним ультрафиолетовым диапазоном.

Атмосферное рассеяние играет роль в удалении высоких частот от прямого солнечного света и рассеивании его по небу.^[2]Вот почему небо кажется голубым, а солнце желтым - больше высокочастотного синего света достигает наблюдателя по непрямым рассеянным путям; и меньше синего света следует по прямому пути, придавая солнцу желтый оттенок.^[3]Чем больше расстояние в атмосфере, через которое проходит солнечный свет, тем сильнее этот эффект, поэтому на рассвете и на закате солнце выглядит оранжевым или красным, когда солнечный свет движется очень наклонно через атмосферу - все больше синего и зеленого становятся удаляется от прямых лучей, придавая солнцу оранжевый или красный цвет; и небо кажется розовым - потому что синие и зеленые цвета разбросаны по таким длинным дорожкам, что они сильно ослабляются перед достижением наблюдателя, что приводит к характерному розовому небу на рассвете и закате.

Определение

Для длины пути ${ displaystyle L}$ через атмосферу, а солнечное излучение падает под углом ${ displaystyle z}$ относительно нормали к поверхности Земли коэффициент воздушной массы равен:^[4]

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

(А.1)

куда ${ Displaystyle L _ { mathrm {o}}}$ это длина пути на зенит (т. е. перпендикулярно поверхности Земли) на уровень моря.

Таким образом, количество воздушных масс зависит от пути Солнца по небу и, следовательно, меняется в зависимости от времени суток, смены времен года и широты наблюдателя.

Расчет

Атмосферные эффекты на оптическое пропускание можно смоделировать так, как если бы атмосфера концентрировалась примерно в нижних 9 км.

Приближение первого порядка для воздушной массы дается выражением

{ Displaystyle AM ​​ приблизительно { гидроразрыва {1} { cos , z}} ,}

(А.1)

куда ${ displaystyle z}$ это зенитный угол в градусах.

Приведенное выше приближение не учитывает конечную высоту атмосферы и предсказывает бесконечную воздушную массу на горизонте. Однако он достаточно точен для значений ${ displaystyle z}$ примерно до 75 °. Был предложен ряд усовершенствований для более точного моделирования толщины пути к горизонту, например, предложенный Kasten и Young (1989):^[5]

{ displaystyle AM ​​= { frac {1} { cos , z + 0.50572 , (96.07995-z) ^ {- 1.6364}}} ,}

(А.2)

Более полный список таких моделей представлен в основной статье. Масса воздуха, для различных атмосферных моделей и наборов экспериментальных данных. На уровне моря воздушная масса ближе к горизонту ( ${ displaystyle z}$ = 90 °) составляет примерно 38.^[6]

Моделирование атмосферы как простой сферической оболочки дает разумное приближение:^[7]

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

(А.3)

где радиус Земли ${ displaystyle R _ { mathrm {E}}}$ = 6371 км, эффективная высота атмосферы ${ Displaystyle у _ { mathrm {атм}}}$ ≈ 9 км, а их отношение ${ displaystyle r = R _ { mathrm {E}} / y _ { mathrm {atm}}}$ ≈ 708.

Эти модели сравниваются в таблице ниже:

Оценки коэффициента воздушной массы на уровне моря
${ displaystyle z}$	Плоская Земля	Kasten & Young	Сферическая оболочка
степень	(А.1)	(А.2)	(А.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

Это означает, что для этих целей можно считать, что атмосфера эффективно сконцентрирована примерно в 9 км дна,^[8] т.е. практически все атмосферные эффекты связаны с атмосферной массой в нижней половине Тропосфера. Это полезная и простая модель при рассмотрении влияния атмосферы на солнечную интенсивность.

Случаи

AM0

Спектр вне атмосферы, аппроксимированный черным телом с температурой 5800 К, обозначается как «AM0», что означает «нулевая атмосфера». Солнечные элементы, используемые для космической энергетики, например, на спутники связи обычно характеризуются с помощью AM0.

AM1

Спектр после прохождения через атмосферу до уровня моря, когда солнце находится прямо над головой, по определению называется «AM1». Это означает «одна атмосфера» .AM1 ( ${ displaystyle z}$ = 0 °) до AM1.1 ( ${ displaystyle z}$ = 25 °) - полезный диапазон для оценки производительности солнечных элементов в экваториальный и тропический регионы.

AM1.5

Солнечные панели обычно не работают при толщине ровно одной атмосферы: если солнце расположено под углом к поверхности Земли, эффективная толщина будет больше. Многие из основных населенных пунктов мира, а, следовательно, и солнечные установки и промышленность в Европе, Китае, Японии, Соединенных Штатах Америки и других местах (включая северную Индию, юг Африки и Австралию) расположены в умеренный широты. Поэтому число AM, представляющее спектр в средних широтах, гораздо более распространено.

«AM1,5», толщина 1,5 атмосферы, соответствует зенитному углу Солнца ${ displaystyle z}$ = 48,2 °. В то время как летнее значение AM для средних широт в середине дня составляет менее 1,5, более высокие значения применяются утром и вечером, а также в другое время года. Следовательно, AM1.5 полезен для представления общего годового среднего значения для средних широт. Конкретное значение 1,5 было выбрано в 1970-х годах для целей стандартизации на основе анализа данных солнечной радиации на территории Соединенных Штатов.^[9] С тех пор солнечная промышленность использует AM1.5 для всех стандартизированных испытаний или оценок наземных солнечных элементов или модулей, включая те, которые используются в концентрирующих системах. Последними стандартами AM1.5, относящимися к фотоэлектрическим приложениям, являются ASTM G-173.^[10]^[11] и IEC 60904, все получены из моделирования, полученного с помощью СМАРТС код.

Освещенность для Дневной свет (эта версия) под A.M.1.5 дается как 109 870 люкс (соответствует 1000,4 Вт / м² для спектра AM 1.5).

AM2 ~ 3

AM2 ( ${ displaystyle z}$ = 60 °) до AM3 ( ${ displaystyle z}$ = 70 °) - полезный диапазон для оценки общей средней производительности солнечных батарей, установленных в высоких широтах, например в северной Европе. Аналогично AM2 - AM3 полезны для оценки зимних характеристик в умеренных широтах, например Коэффициент воздушной массы больше 2 в любое время дня зимой на широтах до 37 °.

AM38

AM38 обычно рассматривается как воздушная масса в горизонтальном направлении ( ${ displaystyle z}$ = 90 °) на уровне моря.^[6]Однако на практике существует высокая степень изменчивости интенсивности солнечного излучения, полученной под углами, близкими к горизонту, как описано в следующем разделе. Солнечная интенсивность.

На больших высотах

В относительный воздушная масса является функцией только зенитного угла Солнца и, следовательно, не изменяется с местным возвышением. И наоборот, абсолютный Воздушная масса, равная относительной воздушной массе, умноженной на местное атмосферное давление и деленной на стандартное (на уровне моря) давление, уменьшается с высотой над уровнем моря. Для солнечных панелей, установленных на большой высоте, например в Альтиплано региона, можно использовать более низкие абсолютные числа AM, чем для соответствующей широты на уровне моря: числа AM меньше 1 по направлению к экватору и, соответственно, более низкие числа, чем перечисленные выше для других широт. Однако этот подход является приблизительным и не рекомендуется. Лучше всего смоделировать реальный спектр на основе относительной массы воздуха (например, 1,5) и действительный атмосферные условия для конкретной отметки исследуемой площадки.

Солнечная интенсивность

Интенсивность солнечной энергии в коллекторе уменьшается с увеличением коэффициента воздушной массы, но из-за сложных и переменных атмосферных факторов, а не простым или линейным образом. Например, почти все высокоэнергетическое излучение удаляется в верхних слоях атмосферы (между AM0 и AM1) Таким образом, AM2 не в два раза хуже, чем AM1. Кроме того, существует большая изменчивость многих факторов, влияющих на атмосферное затухание,^[12]например, водяной пар, аэрозоли, фотохимический смог и эффекты температурные инверсии.В зависимости от уровня загрязнения воздуха, общее затухание может изменяться до ± 70% по направлению к горизонту, что сильно влияет на характеристики, особенно в направлении горизонта, где влияние нижних слоев атмосферы многократно усиливается.

Примерная модель зависимости интенсивности солнечного излучения от массы воздуха выражается следующим образом:^[13]^[14]

{ displaystyle I = 1,1 times I _ { mathrm {o}} times 0,7 ^ {(AM ^ {0,678})} ,}

(I.1)

где солнечная интенсивность вне атмосферы Земли ${ displaystyle I _ { mathrm {o}}}$ = 1,353 кВт / м², а коэффициент 1,1 получен в предположении, что диффузная составляющая составляет 10% от прямой составляющей.^[13]

Эта формула удобно вписывается в средний диапазон ожидаемой изменчивости на основе загрязнения:

Солнечная интенсивность в зависимости от зенитного угла ${ displaystyle z}$ и коэффициент воздушной массы AM
${ displaystyle z}$	ЯВЛЯЮСЬ	диапазон из-за загрязнения^[12]	формула (I.1)	ASTM G-173^[11]
степень		Вт / м²	Вт / м²	Вт / м²
-	0	1367^[15]	1353	1347.9^[16]
0°	1	840 .. 1130 = 990 ± 15%	1040
23°	1.09	800 .. 1110 = 960 ± 16%^[17]	1020
30°	1.15	780 .. 1100 = 940 ± 17%	1010
45°	1.41	710 .. 1060 = 880 ± 20%^[17]	950
48.2°	1.5	680 .. 1050 = 870 ± 21%^[17]	930	1000.4^[18]
60°	2	560 .. 970 = 770 ± 27%	840
70°	2.9	430 .. 880 = 650 ± 34%^[17]	710
75°	3.8	330 .. 800 = 560 ± 41%^[17]	620
80°	5.6	200 .. 660 = 430 ± 53%	470
85°	10	85 .. 480 = 280 ± 70%	270
90°	38		20

Это показывает, что значительная мощность доступна только на нескольких градусах над горизонтом. Например, когда солнце находится более чем на 60 ° над горизонтом ( ${ displaystyle z}$ <30 °) солнечная интенсивность около 1000 Вт / м² (из уравнения I.1 как показано в таблице выше), тогда как когда солнце находится всего на 15 ° над горизонтом ( ${ displaystyle z}$ = 75 °) солнечная интенсивность все еще составляет около 600 Вт / м² или 60% от его максимального уровня; и всего лишь на 5 ° над горизонтом все еще 27% от максимума.

На больших высотах

Примерная модель увеличения интенсивности с высотой и с точностью до нескольких километров над уровнем моря дается следующим образом:^[13]^[19]

{ displaystyle I = 1,1 times I _ { mathrm {o}} times [(1-h / 7,1) 0,7 ^ {(AM) ^ {0,678})} + h / 7,1] ,}

(I.2)

куда ${ displaystyle h}$ высота солнечного коллектора над уровнем моря в км и ${ displaystyle AM}$ это воздушная масса (от А.2) будто коллектор установлен на уровне моря.

В качестве альтернативы, учитывая значительную практическую изменчивость, однородная сферическая модель может применяться для оценки AM, используя:

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

(А.4)

где нормированные высоты атмосферы и коллектора соответственно ${ displaystyle r = R _ { mathrm {E}} / y _ { mathrm {atm}}}$ ≈ 708 (как указано выше) и ${ Displaystyle с = ч / у _ { mathrm {атм}}}$ .

А затем приведенная выше таблица или соответствующее уравнение (I.1 или же I.3 или же I.4 для среднего, загрязненного или чистого воздуха соответственно) может использоваться для оценки интенсивности по AM обычным способом.

Эти приближения при I.2 и А.4 подходят для использования только на высоте нескольких километров над уровнем моря, что подразумевает снижение до уровня AM0 только примерно на 6 и 9 км соответственно. Напротив, большая часть ослабления высокоэнергетических компонентов происходит в озоновом слое - на больших высотах около 30 км.^[20]Следовательно, эти приближения подходят только для оценки производительности наземных коллекторов.

КПД солнечных батарей

Кремниевые солнечные элементы не очень чувствительны к участкам спектра, теряемым в атмосфере. Результирующий спектр на поверхности Земли более точно соответствует запрещенная зона из кремний поэтому кремниевые солнечные элементы более эффективны при AM1, чем AM0. Этот явно противоречащий интуиции результат возникает просто потому, что кремниевые элементы не могут в значительной степени использовать высокоэнергетическое излучение, которое фильтрует атмосфера. Как показано ниже, даже несмотря на то, что эффективность ниже при AM0 общая выходная мощность (п_из) для типичного солнечного элемента все еще является самым высоким при AM0. И наоборот, форма спектра существенно не изменяется при дальнейшем увеличении толщины атмосферы, и, следовательно, эффективность элемента не сильно меняется для значений AM выше 1.

Выходная мощность в зависимости от коэффициента воздушной массы
ЯВЛЯЮСЬ	Солнечная интенсивность	Выходная мощность	Эффективность
	п_в Вт / м²	п_из Вт / м²	п_из / П_в
0	1350	160	12%
1	1000	150	15%
2	800	120	15%

Это иллюстрирует более общий момент: учитывая, что солнечная энергия «бесплатна», и там, где доступное пространство не является ограничением, другие факторы, такие как общая п_из и п_из часто важнее, чем эффективность (п_из/П_в).

Смотрите также

Примечания и ссылки

^ или, точнее, 5777 К, как указано в НАСА Исследование Солнечной системы - Солнце: факты и цифры В архиве 2015-07-03 в Wayback Machine получено 27 апреля 2011 г. "Эффективная температура ... 5777 K"
^ Также статью Рассеянное излучение неба.
^ Желтый - это цветной негатив сине-желтый - это совокупный цвет того, что остается после рассеяния, удаляет немного синего из «белого» солнечного света.
^ Питер Вюрфель (2005). Физика солнечных батарей. Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 3-527-40857-6.
^ Кастен Ф. и Янг А. Т. (1989). Пересмотренные оптические таблицы воздушных масс и приближенная формула. Прикладная оптика 28:4735–4738.
^ ^а ^б Основная статья Масса воздуха сообщает значения в диапазоне от 36 до 40 для различных атмосферных моделей
^ Шенберг, Э. (1929). Теоретическая фотометрия, ж) Über die Extinktion des Lichtes in der Erdatmosphäre. В Handbuch der Astrophysik. Группа II, erste Hälfte. Берлин: Springer.
^ Основная статья Масса воздуха сообщает значения в диапазоне от 8 до 10 км для различных атмосферных моделей
^ Gueymard, C .; Myers, D .; Эмери, К. (2002). «Предлагаемые эталонные спектры излучения для тестирования систем солнечной энергии». Солнечная энергия. 73 (6): 443–467. Bibcode:2002SoEn ... 73..443G. Дои:10.1016 / S0038-092X (03) 00005-7.
^ Эталонная спектральная энергетическая освещенность: масса воздуха 1,5 NREL получено 1 мая 2011 г.
^ ^а ^б Эталонная солнечная спектральная освещенность: ASTM G-173 ASTM получено 1 мая 2011 г.
^ ^а ^б Планирование и установка фотоэлектрических систем: руководство для монтажников, архитекторов и инженеров, 2-е изд. (2008), Таблица 1.1, Earthscan с Международный институт окружающей среды и развития, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie. ISBN 1-84407-442-0.
^ ^а ^б ^c ПВКДРОМ получено 1 мая 2011 г., Стюарт Боуден и Кристиана Хонсберг, Лаборатории солнечной энергии, Университет штата Аризона
^ Майнель, А.Б. и Майнель, М.П. (1976). Прикладная солнечная энергия Addison Wesley Publishing Co.
^ В Earthscan для справки используется 1367 Вт / м² как солнечная интенсивность вне атмосферы.
^ Стандарт ASTM G-173 измеряет интенсивность солнечного излучения в диапазоне от 280 до 4000.нм.

^ ^а ^б ^c ^d ^е Интерполировано из данных в Earthscan ссылка с использованием подходящего Оценка методом наименьших квадратов варианты уравнения I.1:

для загрязненного воздуха:

{ displaystyle I = 1,1 times I _ { mathrm {o}} times 0,56 ^ {(AM ^ {0,715})} ,}

(I.3)

для чистого воздуха:

{ displaystyle I = 1,1 times I _ { mathrm {o}} times 0,76 ^ {(AM ^ {0,618})} ,}

(I.4)

^ Стандарт ASTM G-173 измеряет интенсивность солнечного излучения в условиях «аэрозольной нагрузки в сельской местности», то есть в условиях чистого воздуха - таким образом, стандартное значение близко соответствует максимуму ожидаемого диапазона.
^ Лауэ, Э. Г. (1970), Измерение спектральной освещенности Солнца на разных высотах Земли, Солнечная энергия, т. 13, нет. 1, с. 43-50, IN1-IN4, 51-57, 1970.
^ R.L.F. Бойд (ред.) (1992). Астрономическая фотометрия: руководство, раздел 6.4. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-7923-1653-3.

[NASA5777K-1] или, точнее, 5777 К, как указано в НАСА Исследование Солнечной системы - Солнце: факты и цифры В архиве 2015-07-03 в Wayback Machine получено 27 апреля 2011 г. "Эффективная температура ... 5777 K"

[2] Также статью Рассеянное излучение неба.

[3] Желтый - это цветной негатив сине-желтый - это совокупный цвет того, что остается после рассеяния, удаляет немного синего из «белого» солнечного света.

[4] Питер Вюрфель (2005). Физика солнечных батарей. Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 3-527-40857-6.

[5] Кастен Ф. и Янг А. Т. (1989). Пересмотренные оптические таблицы воздушных масс и приближенная формула. Прикладная оптика 28:4735–4738.

[AM38-6] а ^б Основная статья Масса воздуха сообщает значения в диапазоне от 36 до 40 для различных атмосферных моделей

[7] Шенберг, Э. (1929). Теоретическая фотометрия, ж) Über die Extinktion des Lichtes in der Erdatmosphäre. В Handbuch der Astrophysik. Группа II, erste Hälfte. Берлин: Springer.

[8] Основная статья Масса воздуха сообщает значения в диапазоне от 8 до 10 км для различных атмосферных моделей

[Gueymard2002-9] Gueymard, C .; Myers, D .; Эмери, К. (2002). «Предлагаемые эталонные спектры излучения для тестирования систем солнечной энергии». Солнечная энергия. 73 (6): 443–467. Bibcode:2002SoEn ... 73..443G. Дои:10.1016 / S0038-092X (03) 00005-7.

[NREL-10] Эталонная спектральная энергетическая освещенность: масса воздуха 1,5 NREL получено 1 мая 2011 г.

[G173-11] а ^б Эталонная солнечная спектральная освещенность: ASTM G-173 ASTM получено 1 мая 2011 г.

[Earthscan-12] а ^б Планирование и установка фотоэлектрических систем: руководство для монтажников, архитекторов и инженеров, 2-е изд. (2008), Таблица 1.1, Earthscan с Международный институт окружающей среды и развития, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie. ISBN 1-84407-442-0.

[PVCDROM-13] а ^б ^c ПВКДРОМ получено 1 мая 2011 г., Стюарт Боуден и Кристиана Хонсберг, Лаборатории солнечной энергии, Университет штата Аризона

[Meinel-14] Майнель, А.Б. и Майнель, М.П. (1976). Прикладная солнечная энергия Addison Wesley Publishing Co.

[15] В Earthscan для справки используется 1367 Вт / м² как солнечная интенсивность вне атмосферы.

[16] Стандарт ASTM G-173 измеряет интенсивность солнечного излучения в диапазоне от 280 до 4000.нм.

[interpolation-17] а ^б ^c ^d ^е Интерполировано из данных в Earthscan ссылка с использованием подходящего Оценка методом наименьших квадратов варианты уравнения I.1:
для загрязненного воздуха:
${ displaystyle I = 1,1 times I _ { mathrm {o}} times 0,56 ^ {(AM ^ {0,715})} ,}$

(I.3)
для чистого воздуха:
${ displaystyle I = 1,1 times I _ { mathrm {o}} times 0,76 ^ {(AM ^ {0,618})} ,}$

(I.4)

[18] Стандарт ASTM G-173 измеряет интенсивность солнечного излучения в условиях «аэрозольной нагрузки в сельской местности», то есть в условиях чистого воздуха - таким образом, стандартное значение близко соответствует максимуму ожидаемого диапазона.

[19] Лауэ, Э. Г. (1970), Измерение спектральной освещенности Солнца на разных высотах Земли, Солнечная энергия, т. 13, нет. 1, с. 43-50, IN1-IN4, 51-57, 1970.

[20] R.L.F. Бойд (ред.) (1992). Астрономическая фотометрия: руководство, раздел 6.4. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-7923-1653-3.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]