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

Коэффициент воздушной массы определяет длину прямого оптического пути через атмосферу Земли , выраженную как отношение к длине пути вертикально вверх, то есть в зените . Коэффициент воздушной массы можно использовать для определения характеристик солнечного спектра после того, как солнечное излучение прошло через атмосферу.

Коэффициент воздушной массы обычно используется для характеристики характеристик солнечных элементов в стандартных условиях и часто упоминается с использованием синтаксиса «AM», за которым следует число. «АМ1.5» практически универсален при характеристике наземных энергетических панелей .

Описание

Эффективная температура , или черное тело температуры, Солнца (5777 К) температура черного тела одного и того же размера должен иметь , чтобы получить ту же самую полную мощность излучения.

Спектр солнечного излучения над атмосферой и у поверхности

Солнечное излучение близко соответствует излучению черного тела при температуре около 5800 К. Когда оно проходит через атмосферу, солнечный свет ослабляется за счет рассеяния и поглощения ; 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, который приводит к появлению широкого спектра 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 более высоких частот от прямого солнечного света и его рассеивании по небу. Вот почему небо кажется голубым, а солнце желтым - больше высокочастотного синего света достигает наблюдателя через непрямые рассеянные пути; и меньше синего света следует по прямому пути, придавая солнцу желтый оттенок. Чем больше расстояние в атмосфере, через которое проходит солнечный свет, тем сильнее этот эффект, поэтому солнце выглядит оранжевым или красным на рассвете и на закате, когда солнечный свет движется очень наклонно через атмосферу - постепенно увеличивается количество синих и зеленых оттенков. 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 через атмосферу и солнечного излучения, падающего под углом относительно нормали к поверхности Земли, коэффициент воздушной массы равен: ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle z}$

{\ Displaystyle AM ​​= {\ гидроразрыва {L} {L _ {\ mathrm {o}}}}}

( А.1 )

где - длина трассы в зените (т. е. перпендикулярно поверхности Земли) на уровне моря . ${\ Displaystyle L _ {\ mathrm {o}}}$

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 )

где - зенитный угол в градусах. ${\ displaystyle z}$

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

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

( А.2 )

Более полный список таких моделей представлен в основной статье Airmass для различных атмосферных моделей и наборов экспериментальных данных. На уровне моря воздушная масса к горизонту ( = 90 °) составляет примерно 38. ${\ displaystyle z}$

Моделирование атмосферы как простой сферической оболочки дает разумное приближение:

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

( А.3 )

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

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 в пределах 9 км дна, т.е. практически все атмосферные эффекты обусловлены атмосферной массой в нижней половине тропосферы . Это полезная и простая модель при рассмотрении влияния атмосферы на солнечную интенсивность.

Случаи

AM0

Спектр вне атмосферы, аппроксимируемый черным телом с температурой 5800 К, обозначается как «AM0», что означает «нулевые атмосферы». Солнечные элементы, используемые для космических энергетических приложений, например, на спутниках 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 ( = 0 °) - AM1.1 ( = 25 °) - полезный диапазон для оценки характеристик солнечных элементов в экваториальных и тропических регионах. ${\ displaystyle z}$ ${\ displaystyle z}$

AM1.5

Солнечные панели обычно не работают при толщине ровно одной атмосферы: если солнце находится 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 умеренных широтах. Поэтому число AM, представляющее спектр в средних широтах, гораздо более распространено.

«AM1,5», толщина 1,5 атмосферы, соответствует зенитному углу Солнца = 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. 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. Последние стандарты AM1.5, относящиеся к фотоэлектрическим приложениям, - это ASTM G-173 и IEC 60904, все они получены на основе моделирования, полученного с помощью кода SMARTS . ${\ displaystyle z}$

Освещенность для дневного света ( эта версия ) при AM1.5 составляет 109 870 люкс (соответствует 1000,4 Вт / м ² для спектра AM 1.5 ).

AM2 ~ 3

AM2 ( = 60 °) - AM3 ( = 70 °) - полезный диапазон для оценки общей средней производительности солнечных элементов, 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 °. ${\ displaystyle z}$ ${\ displaystyle z}$

AM38

AM38 обычно считается воздушной массой в горизонтальном направлении ( = 90 °) на уровне моря. Однако на практике существует высокая степень изменчивости интенсивности солнечного излучения, полученной под углами, близкими к горизонту, как описано в следующем разделе « Интенсивность солнечного излучения» . ${\ displaystyle z}$

На больших высотах

Относительная масса воздуха является функция только от зенитного угла Солнца, и , следовательно , не меняется с местным возвышением. И наоборот, абсолютная 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 больших высотах, например в районе Альтиплано , 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 указано выше для другие широты. Однако этот подход является приблизительным и не рекомендуется. Лучше всего смоделировать фактический спектр на основе относительной воздушной массы (например, 1,5) и реальных атмосферных условий для конкретной высоты исследуемой площадки.

Солнечная интенсивность

Интенсивность солнечного излучения в коллекторе уменьшается с увеличением коэффициента воздушной массы, но из-за сложных и переменных атмосферных факторов, а не просто или линейно. Например, почти все высокоэнергетическое излучение удаляется в верхних слоях атмосферы (между AM0 и AM1), поэтому AM2 не вдвое хуже, чем AM1. Кроме того, существует большая изменчивость многих факторов, способствующих ослаблению в атмосфере, таких как водяной пар, аэрозоли, фотохимический смог и эффекты температурных инверсий . 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.

Одна приближенная модель для солнечной интенсивности в зависимости от воздушной массы дается следующим образом:

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

( I.1 )

где интенсивность солнечного излучения вне атмосферы Земли = 1,353 кВт / м ² , а коэффициент 1,1 получен при условии, что диффузная составляющая составляет 10% от прямой составляющей. ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {o}}}$

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

Зависимость солнечной интенсивности от зенитного угла и коэффициента воздушной массы AM ${\ displaystyle z}$
${\ displaystyle z}$	ЯВЛЯЮСЬ	диапазон из-за загрязнения	формула ( I.1 )	ASTM G-173
степень		Вт / м ²	Вт / м ²	Вт / м 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

Это показывает, что значительная мощность доступна только на нескольких градусах над горизонтом. Например, когда солнце находится более чем на 60 ° над горизонтом ( <30 °), солнечная интенсивность составляет около 1000 Вт / м ² (из уравнения I.1, как показано в приведенной выше таблице), тогда как когда солнце только 15 ° над горизонтом ( = 75 °) солнечная интенсивность все еще составляет около 600 Вт / м ² или 60% от максимального уровня; и всего лишь на 5 ° над горизонтом все еще 27% от максимума. ${\ displaystyle z}$ ${\ displaystyle z}$

На больших высотах

Примерная модель увеличения интенсивности с высотой и с точностью до нескольких километров над уровнем моря дается следующим образом:

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

( I.2 )

где - высота солнечного коллектора над уровнем моря в км, а - воздушная масса (из А.2 ), как если бы коллектор был установлен на уровне моря. ${\ displaystyle h}$ ${\ displaystyle AM}$

В качестве альтернативы, учитывая значительную практическую изменчивость, можно применить однородную сферическую модель 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 ≈ 708 (см. выше) и . ${\ displaystyle r = R _ {\ mathrm {E}} / y _ {\ mathrm {atm}}}$ ${\ Displaystyle с = ч / у _ {\ mathrm {атм}}}$

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

Эти приближения в I.2 и A.4 подходят для использования только на высотах в несколько километров над уровнем моря, подразумевая, как они это делают, снижение до уровней характеристик 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. Следовательно, эти приближения подходят только для оценки производительности наземных коллекторов.

КПД солнечных батарей

Кремниевые солнечные элементы не очень чувствительны к участкам спектра, потерянным в атмосфере. Результирующий спектр на поверхности Земли более тесно совпадает с шириной запрещенной зоны из кремния , так кремниевые солнечные элементы являются более эффективными при AM1 , чем AM0. Этот очевидно противоречащий интуиции результат возникает просто потому, что кремниевые элементы не могут много использовать высокоэнергетическое излучение, которое фильтрует атмосфера. Как показано ниже, даже несмотря на то, что КПД ниже при AM0, общая выходная мощность ( P _out ) для типичного солнечного элемента все еще самая высокая при AM0. И наоборот, форма спектра существенно не меняется при дальнейшем увеличении толщины атмосферы, и, следовательно, эффективность ячейки не сильно меняется для значений AM выше 1.

Выходная мощность в зависимости от коэффициента воздушной массы
ЯВЛЯЮСЬ	Солнечная интенсивность	Выходная мощность	Эффективность
	P _в Вт / м ²	P _вых Вт / м ²	Р _из / Р _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 общие P _out и P _out , часто являются более важными факторами, чем эффективность ( P _out / P _in ).

Languages

In other projects