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

The hmotnostní koeficient vzduchu definuje přímý délka optické dráhy skrz Atmosféra Země, vyjádřeno jako poměr vzhledem k délce dráhy svisle nahoru, tj. na zenit. Hmotnostní koeficient vzduchu lze použít k tomu, aby pomohl charakterizovat sluneční spektrum poté solární radiace cestoval atmosférou.

Hmotnostní koeficient vzduchu se běžně používá k charakterizaci výkonu solární články za standardizovaných podmínek a často se používá syntaxe „AM“ následovaná číslem. „AM1.5“ je téměř univerzální při charakterizaci pozemské výroby energie panely.

Popis

The efektivní teplota nebo černé tělo teplota Slunce (5777 K) je teplota, kterou musí mít černé těleso stejné velikosti, aby poskytlo stejnou celkovou emisní sílu.

Spektrum slunečního záření nad atmosférou a na povrchu

Sluneční záření úzce odpovídá a černé tělo radiátor při asi 5800 K.^[1]Při průchodu atmosférou je sluneční světlo tlumeno rozptyl a vstřebávání; čím více atmosféry prochází, tím větší je útlum.

Jak sluneční světlo prochází atmosférou, chemikálie interagují se slunečním světlem a absorbují určité vlnové délky a mění množství světla o krátké vlnové délce dopadajícího na zemský povrch. Aktivnější složkou tohoto procesu je vodní pára, což má za následek širokou škálu absorpčních pásem na mnoha vlnových délkách, zatímco se k tomuto procesu přidává molekulární dusík, kyslík a oxid uhličitý. V době, kdy dosáhne zemského povrchu, je spektrum silně omezeno mezi vzdálenou infračervenou oblastí a blízko ultrafialového záření.

Atmosférický rozptyl hraje roli při odstraňování vyšších frekvencí z přímého slunečního záření a jeho rozptylu po obloze.^[2]Proto se obloha jeví modrá a slunce žlutá - více vysokofrekvenčního modrého světla k pozorovateli přichází k nepřímému rozptýlenému chodníku; a méně modré světlo sleduje přímou cestu a dává slunci žlutý nádech.^[3]Čím větší je vzdálenost v atmosféře, kterou prochází sluneční světlo, tím větší je tento efekt, a proto slunce za úsvitu vypadá oranžově nebo červeně a západ slunce, když sluneční světlo prochází atmosférou velmi šikmo - postupně je více modrých a zelených odstraněn z přímých paprsků, což dává slunci oranžový nebo červený vzhled; a obloha se jeví jako růžová - protože blues a greeny jsou rozptýleny po tak dlouhých cestách, že jsou před příjezdem k pozorovateli velmi oslabené, což má za úsvitu a západu slunce charakteristické růžové nebe.

Definice

Pro délku cesty ${ displaystyle L}$ atmosférou a sluneční záření dopadající pod úhlem ${ displaystyle z}$ vzhledem k normále k zemskému povrchu je hmotnostní koeficient vzduchu:^[4]

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

(A.1)

kde ${ displaystyle L _ { mathrm {o}}}$ je délka cesty v zenit (tj. kolmá k povrchu Země) v hladina moře.

Počet hmotností vzduchu je tedy závislý na výškové dráze Slunce skrz oblohu, a proto se mění s denní dobou as ročními obdobími roku a se zeměpisnou šířkou pozorovatele.

Výpočet

Atmosférické účinky na optický přenos lze modelovat, jako by se atmosféra koncentrovala přibližně v dolních 9 km.

Aproximace prvního řádu pro hmotnost vzduchu je dána vztahem

${ displaystyle AM ​​ cca { frac {1} { cos , z}} ,}$

(A.1)

kde ${ displaystyle z}$ je zenitový úhel ve stupních.

Výše uvedená aproximace přehlíží konečnou výšku atmosféry a předpovídá nekonečnou vzdušnou hmotu na obzoru. Je však přiměřeně přesný pro hodnoty ${ displaystyle z}$ až kolem 75 °. Pro přesnější modelování tloušťky cesty k obzoru byla navržena řada vylepšení, jako například ta, kterou navrhli Kasten a Young (1989):^[5]

${ displaystyle AM ​​= { frac {1} { cos , z + 0,50572 , (96,07995-z) ^ {- 1,6364}}} ,}$

(A.2)

Podrobnější seznam takových modelů je uveden v hlavním článku Vzdušná hmota, pro různé atmosférické modely a experimentální soubory dat. Na hladině moře vzduchová hmota směrem k obzoru (${ displaystyle z}$ = 90 °) je přibližně 38.^[6]

Modelování atmosféry jako jednoduché sférické skořápky poskytuje rozumnou aproximaci:^[7]

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

(A.3)

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

Tyto modely jsou porovnány v následující tabulce:

Odhady koeficientu vzdušné hmoty 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 atmosféru považovat za účinně koncentrovanou kolem dna 9 km,^[8] tj. v podstatě všechny atmosférické účinky jsou způsobeny atmosférickou hmotou ve spodní polovině Troposféra. Jedná se o užitečný a jednoduchý model při zvažování atmosférických účinků na sluneční intenzitu.

Případy

• AM0

Spektrum mimo atmosféru, přibližované 5 800 K černým tělesem, se označuje jako „AM0“, což znamená „nulové atmosféry“. Solární články používané pro vesmírné energetické aplikace, jako jsou ty na komunikační satelity jsou obecně charakterizovány pomocí AM0.

• AM1

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

• AM1.5

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

„AM1,5“, tloušťka 1,5 atmosféry, odpovídá slunečnímu zenitovému úhlu ${ displaystyle z}$= 48,2 °. Zatímco letní číslo AM pro střední zeměpisné šířky ve středních částech dne je menší než 1,5, vyšší čísla platí ráno a večer a v jiných ročních obdobích. Proto je AM1.5 užitečný, aby představoval celkový roční průměr pro střední zeměpisné šířky. Specifická hodnota 1,5 byla vybrána v 70. letech pro účely standardizace na základě analýzy údajů o slunečním záření v sousedních Spojených státech.^[9] Od té doby používá solární průmysl AM1.5 pro všechny standardizované testy nebo hodnocení pozemských solárních článků nebo modulů, včetně těch, které se používají v koncentračních systémech. Nejnovějšími standardy AM1.5 týkajícími se fotovoltaických aplikací jsou ASTM G-173^[10][11] a IEC 60904, všechny odvozeny ze simulací získaných s SMARTS kód.

Osvětlení pro Denní světlo (tato verze) pod A.M.1.5 je uveden jako 109 870 luxů (odpovídá spektru A.M. 1,5 až 1 000,4 W / m²).

• AM2 ~ 3

AM2 (${ displaystyle z}$= 60 °) až AM3 (${ displaystyle z}$= 70 °) je užitečné rozmezí 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 zimní hmoty je větší než 2 ve všech hodinách dne v zimě v zeměpisných šířkách pouhých 37 °.

• AM38

AM38 je obecně považován za vzduchovou hmotu ve vodorovném směru (${ displaystyle z}$= 90 °) na hladině moře.^[6]V praxi však existuje vysoký stupeň variability sluneční intenzity přijímané v úhlech blízkých horizontu, jak je popsáno v následující části Intenzita slunečního záření.

• Ve vyšších nadmořských výškách

The relativní vzdušná hmota je pouze funkcí zenitového úhlu slunce, a proto se nemění s lokální elevací. Naopak absolutní hmotnost vzduchu, která se rovná relativní hmotnosti vzduchu vynásobené místním atmosférickým tlakem a dělená standardním tlakem (hladina moře), klesá s nadmořskou výškou. Pro solární panely instalované ve vysokých nadmořských výškách, např. v Altiplano regionu, je možné použít nižší absolutní čísla AM než pro příslušnou zeměpisnou šířku na hladině moře: čísla AM menší než 1 směrem k rovníku a odpovídající nižší čísla než uvedená výše pro ostatní zeměpisné šířky. Tento přístup je však přibližný a nedoporučuje se. Nejlepší je simulovat skutečné spektrum na základě relativní hmotnosti vzduchu (např. 1,5) a aktuální atmosférické podmínky pro konkrétní nadmořskou výšku lokality pod kontrolou.

Intenzita slunečního záření

Intenzita slunečního záření v kolektoru klesá se zvyšujícím se koeficientem vzdušné hmoty, ale vzhledem ke složitým a proměnlivým atmosférickým faktorům, které se na tom podílejí, ne jednoduchým nebo lineárním způsobem. Například téměř veškeré vysokoenergetické záření je odstraněno v horních vrstvách atmosféry (mezi AM0 a AM1). a tak AM2 není dvakrát tak špatný jako AM1. Kromě toho existuje velká variabilita mnoha faktorů přispívajících k atmosférickému útlumu,^[12]jako vodní pára, aerosoly, fotochemický smog a účinky teplotní inverze V závislosti na úrovni znečištění ovzduší se může celkový útlum měnit až o 70% směrem k horizontu, což výrazně ovlivňuje výkonnost zejména směrem k horizontu, kde jsou účinky spodních vrstev atmosféry mnohonásobně zesíleny.

Jeden přibližný model solární intenzity proti vzdušné hmotě je dán vztahem:^[13][14]

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

(I.1)

kde sluneční intenzita vnější vůči zemské atmosféře ${ displaystyle I _ { mathrm {o}}}$ = 1,353 kW / m²a faktor 1,1 je odvozen za předpokladu, že difúzní složka je 10% přímé složky.^[13]

Tento vzorec pohodlně zapadá do středního rozsahu očekávané variability založené na znečištění:

Sluneční intenzita vs. zenitový úhel ${ displaystyle z}$ a součinitel vzdušné hmotnosti AM

${ displaystyle z}$	DOPOLEDNE	dosah kvůli znečištění[12]	vzorec (I.1)	ASTM G-173[11]
stupeň		W / m2	W / m2	W / m2
-	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

To ilustruje, že významná síla je k dispozici pouze několik stupňů nad horizontem. Například když je slunce více než asi 60 ° nad obzorem (${ displaystyle z}$ <30 °) je sluneční intenzita asi 1000 W / m² (z rovnice I.1 jak ukazuje výše uvedená tabulka), zatímco když je slunce jen 15 ° nad obzorem (${ displaystyle z}$ = 75 °) je solární intenzita stále asi 600 W / m² nebo 60% jeho maximální úrovně; a pouze na 5 ° nad horizontem stále 27% maxima.

Ve vyšších nadmořských výškách

Jeden přibližný model pro zvýšení intenzity s nadmořskou výškou a přesný na několik kilometrů nad mořem je dán vztahem:^[13][19]

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

(I.2)

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

Alternativně vzhledem k významným praktickým variabilitám může homogenní sférický model lze použít k odhadu AM pomocí:

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

(A.4)

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

A pak výše uvedená tabulka nebo příslušná rovnice (I.1 nebo I.3 nebo I.4 pro průměrný, znečištěný nebo čistý vzduch) lze použít k odhadu intenzity z AM běžným způsobem.

Tyto aproximace na I.2 a A.4 jsou vhodné pro použití pouze do nadmořských výšek několika kilometrů nad mořem, což znamená snížení výkonu na AM0 na pouhých 6 a 9 km. Naproti tomu velká část útlumu vysokoenergetických složek nastává v ozonové vrstvě - ve vyšších nadmořských výškách kolem 30 km.^[20]Proto jsou tyto aproximace vhodné pouze pro odhad výkonu pozemních kolektorů.

Účinnost solárních článků

Křemíkové solární články nejsou příliš citlivé na části spektra ztracené v atmosféře. Výsledné spektrum na povrchu Země přesněji odpovídá bandgap z křemík takže křemíkové solární články jsou v AM1 účinnější než AM0. Tento zjevně protiintuitivní výsledek vzniká jednoduše proto, že křemíkové články nemohou příliš využívat vysokoenergetické záření, které atmosféra filtruje. Jak je znázorněno níže, i když účinnost je nižší na AM0 celkový výstupní výkon (P_ven) pro typický solární článek je stále nejvyšší na AM0. Naopak, tvar spektra se významně nemění s dalším zvyšováním tloušťky atmosféry, a proto se účinnost článků pro čísla AM nad 1 výrazně nemění.

To ilustruje obecnější bod, který vzhledem k tomu, že sluneční energie je „volná“, a kde dostupný prostor není omezením, mohou být zohledněny i další faktory, například celková P_ven a P_ven jsou často důležitější úvahy než účinnost (P_ven/ Str_v).

Viz také

Poznámky a odkazy