Простая модель переноса солнечного света в атмосфере - Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine

В Простая модель переноса солнечного света в атмосфере (СМАРТС) - компьютерная программа, предназначенная для оценки поверхности солнечной сияние компоненты в коротковолновом спектре (спектральный диапазон от 280 до 4000 нм) в безоблачных условиях. Программа, написанная на FORTRAN, опирается на упрощения уравнения перенос излучения чтобы позволить чрезвычайно быстрые вычисления поверхностной освещенности. Компоненты излучения могут падать на горизонтальную поверхность, поверхность с фиксированным наклоном или поверхность слежения по двум осям. SMARTS можно использовать, например, для оценки производства энергии солнечные панели при переменных атмосферных условиях. Возможны многие другие приложения.

Спектры прямой нормальной освещенности, рассчитанные с помощью SMARTS 2.9.5 для увеличения воздушной массы (от 0 до 10), с использованием тех же атмосферных условий, что и стандарт ASTM G173. Масса воздуха 0 соответствует внеземному спектру,[1] отмечен как Top of Atmosphere (TOA).

История

Первые версии SMARTS были разработаны доктором Геймаром, когда он работал в Флоридский центр солнечной энергии.[2][3][4] Модель использовала структуру, аналогичную более ранней модели SPCTRAL2, все еще предлагаемой Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL ), но с более точным спектральным разрешением, а также обновленными функциями внеземного спектра и пропускания. Последние в основном состояли из параметризации результатов, полученных с помощью MODTRAN.

Последние версии (2.9.2 и 2.9.5) СМАРТС размещены на NREL. Программу можно бесплатно загрузить, но она подлежит лицензионному соглашению, которое ограничивает ее использование для гражданских исследований и образования. Для новых пользователей доступен дополнительный графический интерфейс (только для ОС Windows), упрощающий подготовку входного файла. Пакеты программ доступны для платформ Windows, Macintosh и Linux.

Приложения

Сравнение прямых нормальных, диффузных горизонтальных и глобальных горизонтальных спектров, предсказанных SMARTS v2.9.2 и измеренных с помощью вращающегося теневого спектрорадиометра (RSS) на сайте ARM CART в Оклахоме; масса воздуха была около 2 для этого конкретного теста.

Версия 2.9.2 SMARTS была выбрана для подготовки различных эталонных земных спектров, которые были стандартизированы ASTM под обозначением G173,[5] G177[6] и G197,[7] и IEC под 60904-3.[8] Последний стандарт представляет собой спектральное распределение глобального излучения, падающего на поверхность под углом 37 °, обращенную к солнцу, при масса воздуха 1,5. Интегрированная энергетическая освещенность составляет 1000 Вт / м2. Этот стандартный спектр требуется IEC оценить рейтинг фотоэлектрических (PV) солнечных элементов при отсутствии оптической концентрации. Ячейки PV, требующие концентрации, называемые Цена за просмотр клетки, обычно оцениваются по прямому спектру при воздушной массе 1,5, как описано в ASTM G173. Этот спектр интегрируется до 900 Вт / м2. Причины выбора атмосферных условий и условий окружающей среды, которые в конечном итоге привели к разработке ASTM G173, описаны в научной статье.[9] SMARTS версии 2.9.2 считается стандартом ASTM как дополнение к G173.[10] Дополнительные сведения об использовании SMARTS для приложений PV или CPV доступны в других публикациях.[11][12][13][14] В частности, модель часто используется для оценки реальной эффективности модулей PV или CPV и оценки факторов несоответствия.[15][16][17]

Эталонные спектры в ASTM G197 были разработаны для оценки оптических характеристик оконных устройств при вертикальной установке (окна) или на конструкциях, наклоненных под углом 20 ° от горизонтали (световые люки на крышах).

Контрольный спектр в ASTM G177 ограничен глобальной освещенностью в ультрафиолете (280–400 нм) и соответствует условиям «сильного УФ», часто встречающимся в засушливых и возвышенных местах, например, на юго-западе США. Этот спектр следует использовать в качестве эталона для тестирования материалов на деградацию и долговечность.

Функции

Программа использует различные входные данные, которые описывают атмосферные условия, для которых необходимо рассчитать спектры энергетической освещенности. Пользователь может выбрать идеальные условия на основе различных возможных моделей атмосфер и моделей аэрозолей. В качестве альтернативы, реалистичные условия также могут быть указаны в качестве входных данных, например, на основе данных об аэрозолях и водяных парах, предоставленных солнечный фотометр. В свою очередь, эти реалистичные условия необходимы для сравнения смоделированных спектров со спектрами, измеренными спектрорадиометр.[18][19] В свою очередь, поскольку модель хорошо проверена, этот сравнительный метод может использоваться в качестве руководства для обнаружения неисправности или неправильной калибровки инструментов.[20] Первоначальное спектральное разрешение модели составляет 0,5 нм в УФ, 1 нм в видимой и ближней инфракрасной областях и 5 нм выше 1700 нм. Чтобы упростить сравнение смоделированных спектров и фактических измерений при другом спектральном разрешении, можно использовать постпроцессор SMARTS для сглаживания смоделированных спектров и их адаптации для моделирования оптических характеристик конкретного спектрорадиометра. Кроме того, модель предоставляет спектрально интегрированные (или «широкополосные») значения энергетической освещенности, которые затем можно сравнить с измерениями от пиргелиометр (для прямого излучения) или пиранометр (для рассеянного или глобального излучения) в любой момент. Помимо атмосферных условий, другим важным входным параметром является геометрия Солнца, которая может быть определена положением солнца (зенит угол и азимут ), воздушной массы, либо указав дату, время и место.

Необязательные расчеты включают околосолнечную освещенность, освещенность составные части, фотосинтетически активная радиация (PAR) компоненты и расчеты освещенности в УФ, включающий множество спектров действия (например, соответствующий эритема ).

Программа выводит результаты в текстовые файлы, которые затем можно импортировать и обрабатывать в электронных таблицах. Графический интерфейс, предоставляющий графики рассчитанных спектров с помощью National Instruments. LabVIEW программное обеспечение, также имеется в наличии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ C.A. Gueymard, Полная и спектральная освещенность Солнца для применения в солнечной энергии и моделей солнечного излучения. Солнечная энергия, т. 76, 423-453 (2004).
  2. ^ К. Геймар, Разработка и оценка характеристик модели спектрального излучения ясного неба. 22-я конференция ASES, Вашингтон, округ Колумбия (1993).
  3. ^ C. Gueymard, Обновленные функции пропускания для использования в быстрых спектральных моделях освещенности прямым пучком. Solar ‘94 ASES Conf., San Jose, CA (1994).
  4. ^ К. Геймар, Простая модель переноса солнечного света в атмосфере, версия 2 (SMARTS2): описание алгоритмов и оценка эффективности. Отчет FSEC-PF-270-95, Центр солнечной энергии Флориды (1995); http://www.fsec.ucf.edu/en/publications/pdf/FSEC-PF-270-95.pdf.
  5. ^ Стандартные таблицы для эталонной спектральной освещенности солнечного света: прямая нормальная и полусферическая на поверхности под углом 37 °. Стандарт ASTM G173 (2012); http://www.astm.org/Standards/G173.htm.
  6. ^ Стандартные таблицы для эталонных спектральных распределений солнечного ультрафиолета: полусферические на поверхности под углом 37 °. Стандарт ASTM G177 (2012); http://www.astm.org/Standards/G177.htm.
  7. ^ Стандартная таблица эталонных спектральных распределений солнечного света: прямое и рассеянное на наклонных и вертикальных поверхностях 20 °. Стандарт ASTM G197 (2014); http://www.astm.org/Standards/G197.htm.
  8. ^ Фотоэлектрические устройства - Часть 3: Принципы измерения для наземных фотоэлектрический (PV) солнечные устройства с эталонными данными спектральной освещенности. Международный стандарт IEC 60904-3 (2008 г.); http://webstore.iec.ch/preview/info_iec60904-3%7Bed2.0%7Db.pdf.
  9. ^ C.A. Геймар, Д. Майерс и К. Эмери, Предлагаемые эталонные спектры излучения для тестирования систем солнечной энергии. Солнечная энергия, т. 73, 443-467 (2002).
  10. ^ http://www.astm.org/Standards/G173.htm
  11. ^ Д. Майерс, К. Эмери и К. Геймар, Пересмотр и проверка эталонов спектральной освещенности для оценки фотоэлектрических характеристик. Пер. ASME, J. Solar Engng, т. 126, 567-574 (2004).
  12. ^ С.П. Филиппс, Г. Пехарц, Р. Хойзель, Т. Хорнунг, Н.М. Аль-Аббади, Ф. Димрот и А.В. Бетт, Эффективность сбора энергии солнечными элементами-концентраторами с тройным переходом III – V в реалистичных спектральных условиях. Мат. Солнечной энергии. Солнечные батареи, т. 94, 869-877 (2010).
  13. ^ Дж. Джаус и К.А. Геймар, Обобщенная спектральная оценка характеристик многопереходных солнечных элементов с использованием многоядерной параллельной версии SMARTS. Конференция CPV-8, Толедо, Испания (2012 г.); http://www.solarconsultingservices.com/Jaus%20Gueymard-Parallelized%20SMARTS%20for%20MJ%20CPV%20cells-CPV8%202012.pdf .
  14. ^ Б. Марион, Предварительное исследование методов коррекции вариаций солнечного спектра при ясном небе, Tech. респ. NREL / TP-520-47277 (2010); http://www.osti.gov/bridge/product.biblio.jsp?osti_id=974901.
  15. ^ A. Guechi и M. Chegaar, Влияние диффузного спектрального освещения на микрокристаллические солнечные элементы. J. Electron Devices, т. 5, 116-121 (2007).
  16. ^ А. Доббин, М. Нортон, Г.Э. Георгиу, М. Ламб, T.N.D. Тиббитс, Прогнозы сбора энергии для спектрально настроенного устройства с несколькими квантовыми ямами, использующего измеренные и смоделированные солнечные спектры. Конференция CPV-7, Лас-Вегас, Невада (2011).
  17. ^ М. Мюллер, Б. Марион, С. Курц и Дж. Родригес, Исследование спектральных параметров, поскольку они влияют на производительность модуля CPV. CPV-6 Conf., Фрайбург, Германия (2010 г.); http://www.nrel.gov/docs/fy11osti/47959.pdf
  18. ^ C.A. Геймар, Междисциплинарные приложения универсальной спектральной модели солнечного излучения: обзор. Энергия, т. 30, 1551–1576 (2005).
  19. ^ C.A. Геймар, Прогнозирование и проверка безоблачных коротковолновых солнечных спектров, падающих на горизонтальные, наклонные или отслеживающие поверхности. Солнечная энергия, т. 82, 260-271 (2008).
  20. ^ Р. Галлеано, В. Заайман, А. Виртуани, Д. Паванелло, П. Морабито, А. Минуто, А. Спена, С. Барточчи, Р. Фуччи, Г. Леанза, Д. Фазанаро и М. Катена, кампания по взаимному сравнению спектрорадиометров для правильной оценки солнечной спектральной освещенности: результаты и возможное влияние на калибровку фотоэлектрических устройств. Прог. Photovolt., DOI: 10.1002 / pip.2361 (2013).

внешняя ссылка