Простая модель переноса солнечного света в атмосфере ( SMARTS ) — это компьютерная программа, предназначенная для оценки компонентов поверхностного солнечного излучения в коротковолновом спектре (спектральный диапазон от 280 до 4000 нм) в безоблачных условиях. Программа, написанная на FORTRAN , основана на упрощении уравнения переноса излучения , что позволяет чрезвычайно быстро рассчитывать освещенность поверхности. Компоненты излучения могут падать на горизонтальную поверхность, поверхность с фиксированным наклоном или двухосную поверхность слежения. SMARTS можно использовать, например, для оценки выработки энергии солнечными панелями в переменных атмосферных условиях. Возможны многие другие приложения.
Первые версии SMARTS были разработаны доктором Геймаром, когда он работал в Центре солнечной энергии Флориды . [2] [3] [4] В модели использовалась структура, аналогичная более ранней модели SPCTRAL2, все еще предлагаемой Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии ( NREL ), но с более точным спектральным разрешением, а также обновленным внеземным спектром и функциями пропускания. Последний состоял в основном из параметризации результатов, полученных с помощью MODTRAN .
Последние версии (2.9.2 и 2.9.5) SMARTS размещаются на сервере NREL. Программу можно загрузить бесплатно, но на нее распространяется лицензионное соглашение, которое ограничивает ее использование гражданскими исследованиями и образованием. Новым пользователям доступен дополнительный графический интерфейс (только для ОС Windows), упрощающий подготовку входного файла. Пакеты программ доступны для платформ Windows, Macintosh и Linux.
Версия SMARTS 2.9.2 была выбрана для подготовки различных эталонных наземных спектров, которые были стандартизированы ASTM под обозначениями G173, [5] G177 [6] и G197, [7] и IEC под номером 60904-3. [8] Последний стандарт представляет собой спектральное распределение глобального излучения, падающего на наклоненную под углом 37° поверхность, обращенную к Солнцу, при воздушной массе 1,5. Интегральная освещенность составляет 1000 Вт/м 2 . Этот стандартный спектр утвержден IEC для оценки характеристик фотоэлектрических (PV) солнечных элементов при отсутствии оптической концентрации. Фотоэлектрические ячейки, требующие концентрации, называемые ячейками CPV , обычно оцениваются по прямому спектру при массе воздуха 1,5, как описано в ASTM G173. Этот спектр составляет 900 Вт/м 2 . Причины выбора атмосферных и экологических условий, которые в конечном итоге привели к разработке ASTM G173, описаны в научной статье. [9] SMARTS версии 2.9.2 считается дополнительным стандартом к G173 согласно ASTM. [10] Более подробную информацию об использовании SMARTS для приложений PV или CPV можно найти в других публикациях. [11] [12] [13] [14] В частности, модель часто используется для оценки реальной эффективности фотоэлектрических или CPV-модулей и оценки факторов несоответствия. [15] [16] [17]
Эталонные спектры в ASTM G197 были разработаны для оценки оптических характеристик оконных устройств при установке вертикально (окна) или на конструкциях, наклоненных под углом 20 ° к горизонтали (световые люки на крышах).
Эталонный спектр в ASTM G177 ограничен глобальным излучением в ультрафиолетовом диапазоне (280–400 нм) и соответствует условиям «высокого УФ», часто встречающимся в засушливых и возвышенных местах, например, на юго-западе США. Этот спектр следует использовать в качестве эталона для тестирования деградации и долговечности материалов.
Программа использует различные входные данные, описывающие атмосферные условия, для которых необходимо рассчитать спектры освещенности. Пользователь может выбрать идеальные условия, основанные на различных возможных моделях атмосферы и моделях аэрозолей. В качестве альтернативы в качестве входных данных также можно указать реалистичные условия, например, на основе данных об аэрозолях и водяном паре, полученных с помощью солнечного фотометра . В свою очередь, эти реалистичные условия необходимы для сравнения смоделированных спектров со спектрами, измеренными спектрорадиометром . [18] [19] В свою очередь, поскольку модель хорошо проверена, этот сравнительный метод можно использовать в качестве руководства для выявления неисправностей или неправильной калибровки приборов. [20] Исходное спектральное разрешение модели составляет 0,5 нм в УФ-диапазоне, 1 нм в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне и 5 нм выше 1700 нм. Для облегчения сравнения смоделированных спектров с фактическими измерениями при другом спектральном разрешении можно использовать постпроцессор SMARTS для сглаживания смоделированных спектров и адаптации их для моделирования оптических характеристик конкретного спектрорадиометра. Кроме того, модель предоставляет спектрально интегрированные (или «широкополосные») значения освещенности, которые затем можно сравнить с измерениями пиргелиометра ( для прямого излучения) или пиранометра (для диффузного или глобального излучения) в любой момент. Помимо атмосферных условий, еще одним важным фактором является геометрия Солнца, которую можно определить по положению солнца ( зенитный угол и азимут ), воздушной массе или путем указания даты, времени и местоположения.
Дополнительные расчеты включают околосолнечное излучение, компоненты освещенности , компоненты фотосинтетически активного излучения (ФАР) и расчеты облучения в УФ-излучении , включающие различные спектры действия (например, соответствующие эритеме ) .
Программа выводит результаты в текстовые файлы, которые в дальнейшем можно импортировать и обрабатывать в электронные таблицы. Также доступен графический интерфейс, предоставляющий графики рассчитанных спектров с использованием программного обеспечения LabVIEW компании National Instruments.