stringtranslate.com

Простая модель атмосферного радиационного переноса солнечного света

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.

Спектры прямого нормального излучения, рассчитанные с помощью SMARTS 2.9.5 для увеличения массы воздуха (от 0 до 10), с использованием тех же атмосферных условий, что и стандарт ASTM G173. Воздушная масса 0 соответствует внеземному спектру, [1] отмеченному как Верхняя часть атмосферы (TOA).

История

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.

Приложения

Сравнение прямого нормального, диффузного горизонтального и глобального горизонтального спектров, предсказанных SMARTS v2.9.2 и измеренных с помощью вращающегося теневого спектрорадиометра (RSS) на площадке ARM CART в Оклахоме; для этого конкретного испытания воздушная масса составляла около 2.

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.

Функции

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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ CA Gueymard, Полное и спектральное излучение Солнца для применения в солнечной энергетике и модели солнечного излучения. Солнечная энергия, том. 76, 423-453 (2004).
  2. ^ К. Геймар, Разработка и оценка эффективности модели спектрального излучения ясного неба. 22-я конференция ASES, Вашингтон, округ Колумбия (1993 г.).
  3. ^ К. Геймар, Обновленные функции пропускания для использования в моделях быстрого спектрального излучения прямого луча. Конференция ASES Solar '94, Сан-Хосе, Калифорния (1994 г.).
  4. ^ К. Геймар, Простая модель атмосферного радиационного переноса солнечного света, версия 2 (SMARTS2): Описание алгоритмов и оценка эффективности. Отчет FSEC-PF-270-95, Центр солнечной энергии Флориды (1995 г.); http://www.fsec.ucf.edu/en/publications/pdf/FSEC-PF-270-95.pdf.
  5. ^ Стандартные таблицы для эталонной солнечной спектральной освещенности: прямая нормаль и полусфера на поверхности, наклоненной на 37 °. Стандарт ASTM G173 (2012 г.); http://www.astm.org/Standards/G173.htm.
  6. ^ Стандартные таблицы для справочных спектральных распределений солнечного ультрафиолета: полусфера на поверхности, наклоненной на 37 °. Стандарт ASTM G177 (2012 г.); http://www.astm.org/Standards/G177.htm.
  7. ^ Стандартная таблица справочных спектральных распределений солнечной энергии: прямое и рассеянное на наклоненных на 20 ° и вертикальных поверхностях. Стандарт ASTM G197 (2014 г.); http://www.astm.org/Standards/G197.htm.
  8. ^ Фотоэлектрические устройства - Часть 3: Принципы измерения наземных фотоэлектрических (PV) солнечных устройств с эталонными данными спектрального излучения. Международный стандарт IEC 60904-3 (2008 г.); http://webstore.iec.ch/preview/info_iec60904-3%7Bed2.0%7Db.pdf.
  9. ^ К. А. Гуймар, Д. Р. Майерс и К. Эмери, Предлагаемые эталонные спектры излучения для тестирования солнечных энергетических систем. Солнечная энергия, том. 73, 443-467 (2002).
  10. ^ «Стандартные таблицы для эталонной солнечной спектральной освещенности: прямая нормаль и полусфера на поверхности, наклоненной на 37 °».
  11. ^ Д. Майерс, К. Эмери и К. Геймар, Пересмотр и проверка эталонных стандартов спектрального излучения для оценки фотоэлектрических характеристик. Пер. ASME, J. Solar Engng, vol. 126, 567-574 (2004).
  12. ^ С. П. Филиппс, Г. Пехарц, Р. Хохайзель, Т. Хорнунг, Н. М. Аль-Аббади, Ф. Димрот и А. В. Бетт, Эффективность сбора энергии солнечных элементов концентратора с тройным переходом III – V в реалистичных спектральных условиях. Солнечная энергия Мат. Солнечные элементы, вып. 94, 869-877 (2010).
  13. ^ Дж. Жаус и К. А. Геймар, Обобщенная оценка спектральных 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. Мэрион, Предварительное исследование методов коррекции изменений солнечного спектра при ясном небе, Tech. представитель. НРЕЛ/ТП-520-47277 (2010 г.); http://www.osti.gov/bridge/product.biblio.jsp?osti_id=974901.
  15. ^ А. Гечи и М. Чегаар, Влияние диффузного спектрального освещения на микрокристаллические солнечные элементы. J. Электронные устройства, вып. 5, 116–121 (2007).
  16. ^ А. Доббин, М. Нортон, Дж. Е. Георгиу, М. Ламб, TND 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 г.).
  17. ^ М. Мюллер, Б. Марион, С. Курц и Дж. Родригес, Исследование спектральных параметров, поскольку они влияют на производительность модуля CPV. Конференция CPV-6, Фрайбург, Германия (2010 г.); http://www.nrel.gov/docs/fy11osti/47959.pdf
  18. ^ CA Gueymard, Междисциплинарные применения универсальной спектральной модели солнечного излучения: обзор. Энергия, том. 30, 1551–1576 (2005).
  19. ^ CA Gueymard, Прогнозирование и проверка безоблачных коротковолновых солнечных спектров, падающих на горизонтальные, наклонные или отслеживающие поверхности. Солнечная энергия, том. 82, 260–271 (2008).
  20. ^ Р. Галлеано, В. Заайман, А. Виртуани, Д. Паванелло, П. Морабито, А. Минуто, А. Спена, С. Барточчи, Р. Фуччи, Г. Леанца, Д. Фасанаро и М. Катена, Взаимное сравнение кампания спектрорадиометров для правильной оценки солнечного спектрального излучения: результаты и потенциальное влияние на калибровку фотоэлектрических устройств. Прог. Фотовольт., DOI: 10.1002/pip.2361 (2013).

Внешние ссылки