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 отслеживания. SMARTS можно использовать, например, для оценки выработки энергии солнечными панелями в переменных атмосферных условиях. Возможны многие другие приложения.

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 высоким спектральным разрешением, а также обновленными функциями внеземного спектра и 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

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 по стандарту IEC 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 интегрируется до 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 по 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 вертикальной установке (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 аэрозолях. В качестве альтернативы в качестве исходных данных также можно указать реалистичные условия, например, на основе данных об аэрозолях и водяном пару, полученных с помощью солнечного фотометра . В свою очередь, эти реалистичные условия необходимы для сравнения смоделированных спектров с измеренными спектрорадиометром . ^{[ 18 ]}^{[ 19 ]} В то же время, 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, освещенности компоненты , 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. графический интерфейс, предоставляющий графики рассчитанных спектров с использованием программного обеспечения LabVIEW Также доступен компании National Instruments .

См. также

Ссылки

^ CA Gueymard, Полное и спектральное излучение Солнца для применения в солнечной энергетике и модели солнечного излучения. Солнечная энергия, том. 76, 423-453 (2004).
^ К. Геймар, Разработка и оценка эффективности модели спектрального излучения ясного неба. 22-я конференция ASES, Вашингтон, округ Колумбия (1993 г.).
^ К. Геймар, Обновленные функции пропускания для использования в моделях быстрого спектрального излучения прямого луча. Конференция ASES Solar '94, Сан-Хосе, Калифорния (1994 г.).
^ К. Геймар, Простая модель атмосферного радиационного переноса солнечного света, версия 2 (SMARTS2): Описание алгоритмов и оценка производительности. Отчет FSEC-PF-270-95, Флорида Центр солнечной энергии (1995 г.); http://www.fsec.ucf.edu/en/publications/pdf/FSEC-PF-270-95.pdf .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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).
^ «Стандартные таблицы эталонного солнечного спектрального излучения: прямое нормальное и полусферическое на поверхности, наклоненной на 37 °» .
^ 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).
^ С. П. Филиппс, Г. Пехарц, Р. Хохайзель, Т. Хорнунг, Н. М. Аль-Аббади, Ф. Димрот и А. В. Бетт, Эффективность сбора энергии солнечных элементов-концентраторов с тройным переходом III – V в реалистичных спектральных условиях. Солнечная энергия Мат. Солнечные элементы, вып. 94, 869-877 (2010).
^ 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 .
^ 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 .
^ А. Гечи и М. Чегаар, Влияние диффузного спектрального освещения на микрокристаллические солнечные элементы. J. Электронные устройства, вып. 5, 116–121 (2007).
^ 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.).
^ 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
^ CA Gueymard, Междисциплинарные применения универсальной спектральной модели солнечного излучения: обзор. Энергия, том. 30, 1551–1576 (2005).
^ CA Gueymard, Прогнозирование и проверка безоблачных коротковолновых солнечных спектров, падающих на горизонтальные, наклонные или отслеживающие поверхности. Солнечная энергия, том. 82, 260–271 (2008).
^ 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

Официальный сайт: http://www.solarconsultingservices.com/smarts.php.
Веб-сайт загрузки: http://www.nrel.gov/rredc/smarts/.

[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 производительности. Отчет FSEC-PF-270-95, Флорида Центр солнечной энергии (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 эталонного солнечного спектрального излучения: прямое нормальное и полусферическое 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-концентраторов 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).

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]