نموذج بسيط لانتقال الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

برنامج SMARTS ( النموذج البسيط لانتقال الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي ) هو برنامج حاسوبي مصمم لتقييم مكونات الإشعاع الشمسي السطحي في طيف الموجات القصيرة (النطاق الطيفي من 280 إلى 4000 نانومتر) في ظروف جوية صافية. يعتمد البرنامج، المكتوب بلغة فورتران ، على تبسيطات لمعادلة انتقال الإشعاع، مما يسمح بإجراء حسابات سريعة للغاية للإشعاع السطحي. يمكن أن تسقط مكونات الإشعاع على سطح أفقي، أو سطح ذي ميل ثابت، أو سطح متتبع ثنائي المحور. يمكن استخدام SMARTS، على سبيل المثال، لتقييم إنتاج الطاقة من الألواح الشمسية في ظل ظروف جوية متغيرة. كما تتوفر العديد من التطبيقات الأخرى. 

تم حساب أطياف الإشعاع الشمسي المباشر العمودي باستخدام برنامج SMARTS 2.9.5 لكتلة هوائية متزايدة (من 0 إلى 10)، باستخدام نفس الظروف الجوية لمعيار ASTM G173. الكتلة الهوائية 0 تُشير إلى الطيف خارج الغلاف الجوي، [ 1 ] والمُشار إليه باسم قمة الغلاف الجوي (TOA).

تاريخ

طُوِّرت النسخ الأولى من برنامج SMARTS على يد الدكتور غييمارد أثناء عمله في مركز فلوريدا للطاقة الشمسية . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] استخدم النموذج بنيةً مشابهةً لنموذج SPCTRAL2 السابق، الذي لا يزال يُقدِّمه المختبر الوطني للطاقة المتجددة ( NREL )، ولكن بدقة طيفية أدق، بالإضافة إلى تحديثات لوظائف الطيف والنفاذية خارج الغلاف الجوي. وتألفت هذه الأخيرة في معظمها من معلمات النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام برنامج MODTRAN .

تستضيف NREL أحدث إصدارات برنامج SMARTS (2.9.2 و2.9.5) . يمكن تحميل البرنامج مجانًا، ولكنه يخضع لاتفاقية ترخيص تقصر استخدامه على البحث والتعليم المدنيين. وللمستخدمين الجدد، تتوفر واجهة رسومية اختيارية (لنظام التشغيل Windows فقط) لتسهيل إعداد ملف الإدخال. تتوفر حزم البرنامج لأنظمة Windows وMacintosh وLinux.

التطبيقات

مقارنة بين الأطياف العادية المباشرة والأفقية المنتشرة والأفقية العالمية المتوقعة بواسطة SMARTS v2.9.2 والمقاسة بواسطة مقياس الطيف الإشعاعي ذي النطاق الظلي الدوار (RSS) في موقع ARM CART في أوكلاهوما؛ كانت كتلة الهواء حوالي 2 لهذا الاختبار المحدد.

تم اختيار برنامج SMARTS الإصدار 2.9.2 لإعداد أطياف مرجعية أرضية متنوعة، والتي تم توحيدها من قبل الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) تحت التسميات G173 [ 5 ] و G177 [ 6 ] وG197 [ 7 ] ، ومن قبل اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) تحت المعيار 60904-3 [ 8 ] . يمثل المعيار الأخير التوزيع الطيفي للإشعاع الشمسي الكلي الساقط على سطح مائل بزاوية 37 درجة مواجه للشمس عند كتلة هوائية 1.5. يبلغ إجمالي الإشعاع 1000 واط/م² . يُلزم معيار IEC باستخدام هذا الطيف لتقييم أداء الخلايا الشمسية الكهروضوئية (PV) في غياب التركيز الضوئي. أما الخلايا الكهروضوئية التي تتطلب تركيزًا، والتي تُعرف بخلايا CPV، فتُقيّم عادةً باستخدام الطيف المباشر عند كتلة هوائية 1.5 الموصوف في معيار ASTM G173. يبلغ إجمالي هذا الطيف 900 واط/ م² . تُشرح الأسباب الكامنة وراء اختيار الظروف الجوية والبيئية التي أدت في النهاية إلى تطوير معيار ASTM G173 في ورقة علمية. [ 9 ] يُعتبر برنامج SMARTS الإصدار 2.9.2 معيارًا مُكمِّلًا لمعيار G173 من قِبل ASTM. [ 10 ] تتوفر تفاصيل إضافية حول استخدام SMARTS لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الكهروضوئية المركزة في منشورات أخرى. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] على وجه الخصوص، يُستخدم النموذج بشكل متكرر لتقييم كفاءات وحدات الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الكهروضوئية المركزة في الواقع العملي، ولتقييم عوامل عدم التوافق. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

تم تطوير الأطياف المرجعية في ASTM G197 لتقييم الخصائص البصرية لأجهزة الفتحات عند تركيبها عموديًا (النوافذ) أو على الهياكل المائلة بزاوية 20 درجة عن المستوى الأفقي (المناور على الأسطح).

يقتصر الطيف المرجعي في معيار ASTM G177 على الإشعاع الشمسي العالمي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (280-400  نانومتر)، ويتوافق مع ظروف "الأشعة فوق البنفسجية العالية" الشائعة في المناطق القاحلة والمرتفعة، مثل جنوب غرب الولايات المتحدة الأمريكية. ويُستخدم هذا الطيف كمرجع لاختبار تدهور المواد ومتانتها.

سمات

يستخدم البرنامج مدخلات متنوعة تصف الظروف الجوية التي تُحسب على أساسها أطياف الإشعاع. يمكن للمستخدم اختيار الظروف المثالية، استنادًا إلى نماذج الغلاف الجوي ونماذج الهباء الجوي المختلفة. كما يمكن تحديد ظروف واقعية كمدخلات، استنادًا على سبيل المثال إلى بيانات الهباء الجوي وبخار الماء التي يوفرها مقياس الإشعاع الشمسي . هذه الظروف الواقعية ضرورية لمقارنة الأطياف المُنمذجة بتلك المقاسة بواسطة مطياف إشعاعي . [ 18 ] [ 19 ] وبما أن النموذج مُدقَّق جيدًا، يمكن استخدام هذه الطريقة المقارنة كدليل للكشف عن أي خلل أو معايرة خاطئة للأجهزة. [ 20 ] تبلغ الدقة الطيفية الأصلية للنموذج 0.5 نانومتر في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، و1 نانومتر في نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، و5 نانومتر فوق 1700 نانومتر. لتسهيل المقارنة بين الأطياف المُنمذجة والقياسات الفعلية بدقة طيفية مختلفة، يمكن استخدام مُعالج SMARTS اللاحق لتنعيم الأطياف المُنمذجة وتكييفها لمحاكاة الخصائص البصرية لجهاز قياس الإشعاع الطيفي المُحدد. بالإضافة إلى ذلك، يُوفر النموذج قيم الإشعاع المُتكاملة طيفيًا (أو "واسعة النطاق")، والتي يُمكن مقارنتها بعد ذلك بالقياسات من مقياس الإشعاع الشمسي المباشر (للإشعاع المباشر) أو مقياس الإشعاع الشمسي المنتشر (للإشعاع الكلي) في أي لحظة. إلى جانب الظروف الجوية، يُعدّ شكل الشمس مُدخلًا هامًا آخر، والذي يُمكن تحديده من خلال موقع الشمس ( زاوية السمت والزاوية الرأسية )، أو كتلة الهواء، أو من خلال تحديد التاريخ والوقت والموقع.

وتشمل الحسابات الاختيارية الإشعاع الشمسي المحيط، ومكونات الإضاءة ، ومكونات الإشعاع النشط ضوئيا (PAR)، وحسابات الإشعاع في الأشعة فوق البنفسجية ، والتي تتضمن مجموعة متنوعة من أطياف العمل (مثل تلك المقابلة للاحمرار ) .

يُخرج البرنامج نتائجه إلى ملفات نصية، يمكن استيرادها ومعالجتها لاحقًا في جداول بيانات. كما تتوفر واجهة رسومية تعرض رسومات بيانية للأطياف المحسوبة باستخدام برنامج LabVIEW من شركة National Instruments .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ CA Gueymard، الإشعاع الشمسي الكلي والطيفي لتطبيقات الطاقة الشمسية ونماذج الإشعاع الشمسي. الطاقة الشمسية، المجلد 76، 423-453 (2004).
  2. ↑ سي. غويمارد، تطوير وتقييم أداء نموذج الإشعاع الطيفي للسماء الصافية. المؤتمر الثاني والعشرون لجمعية علوم الأرض الأمريكية، واشنطن العاصمة (1993).
  3. ↑ سي. غويمارد، وظائف النفاذية المحدثة للاستخدام في نماذج الإشعاع الطيفي السريع للحزمة المباشرة. مؤتمر ASES للطاقة الشمسية '94، سان خوسيه، كاليفورنيا (1994).
  4. ↑ سي. غويمارد، نموذج بسيط لانتقال الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي، الإصدار 2 (SMARTS2): وصف الخوارزميات وتقييم الأداء. التقرير FSEC-PF-270-95، مركز فلوريدا للطاقة الشمسية (1995)؛ http://www.fsec.ucf.edu/en/publications/pdf/FSEC-PF-270-95.pdf
  5. ↑ جداول قياسية للإشعاع الطيفي الشمسي المرجعي: الإشعاع المباشر العمودي والإشعاع نصف الكروي على سطح مائل بزاوية 37 درجة. معيار ASTM G173 (2012)؛ http://www.astm.org/Standards/G173.htm
  6. ↑ جداول قياسية لتوزيعات الطيف الشمسي فوق البنفسجي المرجعية: نصف كروي على سطح مائل بزاوية 37 درجة. معيار ASTM G177 (2012)؛ http://www.astm.org/Standards/G177.htm
  7. ↑ جدول قياسي لتوزيعات الطيف الشمسي المرجعية: المباشر والمنتشر على الأسطح المائلة بزاوية 20 درجة والأسطح الرأسية. معيار ASTM G197 (2014)؛ http://www.astm.org/Standards/G197.htm
  8. ↑ الأجهزة الكهروضوئية - الجزء 3: مبادئ قياس الأجهزة الشمسية الكهروضوئية الأرضيةباستخدام بيانات الإشعاع الطيفي المرجعي. المعيار الدولي IEC 60904-3 (2008)؛ http://webstore.iec.ch/preview/info_iec60904-3%7Bed2.0%7Db.pdf
  9. ↑ CA Gueymard, DR Myers and K. Emery, Proposed reference irradiance spectra for solar energy systems testing. Solar Energy, vol. 73, 443-467 (2002).
  10. ↑ "جداول قياسية للإشعاع الطيفي الشمسي المرجعي: الإشعاع المباشر العمودي ونصف الكروي على سطح مائل بزاوية 37 درجة" .
  11. ↑ د. مايرز، ك. إيمري، و سي. غويمارد، مراجعة وتدقيق معايير مرجعية للإشعاع الطيفي لتقييم أداء الخلايا الكهروضوئية. معاملات الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، مجلة هندسة الطاقة الشمسية، المجلد 126، 567-574 (2004).
  12. ↑ SP Philipps, G. Peharz, R. Hoheisel, T. Hornung, NM Al-Abbadi, F. Dimroth, and AW Bett, Energy harvesting efficient of III–V triple-junction focusrator solar cells under reality spectral conditions. Solar Energy Mat. Solar Cells, vol. 94, 869-877 (2010).
  13. ↑ ج. جاوس وك. أ. غويمارد، التقييم الطيفي العام للخلايا الشمسية متعددة الوصلات باستخدام نسخة متعددة النوى ومتوازية من برنامج SMARTS. مؤتمر CPV-8، توليدو، إسبانيا (2012)؛ http://www.solarconsultingservices.com/Jaus%20Gueymard-Parallelized%20SMARTS%20for%20MJ%20CPV%20cells-CPV8%202012.pdf
  14. ↑ ب. ماريون، دراسة أولية لطرق تصحيح التغيرات في الطيف الشمسي في ظل سماء صافية، تقرير فني NREL/TP-520-47277 (2010)؛ http://www.osti.gov/bridge/product.biblio.jsp?osti_id=974901 .
  15. ↑ أ. غويشي وم. شيغار، تأثيرات الإضاءة الطيفية المنتشرة على الخلايا الشمسية الميكروكريستالية. مجلة الأجهزة الإلكترونية، المجلد 5، 116-121 (2007).
  16. ↑ أ. دوبين، م. نورتون، ج. إي. جورجيو، م. لومب، ت. ن. د. تيبتس، توقعات حصاد الطاقة لجهاز متعدد الآبار الكمومية مضبوط طيفيًا باستخدام الأطياف الشمسية المقاسة والمُنمذجة. مؤتمر CPV-7، لاس فيغاس، نيفادا (2011).
  17. ↑ م. مولر، ب. ماريون، س. كورتز، و ج. رودريغيز، دراسة حول تأثير المعايير الطيفية على أداء وحدات الخلايا الكهروضوئية المركزة. مؤتمر CPV-6، فرايبورغ، ألمانيا (2010)؛ http://www.nrel.gov/docs/fy11osti/47959.pdf
  18. ↑ CA Gueymard، التطبيقات متعددة التخصصات لنموذج الإشعاع الشمسي الطيفي متعدد الاستخدامات: مراجعة. الطاقة، المجلد 30، 1551-1576 (2005).
  19. ↑ CA Gueymard، التنبؤ والتحقق من صحة أطياف الموجات الشمسية القصيرة الخالية من السحب الساقطة على الأسطح الأفقية أو المائلة أو المتحركة. الطاقة الشمسية، المجلد 82، 260-271 (2008).
  20. ↑ ر. غاليانو، و. زايمان، أ. فيرتواني، د. بافانيلو، ب. مورابيتو، أ. مينوتو، أ. سبينا، س. بارتوتشي، ر. فوتشي، ج. لينزا، د. فاسانارو، م. كاتينا، حملة مقارنة بين أجهزة قياس الإشعاع الطيفي لتقدير صحيح للإشعاع الطيفي الشمسي: النتائج والتأثير المحتمل على معايرة الأجهزة الكهروضوئية. التقدم في مجال الخلايا الكهروضوئية، DOI: 10.1002/pip.2361 (2013).