شروع سریع: نمای کلی مولد طیف خورشیدی
در این شروع سریع، از مولد طیف خورشیدی OghmaNano برای شبیهسازی تابش طیفی خورشیدی در سطح زمین استفاده میکنیم. این ابزار طیف خورشیدی AM1.5G استاندارد را در کنار مؤلفههای تابش سراسری، مستقیم و پخشی محاسبهشده ارائه میدهد. این طیفها را میتوان خروجی گرفت و مستقیماً در شبیهسازیهای اپتیکی یا فتوولتائیکی دستگاه به کار برد.
1. پسزمینه:
این مولد بر پایهٔ Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres از Bird و Riordan (1986) است که در Journal of Applied Meteorology and Climatology منتشر شده است (link). این مدل بهطور گسترده برای مدلسازی تابش خورشیدی در فتوولتائیک و علوم جوی استفاده میشود.
طیف با در نظر گرفتن فرایندهای اصلی جوی محاسبه میشود: پراکندگی رایلی، جذب توسط اوزون، گازها و بخار آب، بهعلاوه تضعیف ناشی از آئروسلها و ذرات معلق. پارامترهای ورودی شامل زمان روز، تاریخ، عرض جغرافیایی، ارتفاع و شرایط جوی مانند فشار، عمق نوری آئروسل و مقدار بخار آب هستند.
این کنترلها به شما امکان میدهند بررسی کنید که طیفهای خورشیدی چگونه با محیط تغییر میکنند. برای مثال، زوایای پایینتر خورشید (صبح/عصر) جرم هوا را افزایش میدهند و طیف را به سمت قرمز جابهجا میکنند، در حالی که مقدار زیاد بخار آب نوارهای جذب نزدیکفروسرخ را تقویت میکند. افزایش آئروسلها یا آلودگی، تابش مستقیم را کاهش داده و مؤلفهٔ پخشی را افزایش میدهد — طیفها برای یک شهر آلوده مانند پکن با طیفهای لندن یا یک مکان پاک و مرتفع بسیار متفاوت هستند.
تولید و مقایسهٔ طیفها در شرایط مختلف به نشان دادن این موضوع کمک میکند که عوامل جوی و محیطی چگونه بر روشنسازی دستگاه اثر میگذارند. برای بنچمارک، طیف استاندارد AM1.5G نیز گنجانده شده است که در شرایط آزمون استاندارد تا حدود ~1000 W m−2 انتگرال میشود.
2. شروع کار:
برای شروع، پنجرهٔ New simulation را از نوار File در منوی اصلی باز کنید. برای این آموزش، یک مثال Organic solar cell را انتخاب میکنیم (نگاه کنید به ??). میتوانید هر یک از دستگاههای موجود را انتخاب کنید — طیفهای خورشیدی تولیدشده مستقل از نوع دستگاه هستند — اما سلولهای خورشیدی آلی نمونهٔ نمایشی مفیدی فراهم میکنند (نگاه کنید به ??).
پس از ایجاد شبیهسازی، به نوار Optical بروید و روی آیکون Optical database کلیک کنید (نگاه کنید به ??). این کار پایگاه دادهای را باز میکند که در آن میتوان طیفهای خورشیدی را مشاهده، تولید و وارد کرد.
پس از انتخاب مورد Optical database، پنجرهٔ پایگاه داده باز میشود
(نگاه کنید به ??).
در اینجا میتوانید طیفهای موجود مانند AM1.5G، AM0، LEDها و لیزرها را ببینید. برای ایجاد یک ورودی جدید،
روی دکمهٔ Add Spectra در سمت راست کلیک کنید. این کار یک پنجرهٔ گفتگو را باز میکند
(نگاه کنید به ??)
که در آن میتوانید نامی برای طیف جدید وارد کنید. در این مثال آن را Example مینامیم.
پس از تأیید، یک آیکون جدید با برچسب Example در پنجرهٔ پایگاه داده ظاهر میشود.
با دوبار کلیک روی این مورد جدید، Optical Spectrum Editor
باز خواهد شد
(نگاه کنید به ??)،
که در آن میتوانید دادههای طیفی را مشاهده، ویرایش یا وارد کنید.
Example.
3. تولید طیفها با مولد طیف خورشیدی
از Optical Spectrum Editor (??)، روی Solar spectrum generator کلیک کنید. این کار مولدی را باز میکند که در ??، ?? و ?? نشان داده شده است. این ابزار مدل توصیفشده توسط Bird و Riordan (1986)، Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres را پیادهسازی میکند (link)، تا AM1.5G را در کنار مؤلفههای سراسری، مستقیم و پخشی محاسبهشده تحت شرایط تعریفشده توسط کاربر محاسبه کند.
زمان روز — ساعت خورشیدی را تنظیم میکند. با پایینتر رفتن خورشید (صبح/عصر)، زاویهٔ سمتالرأس خورشیدی افزایش مییابد، طول مسیر در جو بیشتر میشود (جرم هوای بیشتر) و تضعیف UV/مرئی افزایش مییابد؛ طیف تمایل دارد اندکی به سمت قرمز جابهجا شود و سهم پخشی افزایش یابد.
تاریخ (روز سال) — هندسهٔ فصلی (میل خورشیدی) را کنترل میکند. تاریخهای تابستانی ارتفاع خورشیدی بیشتری را در یک مکان معین ایجاد میکنند و در نتیجه تابش مستقیم را افزایش میدهند؛ تاریخهای زمستانی آن را کاهش میدهند. این موضوع تفاوتهای دیدهشده بین ?? و ?? را توضیح میدهد.
عرض جغرافیایی — مکان ناظر را تعیین میکند. عرضهای جغرافیایی پایینتر معمولاً ارتفاع اوج خورشیدی بیشتری را تجربه میکنند و بنابراین جرم هوای کمتری دارند؛ عرضهای جغرافیایی بالا عبور بیشتری از جو را میبینند که اثرات رایلی و آئروسل را تقویت کرده و مؤلفهٔ مستقیم را کاهش میدهد.
فشار — ارتفاع/هواشناسی را تقریب میزند. فشار پایینتر (ارتفاع زیاد) چگالی مولکولی و پراکندگی رایلی را کاهش میدهد و گذردهی در طول موجهای کوتاه را افزایش میدهد؛ فشار بالاتر برعکس عمل میکند.
عمق نوری آئروسل (AOD) — بارگذاری ذرات معلق (مه/آلودگی) را نمایش میدهد. AOD بزرگتر، خاموشی آئروسل را تقویت میکند، باریکهٔ مستقیم را سرکوب میکند و انرژی را به مؤلفهٔ پخشی منتقل میکند. حالت پاک را با حالت آلوده در ?? مقایسه کنید.
مقدار آب — بخار آب قابل بارش را تنظیم میکند. افزایش این مقدار نوارهای جذب نزدیکفروسرخ را عمیقتر میکند (برای مثال، در حدود 940 nm و فراتر از آن) و تابش فروسرخ را کاهش میدهد، در حالی که بیشتر بخش مرئی کمتر تحت تأثیر قرار میگیرد.
این کنترلها را تنظیم کنید تا طیفهای ویژهٔ مکان و شرایط را تولید کنید، سپس نتیجه را برای استفاده در بخشهای دیگر گردشکار شبیهسازی خروجی بگیرید.
4. مقایسهٔ AM1.5G، Iglobal، Idirect و Idiffuse
هنگام اجرای مولد طیف خورشیدی، نتایج در کنار طیف مرجع استاندارد AM1.5G ترسیم میشوند. این مرجع در فتوولتائیک بهطور گسترده بهعنوان معیاری برای آزمون و مقایسهٔ عملکرد سلول خورشیدی در شرایط "1 sun" استفاده میشود.
این مولد علاوه بر این سه مؤلفه از تابش خورشیدی را خروجی میدهد:
- Iglobal: کل تابشی که به یک سطح افقی در سطح زمین میرسد. این مقدار برابر مجموع Idirect و Idiffuse است، و همان طیفی است که در OghmaNano برای شبیهسازی نهایی دستگاه فتوولتائیکی استفاده میشود.
- Idirect: باریکهٔ بدون پراکندگی و همراستا که مستقیماً از قرص خورشید به سطح میرسد. این مؤلفه در آسمان صاف و ارتفاع زیاد خورشید غالب است، اما بهشدت کاهش مییابد در شرایط مه، آلودگی، یا جرم هوای زیاد (برای مثال، صبح/عصر، عرضهای جغرافیایی بالاتر).
- Idiffuse: مؤلفهٔ پراکندهشدهای که از مولکولها، آئروسلها و ذرات معلق در جو ناشی میشود. این مؤلفه گنبد آسمان را پر میکند و هنگامی که باریکهٔ مستقیم تضعیف میشود اهمیت بیشتری پیدا میکند — برای مثال، در شرایط ابری، مهآلود یا آلوده.
مقایسه با AM1.5G: طیف AM1.5G اساساً یک استاندارد ثابت است که Iglobal را در جرم هوای 1.5 و زاویهٔ شیب معمول برای عرضهای جغرافیایی میانی نمایش میدهد. در مقابل، منحنیهای شبیهسازیشدهٔ Iglobal، Idirect و Idiffuse بهصورت پویا با مکان، فصل، زمان روز و شرایط جوی تغییر میکنند. مقایسهٔ آنها به شما اجازه میدهد ببینید چگونه شرایط دنیای واقعی از حالت "ایدهآلشده" AM1.5G انحراف پیدا میکنند.
خودتان امتحان کنید — بررسی کنید چگونه شرایط، طیف خورشیدی را دگرگون میکنند
- آئروسلها (آلودگی): AOD را روی
0.1تنظیم کنید، روی Calculate کلیک کنید، سپس آن را روی1.0و3.0قرار دهید و هر بار روی Calculate کلیک کنید. تغییرات در آبی/UV و منحنیهای مستقیم در برابر پخشی را مشاهده کنید. - بخار آب: Water را روی
0.2cm تنظیم کرده و محاسبه کنید، سپس1.0cm و3.0cm را امتحان کنید. روی ناحیهٔ نزدیکفروسرخ (≈700–2000 nm) تمرکز کنید. - هندسهٔ خورشیدی (زمان/فصل): عرض جغرافیایی را ثابت نگه دارید (مثلاً
36°). یک تاریخ تابستانی در ظهر محلی انتخاب کرده و محاسبه کنید؛ سپس یک تاریخ زمستانی یا صبح زود/عصر را انتخاب کرده و دوباره محاسبه کنید. تعادل مستقیم/پخشی را مقایسه کنید. - عرض جغرافیایی: همان تاریخ/زمان را حفظ کنید. در
0°(استوا) محاسبه کنید، سپس50°–60°(مثلاً لندن) را امتحان کنید و پس از هر تغییر روی Calculate کلیک کنید.
نمایش مشاهدات مورد انتظار
- AOD ↑ (ذرات معلق بیشتر): خاموشی آئروسل قویتر، منحنی مستقیم را سرکوب کرده و سهم پخشی را افزایش میدهد. طیف در UV/آبی (طول موجهای کوتاهتر) بیشتر تیره میشود و در سراسر ناحیهٔ مرئی اندکی تختتر میشود.
- Water ↑ (بخار آب قابل بارش بیشتر): نوارهای جذب نزدیکفروسرخ عمیقتر و پهنتر میشوند — ویژگیهای برجسته نزدیک ~720، ~820، ~940، ~1130، ~1380 و ~1870 nm تابش را در آن نواحی کاهش میدهند، در حالی که ناحیهٔ مرئی بهطور مقایسهای کمتر تحت تأثیر قرار میگیرد.
- زمان/فصل (جرم هوا): خورشید پایینتر (صبح/عصر یا زمستان) → طول مسیر بیشتر → اتلاف رایلی/آئروسل بیشتر، طیف «سرخشدهتر»، مؤلفهٔ مستقیم کمتر، سهم پخشی بیشتر. نزدیک ظهر/تابستان روند معکوس برقرار است.
- عرض جغرافیایی: عرضهای جغرافیایی بالاتر معمولاً ارتفاع اوج کمتر و اتلاف جوی قویتری نشان میدهند؛ شرایط استوایی تابش مستقیم بیشتر و تضعیف کمتری ایجاد میکنند.
نکته: اگر شبیهسازی دستگاه پاییندستی شما طیفها را به 1 sun نرمالسازی کند، ممکن است جریان کل تغییر نکند؛ روی تفاوتهای شکل طیفی تمرکز کنید (اینکه کدام نوارها افزایش/کاهش تابش دارند). برای این تمرین میتوانید میدان NO₂ را نادیده بگیرید.
👉 گام بعدی: به بخش B بروید تا بیاموزید چگونه از طیفهای خورشیدی تولیدشده در شبیهسازیهای OghmaNano استفاده کنید، از جمله یکپارچهسازی با مدلهای دستگاه و گردشکارهای تحلیل.