Air Mass

(Catatan penerjemah: ‘Air Mass’ secara harafiah dapat diartikan sebagai ‘Massa Udara’. Namun dalam dunia fotovoltaik, Air Mass memiliki definisi yang lain. Agar pembaca tidak bingung saat membaca literatur fotovoltaik dalam Bahasa Inggris, kata Air Mass tidak akan diterjemahkan dan digunakan apa adanya.)

Air Mass adalah jarak yang ditempuh cahaya saat melalui atmosfer, dinormalisasi terhadap jarak terpendek yang memungkinkan (yaitu, saat matahari berada di atas kepala kita atau tengah hari). Air mass mengkuantifikasi penurunan daya dari cahaya yang terjadi saat melalui atmosfer dan diserap oleh udara dan debu. Air Mass didefinisikan sebagai:

dimana θ adalah sudut dari garis vertikal (sudut zenith). Saat matahari berada di atas kepala, Air Mass bernilai 1.

Model yang lebih rinci yang menunjukan efek dari Air Mass pada spektrum matahari dapat di akses di Kalkulator Spektrum Matahari PV Lighthouse.

Sebuah metode yang mudah untuk menentukan air mass dari bayangan dari sebuah tiang yang tegak lurus.

Air mass adalah panjang dari hipotenusa dibagi tinggi benda h, dan dari Teorema Pitagoras kita mendapat:

Perhitungan untuk air mass di atas mengasumsikan bahwa atmosfer adalah sebuah lapisan horizontal dan datar, namun karena lengkungan atmosfer, air mass tidak sama dengan jarak tempuh atmosferik saat matahari dekat dengan cakrawala. Saat matahari terbit, sudut matahari dari posisi vertikal adalah 90° dan Air Massnya tak terhingga, sedangkan jarak tempuhnya jelas-jelas berhingga. Sebuah persamaan yang menggabungkan lengkungan bumi adalah:1:

Spektrum Matahari dan Iradiasi Matahari Terstandardisasi

Efisiensi sel surya sensitif terhadap variasi dari daya dan spektrum dari cahaya datang. Untuk memudahkan perbandingan yang akurat antara sel surya yang diukur di waktu dan tempat yang berbeda, sebuah spektrum standar dan kepadatan daya standar telah ditentukan untuk radiasi di luar atmosfer bumi dan di permukaan bumi.

Spektrum standar di permukaan bumi disebut AM1.5G, (G berarti global dan meliputi radiasi langsung dan tersebar) atau AM1.5D (yang hanya mencakup radiasi langsung). Intensitas dari radiasi AM1.5D dapat diperkirakan dengan mengurangi spektrum AM0 sebanyak 28% (18% dari penyerapan dan 10% dari hamburan). Spektrum global 10% lebih besar dari spektrum langsung. Perhitungan-perhitungan tersebut menghasilkan nilai sekitar 970 W/m² untuk AM1.5G. Namun, standar AM1.5G telah dinormalisasi menjadi 1kW/m² dkarena angka bulat lebih mudah digunakan dan adanya variasi dalam radiasi matahari di permukaan bumi. Spektrum standar dapat dilihat di halaman Apendiks.

Spektrum standar di luar atmosfer bumi dinamakan AM0 karena di sana cahaya tidak melalui lapisan atmosfer. Spektrum ini biasanya digunakan untuk memprediksi performa sel surya di luar angkasa.

Perhitungan Intensitas Berdasarkan Air Mass

Intensitas dari komponen langsung sinar matahari sepanjang hari dapat dianggap sebagai fungsi dari air mass sesuai dengan persamaan yang didapat dari hasil eksperimen sebagai berikut2:

dimana I_D adalah intensitas pada sebuah permukaan yang tegak lurus dengan sinar matahari dan memiliki satuan kW/m² dan AM adalah air mass. Nilai 1.353 kW/m² adalah konstanta matahari dan angka 0.7 adalah karena sekitar 70% dari radiasi yang sampai di atmosfer diteruskan ke Bumi. Pangkat tambahan 0.678 adalah penyesuaian empiris yang berasal dari data yang diamati dan memperhitungkan ketidakseragaman pada lapisan-lapisan atmosfer.

Intensitas cahaya matahari bertambah seiring dengan ketinggian yang diukur dari permukaan laut. Kandungan spektral juga berubah, membuat langit terlihat lebih biru di gunung yang tinggi. Kebanyakan dari barat daya Amerika Serikat berada 2 kilometer dari permukaan laut, menaikkan insolasi matahari secara signifikan. Persamaan empiris dari data yang diamati 3 , akurat hingga beberapa kilometer di atas permukaan laut adalah:

dimana a = 0.14 dan h adalah tinggi di atas permukaan laut dalam kilometer.

Bahkan pada hari yang cerah, radiasi tersebar masih sekitar 10% dari komponen langsungnya. Sehingga, pada hari yang cerah, iradiansi global pada sebuah modul yang tegak lurus dengan cahaya matahari adalah:

• 1. F. Kasten and Young, A. T., “Revised optical air mass tables and approximation formula”, Applied Optics, vol. 28, pp. 4735–4738, 1989.
• 2. A. B. Meinel and Meinel, M. P., Applied Solar Energy. Addison Wesley Publishing Co., 1976.
• 3. E. G. Laue, “The measurement of solar spectral irradiance at different terrestrial elevations”, Solar Energy, vol. 13, pp. 43 - 50, IN1-IN4, 51-57, 1970.