Masa de aire

La masa de aire es la longitud del camino tomado por la luz a través de la atmósfera normalizado a la ruta más corta posible (es decir, cuando el sol está directamente vertical). La masa de aire cuantifica la reducción en la potencia de la luz a medida que pasa a través de la atmósfera y es absorbido por el aire y el polvo. La masa de aire se define como:

Dónde θ es el ángulo de la vertical (ángulo cenital). Cuando el sol está directamente vertical, la masa de aire es 1.

La masa de aire representa la proporción de la atmósfera que la luz debe atravesar antes de golpear la Tierra en relación con la longitud del camino vertical, y es igual a Y / X.

Un modelo más detallado que muestra el efecto de la masa de aire en el espectro solar está disponible en el PV Lighthouse Solar Spectrum Calculator.

Un método sencillo para determinar la masa de aire es la sombra de un poste vertical.

Masa de aire es la longitud de la hipotenusa dividida entre la altura del objeto, h, y por el teorema de Pitágoras obtenemos:

En el cálculo anterior de la masa de aire se supone que la atmósfera es una capa plana y horizontal, pero debido a la curvatura de la atmósfera, la masa de aire no es del todo igual a la longitud de la trayectoria atmosférica cuando el sol está cerca del horizonte. En la salida del sol, el ángulo del sol desde la posición vertical es de 90 ° y la masa de aire es infinita, mientras que la longitud del camino claramente no lo es. Una ecuación que incorpora la curvatura de la tierra es 1:

Espectro e Irradiación Solar Estandarizadas

La eficiencia de una célula solar es sensible a las variaciones en la potencia y el espectro de la luz incidente. Para facilitar una comparación exacta entre las células solares medidas en diferentes momentos y lugares, se ha definido una densidad del espectro y la potencia estándar tanto para la radiación fuera de la atmósfera de la Tierra como para la superficie de la Tierra.

El espectro estándar en la superficie de la Tierra se llama AM1.5G, (la G significa mundial e incluye la radiación directa y difusa) o AM1.5D (que incluye sólo la radiación directa). La intensidad de la radiación AM1.5D se puede aproximar mediante la reducción del espectro AM0 en un 28% (18% debido a la absorción y el 10% a la dispersión). El espectro global es 10% más alto que el espectro directo. Estos cálculos dan aproximadamente 970 W / m2 para AM1.5G. Sin embargo, el espectro AM1.5G estándar ha sido normalizado para dar 1 kW / m2 debido a la conveniencia de un número redondo y el hecho de que haya variaciones inherentes en la radiación solar incidente. El espectro estándar aparece en la página Apéndice.

El espectro estándar fuera de la atmósfera de la Tierra se llama AM0, porque en ningún momento la luz pasa a través de la atmósfera. Este espectro se utiliza típicamente para predecir el rendimiento esperado de las células en el espacio.

Cálculos de intensidad respecto a la masa de aire

La intensidad de la componente directa de la luz solar durante cada día se puede determinar como una función de la masa de aire de la ecuación determinado experimentalmente 2:

dónde I_D es la intensidad en un plano perpendicular a los rayos del sol en unidades de kW/m² y AM es la masa de aire . El valor de 1.353 kW/m² es la constante solar y el número 0,7 surge del hecho de que aproximadamente el 70% de la radiación incidente sobre la atmósfera se transmite a la Tierra. El término de potencia extra de 0.678 es un ajuste empírico a los datos observados y tiene en cuenta las faltas de uniformidad en las capas atmosféricas.

La intensidad de la luz del sol aumenta con la altura sobre el nivel del mar. El contenido espectral de la luz solar también cambia, por esto, el cielo es "más azul" en montañas altas. Gran parte del suroeste de los Estados Unidos está a dos kilómetros sobre el nivel del mar, ayudando significativamente al aislamiento solar. Un preciso y simple ajuste empírico de los datos observados 3 a unos pocos kilómetros sobre el nivel del mar, está dado por:

donde a = 0.14 y h es la altitud en kilómetros.

Incluso en un día despejado, la radiación difusa es todavía un 10% de la componente directa. Por lo tanto en un día claro la irradiancia global sobre un módulo perpendicular a los rayos del sol es:

• 1. F. Kasten y Young, A. T., «Revised optical air mass tables and approximation formula», Applied Optics, vol. 28, pp. 4735–4738, 1989.
• 2. A. B. Meinel y 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.