에어매스 (Air Mass)

에어매스는 빛이 지구에 도달하기 전까지 통과하여야 하는 대기의 일부분으로, 최단 경로의길이를 나타낸다. 에어매스는 대기를 통과 중에 공기와 먼지에 의해 흡수되면서 빛의 출력이 줄어드는 양을 정하게 된다. 에어매스는 아래 식으로 정의한다.

여기서 θ는 수직선으로부터의 각도(천정각 : zenith angle)이다. 태양이 바로 머리 위에 있을 때, 에어매스는 1 이다.

에어매스가 태양광 스펙트럼에 미치는 영향을 보여주는 보다 자세한 모델은  PV Lighthouse Solar Spectrum Calculator.에서 볼 수 있다.

에어매스를 구하는 손쉬운 방법은 수직 막대기의 그림자로부터이다.

에어매스는 직각삼각형의 밑변을 물체의 높이 h로 나눈 길이로, 피타고라스 정리에 의해 아래와 같이 계산한다.

에어매스에 관한 위의 계산은 대기가 평평한 수평 층이라 가정한 것인데, 하지만 대기는 굴곡이 있기 때문에, 태양이 수평선 가까이 있을 때 에어매스는 대기 중의 경로 길이와 꼭 같지는 않다. 일출시에 수직선으로부터 태양의 각도는 90°이고, 이 때 에어매스는 무한하고,반면에 경로 길이는 명확하지 않다. 지구의 굴곡을 반영한 식은 아래와 같다1:

표준 태양광 스펙트럼과 태양 일조량 (Standardised Solar Spectrum and Solar Irradiation)

태양전지의 효율은 입사되는 태양광의 출력과 스펙트럼의 변화에 민감하게 반응한다. 서로다른 시간대와 장소에서 만든 태양전지 사이의 정확한 비교를 위해서는 대기권 밖과 지표면에서의 일조량에 대한 표준 스펙트럼과 출력밀도에 대해 명확히 규정하여야 한다.지표면에서의 표준 스펙트럼을 AM1.5G (G는 global을 나타내는 것으로 직달과 분산(diffuse) 복사 모두를 포함하는 것이다), 혹은 AM1.5D (D는 직달 복사만)라고 한다.AM1.5D 복사의 강도는 AM0 스펙트럼을 28 %(18 %는 흡수에 기인, 10 %는 산란에 기인)줄이면 비슷해진다. 글로벌 스펙트럼은 직달 스펙트럼보다 10 % 더 높다. 이렇게 계산하면AM1.5G 값이 약 970 W/m² 가 된다. 그러나 표준 AM1.5G 스펙트럼은 단위의 편리성과 입사되는 태양 복사가 원래부터 변화가 있음을 감안하여 1kW/m² 로 규격화한다. 표준 스펙트럼은 부록에 있다 Appendix.

대기권 밖의 표준 스펙트럼을 AM0라 하는데, 이는 어떤 단계에서도 빛이 대기를 통과하지않기 때문이다.

에어매스를 토대로 한 강도 계산 (Intensity Calculations Based on the Air Mass)

태양광의 직달 성분의 강도는 아래 실험적으로 구한 식으로부터 에어매스의 함수로 구할 수
있다23.

여기서, ID는 태양광이 조사되는 방향과 수직인 평면에서의 강도로 그 단위는 kW/m², 그리고 AM은 에어매스이다. 1.353 kW/m2는 태양상수(solar constant)이고, 숫자 0.7은 대기에입사되는 복사의 약 70 %가 지구로 투과된다는 사실에 기인한 것이다. 멱수(거듭제곱)의멱수 항의 0.678은 관찰된 데이터에 맞추기 위해 피팅할 때 사용하는 경험적인 값이고, 이는 대기층의 불균일성을 고려한 것이다.

태양광의 세기는 수평면 위의 해발 고도와 함께 증가한다. 태양광의 스펙트럼 분포 역시 변화하는데, 높은 산 위에서의 하늘은 더 푸르다. 미국 남서부 지역의 대부분은 해발 2 킬로미터에 위치하고 있어, 태양 일조량이 크게 증가한다. 관측 데이터에 맞고, 해발 수 킬로미터의 위치에도 정확한 경험식은 아래와 같다[ 4.

여기서, a = 0.14, h는 해발 높이(km)이다.

청명한 날에도 분산 복사는 직달 복사의 약 10 %를 점한다. 이와 같이 청명한 날 태양에수직 방향에 위치한 모듈에서의 전(글로벌) 일조강도는 아래식과 같다.

• 1. F. Kasten 와/과 Young, A. T., “Revised optical air mass tables and approximation formula”, Applied Optics, vol 28, pp 4735–4738, 1989.
• 2. A. B. Meinel 와/과 Meinel, M. P., Applied Solar Energy. Addison Wesley Publishing Co., 1976.
• 3. Citekey not found
• 4. 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.