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Energy Convers. Manag.：評估光譜指數在全球光伏性能分析中的適用性
重點摘要
該研究文章由Solar Consulting Services的Christian A. Gueymard發表。
- 光譜指數常用於評估對各種光伏電池的光譜影響。
- 對6個光伏核心波段進行了3種指標（APE、BF和UF）的研究。
- 使用SMARTS模型產生並分析了數千個直接和全球光譜。
- 這些光譜代表了多種大氣條件，適用於全球不同地區。
- APE的表現最為優越，但沒有一個指標是真正單射的，這是由於藍/紅補償效應所致。
研究背景
光伏(PV)電池對入射光譜敏感,會影響功率輸出。需在標準測試條件(STC)下測量輸出。STC定義參考光譜分佈,通常為大氣品質(AM)1.5。目前常用參考光譜有AM1.5G和AM1.5D。光譜輻照度和大氣條件顯著影響寬頻輻照度和光譜分佈。最近研究通過模擬評估不同光伏電池技術的光譜效應。為簡化處理,引入三個光譜指數(APE、BF和UF)用於光伏電池研究。但這些指數是否能準確表徵特定光譜存在分歧,需要進一步研究。文章目標是確定是否存在可靠的光譜指數用於表徵任意特定光譜。
*名詞解釋
平均光子能量（Average Photon Energy，APE）：是指入射光譜光子能量分佈的光譜指數,等於入射光子能量flux與入射光子數flux之比,代表入射光子的平均能量大小。APE越大表示入射光譜越藍移,越小表示入射光譜越紅移。
有效分數(Useful Fraction, UF)：描述入射光譜對光伏電池有效性的光譜指數。
藍光分數(Blue Fraction, BF)：BF是一種用來描述入射光譜中藍光成分的光譜指數。本研究是以650 nm為分界限，故公式如下：
研究成果
近期研究聚焦於光伏電池在不同大氣條件和大氣品質下的光譜指數（APE、BF和UF）變化。在相同大氣條件下，大氣品質（AM）從1變化到26。以AM≤7為例，DNI在WB＃6情況下顯示，隨著AM增加，APE和BF減小，但UF表現出異常穩定性。類似情況也在GHI情況下觀察到，表明UF不可靠，這問題尚未文獻報導。另一方面，改變大氣條件（AM1.5）包括大氣品質、氣溶膠光學厚度、Ångström指數和可降水水汽，對光譜指數影響多樣。不同大氣條件對光譜指數有複雜影響，氣質量增加導致紅移，氣溶膠增加進一步紅移，水汽引起藍移。
總體上，APE的差別性能更強，對實際測量有幫助，而UF傾向於過度表現中性效應，差異較小。研究發現APE的變化比BF更明顯，這表明APE在區分不同情況方面更具優勢，對實際測量非常有幫助，因為實驗不確定性經常掩蓋了不同情況間的微小差異。此外，不同的大氣條件和大氣品質可能會相互抵消光譜指數的差異。作者比較大氣條件不同但APE相同的類比光譜,結果顯示NIR區域水蒸氣吸收變化與UV/可見光譜變化不一致,說明光譜指數唯一性假設存在局限性。因此，在分析和比較不同光伏技術時，大氣條件、大氣品質和光譜指數之間的相互關係需要仔細考慮。
研究方法
- 使用SMARTS模型生成了數千個涵蓋多樣大氣條件的直接和全球太陽光譜。
- 從模擬光譜中計算了在6個與光伏有關的波段中的APE、BF和UF光譜指數。
- 分析了空氣質量、氣溶膠、水汽等輸入對指數的影響。
- 評估了指數相對於參考光譜的表現。
- 評估了指數和光譜分布之間的單射性。
結論
在討論中觀察到，光譜指數（APE、BF、UF）在代表光伏電池的太陽輻射中扮演著重要角色。UF呈現不一致的行為，顯示其局限性。APE和BF可靠，其中APE對大氣變化的響應更高，因此更為理想。值得注意的是，該研究突顯了一個重要發現：由於大氣過程中紅移和藍移之間的補償，導致不同光譜分布具有相同的指數值，因此這些指數都不是單射的。這一見解強調了準確表徵太陽光譜分布的複雜性。
