Légköri tömeg és AM1.5: miért ezzel a számmal mérik a napelemeket?

Röviden: a légköri tömeg (angolul air mass, AM) azt adja meg, hogy a napfény a legrövidebb lehetséges úthoz képest hányszor hosszabb utat tesz meg a légkörben. A napelemek összehasonlító méréseinél a szabványos AM1.5G spektrumot használják, 1 kW/m² teljesítménysűrűséggel.

Mi a légköri tömeg?

A légköri tömeg a fény légkörön áthaladó útjának hossza, normalizálva a lehető legrövidebb úthosszra, vagyis arra az esetre, amikor a Nap közvetlenül a fejünk felett áll. A mutató azt fejezi ki, mennyit csökken a fény teljesítménye, miközben a légkörön halad, és a levegő meg a por elnyeli. A meghatározásban szerepel a függőlegestől mért szög (zenitszög). Ha a Nap pontosan fent áll, a légköri tömeg értéke 1.

A légköri tömeg a légkörnek az a hányada, amelyen a fénynek át kell haladnia, mielőtt a Földet eléri, a fejünk feletti úthosszhoz viszonyítva. Egy egyszerű módszer meghatározására egy függőleges rúd árnyékának hossza: a légköri tömeg az átfogó hossza osztva a rúd magasságával, ami a Pitagorasz-tételből adódik.

Ez a számítás a légkört sík, vízszintes rétegnek tekinti, ezért a légkör görbülete miatt a horizont közelében a légköri tömeg nem teljesen egyezik meg a tényleges úthosszal. Napkeltekor a Nap a függőlegestől 90°-ra van, és a számított légköri tömeg végtelen, miközben az úthossz nyilvánvalóan nem az. Ezért létezik olyan képlet, amely a Föld görbületét is figyelembe veszi.

A szabványos spektrumok

A napelem hatásfoka érzékeny a ráeső fény teljesítményére és spektrumára is. Hogy a különböző időpontban és helyen mért cellák pontosan összehasonlíthatók legyenek, szabványos spektrumot és teljesítménysűrűséget határoztak meg a Föld légkörén kívüli és a földfelszíni sugárzásra.

A földfelszíni szabványos spektrum neve AM1.5G (a G a „global” rövidítése, amely a közvetlen és a szórt sugárzást is tartalmazza) vagy AM1.5D (csak a közvetlen sugárzás). Az AM1.5D intenzitása úgy közelíthető, hogy az AM0 spektrumot 28%-kal csökkentik (18% az elnyelés, 10% a szóródás miatt). A globális spektrum 10%-kal magasabb a közvetlennél. Ebből kb. 970 W/m² adódik az AM1.5G-re. A szabványos AM1.5G spektrumot azonban 1 kW/m²-re normalizálták, mert ez kerek szám, és mert a beeső napsugárzás eleve ingadozik.

A légkörön kívüli szabványos spektrum neve AM0, mert a fény sehol nem halad át a légkörön. Ezt általában az űrben használt cellák várható teljesítményének előrejelzésére használják.

A közvetlen sugárzás és a magasság

A forrás kísérleti úton meghatározott összefüggést közöl a közvetlen napsugárzás intenzitására a légköri tömeg függvényében. A képletben a napállandó 1,353 kW/m², a 0,7 pedig azt fejezi ki, hogy a légkörbe érkező sugárzás kb. 70%-a jut le a Földre. A további 0,678-as kitevő empirikus illesztés, amely a légköri rétegek egyenetlenségét veszi figyelembe.

A napfény intenzitása a tengerszint feletti magassággal nő, és a spektrum is változik, ezért a magas hegyeken kékebb az ég. A forrás szerint az Egyesült Államok délnyugati részének nagy része két kilométerrel van a tengerszint felett, ami jelentősen növeli a napsugárzást.

Derült időben is a szórt sugárzás körülbelül 10%-a a közvetlen összetevőnek. Ezért derült napon a napsugarakra merőleges modulra jutó globális sugárzás a közvetlen és a szórt összetevő összege.

Mit érdemes megjegyezni?

Amikor egy panel adatlapján szerepel a névleges teljesítmény, az AM1.5 spektrumra és 1 kW/m²-re vonatkozik. A hatásfok méréséről a napelem hatásfokáról szóló cikkben írtunk. A Nap szögeiről a Nap látszólagos járásáról szóló írás szól, a fényerősség hatásáról pedig a fényintenzitásról szóló cikk.