Влияние атмосферных аэрозолей на спектральное несоответствие и возникающую неопределённость в работе фотоэлектрических модулей

Почему цвет солнечного света важен для солнечных панелей

Домовладельцы, инвесторы и планировщики сетей часто рассматривают солнечную энергию как предсказуемую: при заданном количестве солнечного света панель должна выдать определённое количество электроэнергии. На практике же одинаковые панели при одинаковом зарегистрированном освещении могут давать заметно разную мощность. В этой статье объясняется скрытый виновник таких расхождений: крошечные частицы в воздухе, называемые аэрозолями, тонко меняют «цветовой состав» солнечного света так, что стандартные тесты этого не фиксируют, что в реальных условиях приводит к приростам или потерям в работе систем до примерно десяти процентов.

Солнечный свет в лаборатории и в реальном мире

КПД коммерческих модулей сертифицируется в строго определённых Стандартных Условиях Испытаний. В лаборатории панели освещают эталонным спектром AM1.5G, который представляет собой идеализированное солнечное излучение в полдень при ясной атмосфере, а температура ячеек поддерживается на уровне 25 °C. Вне лаборатории спектр солнечного света почти никогда не совпадает с этим стандартом. По мере прохождения через атмосферу свет поглощается и рассеивается газами, водяным паром и, особенно, аэрозолями — мелкими частицами морской пены, пыли, загрязнений и дыма от сжигания биомассы. Стандартные датчики измеряют только суммарную мощность излучения, но не его детальную спектральную структуру, поэтому изменения формы спектра могут приводить к отклонениям выходной мощности панели от номинала даже при неизменной измеренной освещённости.

Простое число для сложного спектра

Чтобы отследить этот эффект, авторы сосредоточились на величине, называемой спектральным фактором. Он показывает, насколько сильнее (или слабее) фотоэлемент реагирует на реальный спектр по сравнению со стандартным AM1.5G. Если спектральный фактор больше единицы, реальная атмосфера даёт панели спектральный «бонус»; если он меньше единицы — возникает потеря. Используя хорошо проверенную модель переноса излучения (SMARTS2), исследование моделирует сотни тысяч реалистичных спектров, варьируя высоту Солнца над горизонтом, наклон панели, содержание водяного пара в атмосфере и детальные свойства аэрозолей. Ключевой шаг — совместить каждый смоделированный спектр с известной длино-волновой чувствительностью кристаллических кремниевых ячеек, доминирующей технологии на рынке, чтобы оценить, какой электрический ток даст каждый спектр.

Что на самом деле делают разные аэрозоли и углы установки панелей

Команда рассматривает пять общих типов аэрозолей: морской аэрозоль, пустынная пыль, смешанные частицы, городско‑промышленное загрязнение и дым от сжигания биомассы. Даже если их спектры на первый взгляд выглядят похожими, эти аэрозоли смещают свет в сторону более красных или более синих длин волн и меняют соотношение прямого солнечного света и рассеянного небного свечения. Симуляции показывают, что панели, лежащие горизонтально, склонны испытывать спектральные потери, особенно при наличии тонких поглощающих аэрозолей, таких как городской смог или дым, и когда Солнце невысоко над горизонтом. С увеличением угла наклона эти потери уменьшаются и могут превращаться в приросты. Вертикально установленные панели — например, фасады зданий — часто демонстрируют заметные спектральные выигрыши, особенно в запылённых или задымлённых условиях с мелкими частицами, хотя суммарное захваченное излучение у них может быть меньше.

От сдвигов цвета к реальным приростам и потерям мощности

В крупном «виртуальном эксперименте» авторы вычисляют эффективный КПД кремниевого модуля с 20% номиналом для почти 900 000 различных сочетаний широты, наклона панели, положения Солнца и свойств атмосферы. Они обнаруживают, что спектральное несоответствие, вызванное аэрозолями, само по себе может изменить эффективность вверх или вниз примерно на 10%, а в отдельных условиях — даже сильнее. Крупные частицы, такие как морской аэрозоль и пустынная пыль, как правило, способствуют повышению эффективности в средних широтах, тогда как мелкие загрязнения и дым приводят к большей изменчивости и в целом понижают эффективность на больших широтах. Статистические тесты подтверждают, что различия между классами аэрозолей не являются случайным шумом, а систематическими эффектами. Для таких регионов, как Китай, где развёрнуты большие солнечные парки и часто случаются эпизоды загрязнения, результаты означают, что грязный воздух может незаметно подъедать выработку солнечной энергии помимо очевидного затемнения Солнца.

Что это значит для планирования солнечной энергетики и повседневных систем

Для неспециалиста ключевое послание состоит в том, что «качество» солнечного света важно не меньше, чем его количество. Два дня с одинаковой измеренной освещённостью могут дать разную генерацию от одной и той же солнечной установки, потому что аэрозоли изменили спектр в сторону, выгодную или вредную для кремниевых ячеек. Авторы показывают, что в типичных уличных условиях этот скрытый эффект может изменить эффективность примерно на одну десятую, и умеренные потери могут возникать даже в кажущиеся спокойными дни, когда панели почти горизонтальны, Солнце низко, а в воздухе присутствует умеренное количество тонких поглощающих частиц. По мере роста доли солнечной энергетики, особенно в загрязнённых или запылённых регионах и на фасадах зданий, учёт этих спектральных эффектов поможет сделать оценки производительности более надёжными и финансовое планирование — более безопасным.

Цитирование: Hategan, SM., Paulescu, E. & Paulescu, M. Atmospheric aerosol effects on spectral mismatch and the resulting uncertainty in photovoltaic performance. Sci Rep 16, 5339 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36144-7

Ключевые слова: солнечный спектр, аэрозоли, эффективность фотоэлектрики, спектральное несоответствие, оценка солнечных ресурсов