구름과 태양광 스펙트럼의 관계식

다음은 2024년에 발표된 논문의 일부입니다. 여러 형태의 구름이 낀 날과 맑은 날의 태양광 스펙트럼, 습도에 따른 태양광의 산란 등을 비교하고 있습니다.

Observed patterns of surface solar irradiance under cloudy and clear-sky conditions | 지표면 태양 복사조도는 수초에서 수 미터에 이르는 매우 작은 시간 규모로 변동합니다. 이러한 변동성은 주로 구름에 의한 파장 의존적 산란에 의해 발생하며, 에어로졸과 수증기의 영향은 상대적으로 적습니다. 태양 복사조도의 이러한 높은 변동성은 대부분의 대기 모델에서 제대로 반영되지 않지만, 특히 지표-대기 상호작용과 태양 에너지 예측의 정확도에 큰 영향을 미칩니다. 변동성을 규명하고, 그 메커니즘을 이해하며, 이를 정확하게 반영할 수 있는 모델을 개발하기 위해서는 공간적, 분광적으로 해상도가 높은 고해상도 태양 복사조도 관측 데이터 세트가 필요하지만, 이러한 데이터 세트는 매우 드뭅니다. 2021년, 우리는 독일 린덴베르크의 아중규모 시공간 변동성 현장 실험(FESSTVaL)과 스페인 이베리아 반건조 환경의 대기와 지표면 상호작용 현장 실험(LIAISE)에서 저비용 복사계 네트워크를 구축하여 구름에 의해 발생하는 지표면 복사량 패턴(스펙트럼 효과 포함)에 대한 데이터를 수집했습니다. 이는 관측 및 이해의 공백을 해소하기 위한 목적이었습니다. 적운, 고적운, 권운 사례 연구를 통해 이러한 구름들이 복사량에 큰 시공간적 변동성을 일으키지만, 그 메커니즘과 공간 규모는 50m에서 30km에 이르는 다양한 범위에 걸쳐 있음을 발견했습니다. 가시광선 영역의 스펙트럼 복사조도는 유사한 규모로 변화하며, 특히 적운에서 구름 그림자 부분에서 청색광이 두드러지게 나타나고, 반투명 구름이나 적운 가장자리 부근에서는 복사조도가 적색광으로 집중되는 경향이 있습니다. 맑은 하늘 조건에서 태양 복사조도는 대기 경계층의 수분 함량 변화로 인해 수증기 흡수 대역에서 분 단위 규모로 크게 변화합니다. 본 연구에서는 비교적 소규모의 저비용 센서 네트워크를 이용하여 상세한 시공간적 복사조도 패턴을 관측할 수 있으며, 이러한 네트워크 관측 자료가 복사조도 변동성을 분석할 수 있는 모델 개발에 대한 통찰력과 검증 자료를 제공할 수 있음을 보여줍니다. (원문 : Royal Meteorological Society)

2.1 태양 복사량 센서 설계
우리가 사용하는 센서는 구름에 의해 발생하는 입사광의 급격한 변동과 대기 구성, 구름, 에어로졸, 식생으로 인한 광 스펙트럼 변화를 포착하도록 특별히 설계되었습니다. FROST(Fast Response Optical Spectroscopy Time syncrised instrument: Heusinkveld et al., 2023 ) 장비는 10Hz의 샘플링 주파수로 가시광선에서 근적외선 스펙트럼(410~940nm)의 18개 파장에서 입사 단파 복사조도를 측정합니다. 18개 밴드의 위치는 그림 1 에 자세히 나와 있으며 , 이 그림은 공장 사양인 반치폭(FWHM) 20nm에 대한 응답 곡선과 정오 무렵 중위도 여름날의 모의 태양 스펙트럼을 결합한 결과를 보여줍니다. 18개 밴드는 분광기 칩의 6개 밴드씩 3개의 하위 그룹에 분포되어 있으며, 그림에서 색상으로 구분되어 있습니다. 이 세 개의 보조 센서는 공간적으로 약 1cm 간격으로 떨어져 있기 때문에(삼중 구조), 들어오는 햇빛을 고르게 분산시키기 위해 상단에 테플론 확산판을 사용합니다.

6. 결론 및 전망
고품질 기준 관측소를 사용하여 교정된 저비용 복사계를 이용해 구름 규모에서 지표면 태양 복사조도에 대한 두 가지 고해상도 및 분광 분해능 데이터 세트를 수집했습니다. FESSTVaL의 구름 카메라, LIAISE의 대기 연직 관측 자료, 그리고 시뮬레이션된 맑은 하늘 분광 데이터와 같은 보조 관측 및 시뮬레이션 자료와 결합하여 세 가지 유형의 구름과 구름이 없는 대기 수분 변동에 의해 발생하는 지표면 복사조도의 공간적 패턴에 대한 통찰력을 얻었습니다. 이 연구는 저비용 장비가 정확하고 상세한 공간 측정값을 제공할 수 있음을 보여주며, 특히 고가의 무겁고 유지보수가 까다로운 장비를 배치하기 어려운 지역에서의 현장 연구에 효과적인 보조 수단이 될 수 있음을 입증합니다.

본 연구에서는 경계층 적운, 중층 고적운, 고층 권운의 경우를 분석하였다. 세 가지 경우 모두 지표면 복사조도 패턴, 변동의 공간적 규모(50m~30km), 구름 유형, 직접/산란 분할, 스펙트럼 복사조도, 그리고 이러한 패턴이 형성되는 메커니즘에서 뚜렷한 차이를 보였다. 실제 측정의 복잡성으로 인해 개별 산란 메커니즘이 전체 변동에 기여하는 정도를 정량화하는 것은 여전히 ​​어렵다. 그러나 가시광선 중 청색과 적색 파장의 변화를 비교함으로써, 적운 그림자 부근의 복사조도 증가는 국부적인 구름 가장자리에서 전방 산란된 빛의 영향이 크다고 생각한다. 이는 그림자에서 멀리 떨어진 곳에서는 복사조도가 주로 전체 구름 영역에서 구름 측면에서 발생하는 것과는 대조적이다. 중층 및 고층운의 경우, 적운과 유사하게 맑은 하늘과 비교했을 때 복사조도가 감소하는 조건은 청색광에 가깝고, 복사조도가 증가하는 조건은 적색광에 가깝다. 그러나 이러한 경우 스펙트럼 복사조도 변화의 원인은 분석에서 명확하게 밝혀지지 않았습니다. 변화를 설명하기 위해 수행한 계산 결과가 관측값과 정량적으로 일치하지 않는데, 이는 아마도 이 방법의 기본 가정이 고고도 구름에서는 성립하지 않기 때문일 것입니다.

앞서 논의한 세 가지 일반적인 사례는 최첨단 수치 기상 예측 모델이나 대부분의 학술 연구용 구름 해상 모델에서 제대로 표현되지 못하는데, 이는 복사 전달 계산의 단순화 때문입니다. 특히, 고적운은 강하고 국지적인 피크를 생성하는 데 효과적이지만, 3차원 복사 전달 연구 분야에서 제대로 다뤄지지 않는 경향이 있습니다. 해석의 편의를 위해 단독으로 발생하는 구름 사례에만 초점을 맞추었지만, 실제로는 다양한 유형의 구름이 동시에 발생하고 그 효과가 단순히 합산되지 않는 경우가 많습니다. 이는 관측 및 모델링 연구 모두에서 실질적인 어려움을 야기합니다.

또한, 분광 복사량 측정에 있어 센서 품질에 일부 한계가 있음에도 불구하고, 맑은 하늘 조건에서 대기 수증기의 상당한 변화로 인해 발생하는 복사량 스펙트럼의 변동성을 포착할 수 있습니다. 이러한 국지적 변동은 종종 종관 규모의 수분 이류보다 크지만, 지구 복사조도(GHI)의 약 1% 정도의 변동과 상관관계를 보이므로, 구름 없는 경계층의 수분 흐름과 광학적 특성의 이질성을 보여줍니다.

본 연구에서 제시된 데이터 세트는 구름과 습도에 의해 유발되는 복사조도 변동에 대한 관측 자료를 제공하며, 이는 복사 전달 변동성 매개변수화 개발에 활용될 수 있습니다. 또한, 현재 부정확한 (분광) 복사조도 분포에 기반하여 작동하는 지표면, 광합성 또는 동적 식생 모델의 입력값을 보정하는 데에도 도움이 될 수 있습니다. 그러나 구름에 의한 복사조도 변동을 보다 포괄적으로 이해하기 위해서는 이와 같은 데이터 세트에서 훨씬 더 많은 구름과 복사조도 패턴에 대한 분석이 필요합니다. 우리는 3차원 복사 전달을 고려한 이상화된 구름 해상 모델을 사용하여 복잡한 실제 데이터를 분석하고, 그 메커니즘을 정량적으로 규명함으로써 분석 정확도를 향상시킬 수 있다고 생각합니다.

요지는,

1) 구름의 광 산란 또는 광 흡수에 의해 청색광과 적색광의 비율이 달라진다. 특히, 구름에 수분이 많은 경우 적색광이 쉽게 흡수된다.
2) 기상의 변화에 따라 발전에 사용되는 광의 스펙트럼이 실시간으로 달라진다는 의미이며, 예를 들어 청색광에 민감한 PV 셀을 쓸 경우, 오히려 구름이 낀 날에 발전효율이 증가될 수도 있다.

입니다.

PV 패널 스펙트럼은, AM 1.5, IEC 60904-3 글로벌 규격을 따릅니다. 구체적인 내용은 다양한 검색 자료에 담겨 있습니다. 여기서 중요한 것은, 낮은 파장대 즉, 가시광선 영역에 발전효율에 직결되는 적색광과 청색광이 배치되어 있다는 사실입니다.

* https://www.pveducation.org/sites/default/files/PVCDROM/Appendices/Images/Spectra.png

다음은 한화 큐셀 데이터시트의 기표 사례입니다.

* 메인 이미지 출처 : https://mienergy.ca/solar-power-generation-and-cloudy-days/