Efek Atmosferik

Efek atmosferik memiliki beberapa dampak pada radiasi matahari di permukaan bumi. Beberapa efek yang penting dalam aplikasi fotovoltaik adalah:

• menurunnya daya dari radiasi matahari disebabkan oleh penyerapan, penyebaran dan pemantulan di atmosfer;
• perubahan dalam kandungan spektral dari radiasi matahari karena adanya beberapa panjang gelombang yang lebih terserap atau terpantul;
• tadanya komponen tidak langsung pada radiasi matahari;
• variasi lokal di atmosfer (seperti uap air, awan, dan polusi) yang memiliki efek tambahan terhadap daya yang sampai, spektum, dan arah pancaran.

Efek-efek tersebut dirangkum dalam gambar di bawah.

Serapan dan hamburan dari cahaya matahari yang biasa terjadi di langit yang cerah1.

Serapan di Atmosfer

ASaat radiasi matahari melewati atmosfer, berbagai gas, debu, dan aerosol menyerap foton-foton dari radiasi tersebut. Beberapa gas tertentu, terutama ozon (O₃), karbon dioksida (CO₂), dan uap air (H₂O), menyerap dengan baik foton yang memiliki energi yang dekat dengan energi ikatan gas-gas atmosferik tersebut. Penyerapan ini menghasilkan palung yang dalam pada kurva radiasi spektral. Misalnya, sebagian besar cahaya inframerah jauh (di atas µm)diserap oleh uap air dan karbon dioksida. Demikian pula, sebagian besar sinar ultraviolet di bawah 0,3 µm µm diserap oleh ozon (tetapi tidak cukup untuk sepenuhnya mencegah sengatan matahari!).

Walau penyerapan oleh beberapa gas di atmosfer mengubah konten spektral dari radiasi matahari di bumi, pengaruhnya terhadap keseluruhan daya relatif kecil. Justru, yang memiliki peran besar dalam menurunkan daya dari radiasi matahari adalah penyerapan dan penyebaran cahaya oleh molekul udara dan debu. Proses penyerapan ini tidak menghasilkan palung dalam radiasi spektral, namun menghasilkan penurunan daya yang dipengaruhi oleh jarak tempuh foton di atmosfer. Saat matahari berada tepat di atas kepala (tengah hari), penyerapan oleh elemen-elemen atmosferik mengakibatkan penurunan yang relatif seragam di sepanjang spektrum cahaya tampak. Namun, untuk jarak tempuh yang lebih panjang, cahaya dengan energi yang lebih tinggi (panjang gelombang yang pendek) diserap dan dihamburkan dengan lebih efektif. Akibatnya pada pagi dan sore hari matahari tampak lebih merah dan memiliki intensitas yang lebih rendah daripada di siang hari.

Tampilkan Benda Hitam    Tampilkan AM0    Tampilkan AM1.5   
Tampilkan Cahaya Tampak    Tampilkan Catatan   

Sebuah perbandingan antara radiasi matahari di luar atmosfer bumi dan jumlah radiasi matahari yang sampai ke bumi. Mata manusia telah berevolusi sehingga menjadi paling sensitif terhadap panjang gelombang dengan intensitas paling tinggi2.

Spektrum standar yang diberikan di atas dan dijelaskan secara lebih rinci di lampiran memberikan spektrum khas untuk sinar matahari. Model komputer memungkinkan pemodelan yang lebih rinci dari spektrum matahari untuk suatu lokasi dan waktu tertentu. Model Sederhana Transfer Radiatif Atmosfer dari Sinar Matahari, atau SMARTS,3, digunakan untuk menghasilkan spektrum matahari standar. Kalkulator spektrum matahari di PV lighthouse juga memberikan spektrum matahari sebagai fungsi dari lokasi dan waktu. Kalkulator tersebut menggunakan algoritma yang sedikit lebih sederhana dari Bird.4

Radiasi Langsung dan Tersebar yang Disebabkan oleh Penghamburan dari Cahaya Insiden/Cahaya Datang

Cahaya diserap saat melewati atmosfer dan pada saat bersamaan ia juga dapat mengalami penyebaran. Salah satu mekanisme penghamburan cahaya di atmosfer yang disebut sebagai Hamburan Rayleigh disebabkan oleh molekul di atmosfer. Hamburan Rayleigh terutama efektif untuk cahaya dengan panjang gelombang pendek (yaitu cahaya biru) dikarenakan hubungannya dengan panjang gelombang adalah  λ^-4. Selain Hamburan Rayleigh, aerosol dan partikel debu juga berkontribusi pada penghamburan cahaya yang disebut sebagai Hamburan Mie.

Cahaya yang terhambur tidak memiliki arah sehingga kelihatannya cahaya seakan datang dari semua penjuru langit. Cahaya ini disebut cahaya “tersebar” (Inggris: diffuse light). Karena cahaya tersebar utamanya adalah cahaya “biru”, cahaya yang datang dari langit selain dimana matahari berada pun tampak biru. Bila tidak ada penghamburan di atmosfer, langit akan terlihat hitam, dan matahari akan terlihat seperti sumber cahaya yang tampak seperti piringan. Pada hari yang cerah, sekitar 10% dari seluruh radasi matahari adalah cahaya tersebar.

Efek dari Awan dan Variasi Lokal lainnya di Atmosfer

Efek terakhir dari atmosfer pada radiasi matahari disebabkan oleh variasi lokal di atmosfer. Tergantung jenis tutupan awan, daya yang sampai ke bumi dapat berkurang jauh. Contoh dari tutupan awal tebal diberikan di bawah.

Perbandingan arus keluaran relatif dari sebuah susunan fotovoltaik di sebuah hari yang cerah dengan hari berawan di musim dingin di Melbourne dengan sudut tilt susunan fotovoltaik 60° 5.

• 1. C. Hu and White, R. M., Solar Cells: From Basic to Advanced Systems. New York: McGraw-Hill, 1983.
• 2. R. Sekuler and Blake, R., Perception. New York: Alfred A. Knopf Inc, 1985.
• 3. SMARTS2: a simple model of the atmospheric radiative transfer of sunshine: algorithms and performance assessment. Florida Solar Energy Center Cocoa, FL, 1995.
• 4. “Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres”, Journal of Climate and Applied Meteorology, vol. 25, no. 1, pp. 87 - 97, 1986.
• 5. M. Mack, “Solar Power for Telecommunications”, The Telecommunication Journal of Australia, vol. 29, pp. 20-44, 1979.