سقوط الأشعة الشمسية علي الغلاف الجوي يتسبب في انتاج تيارات هوائية تؤدي الي حدوث طاقة الرياح
الإشعاع الشمسي الساقط علي المحيط الخارجي للأرض يبلغ 1357 w / m2 وهو يمثل المصدر الرئيسي للطاقة
اعده للنشر .. مصطفي محسب
استكمالا لنشر الكتاب ” الطاقة الكهروشمسية ” الذي أصدرته الدكتورة كاميليا يوسف الإستشارى بجهاز تنظيم مرفق الكهرباء وحماية المستهلك والتي تسلط فيه الضوء علي العديد من القضايا الخاصة بالطاقة الكهربائية والطاقات المتجددة .
ونستعرض في هذه الحلقة الجزء الثاني من الكتاب “الطاقة الشمسية”
الشمس هي مصدر كل من الحياة والطاقات المختلفة علي الأرض “طاقة كيميائية وطاقة حرارية”، وهي كتلة من الغازات المتوهجة التي تبلغ درجة حرارة مركزها حوالي 14 مليون درجة مئوية ، وتنتج هذه الطاقة الهائلة نتيجة نوع من التفاعلات النووية ، لذلك يعتبر باطن الشمس مفاعلا نوويا طبيعيا هائلا ينتج أشعة “جاما” وأشعة ” إكس” المهلكة ، إلا أن الأشعة عند انتقالها من باطن الشمس حتى سطحها تكون قد تحولت لعمليات امتصاصها، ثم يعاد بثها عبر طبقات الشمس المختلفة إلي أشعة مرئية ذات طول موجي يمكن الإحساس به بالعين المجردة وهو المصدر الرئيسي للطاقة الشمسية
بعض خصائص الشمس :
* هي أقرب نجم إلي الأرض وتبعد نحو حوالي 150 مليون كم منها
* يبلغ قطرها نحو 1,392,000 كم وهو أكثر من 109 أضعاف قطر الأرض
* درجة الحرارة في مركز الشمس عالية جدا حيث تبلغ 14,000,000درجة مئوية ببنما لا ترتفع درجة حرارة الأرض عادة عن 50 درجة مئوية
* يسمي سطح الشمس “الفوتوسفير” أي السطح “النير” وعلي الرغم من أنه أبرد كثيرا من داخلها الإ أن درجة حرارته تبلغ 6000 درجة مئوية .
* تدور الشمس حول محورها مرة كل 25 يوما.
* العالم نيكولاس كوبرنيكس المولود في بولونيا هو راهباً وعالماً فلكياً في الرياضيات وفيلسوفا وقانونيا وإداريا ودبلوماسيا و جنديا بولنديا كان أحد أعظم علماء عصره. يعتبر أول من صاغ نظرية مركزية الشمس واعتبر الأرض جرما يدور في فلكها في كتابه “حول دوران الأجرام السماوية”. وهو مطور نظرية دوران الأرض، ويعتبر مؤسس علم الفلك الحديث الذي ينتمي لعصر النهضة الأوروبية من 1400 إلى 1600 ميلادية .ولذا فهو صاحب نظرية “الشمس هي مركز الكون ” أو “مركزية الشمس ” أو “نظام كوبرنيكس” حيث أدرك أن الأرض تدور حول نفسها وأنها أيضا تدور في فلك حول الشمس .
* الشمس تزودنا بالحرارة والضوء وهما قوام الحياة.
تندفع الحرارة المتولدة في باطن الشمس إلي سطحها فيتوهج بلون أصفر ساطع ويشع كميات هائلة من الضوء ، وتنتشر الطاقة الحرارية والضوئية المنبعثة من الشمس عبر الفضاء في جميع الاتجاهات .
تعرف الطاقة الحرارية بالإشعاع تحت الحمراء ، وهو إشعاع غير مرئي ولكنه يستشعر بالحس ، فكل جسم يمتص هذا الإشعاع يصبح أسخن من ذي قبل .
الإشعاع الآخر المنبعث من الشمس هو الإشعاع فوق البنفسجي ، بخلاف الضوء والإشعاع تحت الحمراء ، لا يصل منه إلي سطح الأرض الإ القليل القليل . عموما يعتبر الإشعاع فوق البنفسجي مفيد صحيا ، كما أن بعض التفاعلات الكيماوية لا تحدث بدونه . إن الطاقة الحرارية والضوئية التي تصلنا من الشمس ضرورية للحياة.
الأرض
هي واحدة من تسع كواكب سيارة تدور حول الشمس في الاتجاه نفسه . أقرب كوكب سيار هو عطارد ويليه الزهرة ثم الأرض ….. وحتى بلوتو .
لسهولة دراسة كوكب الأرض نظرا لاتساعه قام العلماء برسم خطوط الطول ودوائر العرض علي خرائط تمثل سطح الأرض .
موقع الأرض من الشمس :
من المعلوم أن الطاقة الشمسية هي أحد مصادر الطاقة الهامة للأرض ، حيث تصل كمية هائلة من ضوء الشمس في الفضاء المحيط بالأرض ، نتيجة دوران كوكب الأرض حول الشمس في مدار محدود فان كميات متفاوتة من هذه الطاقة تصل إلي سطح الأرض يوميا ، تعتمد هذه الكميات علي موقع الأرض من الشمس وعلي فصول السنة الأربعة .
من الحقائق الهامة
تدور الأرض حول محور وهمي يمر في القطب الشمالي والقطب الجنوبي ، هذا المحور يميل بمقدار 23,5°عن مستوي مدار الأرض . هذا الميلان يسبب الفصول الأربعة فيكون النهار طويلا وحارا والليل قصير في الصيف ، بينما النهار قصير بارد والليل طويل في الشتاء .
- في 21 مارس : الاعتدال الربيعي وفيه يتساوي الليل والنهار
- في 23 سبتمبر : الاعتدال الخريفي وفيه يتساوي النهار والليل .
- في 22 ديسمبر : الانقلاب الشتوي وفيه أقصر نهارا وأطول ليلا
- في 21 يونيو : الانقلاب الصيفي وفيه أطول نهارا وأقصر ليلا
- عند خط الاستواء يتساوي الليل والنهار.
من المعروف أن الدول التي تقع علي خط الاستواء هي الدول التي تتمتع بفصل واحد تقريبا طوال السنة وهو فصل الصيف ، أي تسلط أشعة الشمس علي هذه الدول طوال السنة ومن ثم تتمتع الدول القريبة من خط الاستواء بهذا الطقس . يدرك سكان المناطق الشمالية والجنوبية لخط الاستواء والقريبة لأقطاب الأرض ، الفصول الأربعة للسنة .
كمية الإشعاعات الشمسية التي تصل سطح الأرض تتفاوت بسبب تغيير الظروف الجوية والموقع المتغير للأرض بالنسبة للشمس، خلال اليوم الواحد وطوال السنة .
يعتبر الغيوم هو أحد العوامل الجوية الرئيسية التي تؤثر في كمية االشعاع الشمسي الذي يصل إلي الأرض ولذلك تستقبل المناطق ذات المناخ الغائم إشعاعات شمسية أقل من المناطق الصحراوية . وتكون أكبر كمية إشعاع شمسي تصل إلي الأرض هي أشعة فترة الظهيرة عندما يكون ضوء الشمس متعامد علي سطح الأرض ، بينما في وقتي الشروق والغروب تستقبل الأرض أقل كمية من الإشعاع طوال اليوم . عند سقوط إشعاع الشمس عموديا علي سطح الأرض خلال فترة الظهيرة تتعرض الأشعة لمفقودات صغيرة جدا ، وتكون عبارة عن امتصاص السحب للإشعاعات الشمسية أو تبعثر الإشعاعات في الفضاء عن طريق انعكاسها خلال الرماد البركاني المحمول جوا أو الأدخنة المحمولة جوا و الناتجة من حرق الأشجار وغيرها من ملوثات البيئة .
الوحدة الفلكية رمزها “و.ف”
وحدة يقاس بها غالبا بعد الكواكب عن الشمس وهي تساوي بعد الأرض عن الشمس تمثل الوحدة الفلكية متوسط المسافة بين الأرض والشمس.
قيمتها الحالية:
الوحدة الفلكية هي متوسط المسافة بين الأرض والشمس والتي تساوي 149,597,870,691 كم ” بدقة ± 3 مترا”
أي أن:
1 و.ف = “149,597,870,691 كم = 15,813 × 10 سنة ضوئية .
1 سنه ضوئية = 63241 و.ف
لكن العامة تعتبر أن قيمة الوحدة الفلكية تساوي تقريبا 150,000,000 كيلومترا وهي قيمة أسهل حفظا لكن القيمة الحقيقية أصغر بـ 402129,309 كيلومترا.
استخداماته
بدأ استخدامها منذ عام 1958 م للتعبير عن المسافة بين الكواكب والشمس وباقي المسافات داخل النظام الشمسي أو داخل باقي النظم الشمسية لأنه بالرغم من كبرها فهي ليست عملية لقياس المسافات بين النجوم مثلا، حيث تستعمل وحدة السنة الضوئية.
لانجلي Ly
هي وحدة توزيع الطاقة على مساحة وتسمى أيضا “كثافة الحرارة”. تستخدم لقياس الإشعاع الشمسي . وفي عام 1947 نسبت هذه الوحدة العالم Samuel Langley “1906-1834”
1 لانجلي = 1 كالورى كيمياء حرارية / سم مربع = 41840 جول / متر مربع .
1 كالورى = 11,622 وات – ساعة / متر مربع
المسافة بين خطي طول:
- تعتمد المسافة التي تفصل خطوط الطول عن بعضها البعض علي دائرة العرض التي تقاس المسافات عندها ، لأن دوائر العرض غير متساوية في طولها.
- تكون المسافة بين خط الطول وخط آخر أكبر عند خط الاستواء وتقل عند دوائر العرض باتجاه القطبين “الشمالي والجنوبي” حيث تتقابل عند القطب.
- المسافة بين خط الطول وخط آخر عند خط الاستواء تساوي360 ÷ 2tt r حيث r نصف قطر دائرة الاستواء.
- المسافة بين خط الطول وخط أخر علي أي خط عرض تساوي360 ÷ 2tt r cosΦ حيث :
r نصف قطر خط العرض الذي يحسب عنده المسافة
Φ الزاوية بين خطي الطول المراد حساب المسافة بينهما
يستفاد من خطوط الطول ودوائر العرض في تحديد المواضع بدقة .
موقع مصر بالنسبة لخطوط الطول ودوائر العرض :
- تقع بين دائرتي عرض22 شمالا ، 32 شمالا )أي بين 10 دوائر عرض (
- تقع بين خطي طول 25 شرقاً ، 37 شرقاً “أي بين 12 خط طول”
- يمر مدار السرطان في جنوب مصر
الطاقة الشمسية :
هي مصدر لا ينضب للطاقة وهي مصدر نظيف لا ينتج عن استعمالها أي غازات أو نواتج ضارة للبيئة .
يمكن أن تقاس الطاقة الشمسية بوحدة الجول مع أن القياس الأكثر شيوعا لفيض الإشعاع “Flux “أو لقدرة الإشعاع “Power “هو التعبير بالطاقة خلال الزمن . وتكون الوحدة الأساسية قياس القدرة هي وات/ثانيه . وتسع الشمس 10 * 3.846 وات.
هذه الطاقة تشع من الشمس في مجال دائري ، حيث يصل بعضها إلي الأرض تقاس الطاقة الداخلة إلي الأرض كإشعاع شمسي “طاقة /الثانيه لكل متر مربع ” .
يتم الحصول علي شدة الطاقة الشمسية واصلة عند أعلي قمة الغلاف الجوي للأرض “المواجه مباشرة للشمس “والتي تعرف أيضا بالثابت الشمسي من العلاقة .
تتحول الطاقة الشمسية الواصلة إلي سطح الأرض إلي :
- طاقة كيميائية : عند سقوط أشعة الشمس علي أوراق النباتات تدخر في النبات علي شكل طاقة كيميائية عضوية وتشكل هيكلا للنباتات ومصدر غذائه وغذاء الكائنات الحية بصفة عامة .
- طاقة الرياح : يظهر الأثر الحراري للطاقة الشمسية عند سقوط الأشعة الشمسية علي الغلاف الجوي فيسبب تسخينه تسخينا متفاوتا وبالتالي تنتج تيارات هوائية مسببة حدوث طاقة الرياح .
طيف الإشعاع الشمسي فوق الغلاف الجوي وعلي سطح الأرض :
يتطابق الشعاع الشمسي تقريبا مع درجة حرارة إشعاع الجسم الأسود عند حوالي 5800كلفن عند مرور أشعة الشمس خلال الغلاف الجوي ، تضعف هذه الأشعة نتيجة التشتت والامتصاص وكلما زادت كمية الغلاف الجوي التي تخترقها كلما أصبحت أكثر ضعفا . وتحدث تفاعلات كيميائية ، حتى يصل الطيف إلي سطح الأرض ، عندئذ يكون الطيف محددا بين الأشعة تحت الحمراء البعيدة والأشعة فوق البنفسجية القريبة .
تبلغ قيمة معدل الإشعاع الشمسي الساقط علي المحيط الخارجي للأرض 1357 w / m2 وهو ما يعرف بالثابت الشمسي . وهو يمثل مصدر الطاقة الرئيسي الذي يتم استخدامه لأداء مهمات معينة.
الإشعاع الشمسي
تختلف شدة الإشعاع الشمسي وكميته من مكان إلى آخر، وهذا الاختلاف ناتج من العوامل الآتية والتي تشكل القوة المحركة للكثير من الظواهر الطبيعية على سطح الأرض :
- دوران الأرض في شكل بيضاوي مرة كل 365 يوم محدثا التغيرات الفصولية.
- دوران الأرض حول محورها كل 24 ساعة محدثا اختلاف الليل والنهار.
يصل إلى الأرض ثالثة أنواع من الإشعاعات والتي تمثل نسبة50 %من الأشعة الشمسية:
- الإشعاع الشمسي المباشر من الشمس .
- الإشعاع الشمسي المشتت والمتطاير في الجو .
- الإشعاع الشمسي المنعكس من السطوح الأخرى.
فيما يلي تعريف الثلاثة أنواع من الإشعاعات:
- الإشعاع الشمسي المباشر من الشمس هو عبارة عن شعاع مباشر، أي في خط مباشر من الشمس إلى الأرض ويمثل نسبة كبيرة في الأيام المشمسة حوالي 27 % أما فى الأيام الغائمة فإن الشمس تكون مغطاة بالغيوم وعندئذ يكون الشعاع تقريبا معدوم وبالتالي يمثل الإشعاع المبعثر الأغلبية العظمى في ذلك الوقت.
- الإشعاع الشمسي المشتت والمتطاير في الجو -هذا الإشعاع يأتي من أنحاء متفرقة من السماء لذا يطلق عليه “إشعاع السماء” وتكون كميته حوالي 10 %للسماء الصافية وتصل إلى 100 %للسماء الغائمة
- الإشعاع الشمسي المنعكس من السطوح الأخرى هو كمية الشعاع المنعكس على سطح الخلية الشمسية يختلف نتيجة اختلاف السطوح العاكسة للشعاع، فمن المعلوم اختلاف معاملات الانعكاس من سطح لآخر، وتكون كمية الإشعاع المنعكس حوالي 13 %.
عموما تتأثر كمية وشدة الشعاع لجميع الأنواع بعدة عوامل منها:
- حالة السماء من حيث صفائها وتلبدها بالغيوم.
- الوقت خلال النهار والفصل خلال السنة.
- الارتفاع فوق منسوب البحر.
- موقع الشمس في السماء وزاوية ميل الشمس.
يعتمد تحديد مقدار الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض على:
- مكونات طبقة الغلاف الجوي .
- سمك الغلاف الجوي الذي سيمر خلاله الإشعاع الشمسي.
- عند منتصف اليوم تصبح الشمس عمودية عندئذ يكون سمك الغلاف الجوي الذي سيمر خلاله الإشعاع الشمسي أقل ما يمكن والطاقة الواصلة إلى الأرض أعلى ما يمكن. أما عند الشروق والغروب فإن سمك الغلاف الجوي الذي سيمر خلاله الإشعاع الشمسي يكون أعلى ما يمكن والطاقة الواصلة للأرض أقل ما يمكن.
- ولهذا السبب فإن حجم طاقة الإشعاع الشمسي يكون مرتفعا في المناطق ذات الارتفاعات العالية عن سطح البحر.
و تتغير شدة الإشعاع الشمسي بين الصيف والشتاء نتيجة ميل الأرض ودورانها حول الشمس .
الزوايا الشمسية
حيث أن شدة الإشعاع الشمسي الساقط علي سطح الأرض تابع لموقع سطح الأرض بالنسبة للشمس فيكون من الضروري تحديد بعض الزوايا الهندسية التي توضح العلاقة بين سطح الأرض والشمس وتستخدم في إجراء حسابات قيم الإشعاع ومجالات أنظمة الطاقة الشمسية حيث يمكن وصف وضع الشمس عند أي موقع عن طريق الارتفاع الشمسي و الشمسي السمت.
فيما يلي تعريف الزوايا الشمسية وبعض التعريفات الهامة :
- الوقت الشمسي وهو الزمن بناء على الحركة الزاوية الظاهرية للشمس عبر السماء ، يعرف وقت الظهيرة بأنه الوقت الذي تكون الشمس فيه تعبر دائرة نصف النهار.
- الوقت القياسي او الزمن المعطي بالساعة المحلية وهو الزمن المستخدم لجميع علاقات الزوايا الشمسية ” وهذا لا يتطابق مع الوقت الشمسي”.
- خط العرض Φ هو الموضع الزاوي للنقطة المدروسة بالنسبة إلي مستوي خط الاستواء ، وبفرض خط العرض موجب شمال خط الاستواء. او أو هو الموقع الجنوب او الشمال لزاوي خط الاستواء الشمال موجب ، 90° ≤ Φ ≤ + 90°
- الميل او زاوية الانحراف الشمسي هو المسافة الزاوية لأشعة الشمس وقت الظهيرة الشمسية (أي عندما تكون الشمس عند الزوال المحلي ) بالنسبة إلي مستوي خط الاستواء (أي الزاوية بين الخط الواصل بين مركزي الأرض والشمس ومسقط هذا الخط علي مستوي خط الاستواء (
- المنحدر هو الزاوية بين مستوي سطح الغرض والمستوي الأفقي(تشيرƔ> °90 أن جهة السطح متجهه إلي أسفل ( 0°≤ Ɣ ≤180°
- زاوية السمت هي الزاوية بين خط السمت (الذروة ) وأشعة الشمس ، هذا يعني زاوية سقوط أشعة الحزمة علي السطح الأفقي .
- زاوية الارتفاع الشمسي هي الزاوية بين أشعة الشمس والمستوي الأفقي ، وهي المكملة لزاوية السمت
- زاوية السمت الشمسي الأفقية هي الزاوية المقاسة في المستوي الأفقي بين الجنوب ومسقط أشعة الشمس ، ويكون الاتجاه نحو الشرق الجنوبي سالبا ،والاتجاه نحو الغرب الجنوبي موجبا .
- زاوية سمت السطح هي الزاوية المقاسة فى المستوي الأفقي بين مسقط المستقيم المتعامد مع السطح والجنوب ، والاتجاه نحو الغرب يعد موجبا -180°≤ ψk ≤ +180°
- الزاوية الساعية تعرف الزاوية الساعية لنقطة ما علي سطح الأرض بأنها الزاوية الواجب أن تدورها الأرض ليصبح خط طول هذه النقطة تحت الشمس.
كتلة الهواء (طاقة شمسية ):
تشير كتلة الهواء إلي طول المسار البصري المباشر الذي يخترق الغلاف الجوي .ويرمز لها بالحروف AM . تستخدم كتلة الهواء للمساعدة في تحديد خصائص الطيف الشمسي ، حيث تضعف أداء الخلايا الشمسية في ظل ظروف محددة ، إذا تعامدت الشمس علي سطح الأرض ،عندئذ يمر مسار ضوء الشمس خلال كتلة الهواء بالغلاف الجوي ويرمز لهذه الحالة بـ AM1 ، في جميع الحالات الأخرى ، يكون مسار الإشعاع الشمسي أطول خلال الغلاف الجوي وهذا يعتمد علي ارتفاع الشمس .
معامل كتلة الهواء
يشير إلي طول مسار الإشعاعات الشمسية خلال الغلاف الجوي الساقط بزاوية بالنسبة إلي العامودي علي سطح الأرض.
معيارAM0:
يشير إلي الطيف خارج الغلاف الجوي ، والذي يقترب من الجسم الأسود 5800 كلفن ، ويعني ” عدم وجود أغلفة جوية ” هذا المعيار يستخدم للخلايا الشمسية المستخدمة لتطبيقات الطاقة الفضائية ، مثل تلك الموجودة علي أقمار الاتصالات .
معيار AM1:
يشير إلي الطيف بعد عبوره الغلاف الجوي إلي مستوي سطح البحر مع وجود الشمس فوقه مباشرة . هذا المعيار يستخدم في المناطق الاستوائية والمدارية ، حيث يعطي تقدير جيد لأداء الخلايا الشمسية.
معيار AM1.5 :
هذا المعيار يقابل سماكة غلاف جوي حوالي 1.5 مرة من السماكة في حالة المعيار AM1.
من المعيار AM2 الي المعيار AM3:
هذا المدي مفيد لتقدير متوسط الأداء الكلي للخلايا الشمسية المثبتة علي مناطق مرتفعة مثل الارتفاعات الموجودة في شمال أوروبا ، بالإضافة إلي أنه مفيد لتقدير الأداء في فصل الشتاء في المناطق المعتدلة ، فمثال معامل كتلة الهواء أكبر من 2 في كل ساعات النهار في فصل الشتاء عند نطاقات مساويه أو اقل من 37 درجة.
معيار AM38:
هذا المعيار يشير إلي كتلة هوائية بالاتجاه الأفقي (°90 )عند مستوي سطح البحر.
