يقصد بالإشعاع الشمسي
الإشعاع الشمسي هو الطاقة المشعة التي تنبعث من الشمس عن طريق تفاعل الاندماج النووي الذي ينتج عنه طاقة كهرومغناطيسية
يطلق على الإشعاع الشمسي المورد الشمسي أو ضوء الشمس، ويقصد بالإشعاع الشمسي هو طاقة مشعة تنبعث من الشمس من تفاعل اندماج نووي ينتج عنه طاقة كهرومغناطيسية يمكن التقاطه وتحويله إلى أشكال مفيدة من الطاقة، مثل الحرارة والضوء والكهرباء بإستخدام تقنيات حديثة، يوجد حوالي نصف الإشعاع في الجزء الموجة القصيرة المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي والنصف الآخر في الغالب يكون في الجزء القريب من الأشعة تحت الحمراء، وبعضها في الجزء فوق البنفسجي من الطيف.
أهمية الإشعاع الشمسي
- تستخدم الطاقة الشمسية أيضا لتشغيل العمليات الحرارية والكيميائية، وتشمل درجات حرارة مختلفة، حيث تتراوح العمليات ذات درجات حرارة منخفضة حوالي 50-200 درجة مئوية مثل التبريد والتجفيف وإزالة السموم والتحلية وإزالة التلوث والتطهير ومعالجة الأغذية، وتصل العمليات ذات درجات حرارة متوسطة إلى حوالي 200-600 درجة مئوية مثل التقطير بالطاقة الشمسية والمعالجة الحرارية والانحلال الحراري البطيء، وتشمل العمليات ذات درجات حرارة عالية تقريبا 600-2000 درجة مئوية مثل الإصلاح الشمسي والانحلال الحراري السريع وعمليات الأكسدة والاختزال وإنتاج الأمونيا.
- تميز الأنظمة الحرارية الشمسية بأنها تستخدم الطيف الشمسي الكامل، وتتوافق مع مجموعة واسعة من التطبيقات التقنية، ومدخلات الطاقة الحرارية يجب أن تكون مستمرة وقابلة للتوزيع.
- مع زيادة الإشعاع الشمسي، تستجيب نباتات الظل لمستويات منخفضة من PAR، بينما تحصد نباتات الشمس PAR بشكل أكثر كفاءة عند مستويات الإضاءة العالية.
- تعتبر توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية البديل النظيف لتوليد الكهرباء من الوقود الأحفوري ويُعتبر الأمر الأكثر أهمية فيما يتعلق بتغير المناخ.
- تتمتع تقنيات الطاقة الشمسية بالقدرة على الحد من اعتماد الاقتصاد العالمي على الوقود الأحفوري.
- يساعد الإشعاع الشمسي في استمرار الحياة على الأرض، وبدونها تصبح الأرض مجرد كرة صخرية.
- استخدام الطاقة الشمسية يعد وسيلة لحماية البيئة وصحتنا العامة من مخاطر تلوث الماء والهواء.
- يمكن استغلال ضوء الشمس أو الطاقة الشمسية مباشرة لتدفئة وإنارة المنازل والشركات.
- عند إنشاء نظام لتسخير المورد الشمسي وتحويله إلى طاقة مفيدة، يمكن أن يصبح الوقود مجانيًا.
- من دون الإشعاع الشمسي، سيكون سطح الأرض أبرد بحوالي 32 درجة مئوية.
- من أهمية الإشعاع الشمسي حمايتنا من مخاطر ارتفاع أسعار الكهرباء.
- يتم توليد الطاقة عادة عند درجات حرارة تتراوح بين 500 و700 درجة مئوية.
- الإشعاع الشمسي هو مصدر الحياة لجميع الكائنات الحية على سطح الأرض.
- يمكن الاعتماد دائمًا على الشمس لتزويد الجسم بالحيوية والطاقة النظيفة.
- تستخدم الطاقة الشمسية أيضًا في عمليات التبريد وتسخين المياه.
- يعمل على توفير مصدر طاقة لعملية التمثيل الضوئي.
- يعتبر مصدر حيوي للطاقة والضوء.
- أعظم ما يميزه أنه متجدد ونظيف.
مكونات الإشعاع الشمسي
- الإشعاع المباشر.
- الإشعاع المنتشر.
- الإشعاع العالمي.
الإشعاع المباشر: هو الجهاز القياسي الذي يتبع حركة الشمس ويوجه مقياس حرارة في مركز الشمس، ويتميز بزاوية رؤية افتتاحية كاملة تبلغ 5 درجات، ويقيس الإشعاع المباشر العادي من الشمس، ويمكن للجهاز رؤية نصف الكرة السماوية، ولكن الإشعاع المباشر من الشمس يتم حظره بواسطة كرة تظليل.
الإشعاع المنتشر: يتم امتصاص بعض الإشعاع المباشر من الشمس في الغلاف الجوي، ويتم انتشار البعض الآخر بفعل السحب والضباب والجزيئات في جميع الاتجاهات، ويشير هذا النوع من الإشعاع إلى الإشعاع الشمسي المنتشر الذي يأتي من السماء.
الإشعاع العالمي: يمكن لمقياس الحرارة رؤية كل من الإشعاع المباشر والإشعاع المنتشر وقياس الإشعاع العالمي الأفقي من خلاله.
حساب الإشعاع الشمسي
- مقياس بيرانومتر لقياس الإشعاع الكلي
- ترمومتر النهاية العظمى للإشعاع الشمسى.
- جهاز الأكتينوميتر Actinometer.
- جهاز كامبل ستوكس Compbell stokes.
تحسب أدوات تحليل الإشعاع الشمسي تشمسا عبر المناظر الطبيعية أو لمواقع محددة، بناء على طرق خوارزمية في مجال الرؤية نصف الكروية، حيث يتم إعطاء المقدار الإجمالي للإشعاع المحسوب لموقع أو منطقة معينة كإشعاع عالمي، ويتم تكرار حساب التشمس المباشر والمنتشر والشامل لكل موقع معلم أو كل موقع على السطح الطبوغرافي، مما ينتج خرائط تشمس لمنطقة جغرافية بأكمله.
وهناك العديد من مصادر الإشعاع التي تدخل في حساب الإشعاع الشمسي، حيث إن الصيغة البسيطة للإشعاع الشمسي غير فعالة، لأننا بحاجة إلى أخذ المصادر التالية في الاعتبار للحصول على حساب دقيق للإشعاع. أولا، الإشعاع “المباشر”، وهو الذي يرتبط حدسيا بالإشعاع، ويتضمن تحديدا ما إذا كانت هناك أي كائنات تحجب أشعة الشمس عن اللوحة الشمسية (الظل)، لتحديد ما إذا كان يجب تضمين هذا المكون في الإشعاع الكلي. بالإضافة إلى ذلك، هناك نوعان من الإشعاع “المنتشر” أو الغير مباشر، والذي يجب حسابه مع إشعاع السماء المنتشر، وهو الضوء المنعكس من الغلاف الجوي المتفرق بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة، والضوء المنعكس عن الأرض والذي يشمل الانعكاس المنتشر، حيث ينعكس الضوء عن الأرض. ثانيا، لحساب هذه الأنواع الثلاثة العريضة للإشعاع، يتعين أيضا مراعاة زاوية المصفوفة واتجاه الشمس، واستخدام أجهزة قياس الإشعاع الشمسي
مقياس بيرانومتر لقياس الإشعاع الكلي: يتم استخدام مقياس درجة الحرارة لقياس إشعاع الحزمة المباشرة عند وقوعها بشكل طبيعي، ويتم استخدام مقياس بيرانومتر لقياس الإشعاع الكلي بشكل نصف كروي، ويتم تسجيل أيضا الأشعة الشمسية بواسطة الجهاز الكهروضوئي.
ترمومتر النهاية العظمى للإشعاع الشمسى:يستخدم هذا الثيرمومتر لقياس أقصى درجة حرارة يتعرض لها الجسم بسبب أشعة الشمس خلال اليوم.
جهاز الأكتينوميتر Actinometer: يقوم هذا الجهاز بقياس تأثير الأشعة الشمسية على الأجسام الداكنة والأجسام اللامعة.
جهاز كامبل ستوكس Compbell stokes: يطلق على هذا الجهاز اسم مسجل مدة سطوع الشمس لقياس الفترة الزمنية التي تشرق فيها الشمس.
ما الذي يؤثر في الإشعاع الشمسي
- شفافية الغلاف الجوي.
- دوران الأرض حول محورها.
- طول مدة النهار.
- زاوية سقوط أشعة الشمس.
- خطوط العرض وأحوال الطقس.
- إنعكاس أشعة الشمس.
- ثورة الأرض تجاه الشمس.
- تغيير الإشعاع الطيفي.
- تتأثر التيارات المحيطية والإشعاع الكوني بالتغيرات الطبيعية.
- البيدو.
تتعدد العوامل المؤثرة في الإشعاع الشمسي، ولكن أهمها يتمثل فيما يأتي
شفافية الغلاف الجوي: تسبب انتشار الجسيمات المعلقة في طبقة التروبوسفير في الطيف المرئي نحو سطح الأرض في ظهور لون في السماء، ونتيجة لذلك يحدث تشتت الضوء داخل الغلاف الجوي وتتكون ألوان السماء، ويظهر اللون الأحمر للشمس عند الشروق والغروب، وعندما يمر الإشعاع الشمسي عبر الغلاف الجوي يتم امتصاص الكثير من الأشعة تحت الحمراء القريبة بواسطة بخار الماء والأوزون والغازات الأخرى
دوران الأرض حول محورها:بما أن دوران الأرض على المحور المائل له تأثير كبير على كمية التشوه المتلقاة عند خطوط العرض المختلفة، حيث تدور حول محورها بزاوية قدرها 66.5 درجة مقارنة بمستوى مدارها حول الشمس.
طول مدة النهار: تختلف كمية الشمس التي يتم استلامها بالنسبة للموسم والمكان، حيث تزداد كمية الشمس كلما طالت فترة النهار، والعكس صحيح، وقصر فترة النهار يؤدي إلى تلقي أقل كمية من الشمس.
زاوية سقوط أشعة الشمس: كلما زاد خط العرض، قلت الزاوية التي يصنعها الخط مع سطح الأرض، وكلما زاد مسار أشعة الشمس، زادت كمية امتصاص وانعكاس الحرارة في الغلاف الجوي، وهذا يؤدي إلى تشمس أقل، بالإضافة إلىأن أشعة الشمس تعبر الغلاف الجوي بزوايا أصغر من الشمس التي تضرب سطح الأرض بزوايا أكبر.
البيدو: هي انعكاسات الأشعة الشمسية من الأرض وعودتها إلى الفضاء