الإشعاع الشمسي Solar Radiation و ما علاقته بالخلايا الشمسية و الفرق بين الاشعاع الشمسي المباشر و الاشعاع الشمسي المنتشر

 

الإشعاع الشمسي وأنواعه و العوامل التي تؤثر عليه

الشمس Sun:

  تعتبر الشمس أكبر نجم في المجموعة الشمسية و المصدر الأكبر للطاقة. و ايضاً تعتبر الشمس كمفاعل نووي كبير تحدث بداخله تفاعلات هائلة يصحبها اطلاق طاقة كبيرة جدة. حيث تبلغ درجة الحرارة داخل مركز الشمس حوالي 15,000,000 كيلفن و في سطحها تصل الحرارة نحو 6000 كيلفن و تبلغ قدرة الاشعاع الشمسي عند الشمس 3.7 *10^28 واط Watt بينما يصل الى الارض  1.7*10^18 [2].

الاشعاع الشمسي في الطاقة الكهروضوئية Solar Irradiance :

           قد يبدو العنوان اعلاه به خطأ بعض الشيءيفترض اكتفي بذكر الإشعاع الشمسي فقط  لكني قصدت ذلك و السبب يرجع الى تضارب في المصطلحات بين اللغة الانجليزية و العربية *(تابع السبب عندر اخر المقال). نرجع الى الاشعاع الشمسي في الطاقة الشمسية irradiance  تعريفه هو مقياس للقدرة الكهربائية المنتجة من الشمس لوحدة المساحة[1] (غالباً W/m2).

         يتم حساب الاشعاع الشمسي لكل مكان خلال فترات مختلفة خلال اليوم بزوايا ميلان مختلفة حيث تعتبر الوضعية  حيث تعطي اكبر كمية اشعاع عندما تكون الشمس عمودية على الارض خلال يوم صاف, تتم هذه العملية يوميا و على مدار السنة بوضع اجهزة رصد تقيس كمية الاشعاع الشمسي في ذلك المكان و في الاخير تقدم كبيانات يستفيد منها الباحثون و تصميم الانظمة الشمسية.

          إن تصميم نظام طاقة شمسية كهروضوئية يعتمد بالاساس على مقدار الاشعاع الشمسي irradiance في تلك المنطقة و يختلف من منطقة الى اخرى (الشكل 1) و بشكل عام تعتبر المنطقة ذات اللون البني الداكن افضل منطقة لانتاج طاقة شمسية (كهروضوئية او حرارية) و الدول العربية تقع ضمن هذا النطاق ما يمثل مستقبل كبير لتلك الدول في الانتقال نحو الطاقة المتجددة و تقليل آثار استخدام الوقود التقليدي (نفط , الفحم , ...الخ). أي مكان في الارض يستقبل ضوء على الاقل في وقت ما خلال السنة و تتباين كمية الاشعاع الشمسي هذه على عدة عاومل منها[4]:

1. الموقع الجغرافي: يحتلف الاشعاع الشمسي حسب المكان الجغرافي كما سبق , و تعتبر المنطقة العربية من المناطق ذات الاشعاع الشمسي الاعلى عالمياً.
2. الوقت خلال اليوم : في الظهيرة حيث الشمس تكون عمودية على الارض يكون ضوء الشمس اكبر ما يمكن.
3. الموسم : يختلف الاشعاع الشمسي من موسم الى اخر و يعتبر الاشعاع الشمسي في الصيف اعلى منه في الشتاء , حيث في الصيف تميل الارض نحو الشمس نحو الارض و تصبح قريبة من الشمس.
4. المناظر الطبيعية: كالجبال و التضاريس لها اثر على الاشعاع الشمسي.
5. الطقس المحلى: للمكان المعين كذلك يؤثر على كمية الاشعاع الشمسي.

الشكل (1) : الاشعاع الشمسي المباشر[Direct Solar Irradiance [3

 الاشعاع الشمسي المباشر direct solar irradiance و الاشعاع الشمسي المنتشر diffuse solar irradiance:

          بعض الاشعاع الشمسي يُمتص او يتشتت او ينكسر بواسطة ذرات الغبار او بخار الماء او المواد الملوثة العالقة في الغلاف الجوي اوالغيوم او حرائق الغابات اوالبراكاين و هو ما يُطلق عليه  الاشعاع الشمسي المنتشر diffuse solar irradiance. اما الاشعاع الشمسي الذي يصل سطح الارض دون ان يتشتت يُطلق عليه الاشعاع الشمسي المباشر direct beam solar  irradiance, و مجموع الاشعاع المنتشر و المباشر يسمى الاشعاع الشمسي الشامل [4] global solar irradiance.

        الظروف الجوية يمكن ان تقلل الاشعاع الشمسي المباشر بنسبة 10% اثناء يوم صافي و جاف , و تحجب الاشعاع الشمسي المباشر بنسبة 100% اثناء يوم غائم بالسحب[4].

الطيف الشمسي solar spectra:

          يجب الاشارة الى ان ليس كل الاشعاع الشمسي الساقط على الارض يولد طاقة كهربائية فقط الفوتونات هي التي تولد الكهرباء او تقوم بعملية الاثارة لاشباه المعادن. الطيف الشمسي مقصود به به اشعة الشمس الساقط على الارض و التي تحوي اطياف مختلفة الاطوال الموجية بدأ باشعة قاما Gama ray  مرور بالطيف المرئي والاشعة تحت الحمراء و فوق البنفسجية انتهاءً بالطيف الرديوي radio wave ( انظر الشكل 2)[1].

          الشكل (2): الطيف الشمسي [1]

              الاشعاع الشمسي ذو الطول الموجي من 400 نانو متر الى 7 نانو متر يسمى  الاشعاع المرئي(قوس قزح)  و يمثل اغلب الاشعاع القادم من الشمس (انظر الشكل 3) بقية الاشعاع الشمي غير مرئي بالعين المجردة[1]. تبلغ قيمة الاشعاع الشمسي irradiance خارج الغلاف الجوي حوالى 1366 W/m2 و هي قيمة شبه ثابتة تتفاوت بمقدار 4% بينما تبغ قيمته على الارض حوالى 1000W/m2  و هي القيمة المرجعية المعتمدة في تصنيع اختبار الالواح الشمسة [2].

              تتناسب الطاقة الناتجة من الاشعاع الشمسي مع الطول الموجي له عكسياً و ذلك وفقاً للمعادلة (1) التالية , حيث ان الاشعة ذات الطول الموجي القصير تحتوي على طاقة اقل و الاشعة ذات الطول الموجي القصير تحتوي على طاقة اكبر,حيث نجد اللون اللون الاحمر اقل طاقة و الازرق الالغامق اكثرها طاقة بالنسبة للطيف الشمسي المرئي حيث كما ذكرنا يحتوي على جل الطاقة القادمة من الشمس[1].

معادلة (1)

حيث :

الطاقة =E

ثابت بلانك =h 

سرعة الضوء=C

الطول الموجي=ƛ

الشكل (3):كثافة الاشعاع الشمسي irradiance مع الطول الموجي [1] 

 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*السبب في اختلاف المصطلح radiation و irradiance ففي اللغة العربية لهما نفس اللفظ و هو اشعاع و هما مختلفان تماماً في المعنى حيث الاول لفظ عام يعني الاشعاع و يطلق على اي نوع من الاشعاعات اما الثاني لفظ خاص  فيعني مقياس القدرة او الطاقة الكهربائية لوحدة المساحة.

المصادر References:

[1] www.coursera.org website Coursera platform

[2] Klaus Jäger , Olindo Isabella , Arno H.M. Smets , René A.C.M.M. van Swaaij and Miro Zeman , Solar Energy Fundamentals, Technology, and Systems , 2014.

[3] www.globalsolaratls.info Global Solar Atlas

[4] U.S. department of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) website www.energy.gov

حقوق الطبع و النشر@ مدونة المعرفة العلمية 2020