الطاقة الشمسية كيف تصل الينا ؟، الإجابة: عن طريق عن طريق الإشعاع الشمسي، فسواء الضوء أو الحرارة اللذان يصلا الينا من الشمس، فذلك يحدث عن طريق الإشعاع.
ولكن ما هو الاشعاع الشمسي؟، وكيف يُمكن استغلاله؟، وهل توزيع هذه الطاقة الاشعاعية يكون متساوي على سطح الارض؟، وكيف يُقاس الاشعاع الشمسي؟
كل هذه الأسئلة سنحاول الأجابة عنها في هذا الموضوع بإذن الله.
ما هو الإشعاع الشمسي "Solar radiation"؟
الإشعاع الشمسي هو تلك الطاقة التي تصل الينا من الشمس، وذلك بواسطة جسيمات متناهية الصغر وعديمة الوزن من فوتونات وموجات كهرومغناطيسية، والفوتونات تتصرف كالموجات الكهرومغناطيسية حيث ان لها نفس الخصائص من طول موجي وتردد وطاقة، وهذه الطاقة الكامنة في الفوتونات هي التي تتسبب في اثارة الإلكترونات عند اصطدامها بالخلايا الشمسية.
أنواع الإشعاع الشمسي.
يُمكن تقسيم أنواع الإشعاع الشمسي باعتبارها موجات كهرومغناطيسية كما هو واضح في الصورة السابقة الى:
- موجات الراديو (Radio waves)
- موجات ميكرو واف (Microwaves)
- الأشعة تحت الحمراء (Infrared)
- الموجات المرئية (Visible)
- الأشعة فوق البنفسجية (Ultraviolet)
- أشعة إكس (X rays)
- أشعة جاما (Gamma rays)
تلك الموجات الكهرومغناطيسية لا تمثل الإشعاع الشمسي فقط، ولكن أيضاً الاشعاع الصدر من أي نجم آخر، ولكن بنسب مختلفة من كل نوع من أنواع الإشعاع، وسبحان الله فإن الشمس أغلب الاشعاعات الخارجة منها تكون في نطاق الاشعة المرئية وما حولها.
ولو ان الفوتونات الخارجة من الشمس كان معظمها يقع في منطقة أخرى غير هذه لما كان باستطاعتنا ان نرى الألوان والأشكال كما نحن الآن.
فجميع أنواع الاشعاع الشمسي تتصرف كموجات كهرومغناطيسية، وجميعها تتحرك بسرعة ثابتة، وهي سرعة الضوء "C"، والتي تساوي 300,000 كيلومتر في الثانية "km/s”، ولكل منها تردد وطول موجي.
- والتردد "Frequency" هو عدد الموجات التي يقوم بها الاشعاع في الثانية الواحدة، ويُرمز له بالرمز f، ويُقاس بوحدة الهرتز "Hz"، والتي تُعادل " s-1 أو 1/s".
- أما الطول الموجي "Wavelength" فهو طول المسافة من قمة لقمة أو من قاع لقاع بالنسبة للموجة ويُرمز له بالرمز λ، ويُقاس بوحدة المتر "m".
وسرعة الفوتونات أو الموجات الكهرومغناطيسية، هي حاصل ضرب التردد في الطول الموجي:
C = f. λ
ولما كانت سرعة الضوء وكذلك سرعة الموجات الكهرومغناطيسية ثابتة فبالتالي، كلما ذاد تردد إشعاع شمسي معُين، قل الطول الموجي له، والعكس صحيح.
طاقة الاشعاع الشمسي
الشكل السابق يُوضح التردد والطول الموجي وطاقة الإشعاع الشمسي لكل نوع من الإشعاعات.
ويُمكن حساب طاقة الموجات الكهرومغناطيسية عموماً من خلال المعادلة التالية:
E = h. f
- E هي الطاقة بوحدة الجول "joule"
- h هو ثابت بلانك (626× 10-34 joule. second)
- f هو التردد (Hz)
العوامل المؤثرة في الاشعاع الشمسي
هناك العديد من العوامل المؤثرة في الإشعاع الشمسي الواصل الى الأرض، وفي الحقيقة لو أن الإشعاع الشمسي يصل الينا كاملاً لكان من الصعب ان تكون هناك حياة علي الأرض، فالأرض لها خطي دفاع:
- الغلاف الكهرومغناطيسي المحيط بالأرض، وهو يقوم بتشتيت الأشعة عالية الطاقة.
- الغلاف الجوي حيث ان طبقة الأوزون وبخار الماء الموجود في الهواء الجوي يقومان بامتصاص الإشعاع الشمسي للموجات الفوق بنفسجية.
والشكل السابق يوضح بالمنحني الاحمر الطاقة الشمسية أو الاشعاع الشمسي خارج الارض والمنحني باللون الأخضر يوضح الاشعاع الشمسي بعد وصوله الي سطح الأرض مرورا بالغلاف الجوي.
قياس شدة الإشعاع الشمسي
يتم قياس شدة الإشعاع الشمسي بوحدة (وات/المتر المربع) Watt/m2 ويوجد العديد من أشكال الأجهزة لقياس شدة الإشعاع الشمسي، أكثرها توفراً وأشهرها جهاز يُسمي solar power meter، يُمكِنك من قياس شدة الاشعاع الشمسي بوحدة الوات لكل متر مربع في في مكانك وفي الوقت الذي تقوم بالقياس فيه تحديداً.
الصورة بالأعلى هي صورة لجهاز " Solar power meter" المُستخدم في قياس شدة الإشعاع الشمسي، وفيما يلي قراءات بالجهاز سجلتها بنفسي من الساعة العاشرة صباحاً حتى الساعة الخامسة مساءاً وذلك في أول ايام شهر يوليو.
خريطة شدة الإشعاع الشمسي
بالنسبة لجهاز قياس شدة الإشعاع الشمسي الذي أشرنا اليه سابقاً، فهو يعطينا قيمة الاشعاع الشمسي للمكان الذي نحن فيه في هذه الساعة تحديداً، فشدة الاشعاع الشمسي تختلف من وقت لآخر بسبب حدوث الفصول الأربعة وتعاقب الليل والنهار، ولكن خريطة شدة الاشعاع الشمسي توضح لنا كمية الاشعاع الشمسي التي تحصل عليها كل منطقة على سطح الأرض على مدار العام كله، فمن خلالها نستطيع ان نعرف توزيع الطاقة الشمسية الطاقة الشمسية على الأرض.
فنتمكن من دراسة المشاريع برؤيا واضحة.
وفي الحقيقة هناك العديد من الأدوات على شبكة الانترنت التي توفر لنا وبشكل سهل العديد من الخرائط التي توضح توزيع الاشعاع الشمسي على سطح الأرض، وهذه الخرائط تعطي القيمة بوحدة كيلو وات ساعة / المتر المربع في السنة "KWh/m2 for all year".
من أهم هذه الأدوات أداة Solargis، وتعتبر من الأدوات الرائعة والسهلة والمختصة باستخراج خرائط الاشعاع الشمسي ودرجات الحرارة في المناطق المختلفة حول العالم، كما أن بها بعض الادوات المصممة خصيصا لخدمة العاملين في مجال الطاقة الشمسية وتركيب الألواح الشمسية.
كما يوجد أيضا الاطلس العالمي للطاقة الشمسية وطاقة الرياح " irena" وهو عبارة عن أطلس الكتروني يحتوي على معلومات شاملة عن قيمة الطاقات المتجددة المتوفرة حول العالم، حيث يوفر خرائط وأدوات تساعد على تقييم تقنيات الطاقات المتجددة وإمكانية استخدامها.