إشعاع شمسي: الفرق بين النسختين
| [نسخة منشورة] | [نسخة منشورة] |
تم حذف المحتوى تمت إضافة المحتوى
هيثم الصعب (نقاش | مساهمات) تحويل إلى الإشعاع الشمسي |
ط استرجاع تعديلات هيثم الصعب (نقاش) حتى آخر نسخة بواسطة مصعب |
||
سطر 1:
{{دمج|أشعة الشمس|تاريخ=مارس 2016}}
==الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي==
تعتبر [[الشمس]] كرة من [[الغازات]] الساخنة [[بقطر]] 1٫39 مليون [[كم]] و هي تعمل [[مفاعل نووي|كمفاعل نووي]] إندماجي يتم فيه دمج أربع [[نواة الذرة|أنوية]] [[هيدروجين]] لإنتاج نواة [[هليوم]] ثم يتحول فرق [[الكتلة]] إلي [[طاقة]].<br />
هذا الإندماج النووي يحدث داخل الكرة الشمسية عند [[درجة حرارة]] تصل إلي عدة ملايين [[درجة مئوية]], و سطح الشمس يمكن إعتباره سطح [[جسم أسود]] درجة حرارته 5760 [[كلفن]].<br />
"معدل [[الطاقة الشمسية]] التي تسقط علي وحدة المساحات العمودية علي الأشعة خارج [[الغلاف الجوي]] عند مسافة متوسطة بين الشمس و الأرض (حيث تتغير هذه المسافة علي مدار السنة)" تعرف بإسم الثابت الشمسي {{إنج|Solar constant}} و حسب وكالة [[ناسا]], فقيمة هذا الثابت 1353 [[ويبر]]/[[متر مربع]].<br />
بسبب هذا التغير البسيط في [[المسافة]] بين الشمس و الأرض فإن قيمة الإشعاع خارج الغلاف الجوي تتغير علي مدار [[السنة]] في حدود 3٫5%, و توضح المعادلة التالية تغير قيمة الإشعاع خارج الغلاف الجوي خلال أيام السنة.<br />
'''''[(H<sub>on</sub> = H<sub>sc</sub> [1 + 0.0033Cos (360n/365'''''<br />
حيث:
*H<sub>on</sub>: معدل الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض علي سطح عمودي علي أشعة الشمس في يوم ما خلال السنة.
*H<sub>sc</sub>:الثابت الشمسي.
*n: رقم اليوم في السنة بداية من 1 يناير.
أما إذا كان السطح موضوع خارج الغلاف الجوي موازيا لسطح الأرض, فإن كثافة الإشعاع السقاط عليه تحسب من العلاقة:<br />
'''''H<sub>oH</sub> = H<sub>on</sub> × Cos<sub>Z</sub>'''''<br />
حيث:
*H<sub>oH</sub>: معدل الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض علي سطح موازي لأشعة الشمس في يوم ما خلال السنة.
*H<sub>on</sub>: معدل الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض علي سطح عمودي علي أشعة الشمس في يوم ما خلال السنة.
*Z: زاوية السمت {{إنج|Zenith angle}}.
كما يمكن حساب كمية الإشعاع الساقطة علي سطح أفقي خارج الغلاف الجوي خلال يوم من شروق الشمس إلي غروبها بتكامل المعادلة السابقة, لتصبح النتيجة:<br />
'''''[H =(24/π)× H<sub>on</sub>[Cos<sub>L</sub>Cos<sub>ẟ</sub>Cos<sub>h<sub>s</sub></sub> + (2π×h<sub>s</sub>/360) Sin<sub>L</sub> sin<sub>ẟ</sub>''''' <br />
حيث:
*H<sub>on</sub>: معدل الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض علي سطح عمودي علي أشعة الشمس في يوم ما خلال السنة.
*L: زاوية خط العرض.
*ẟ: زاوية الإنحراف.
*h<sub>s</sub>: زاوية الساعة عند غروب الشمس.
*n: رقم اليوم في السنة بداية من 1 يناير.
==إنخفاض الإشعاع الشمسي بفعل الغلاف الجوي==
عند مرور [[أشعة الشمس]] عبر الغلاف الجوي فإنها تتعرض لإنخفاض في قيمتها نتيجة لإمتصاص جزء منها أثناء مرورها في [[طبقات الغلاف الجوي|طبقات الجو]] المختلفة.<br />
الموجات ذات [[الأطوال الموجية]] القصيرة جدا مثل [[أشعة X]] و [[أشعة جاما]], يتم إمتصاصها في طبقة الأيونوسفير {{إنج|Ionosphere}} عند إرتفاعات عالية جدا.<br />
أما الموجات الأطول نسبيا في المنطقة فوق البنفسجية يتم إمتصاصها بواسطة [[طبقة الأوزون]] علي إرتفاع يتراوح من 15 إلي 40 [[كيلومتر]] فوق سطح الأرض.<br />
في طبقات الجو الأقرب يتم إمتصاص بعض من حزم الموجات تحت الحمراء بواسطة [[بخار الماء]] و غاز [[ثاني أكسيد الكربون]]. الأشعة التي تصل إلي سطح الأرض تقع بشكل أساسي في مدي الأطوال الموجية من 0.29 إلي 2.5 [[ميكرومتر]], علاوة علي ذلك فإن جزء من الأشعة يتعرض للتشتت و الإعتراض من الهواء الجاف و بخار الماء و جزيئات الغبار العالقة.<br />
و كنتيجة لإمتصاص الغلاف الجوي لجزء من الأشعة و تشتت الجزء الاخر فإن الطاقة المحملة في الأشعة تنخفض قيمتها قبل أن تصل إلي سطح الأرض, و تعتمد درجة النقص في الأشعة علي طول مسارها في الغلاف الجوي و كذلك طبيعة الغلاف الجوي في هذا المسار, و يتم التعبير عن طول المسار في الغلاف الجوي بما يعرف بكتلة [[الهواء]] و يرمز لها m و قيمتها تكون أقل ما يمكن علي سطح الأرض عندما تكون [[الشمس]] في الإتجاه الرأسي مباشرة أي أن زاوية السمت Z = 0, و عند ذلك تكون قيمة m تساوي 1.<br />
عندما تميل الشمس فإن مسار الشعاع سيزيد بالمقارنة بالوضع الرأسي و في هذه الحالة تزيد قيمة m عن الواحد, و بشكل عام يمكن حساب قيمة كتلة الهواء m من العلاقة التالية:
'''''m = 1 / cos <sub>Z</sub>'''''<br />
حيث:
*Z: زاوية السمت.
خارج الغلاف الجوي تكون قيمة m مساوية للصفر و هذا يعني أن الشعاع لم تتغير قيمته.
==الإشعاع داخل الغلاف الجوي==
لحساب الإشعاع الشمسي داخل الغلاف الجوي أو علي سطح الأرض, يمكن إستخدام العلاقة التالية و التي يمكن منها حساب القيمة اللحظية للإشعاع<br />
'''''(H<sub>Bn</sub> = A × exp( -B / Sin<sub>α</sub> ) = A × exp(-B × m'''''<br />
حيث:
*H<sub>Bn</sub>: الإشعاع عند زاوية السقوط العمودية.
*ِA: ثابت يعبر عن الإشعاع الشمسي الظاهر عندما تكون كتلة الهواء = صفر, ويقاس بوحدة ويبر/متر مربع
*B: معامل إنخفاض قيمة الإشعاع الشمسي خلال الغلاف الجوي.
*α: زاوية الإرتفاع.
*m: كتلة الهواء.
نتيجة لتغير المسافة بين الشمس و الأرض و تغير كميات بخار الماء و المواد العالقة في الهواء الجوي بصورة موسمية فإن قيمة الثوابت A و B تتغير علي مدار السنة, و الجدول التالي يبين قيم هذه الثوابت لكل يوم 21 من أشهر السنة.<br />
{| class="wikitable"
|-
! الشهر !! A !! B !! C
|-
| [[يناير]] || 0.058 || 0.142|| 1229.475
|-
| [[فبراير]] || 0.060 || 0.144 || 1213.713
|-
| [[مارس]] || 0.071 || 0.156|| 1185.34
|-
| [[أبريل]] || 0.097 ||0.180|| 1134.9
|-
| [[مايو]] || 0.121 || 0.196 || 1103.375
|-
| [[يونيو]] || 0.134 || 0.205 || 1087.613
|-
| [[يوليه]]|| 0.136 || 0.207|| 1084.46
|-
| [[أغسطس]] || 0.122 || 0.201 || 1106.527
|-
| [[سبتمبر]] || 0.092 || 0.177 || 1150.662
|-
| [[أكتوبر]] || 0.073 || 0.160 || 1191.645
|-
| [[نوفمبر]] || 0.063 || 0.149 || 1220.017
|-
| [[ديسمبر]] || 0.057 || 0.142 || 1232.627
|}
هذه القيم مأخوذة ليوم متوسط السحب و للمناطق الواقعة علي خط عرض من 0 إلي 64 في [[نصف الكرة الشمالي]], و في حالة الأيام التي يكون فيها الجو صافي جدا فإن القيم المحسوبة من المعادلة السابقة تزيد بنسبة 15%, و لحساب الإشعاع الشمسي المشتت الساقط علي سطح ما يمك إستخدام العلاقة التالية:<br />
'''''H<sub>d</sub> = C × H<sub>Bn</sub> × F<sub>ss</sub>'''''<br />
حيث:
*H<sub>d</sub>: الإشعاع الشمسي المشتت.
*H<sub>Bn</sub>: الإشعاع عند زاوية السقوط العمودية.
*C: معامل تشتيت الأشعة.
*F<sub>ss</sub>: الزاوية بين السطح الساقط عليه الأشعة و السماء, و يمكن حسابه من العلاقة التالية
'''''(F<sub>ss</sub> = 0.5 (1 + Cos<sub>s</sub>'''''<br />
حيث:
*s: زاوية ميل السطح.
==الإشعاع علي الأسطح المائلة==
تعتمد كمية الإشعاع الشمسي الساقطة علي سطح ما واقع علي سطح الأرض علي:
*موقع السطح (خط العرض للمكان).
*الوقت([[اليوم]] في [[السنة]] و [[الساعة]] في اليوم).
*[[زاوية]] الميل للسطح و إتجاهه.
و لحساب الأشعة علي السطح المائل سواء من القيم المقاسة للسطح الأفقي أو المحسوبة فلابد من تحويل هذه البيانات لكي تكون خاصة بالسطح المائل, و في حالة الإشعاع المباشر يمكن إستنتاج أن:<br />
'''''Cos<sub>Z</sub> = H<sub>B</sub> / H<sub>Bn</sub>'''''<br />
'''''Cos<sub>i</sub> = H<sub>Bt</sub> / H<sub>Bn</sub>'''''<br />
حيث:
*H<sub>Bn</sub>: الشعاع المباشر عند السقوط العمودي, أي أن السطح يكون متعامد مع الشعاع.
*H<sub>B</sub>: مركبة الشعاع المباشر علي السطح الأفقي.
*H<sub>Bt</sub>: مركبة الشعاع المباشر علي السطح المائل.
و من ثم نجد أن:<br />
'''''R<sub>B</sub> = H<sub>Bt</sub> / H<sub>B</sub> = Cos<sub>i</sub> / Cos<sub>z</sub>'''
''<br />
حيث:
*RB: معامل الميل للإشعاع المباشر.
*i: زاوية السقوط.
*Z: زاوية السمت.
السطح المائل يستقبل الأشعة المباشرة و المشتتة و كذلك المنعكسة من سطح الأرض و الأجسام المحيطة, و يمكن حساب الأشعة الكلية الساقطة علي السطح المائل من العلاقة التالية:<br />
'''''H<sub>t</sub> = H<sub>B</sub>×R<sub>B</sub> + C × H<sub>B</sub> ×(1+Cos<sub>s</sub>)/2 +(H<sub>B</sub>+H<sub>d</sub>) × ρg × (1 - Cos<sub>s</sub>)/2'''''<br />
حيث:
*H<sub>t</sub>: الأشعة الكلية الساقطة علي السطح المائل.
*H<sub>B</sub>+H<sub>d</sub>) × ρg × (1 - Cos<sub>s</sub>)/2): الأشعة المنعكسة التي يستقبلها السطح المائل.
*ρg: تمثل إنعكاسية سطح الأرض و الأسطح الأخري و تساوي 0.2 عندما لا يكون هناك جليد علي سطح الأرض, و قد تصل إلي 0.7 في حالة وجود جليد علي سطح الأرض.
بالنسبة للسطح الأفقي فإن مجموع الأشعة الساقطة تكون مساوية للأشعة المباشرة و المشتتة أي أن:<br />
'''''H = H<sub>B</sub> + H<sub>d</sub>'''''
حيث:
*H<sub>B</sub>: مركبة الشعاع المباشر علي السطح الأفقي.
*H<sub>d</sub>: الإشعاع الشمسي المشتت.
و يمكن تعريف معامل الميل للإشعاع الكلي{{إنج|Total radiation tilt factor}} من العلاقة التالية:<br />
'''''R = H<sub>t</sub> / H = (H<sub>B</sub> / H) × R<sub>B</sub> + (H<sub>d</sub> / H) × (1+COS<sub>s</sub>)/2 + ρg × (1-COS<sub>S</sub>)/2'''''<br />
حيث:
*H: مجموع الأشعة الساقطة علي السطح الأفقي.
*H<sub>t</sub>: الأشعة الكلية الساقطة علي السطح المائل.
==قياس شدة الإشعاع الشمسي==
الغرض الأساسي من قياس شدة الإشعاع الشمسي يتحدد في معرفة و تسجيل القيم اللحظية و القيم علي المدي الطويل للإشعاع الشمسي المباشر و المشتت و الكلي الساقط علي سطح ما.<br />
و الأجهزة المستخدمة في هذا المجال تعتمد إما علي التأثير الكهروحراري {{إنج|Thermoelectric effect}}أو التأثير الكهروضوئي {{إنج|Photovoltaic effect}}, و تستخدم ضمن هذه الأجهزة [[دائرة إلكترونية|دوائر إلكترونية]] يمكنها تسجيل و تكامل البيانات اللحظية بحيث يمكن الحصول علي بيانات كل ساعة أو بيانات يومية.<br />
و يوجد نوعان شائع إستخدامهما في هذا المجال, هما:<br />
[[ملف:Hukseflux pyranometer SR20-D1.png|تصغير|البيرانوميتر]]
#'''''[[مقياس الإشعاع السماوي|البيرانوميتر]]''''' {{إنج|Pyranometer}}: يستخدم في قياس شدة الإشعاع الكلي خلال مدي الرؤية النصف كروي لجهاز القياس, و يحتوي علي نصفي كرة من الزجاج الضوئي الشفاف متحدي المركز, النصف الداخلي يقوم بحجب الأشعة تحت الحمراء القادمة من النصف الخارجي, و يوجد في منتصف الجهاز عدد من الإزدواجات الحرارية الموصلة التوالي لتكون عمود حرارة {{إنج|Thermopile}}.
الوصلة الساخنة للإزدواجات الحرارية تكون مطلية باللون الأسود و موجودة علي السطح العلوي<br />
(أي معرضة لأشعة الشمس القادمة عبر الغلاف الجوي), و الوصلة الباردة تكون متجهة للاسفل داخل الجهاز و محجوبة عن الشمس.<br />
و يحتوي الجهاز علي قرص حماية أبيض لامع و ذلك لمنع تأثر [[مزدوجة حرارية|الإزدواج الحراري]] بمصدر آخر خلاف الإشعاع الشمسي المطلوب قياسه. و يعاير هذا الجهاز لقياس الإشعاع الكلي علي السطح الأفقي, و في حالة الإستخدام لقياس الإشعاع علي سطح مائل يلزم عمل تصحيح للقراءات المقاسة.<br />
و يمكن إستخدام البيرانوميتر لقياس الإشعاع المشتت فقط, و ذلك بتظليل سطح إستقبال الأشعة في الجهاز لمنع وصول الأشعة المباشرة. و بهذه الطريقة يمكن القول أنه بإستخدام هذا الجهاز يمكن و بطريقة غير مباشرة معرفة كل من الإشعاع المباشر و المشتت.
[[ملف:Hukseflux solarradiation dr01 photo.jpg|تصغير|البيرهليوميتر]]
2.'''''[[بيرهليوميتر|البيرهليوميتر]]''''' {{إنج|Pyrheliometer}}: يستخدم لقياس الإشعاع المباشر, و يتم حجب الأشعة المشتتة في هذا الجهاز عن طريق وضع حساس القياس ( و هو عبارة عن عمود حرارة) في قاع أنبوبة موجهة مباشرة إلي الشمس. الانبوبة المستخدمة تكون نسسبة القطر إلي الطول فيها 0.1 مما يجعل زاوية الرؤية 5.7 درجة, و تكون الأنبوبة مطلية باللون الأسود و بها هواء جاف عند [[الضغط الجوي]], و يتم تثبيتها علي قاعدة تسمح بتحريكها بسهولة لكي تكون موجهة مباشرة إلي الشمس.
<ref>Modeling Solar Radiation at the Earth's Surface: Recent Advances 2008th Edition, by Viorel Badescu</ref>
<ref>An Introduction To Solar Radiation, by Muhammad Iqbal</ref>
<ref>Principles of Solar Engineering, Third Edition 3rd Edition, by D. Yogi Goswami</ref>
<ref>Solar and Infrared Radiation Measurements (Energy and the Environment), by Frank
Vignola</ref>
==انظر أيضا==
*[[الزوايا الشمسية]]
*[[الإشعاع الحراري]]
*[[كاسرات شمس]]
*[[التصميم وفق معطيات الطاقة الشمسية]]
*[[مزولة]]
*[[شدة الإشعاع و الفيض الإشعاعي]]
==المراجع==
{{مراجع}}
{{شريط بوابات|فيزياء}}
[[تصنيف:طاقة]]
[[تصنيف:طاقة شمسية]]
[[تصنيف:طاقة شمسية حرارية]]
[[تصنيف:طاقة متجددة]]
[[تصنيف:إشعاع]]
[[تصنيف:هندسة ميكانيكية]]
| |||