فهم الإشعاع الشمسي على سطح الأرض: ما وراء ضوء الشمس المباشر

 

عندما نتحدث عن الطاقة الشمسية، فإننا غالبًا ما نتخيل أشعة الشمس تسقط مباشرة على الألواح الشمسية. ولكن الحقيقة أكثر تعقيدًا من مجرد شعاع مباشر من الشمس. لو كان ضوء الشمس مجرد شعاع واحد، لما استطعنا رؤية شيء عندما نحجب الشمس بأيدينا. ومع ذلك، ما زلنا نرى محيطنا بوضوح، والألواح الشمسية ما زالت تنتج الكهرباء حتى في غياب الشمس المباشرة.

هذا لأن هناك مكونات أخرى للضوء تسهم في الإشعاع الكلي الذي يصل إلى الألواح الشمسية. حتى عندما تسطع الشمس مباشرة على اللوح، تظل هذه المكونات الثانوية ذات تأثير مهم. ولهذا، من الضروري فهم مكونات الإشعاع المختلفة وطرق قياسها بدقة حتى نتمكن من نمذجة الإشعاع الكلي على مستوى سطح الألواح، وهو ما يُعرف بـ الإشعاع الشمسي العالمي على مستوى مصفوفة الألواح، أو G_POA.

مكونات الإشعاع الشمسي

لتبسيط الأمور، يمكن تقسيم الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى اللوح إلى ثلاث مكونات رئيسية:

1. الإشعاع المباشر (Beam أو Direct): يأتي مباشرة من الشمس في خط مستقيم.

2. الإشعاع المنتشر (Diffuse): يأتي من أجزاء مختلفة من السماء نتيجة لتشتت الضوء.

3. الإشعاع المنعكس من الأرض (Ground-reflected): ضوء ينعكس من سطح الأرض باتجاه اللوح الشمسي.

وعادةً ما يتم إمالة الألواح الشمسية بزاوية معينة لتحسين استقبال هذا الإشعاع الكلي وزيادة إنتاج الكهرباء.

من أين نبدأ؟

في العادة، توفر بيانات الطقس ما يُعرف بالإشعاع الشمسي العالمي على سطح أفقي (GHI)، وهو يتكون فقط من مكونين:

• الإشعاع المباشر الطبيعي (DNI) عندما يكون الضوء عموديًا على اللوح.

• الإشعاع المنتشر الأفقي (DHI).

عندما لا تكون الشمس عمودية تمامًا على اللوح، نحتاج إلى تصحيح زاوية السقوط باستخدام ما يُعرف بزاوية سمت الرأس (Zenith angle)، والتي تؤثر على كمية الإشعاع المستلم.

لماذا يصعب نمذجة الإشعاع المنتشر؟

عادةً ما يُفترض أن الإشعاع المنتشر متساوٍ من جميع الاتجاهات (نموذج متساوي الخواص)، وهذا يبسط الحسابات. لكنه يتجاهل:

• الإشعاع المنتشر حول قرص الشمس (Circumsolar): نتيجة تشتت الضوء في اتجاه أمامي.

• توهج الأفق (Horizon brightening): نتيجة التشتت القوي قرب الأفق.

ورغم أن الإشعاع المباشر هو الأقوى، إلا أن الإشعاع المنتشر يمكن أن يشكل نسبة مهمة من الإشعاع الكلي، خاصةً في الأيام الغائمة. ففي الدنمارك مثلًا، يمكن أن يصل الإشعاع المنتشر إلى أكثر من 50% من الإشعاع الكلي في يوم صيفي غائم.

قياس الإشعاع الشمسي

هناك عدة أدوات مستخدمة في قياس الإشعاع الشمسي، من أهمها:

1. البيرانوميتر (Pyranometer):
   جهاز يعتمد على مقياس حراري (Thermopile) لقياس الإشعاع العالمي من 300 إلى 3000 نانومتر. يتمتع بدقة عالية، لكنه باهظ الثمن وبطيء في الاستجابة.

   • يمكن استخدام أداة تظليل (مثل كرة صغيرة تتبع الشمس) لحجب الإشعاع المباشر وقياس الإشعاع المنتشر فقط.

2. الخلية الشمسية المرجعية (Reference Solar Cell):
   أرخص من البيرانوميتر وأسرع استجابة، لكنها تقيس نطاقًا طيفيًا محدودًا (300 - 1100 نانومتر)، وهي حساسة جدًا لتغيرات الطيف الشمسي. تُستخدم بشكل رئيسي لمراقبة أداء محطات الطاقة الشمسية.

3. البيرهليوميتر (Pyrheliometer):
   يقيس فقط الإشعاع المباشر باستخدام أنبوب موجه بدقة نحو الشمس. لكنه يحتاج إلى تتبع مستمر لحركة الشمس.

#الطاقة_الشمسية
#الطاقات_المتجددة
#الإشعاع_الشمسي
#الألواح_الشمسية
#الاستدامة
#الهندسة_الكهروضوئية
#قياس_الطاقة
#تقنيات_الطاقة
#تغير_المناخ
#الطاقة_النظيفة

#SolarEnergy
#RenewableEnergy
#SolarIrradiance
#Photovoltaics
#CleanEnergy
#Sustainability
#SolarPower
#ClimateChange
#EnergyMeasurement
#GreenTechnology