اتجاه ضوء الشمس

بسبب صغر حجم الشمس في السماء، فإن ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض له اتجاه شبه موحد - واتجاهه هو نفسه متجه المتجه المؤشر من الشمس إلى الأرض. كما رأينا في الدرس السابق، ينحرف ضوء الشمس عن هذا الاتجاه بمقدار 0.27 درجة على الأكثر. على الرغم من أن ضوء الشمس له اتجاه شبه موحد، إلا أن موقع الشمس الظاهر في السماء يتغير باستمرار بسبب مدار الأرض وميلها ودورانها:

في هذا الدرس، سوف نستكشف كيف يمكننا تصميم مجمع شمسي لجمع أكبر قدر ممكن من ضوء الشمس، على الرغم من تغير زوايا السقوط طوال اليوم والسنة. سنكتشف أن اعتبارات التصميم هذه يمكن أن تحسن أداء جميع المجمعات الشمسية و لها أهمية خاصة بالنسبة للأنظمة التي تستخدم البصريات التركيزية لزيادة شدة ضوء الشمس.

إذا كانت الشمس فوق الرأس تمامًا في السماء - وهو ما يتوافق مع ارتفاع شمسي يبلغ 90 درجة - فإن شدة الإشعاع على مجمع شمسي أفقي تساوي إجمالي شدة الإشعاع الشمسي العمودي على الشمس. إذا كانت الشمس في ارتفاع أقل، تصبح المساحة المسقطة لمجمع شمسي أفقي أصغر بالنسبة للشمس، وبالتالي يجمع طاقة أقل:

ما هي شدة الإشعاع (بوحدة وات/متر مربع) التي تصل إلى مجمع شمسي أفقي عندما يكون ارتفاع الشمس 45 درجة؟

لحساب شدة الإشعاع التي تصل إلى مجمع شمسي أفقي عندما يكون ارتفاع الشمس 45 درجة، نحتاج إلى مراعاة عدة عوامل:

1. الإشعاع الشمسي الكلي: هو مقدار الطاقة الشمسية المستلمة لكل وحدة مساحة في أعلى الغلاف الجوي للأرض، ويبلغ عادة حوالي 1000 وات/متر مربع. تختلف هذه القيمة قليلاً اعتمادًا على مسافة الأرض من الشمس على مدار العام.

2. كتلة الهواء: مع مرور ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي، يتشتت ويمتص بواسطة جزيئات الهواء والهباء الجوي، مما يقلل من شدته. تعتمد كمية كتلة الهواء التي يمر بها ضوء الشمس على ارتفاع الشمس. عند ارتفاع 45 درجة، تكون كتلة الهواء حوالي 1.1.

3. زاوية السقوط: عندما يصطدم ضوء الشمس بمجمع بزاوية غير عمودية، تقل المساحة المسقطة للمجمع، مما يقلل فعليًا من كمية الطاقة المجمعة. في هذه الحالة، مع مجمع أفقي وارتفاع شمسي 45 درجة، تكون زاوية السقوط أيضًا 45 درجة.

الخطوات:

1. نحتاج أولاً إلى تعديل الإشعاع الشمسي الكلي لكتلة الهواء باستخدام قانون بير لامبرت:

   شدّة الإشعاع على المستقبل = الإشعاع الكلي e^(-k كتلة الهواء)

   حيث k هو معامل الانقراض (حوالي 0.1 لكل وحدة كتلة هواء للسماء الصافية).

   مع k = 0.1 وكتلة الهواء = 1.1، تصبح شدة الإشعاع على المستقبل:

   شدّة الإشعاع ≈ 1000 وات/متر مربع e^(-0.1 1.1) ≈ 819 وات/متر مربع

2. الآن، نحتاج إلى تصحيح زاوية السقوط باستخدام عامل جيب التمام:

   شدّة الإشعاع على المجمع الأفقي = شدّة الإشعاع على المستقبل * cos(زاوية السقوط)

   مع زاوية السقوط 45 درجة:

   شدّة الإشعاع على المجمع الأفقي ≈ 819 وات/متر مربع * cos(45°) ≈ 580 وات/متر مربع

لذلك، فإن شدة الإشعاع التي تصل إلى مجمع شمسي أفقي عندما يكون ارتفاع الشمس 45 درجة هي حوالي 580 وات/متر مربع.

ملاحظة: هذا حساب مبسط ويفترض سماء صافية. قد تختلف القيم في العالم الحقيقي اعتمادًا على عوامل مختلفة مثل الظروف الجوية والموقع والوقت المحدد من اليوم.

كيف أوجه الواح الطاقة الشمسية للإستفدة من أقصى إشعاع ساقط من الشمس ؟

بشكل مثالي، نرغب في أن يكون جامع الطاقة الشمسية موجهًا بحيث يكون سطحه عموديًا على الشمس، مما يعظم شدة الإشعاع وبالتالي الطاقة المجمعة. ومع ذلك، نظرًا لأن موقع الشمس في السماء يتغير دائمًا، فليس من الممكن أن يكون لدى جامع ثابت دائمًا يشير إلى الشمس.

افترض أننا نقوم بتركيب جامع شمسي ثابت عند خط عرض 40 درجة شمالًا:

40∘ N:

يشير هذا إلى موقع شمال خط الاستواء حيث تكون الزاوية المتكونة بين خط من مركز الأرض إلى الموقع وخط من مركز الأرض إلى خط الاستواء 40∘ 40∘ زاوية.

كيف يجب أن نوجه جامعنا لتعظيم الطاقة الشمسية الساقطة على مدار عام؟

مُميل 40∘ إلى الشمال

مُستلقٍ أفقيًا

مُميل 40∘ 40∘ إلى الجنوب

يجب أن يكون اللوح الشمسي مائلًا 40 درجة نحو الجنوب.

شرح:

يشرح النص أنه لالتقاط أقصى قدر من الطاقة الشمسية على مدار العام، يجب توجيه اللوح الشمسي بحيث يكون سطحه عموديًا على الشمس. ومع ذلك، نظرًا لأن موقع الشمس يتغير باستمرار، فمن المستحيل وجود لوح ثابت يشير دائمًا إليها.

يأخذ النص مثالًا على لوح شمسي مثبت عند خط عرض 40 درجة شمالًا. هذا يعني أن اللوح يقع شمال خط الاستواء.

من بين الخيارات الثلاثة المقترحة، فإن إمالة اللوح 40 درجة نحو الجنوب هي أفضل حل لتعظيم الطاقة الشمسية الملتقطة على مدار عام.

إليك السبب:

• الإمالة الأفقية: في هذا الوضع، لا يلتقط اللوح ضوء الشمس بشكل مثالي على مدار العام. في الصيف، عندما تكون الشمس مرتفعة في السماء، ستكون زاوية السقوط ضعيفة، مما يقلل من كمية الطاقة المجمعة.

• إمالة 40 درجة نحو الشمال: عند هذا خط العرض، فإن إمالة اللوح نحو الشمال ستضعه في الظل معظم ساعات النهار، خاصة في الشتاء. سيؤدي ذلك إلى تقليل إنتاج الطاقة بشكل كبير.

• إمالة 40 درجة نحو الجنوب: من خلال إمالة اللوح 40 درجة نحو الجنوب، يتم توجيهه بشكل مباشر أكثر نحو الشمس على مدار العام، خاصة خلال فترات سطوع الشمس. هذا يسمح باحتجاز أقصى قدر من الطاقة الشمسية.

ملخص:

إمالة اللوح 40 درجة نحو الجنوب هو أفضل خيار لتعظيم التقاط الطاقة الشمسية على مدار عام عند خط عرض 40 درجة شمالًا.