الشمس وقوتها

تتميز الشمس بقوتها وتأثيرها الهائل على الحياة على سطح الأرض. حوالي ٩٩٪ من قوة الشمس التي تصل إلى الأرض لها طول موجي محدد يتراوح بين ٣٠٠ نانومتر و ٢.٥ ميكرومتر. هذه الأشعة الشمسية تتفاعل مع البيئة وتعمل على تسخين الأرض وتوفير الطاقة اللازمة للحياة.

معادلات

في حين أن طاقة الفوتون، وكثافة الطيف، والطاقة الإجمالية المحتواة في طيف معين جميعها مرتبطة، إلا أنها ليست متكافئة. وهذا هو السبب في أنه في الطيف الشمسي، تحمل الفوتونات فوق البنفسجية أعلى طاقة، وتحتوي الفوتونات المرئية على أعلى كثافة طيفية، لكن الفوتونات تحت الحمراء تسلم معظم الطاقة الإجمالية.

التعبير عن الكثافة ينطبق فقط إذا كان كل فوتون له نفس الطاقة.

بالنسبة للضوء المكون من فوتونات ذات طاقات مختلفة، تكون الكثافة مجموع المساهمات من كل طول موجة مختلف:

I = ∑Φλ​Eλ

إن حاصل ضرب Φλ و Eλ هو الطاقة الواردة بسبب تدفق الفوتونات ذات الطول الموجي المحدد - وبعبارة أخرى، إنها الكثافة الطيفية

Iλ

وهذا يعني أنه يمكن تمثيل الكثافة الكلية كمجموع الشدة الطيفية:

I= ∑Iλ​

Qλ1​,λ2 = λ=λ1​∑λ2 Iλ​.

لحساب الطاقة المحتواة في نطاق معين من الطول الموجي
λ1​,λ2

، قم بجمع المساهمات من الفوتونات في هذا النطاق الطول الموجي:

إن جمع الفوتونات ذات الأطوال الموجية التي تتراوح من
λ1 إلى λ2 يعادل أخذ تكامل على نفس النطاق. يتم العثور على القدرة الإجمالية في نطاق طيفي معين من خلال دمج الشدة على هذا النطاق:

Pهو الطاقة المحتواة في النطاق الطول الموجي المحدد،

Φλ هو الطاقة المحتواة في النطاق الطول الموجي المحدد،

λ

و

Eλ​
هو طاقة الفوتون في الطول الموجي
λ

النطاق الواسع من الطوال الموجية في الطيف الشمسي يفسر حقيقة أن أشعة الشمس تنبعث كإشعاع حراري. يشير الإشعاع الحراري إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي ينبعث من المادة عندما تسخن. على سبيل المثال، ينبعث من الفحم المشتعل بعض الإشعاع المرئي، وهذا يجعله يبدو وكأنه متوهج. بينما تنبعث معظم الأجسام في الحياة اليومية منها فقط الإشعاع تحت الحمراء الذي لا يمكن رؤيته بالعين المجردة.

ل جسم يصدر إشعاعًا حراريًا، ولكن كثافة وتوزيع طول الموجة لهذا الإشعاع تعتمد على درجة حرارة الجسم. الجسم الأسود هو جسم يمتص كل الإشعاع الواقع عليه وينبعث منه أقصى كمية من الإشعاع الحراري التي يمكن لأي جسم أن ينبعث منه بتلك الدرجة الحرارية. عند درجات حرارة عالية جدًا، تكون ميل أجسام معينة للتصرف بشكل مشابه للجسم الأسود.

تم العثور على العلاقة بين الطول الموجي لذروة الانبعاث ودرجة الحرارة عن طريق أخذ مشتق الإشعاع الطيفي بالنسبة لطول الموجة ووضعه على الصفر. يؤدي هذا إلى العثور على الحد الأقصى لقيمة الإشعاع الطيفي لأنه يكشف عن النقطة الموجودة على المنحنى المقابلة لميل خط المماس البالغ صفر. يبلغ الحد الأقصى للطول الموجي للشمس حوالي 500 نانومتر.

أنظمة الطاقة الشمسية

تحسين أنظمة الطاقة الشمسية لتحويل الطيف المعين إلى كهرباء واستغلال تدفق الطاقة المتاحة لنا على الأرض.

تم تحسين العديد من أنظمة الطاقة الشمسية لتحويل هذا الطيف المعين إلى كهرباء، لأنه يمثل تدفق الطاقة المتاح لنا على الأرض. سنتعرف على بعض هذه الأنظمة في الفصول القادمة من هذه الدورة.