هندسة الإشعاع الشمسي ..كيفية استغلاله وأنواعه

تعتبر هندسة الإشعاع الشمسي مجالًا حيويًا في مستقبل الطاقة المستدامة، حيث تسهم تكنولوجيا الإشعاع الشمسي في تطوير وتحسين هذه الصناعة الحيوية، حيث يتم استخدام الإشعاع الشمسي لتوليد الكهرباء وتدفئة المياه وتوفير الطاقة النظيفة.

واليوم في هذا المقال سنتعرف على طبيعة الإشعاع الشمسي وكيفية وصول قوة الشمس إلى الأرض والطرق المختلفة لتسخيرها واستخدامها، وسنستكشف الأدوات والأجهزة المختلفة المستخدمة في التقاط وقياس الإشعاع الشمسي، ودراسة أساسيات هندسة الإشعاع، وكيفية حساب التوقيت الشمسي لمكان ما وقراءة مخططات مسار الشمس، والمزيد من خلال دورتنا المجانية، تابع معنا.

ماهو الإشعاع الشمسي

يعتبر الإشعاع الشمسي الطاقة الكهرومغناطيسية التي ينبعث عن الشمس وتصل إلى سطح الأرض،  ويتضمن الإشعاع الشمسي نطاقًا واسعًا من الترددات، حيث تتراوح ما بين الأشعة فوق البنفسجية القصيرة جدًا والأشعة تحت الحمراء طويلة الطول الموجي.

يمتاز الإشعاع الشمسي بأنه المصدر الرئيسي للطاقة على سطح الأرض، وهو المسؤول عن إضاءة النهار وتسخين الأرض.

أقرأ أيضاً: ما هي الطاقة المتجددة وما مميزاتها وعيوبها

أنواع الإشعاع الشمسي

تتضمن الطبيعة الكهرومغناطيسية للإشعاع الشمسي العديد من العناصر المهمة:

1. الأشعة المرئية: تشكل جزءًا من الإشعاع الشمسي الذي يمكن رؤيته بواسطة العين البشرية، وتتراوح طول موجة الأشعة المرئية من حوالي 400 نانومتر (اللون البنفسجي) إلى حوالي 700 نانومتر (اللون الأحمر).
2. الأشعة فوق البنفسجية (UV): تعتبر الأشعة فوق البنفسجية غير مرئية للعين البشرية، وتتمتع بطاقة أعلى من الأشعة المرئية، وتنقسم الأشعة فوق البنفسجية إلى ثلاث فئات رئيسية وهي UV-A، UV-B، وUV-C، وتتميز كل فئة بتأثيرها الفريد على الكائنات الحية والجو.
3. الأشعة تحت الحمراء (IR): تعتبر الأشعة تحت الحمراء أشعة كهرومغناطيسية ذات طاقة منخفضة وغير مرئية للعين البشرية، وتشمل الأشعة تحت الحمراء الأشعة الحرارية التي تتسبب في ارتفاع درجة الحرارة عند امتصاصها.
4. الأشعة السينية: تعتبر هذه الأشعة ذات ترددات عالية وطاقات عالية جدًا، وتستخدم في التصوير الطبي والبحوث العلمية والتطبيقات الصناعية.

تتجمع هذه الترددات المختلفة للإشعاع الشمسي لتشكل الضوء والحرارة التي نستخدمها في النهار، وتستخدم النباتات والكائنات الحية الأخرى عملية التمثيل الضوئي لاستخدام الإشعاع الشمسي في تصنيع الطعام والطاقة.

بالإضافة إلى الاستخدامات الحيوية، يتم استخدام الإشعاع الشمسي في العديد من التطبيقات التكنولوجية والعلمية، مما يجعله مصدرًا هائلًا للبحث والاستكشاف المستمر.

ويعتبر الإشعاع الشمسي والطاقة الشمسية موضوعًا هامًا في العلوم البيئية وتطوير التكنولوجيا المستدامة.

• انضم إلى الدورة التدريبية المجانية عن هندسة الإشعاع الشمسي والطاقة الشمسية ( من هنا )

كيفية استخدام الطاقة الشمسية واستغلالها

الإشعاع الشمسي والطاقة الشمسية يُمثِلان حلًا حيويًا ومُستدامًا لتلبية احتياجات الطاقة العالمية، والأن اليك بعض الطرق التي يمكنك استخدامها للاستفادة من الطاقة الشمسية:

1. الألواح الشمسية (الخلايا الشمسية):

• حيث تعمل الألواح الشمسية على تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام خلايا السيليكون، ويمكن استخدام هذه الكهرباء في تشغيل المنازل والمؤسسات التجارية وحتى الشبكات الكهربائية الوطنية.
• وتستخدم في شحن الهواتف المحمولة والأجهزة الإلكترونية وحتى السيارات الكهربائية.

2. أنظمة التسخين الشمسي:

• تستخدم الحرارة المشعة من الشمس لتسخين المياه للاستخدام في المنازل والمباني الصناعية.
• كما تستخدم أيضا لتدفئة المنازل والمباني باستخدام الطاقة الحرارية المشعة من الشمس.

3. مشروعات الطاقة الشمسية الكبيرة:

• تعتبر هذه المشروعات ذاتية الحجم وتستخدم الآلاف من الألواح الشمسية لتزويد المدن بالكهرباء.
• يتم تخزين الطاقة الشمسية في بطاريات خلال النهار لاستخدامها ليلاً أو في الأوقات التي لا يتوفر فيها الإشعاع الشمسي.

أقرأ أيضاً: طاقة الرياح: كيف تعمل وما فوائدها وما عيوبها

4. التطبيقات الزراعية والبيئية:

• يمكن استخدام أنظمة الري التي تعمل بالطاقة الشمسية لتليل استهلاك المياه وتحسين إنتاجية المحاصيل.
• كما يُمكن استخدام مصابيح الإضاءة المدعومة بالطاقة الشمسية في الشوارع والمناطق النائية التي لا تصلها الشبكة الكهربائية.

5. الأبحاث والابتكارات:

• يتم البحث في تطوير أنواع جديدة من الخلايا الشمسية لزيادة كفاءتها وتقليل تكلفتها.
• كما يتم البحث أيضا في تقنيات جديدة لتخزين الطاقة الشمسية بشكل أكثر فعالية.

استخدام الطاقة الشمسية ليس مجرد وسيلة للتخلص من الاعتماد على مصادر الطاقة الأحفورية، بل يساهم أيضًا في الحفاظ على البيئة وتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة، مما يجعله خيارًا صديقًا للبيئة ومُستدامًا للمستقبل.

الأجهزة المستخدمة في قياس الإشعاع الشمسي

يتم استخدام العديد من الأجهزة لقياس الإشعاع الشمسي بدقة، حيث تمكن هذه الأجهزة الباحثين والمهندسين من قياس كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض واستخدامها في تطبيقات مختلفة، وتشمل بعض الأجهزة الشائعة المستخدمة في قياس الإشعاع الشمسي:

1. البيرهيليومتر (Pyranometer): يستخدم لقياس الإشعاع الشمسي الإجمالي (المنطقة المرئية وتحت الحمراء) الذي يصل إلى سطح الأرض. يحسب هذا الجهاز الطاقة بوحدة واط لكل متر مربع في الساعة (W/m²).
2. البيرهيليوغراف (Pyrheliograph): يستخدم لقياس الإشعاع الشمسي المباشر القادم من الشمس، حيث يمكن استخدامه لدراسة حركة الشمس وتوجيه الأنظمة الشمسية الحرارية.
3. البيروهليوستات (Pyrheliostats): يستخدم لتحديث موقع الأجهزة الشمسية مثل الألواح الشمسية أو المرايا الشمسية لمتابعة حركة الشمس وتوجيه الإشعاع الشمسي بدقة.
4. السينسورات الشمسية (Solar Sensors): تشمل مجموعة واسعة من الأجهزة التي تستخدم لقياس الإشعاع الشمسي وفهم توزيع الطاقة الشمسية على مدار اليوم وعلى مر السنة.
5. ساتيلوجراف (Sateliograph): يستخدم لرصد الإشعاع الشمسي الواصل إلى الغلاف الجوي عن طريق القمر الصناعي، مما يسمح برصد الإشعاع الشمسي على مدار الساعة وحول العالم.
6. الفوتوميتر (Photometer): يستخدم لقياس شدة الإشعاع الشمسي المرئي وتحديد الكمية من الضوء المرئي المنبعث من الشمس.

تساهم هذه الأجهزة بشكل كبير في دراسات الطقس والمناخ، وتستخدم في صناعات الطاقة الشمسية والبحوث العلمية والهندسة المستدامة.

أقرأ أيضاً: أنواع البطاريات وتركيبها وآلية عملها (بالتفاصيل)

وتمكننا من فهم وقياس الإشعاع الشمسي بدقة، مما يمكننا من تحسين استخدام الطاقة الشمسية والتخطيط لمشاريع الطاقة المستدامة بشكل أفضل.

الإشعاع الشمسي وأساسيات هندسة الطاقة الشمسية

في مجال هندسة الإشعاع الشمسي، يتم التركيز على استخدام وتوجيه الإشعاع الشمسي لتحقيق أهداف محددة مثل توليد الكهرباء أو تسخين المياه، وفيما يلي بعض النقاط الأساسية التي يجب على الفرد معرفتها في هذا المجال:

1. فهم الإشعاع الشمسي:

• فـ الإشعاع الشمسي هو الطاقة التي تنبعث من الشمس وتصل إلى سطح الأرض.
• ويتكون هذا الإشعاع من الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، يجب فهم مكونات الإشعاع الشمسي بشكل جيد.

2. الألواح الشمسية:

• حيث تقوم الألواح الشمسية بتحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء باستخدام ظاهرة الفوتوفولتية.
• ويتعين عليك فهم كيفية عمل الألواح الشمسية وكيفية اختيار النوع المناسب للاستخدام المحدد.

3. أنظمة التسخين الشمسي:

• تستخدم أنظمة التسخين الشمسي الإشعاع الشمسي لتسخين المياه والسوائل الحرارية، ويجب فهم كيفية تصميم وتثبيت هذه الأنظمة بشكل فعال.

4. أنظمة التحكم والتوجيه:

• تستخدم هذه الأنظمة المرايا والمتتبعات الشمسية لتوجيه الإشعاع الشمسي بشكل دقيق نحو الأجهزة الشمسية، ويتطلب هذا معرفة بالأنظمة المتاحة وكيفية اختيار الأنسب.

5. تخزين الطاقة الشمسية:

• يتطلب تخزين الطاقة الشمسية للاستخدام خلال الليل أو في الأوقات التي لا تشرق فيها الشمس فهمًا عميقًا لتقنيات التخزين المتاحة مثل البطاريات وأنظمة التخزين الحراري.

6. التصميم الهندسي والتحليل:

• يجب على المهندسين أن يكونوا قادرين على فهم الرياضيات والفيزياء ومبادئ الهندسة لتحليل وتصميم أنظمة الطاقة الشمسية بشكل كفوء ومؤثر.

7. التصميم المعماري:

• يجب أخذ الأنظمة الشمسية في الاعتبار عند تصميم المباني بطريقة جمالية وفعالة.

8. التراخيص واللوائح:

• من الأهمية بمكان معرفة اللوائح المحلية والوطنية المتعلقة بتركيب واستخدام أنظمة الطاقة الشمسية والحصول على التراخيص المطلوبة.

أقرأ أيضاً: كيف تصبح خبيراً في حسابات الطاقة في يوم واحد!

تشكل هذه الأساسيات جوهر مجال هندسة الإشعاع الشمسي وتمكِّن المهندسين من تصميم وتنفيذ مشاريع الطاقة الشمسية بكفاءة ونجاح.

طريقة حساب الوقت الشمسي

عندما نرغب في حساب الوقت الشمسي في مكان معين، فإن ذلك يعتمد على حركة الشمس في السماء والزمن المحلي في تلك المنطقة، وللقيام بذلك يمكننا اتباع الخطوات التالية بسهولة:

1. معرفة خط الطول والعرض:

• لبدء عملية حساب الوقت الشمسي، يجب عليك معرفة خط الطول والعرض الخاص بالمكان الذي تريد حساب الوقت الشمسي فيه.
• تعتبر خطوط العرض هي خطوط نقاط العرض الأفقية، حيث تتمركز الخطوط العرض الجنوبية والشمالية بالنسبة لخط الاستواء، بينما تمتد الخطوط الطولية من الشرق إلى الغرب بالنسبة لخط جرينتش.

2. حساب الفارق الزمني:

• يمكنك حساب الفارق بين التوقيت المحلي والتوقيت العالمي الموحد (UTC)، المشهور أيضًا باسم “توقيت جرينتش”.
• على سبيل المثال، إذا كانت منطقتك تتخلف عن التوقيت العالمي بـ 3 ساعات، فسيكون التوقيت الزمني لمكانك -3 ساعات من UTC.

3. مراعاة التعويض الزمني:

• يجب أخذ التعويض الزمني المتعلق بالتوقيت الصيفي أو التوقيت الشتوي في الاعتبار عند حساب الوقت الشمسي.
• في بعض الدول، يتم تعديل التوقيت سنويًا للسماح بالضوء الطبيعي خلال ساعات النهار، لذا تأكد مما إذا كان هناك أي تعديلات زمنية يجب أن تضعها في اعتبارك.

4. حساب الوقت الشمسي:

• الآن، بعد أن حصلت على خط العرض والطول الخاص بالمكان المراد حساب الوقت الشمسي فيه، يمكنك بسهولة حساب الوقت الشمسي.
• وهناك العديد من المواقع والأدوات المتاحة على الإنترنت التي تساعدك في حساب الوقت الشمسي لأي مكان خلال اليوم.

من الجدير بالذكر ان هذه الطريقة تتيح لك معرفة الوقت الشمسي المحلي الذي يعتمد على حركة الشمس في السماء وليس التوقيت الرقمي المعروض على الساعات الرقمية.