مقياس الإشعاع الشمسي: ما تحتاج إلى معرفته

إذا كنت تفكر في استخدام مقياس الإشعاع الشمسي في تطبيق القياس الخاص بك، فهناك العديد من الأمور التي يجب أن تعرفها عنه وعن كيفية عمله. ستساعدك هذه المعلومات على ضمان اختيار نوع مقياس الإشعاع الشمسي الأنسب للبيانات التي تحتاجها لتطبيقك.

ما هو الإشعاع الشمسي العالمي؟

تُصدر شمسنا إشعاعًا بأطوال موجية تتراوح بين 0.15 و4.0 ميكرومتر، وهو ما يُعرف بالطيف الشمسي. ويُشار إلى قياس إشعاع الشمس على الأرض بالإشعاع الشمسي الكلي. ويُسمى أحيانًا بالإشعاع قصير الموجة، وهو يشمل الإشعاع الشمسي المباشر والمنتشر الذي يصل من نصف الكرة الأرضية فوق مستوى جهاز قياس الإشعاع الشمسي. من الصعب إيجاد عملية بيئية على الأرض لا تتأثر بشكل مباشر أو غير مباشر بطاقة الشمس. لذلك، من المرجح أن يؤثر الإشعاع الشمسي الكلي على العملية التي تبحث عنها.

من يقيس الإشعاع الشمسي العالمي ولماذا؟

تُستخدم قياسات الإشعاع الشمسي العالمي في العديد من التطبيقات لأغراض مختلفة:

تُستخدم الطاقة الشمسية لتحديد مدى كفاءة الألواح الشمسية في تحويل طاقة الشمس إلى كهرباء، ومتى تحتاج هذه الألواح إلى التنظيف. وتقوم أجهزة الاستشعار المستخدمة لهذا الغرض عادةً بقياس الإشعاع في مستوى مصفوفة الألواح الشمسية.

*تتوقع شركات المرافق العامة استهلاك الطاقة من الغاز والكهرباء

*البحث كمعيار واحد للتنبؤ بنمو النبات أو إنتاجه أو قياسه كمياً

*تُعتبر الزراعة، بالإضافة إلى صيانة ملاعب الغولف والحدائق، أحد المعايير للتنبؤ باستخدام النباتات للمياه وجدولة الري

*علم الأرصاد الجوية كعامل من عوامل نماذج التنبؤ بالطقس

ما هو مقياس الإشعاع الشمسي، وماذا يفعل؟

مقياس الإشعاع الشمسي هو جهاز استشعار يحوّل الإشعاع الشمسي العالمي الذي يستقبله إلى إشارة كهربائية قابلة للقياس. يقيس مقياس الإشعاع الشمسي جزءًا من الطيف الشمسي. على سبيل المثال، يقيس مقياس الإشعاع الشمسي CMP21 أطوال موجية تتراوح بين 0.285 و2.8 ميكرومتر. لا يستجيب مقياس الإشعاع الشمسي للإشعاع ذي الموجات الطويلة، بل يُستخدم مقياس الإشعاع الشمسي لقياس هذا النوع من الإشعاع (من 4 إلى 100 ميكرومتر).

يجب أن تأخذ أجهزة قياس الإشعاع الشمسي في الحسبان زاوية الإشعاع الشمسي، والتي تُعرف باستجابة جيب التمام. على سبيل المثال، يُقاس إشعاع شمسي مقداره 1000 واط/م² مُستقبل عموديًا على المستشعر (أي بزاوية 0° من سمت الرأس) على أنه 1000 واط/م². بينما يُقاس إشعاع شمسي مقداره 1000 واط/م² مُستقبل بزاوية 60° من سمت الرأس على أنه 500 واط/م². تتطلب أجهزة قياس الإشعاع الشمسي التي تحتوي على مُشتتات بدلاً من القباب الزجاجية مُشتتات دقيقة لتوفير استجابة جيب التمام الصحيحة.

ما الفرق بين مقياس الإشعاع الشمسي، ومقياس الإشعاع الصافي، ومقياس الإشعاع الشمسي المباشر؟

توجد عدة أنواع مختلفة من أجهزة استشعار الإشعاع الشمسي ، بما في ذلك أجهزة قياس الإشعاع الشمسي، وأجهزة قياس الإشعاع الصافي، وأجهزة قياس الإشعاع الشمسي المباشر.

يقيس مقياس الإشعاع الصافي الإشعاع الشمسي قصير الموجة الوارد والصادر باستخدام مقياسين حراريين، ويقيس الإشعاع الشمسي طويل الموجة الوارد والصادر باستخدام مقياسين حراريين. تُعد هذه القياسات الأربعة جزءًا أساسيًا من ميزانية الطاقة. تساعدنا تقييمات ميزانية الطاقة على فهم ما إذا كانت الطاقة الشمسية تُخزن في باطن الأرض أو تُفقد منه، أو تنعكس، أو تُشع عائدةً إلى الفضاء، أو تُستخدم لتبخير الماء.

يتكون مقياس الإشعاع الشمسي المباشر من عنصر استشعار للإشعاع مُغلّف بغلاف (أنبوب تجميع) يحتوي على فتحة صغيرة لا تسمح إلا بدخول أشعة الشمس المباشرة. أما الإشعاع المنعكس عن السحب أو الجسيمات في الهواء فلا يخترق هذه الفتحة الصغيرة وأنبوب التجميع ليصل إلى الكاشف. ولإجراء القياسات على مدار اليوم، يجب توجيه مقياس الإشعاع الشمسي المباشر نحو الشمس باستخدام جهاز تتبع شمسي.

كيف يقيس جهاز قياس الإشعاع الشمسي الإشعاع الشمسي العالمي؟

أكثر أنواع البيرانومترات شيوعًا لقياس الإشعاع الشمسي العالمي هي الثيرموبيلات والخلايا الضوئية المصنوعة من السيليكون. سنتناول هذه الأنواع من البيرانومترات فيما يلي، مع ذكر مزاياها وعيوبها.

نصيحة: ستحتاج إلى توصيل مقياس الإشعاع الشمسي بجهاز قياس متعدد رقمي أو مسجل بيانات مبرمج لقياس جهد التيار المستمر بالمللي فولت.

محطة الإشعاع الشمسي RK200-05

إذا كنت تستخدم جهاز قياس متعدد رقمي، فستحتاج إلى تحويل قراءة mV إلى W/m2 بنفسك؛

إذا كنت تستخدم مسجل بيانات، فستحتاج إلى إعداد مسجل البيانات لإجراء التحويل.

تتوفر في الأسواق أيضاً أجهزة قياس الإشعاع الشمسي التي تُعيد قياس الإشعاع ذي الموجات القصيرة (واط/م²) بصيغة رقمية. ويتطلب ذلك إما جهاز كمبيوتر أو مسجل بيانات لقراءة سلسلة البيانات التسلسلية (بالإضافة إلى كابل بيانات الواجهة المناسب وبرنامج الاتصالات).

مقياس الإشعاع الحراري

مقياس الإشعاع الشمسي RK200-03 مصمم وفقًا لمبدأ المزدوجة الحرارية

تستخدم مقاييس الإشعاع الشمسي الحرارية سلسلة من الوصلات الكهروحرارية (وصلات متعددة من معدنين مختلفين - مبدأ المزدوجة الحرارية) لتوفير إشارة تبلغ قيمتها عدة ميكروفولت/واط/متر مربع، تتناسب مع فرق درجة الحرارة بين سطح أسود ماص وسطح مرجعي. قد يكون السطح المرجعي سطحًا أبيض عاكسًا أو الجزء الداخلي من قاعدة المستشعر. يمتص السطح الأسود لمقياس الإشعاع الشمسي الحراري الإشعاع الشمسي بشكل منتظم عبر الطيف الشمسي.

الطيف الشمسي هو نطاق أطوال موجات الضوء المنبعث من الشمس. تتميز النجوم الزرقاء والبيضاء والصفراء والحمراء بدرجات حرارة مختلفة، وبالتالي أطياف شمسية مختلفة.

تُصدر شمسنا الصفراء إشعاعًا بأطوال موجية تتراوح بين 0.15 و4.0 ميكرومتر. يلتقط مقياس الإشعاع الشمسي الحراري بدقة الإشعاع الشمسي الكلي، وذلك بفضل سطحه الأسود الماص الخاص الذي يستجيب بشكل موحد لمعظم طاقة الطيف الشمسي. عادةً ما يكون عنصر الاستشعار مُحاطًا بقبة زجاجية واحدة أو اثنتين خاصتين تعملان على تمرير الإشعاع إليه بشكل موحد.

تتميز مقاييس الإشعاع الشمسي الحرارية بتعدد استخداماتها ودقتها العالية. يمتص سطحها الأسود الإشعاع الشمسي بشكل متجانس عبر طيف الموجات الشمسية القصيرة من 0.285 إلى 2.800 ميكرومتر (كما هو الحال في مقياس الإشعاع الشمسي CMP6). يتيح هذا الامتصاص الطيفي المتجانس قياس الإشعاع الشمسي المنعكس، والإشعاع داخل المظلات أو البيوت الزجاجية، ونسبة البياض (المنعكس: الساقط) عند استخدام مقياسين متقابلين (أحدهما موجه للأعلى والآخر للأسفل).

على الرغم من أن مقاييس الإشعاع الحراري يمكن أن تكون أكثر أنواع أجهزة استشعار الإشعاع الشمسي قصير الموجة دقة، إلا أنها عادة ما تكون أغلى بكثير من مقاييس الإشعاع الضوئي المصنوعة من خلايا السيليكون.

مقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من خلايا السيليكون الضوئية

مستشعر الإشعاع الشمسي RK200-04 مصمم وفقًا لمبدأ الخلية السيليكونية

تُنتج مقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من خلايا السيليكون الضوئية تيارًا كهربائيًا صغيرًا (بالميكروأمبير) مشابهًا لكيفية تحويل الألواح الشمسية لطاقة الشمس إلى كهرباء. عند مرور التيار عبر مقاومة تحويل (على سبيل المثال، 100 أوم)، يتحول إلى إشارة جهد كهربائي بحساسية تبلغ عدة ميكروفولت/واط/متر مربع. يُستخدم مُشتِّت ضوئي بلاستيكي لتوفير استجابة جيبية منتظمة عند زوايا الشمس المختلفة.

يقتصر نطاق الاستجابة الطيفية لمقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من خلايا السيليكون الضوئية على جزء من الطيف الشمسي، تحديدًا من 0.4 إلى 1.1 ميكرومتر. ورغم أن هذه المقاييس لا تقيس سوى جزء من الإشعاع قصير الموجة، إلا أنها مُعايرة لتقديم قراءة مماثلة لقراءات مستشعرات الثيرموبيل في ظل سماء صافية مشمسة. تُستخدم مقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من خلايا السيليكون الضوئية غالبًا في جميع ظروف السماء، إلا أن أخطاء القياس تكون أعلى في وجود الغيوم. يحد تجانس طيف ضوء النهار في معظم ظروف السماء من الأخطاء عادةً إلى أقل من ±3%، مع حد أقصى للخطأ يبلغ ±10%. ويكون الخطأ عادةً موجبًا في ظل ظروف السماء الغائمة.

تُعدّ مقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من الخلايا الضوئية السيليكونية عادةً أقل تكلفةً بعدة مرات من مقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من المزدوجات الحرارية. وبالنسبة للباحثين البيئيين، فإن دقة مقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من الخلايا الضوئية السيليكونية غالباً ما تكون كافية لتلبية احتياجاتهم.

من عيوب مقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من خلايا السيليكون الضوئية أن استجابتها الطيفية تقتصر على جزء صغير من الطيف الشمسي يتراوح بين 0.4 و1.1 ميكرومتر. وتعمل هذه المقاييس بكفاءة عالية عند استخدامها لقياس الإشعاع الشمسي الكلي في ظل ظروف السماء الصافية نفسها المستخدمة في معايرتها. ويُمنع استخدامها داخل مظلات النباتات أو البيوت الزجاجية، أو لقياس الإشعاع المنعكس.

خاتمة

آمل أن تكون هذه المقالة التمهيدية قد ساعدتكم في التعرف على أجهزة قياس الإشعاع الشمسي ووظائفها. كما آمل أن تكونوا قد اكتسبتم فهمًا أفضل لنوع جهاز قياس الإشعاع الشمسي الأنسب لاحتياجات تطبيقكم.