هل سبق لك أن تساءلت عن سبب أهمية ساعات 'ضوء الشمس' لأخصائيي الأرصاد الجوية أو لماذا تجمع مزارع الطاقة الشمسية بيانات 'الإشعاع' وكأنها ذهب؟ الجواب هو أداة صغيرة ولكنها قوية: البيرانومتر. كان هذا الجهاز الصغير المتواضع، والذي غالبًا ما يتم وضعه فوق محطات الأرصاد الجوية والألواح الشمسية، لاعبًا رئيسيًا في فهمنا للطاقة الشمسية. سوف يشرح هذا المنشور ما يفعله البيرانومتر، وكيف يحول ضوء الشمس إلى بيانات وسبب أهميته في كل شيء بدءًا من تزويد المدن بالطاقة وحتى زراعة المحاصيل. لنبدأ بالأساسيات.
دعونا أولا فضح هذا المصطلح. البيرانومتر هو جهاز يقيس الإشعاع العالمي ، وهو إجمالي كمية ضوء الشمس التي تصل إلى السطح أفقيًا. وهذا يشمل كلا من الشمس المباشرة والضوء المتناثر. تخيل أنه 'مقياس ضوء الشمس' الذي يقيس مقدار الطاقة الشمسية المتوفرة في مكان معين في وقت معين.
لماذا هذا القياس مهم؟ قم بتوصيل النقاط.
الزراعة: تحتاج المحاصيل إلى ضوء الشمس للقيام بعملية التمثيل الضوئي. يستخدم الباحثون والمزارعون مقاييس البيرانومتر لتتبع GHI اليومي. يمكنهم تحسين مستويات إضاءة الدفيئة، أو تحديد أفضل وقت للزراعة.
الطاقة الشمسية: تقوم الألواح الشمسية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. لا يمكن للمهندسين تخطيط تخزين الشبكة، أو التنبؤ بمخرجات مزرعة الطاقة الشمسية، أو تقييم كفاءة اللوحة بدون بيانات GHI الدقيقة.
التنبؤ بالطقس ضوء الشمس هو المسؤول عن مناخ الأرض. يستخدم علماء الأرصاد الجوية مقاييس البيرانومتر لإنشاء نماذج تتنبأ بتقلبات درجات الحرارة وأنماط العواصف.
يقيس البيرانومتر الوقود غير المرئي الذي يغذي أنظمة كوكبنا. يتم استخدام هذه البيانات من قبل الصناعات لاتخاذ القرارات.
المستشعر هو جوهر أ البيرانومتر . إنه مكون صغير ولكنه متطور يحول ضوء الشمس إلى إشارة كهربائية. دعونا نلقي نظرة على تقنيتي الاستشعار الأكثر شيوعًا.
تعتمد غالبية أجهزة قياس البيرانومتر على مستشعر النوافير الحرارية الذي يعتمد على تأثير سيبيك . عندما يتم ربط معدنين معًا، سيتم توليد جهد كهربائي إذا كانت الوصلات أكثر سخونة. وهذه هي الطريقة التي يعمل بها مع ضوء الشمس:
تم تجهيز المستشعر بوصلتين: وصلة ساخنة (مغطاة بمادة تمتص الضوء، مثل أسود الكربون)، ووصلة باردة (مظللة لقياس درجة الحرارة المحيطة).
أشعة الشمس تسخن التقاطع. الفرق في درجة الحرارة بين الوصلات الباردة والساخنة ينتج جهدًا يتناسب مع الإشعاع الشمسي.
يتم تضخيم هذا الجهد ثم تحويله إلى جهد قابل للقراءة (على سبيل المثال واط لكل متر مربع W/m2).
أصبحت الأعمدة الحرارية شائعة بسبب متانتها واستجابتها وقدرتها على العمل في نطاق واسع (200-4000 نانومتر)، مما يسمح لها بالتقاط معظم الطاقة الشمسية.
تستخدم بعض مقاييس البيرانومتر الثنائيات الضوئية، وهي أجهزة شبه موصلة تولد تيارًا عند تعرضها للضوء. تعتبر الثنائيات الضوئية، على عكس الأعمدة الحرارية، أكثر حساسية لأطوال موجية معينة (مثل الضوء المرئي)، ولكنها أقل فعالية في ظروف الإضاءة المنخفضة. وغالبًا ما يتم استخدامها مع المرشحات التي تحاكي الطيف الشمسي. ومع ذلك، فهي أقل دقة عند استخدامها في الهواء الطلق لفترات طويلة من الزمن.
لا تقيس جميع أجهزة قياس البيرانومتر GHI بنفس الطريقة. يتم تحديد مدى جودة قياس GHI من خلال ثلاث عوامل:
الحساسية : مقدار الجهد/التيار الذي ينتجه المستشعر لكل وحدة من ضوء الشمس (على سبيل المثال، 10 الأشعة فوق البنفسجية/وات/م2 تعادل 100 وات/م2 من ضوء الشمس الذي يولد 1 مللي فولت). تسمح الحساسية الأعلى بالكشف بشكل أفضل عن التغييرات الصغيرة.
زمن الاستجابة: السرعة التي يستجيب بها المستشعر للتغيرات في ضوء الشمس. لتتبع السحب المارة أو تغيرات زاوية الطاقة الشمسية، تعد أوقات الاستجابة السريعة ضرورية (= ثانية واحدة).
الطيف: نطاق الأطوال الموجية التي يستطيع المستشعر اكتشافها. إن مقياس البيرانومتر الذي تم تحسينه لـ 280-2800 نانومتر (يغطي الأشعة فوق البنفسجية إلى طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة) سوف يلتقط كل الطيف الشمسي.
دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل مقاييس البيرانومتر عمليًا الآن بعد أن عرفنا عملها.
تعتمد محطات الأرصاد الجوية حول العالم على أجهزة قياس البيرانومتر في نماذجها. كمثال:
التنبؤات: يمكن لعلماء الأرصاد الجوية تتبع اتجاهات GHI للتنبؤ بالوقت الذي ستحجب فيه السحابة ضوء الشمس، مما يؤدي إلى تبريد الأرض. أو عندما يؤدي ضوء الشمس الشديد إلى تسخين الهواء وتغذية العواصف الرعدية.
مراقبة المناخ: تساعد البيانات المستمدة من GHI على المدى الطويل العلماء على دراسة ظاهرة الاحتباس الحراري. يمكن أن يشير الانخفاض في GHI إلى تغير أنماط الطقس أو ملوثات الهواء.
وفي المناطق النائية، يمكن لمقاييس البيرانومتر الأرضية التحقق من صحة بيانات الأقمار الصناعية. على سبيل المثال، إذا قام القمر الصناعي بتقدير 500 واط/م2 لضوء الشمس في منطقة صحراوية، فيمكن لمقياس البيرانومتر الموجود على الأرض تأكيد هذا التقدير أو تصحيحه.
تعتبر أجهزة قياس البيرانومتر ضرورية لمزارع الطاقة الشمسية وتركيبات الأسطح. كيف يتم استخدامها:
مراقبة الأداء: في مزرعة الطاقة الشمسية على نطاق المرافق، يمكن استخدام العديد من مقاييس البيرانومتر لمقارنة GHI الفعلي (مؤشر الحرارة العالمية) مع 'التشمس'، أو متوسط ضوء الشمس للمنطقة. إذا كان مؤشر GHI أقل من المتوقع ولكن إنتاج الطاقة لا يزال أقل، فقد يكون ذلك علامة على أن هناك حاجة إلى تنظيف الألواح المتسخة.
تقييم الموقع قبل بناء مزرعة جديدة للطاقة الشمسية، يقوم المطورون برسم خريطة للمؤشر العالمي للصحة لممتلكاتهم باستخدام مقاييس البيرانومتر. سيكون أداء المنحدر ذو مؤشر GHI العالي (6 كيلووات ساعة/م2/يوم، على سبيل المثال) أفضل من البقعة المواجهة للشمال المظللة.
البحث والتطوير: تستخدم مختبرات البحث والتطوير مقاييس البيرانومتر عالية الدقة لاختبار مواد الألواح الجديدة ومقارنة كفاءتها في ظل GHI الخاضع للرقابة.
يتم استخدام مقاييس البيرانومتر من قبل المزارعين والمهندسين الزراعيين لتحسين ظروف النمو.
الدفيئات: الكثير من الضوء يمكن أن يحرق النباتات، في حين أن القليل من ضوء الشمس يعيق نموها. تقيس أجهزة قياس البيرانومتر GHI في الوقت الفعلي، وتطلق ظلالاً أو مصابيح LED إضافية حسب الحاجة للحفاظ على مستويات الإضاءة 'الصحيحة'.
نمذجة المحاصيل: يدرس العلماء كيفية استجابة النباتات المختلفة (مثل الطماطم مقابل القمح) لتغير GHI. يمكن أن تجد إحدى الدراسات، على سبيل المثال، أن الطماطم تتطلب ما لا يقل عن 400 واط / م 2 خلال ساعات الذروة لأشعة الشمس لتزدهر.
الزراعة في الهواء الطلق: يستخدم المزارعون مقاييس البيرانومتر لتحديد متى يجب عليهم الزراعة أو الحصاد في الحقول المفتوحة. إذا انخفض مؤشر GHI فجأة (بسبب دخان حرائق الغابات، على سبيل المثال)، فقد يكون من الضروري تأخير الحصاد لتجنب الحصول على محصول أقل جودة.
يعتمد مقياس البيرومتر المناسب لك على ما تحتاجه.
الدقة استثمر في جهاز استشعار نافر حراري عالي الحساسية وله حد أدنى من الانحراف (= 1% سنويًا) للبحث العلمي.
المتانة : للاستخدام الخارجي، يجب أن يكون المنتج مقاومًا للعوامل الجوية (مقاوم للغبار والمطر ودرجات الحرارة القصوى).
طلب. قد يعطي مزارع الدفيئة الأولوية لجهاز استشعار لديه وقت استجابة سريع لتتبع تقلبات الضوء اليومية. ومع ذلك، فإن محطة الأرصاد الجوية سوف تحتاج إلى الاستقرار على المدى الطويل.
إنها أكثر من مجرد 'مقياس لضوء الشمس' - إنها جسر بين الشمس والحياة اليومية. تُستخدم قياساتهم لدفع الابتكار واتخاذ قرارات مستنيرة. إن فهم كيفية ومكان استخدامها يسمح لنا بتقدير الطاقة غير المرئية التي تدعم كوكبنا.
تذكر أنه في المرة القادمة التي تنظر فيها إلى لوحة شمسية، أو تستخدم تطبيق الطقس للتحقق من التوقعات، ستجد مقياس البيرومتر في مكان ما يعمل بجد، ويحول ضوء الشمس إلى بيانات.
