تعتمد كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية بشكل كبير على كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى الخلايا الشمسية. لذلك، يعد فهم كتلة الهواء (Air Mass) من الأساسيات المهمة في دراسة أداء الألواح الشمسية وتقييم كفاءتها. فمن خلال هذا المفهوم يمكن تحديد خصائص الطيف الشمسي، كما يعتمد عليه في تصنيف الخلايا الشمسية وإجراء الاختبارات المعيارية الخاصة بها. في هذا المقال، سنتعرف على مفهوم كتلة الهواء، وطريقة حساب معاملها، بالإضافة إلى أهم المعايير المستخدمة في صناعة الطاقة الشمسية.
ما هي كتلة الهواء في الطاقة الشمسية؟
تشير كتلة الهواء (Air Mass)، ويرمز لها بالاختصار AM، إلى طول المسار البصري المباشر الذي يقطعه ضوء الشمس أثناء مروره عبر الغلاف الجوي للأرض (Atmosphere).
وتستخدم كتلة الهواء للمساعدة في تحديد خصائص الطيف الشمسي، لأن أداء الخلايا الشمسية يتأثر بكمية الإشعاع التي تصل إليها بعد عبور الغلاف الجوي.
عندما تكون أشعة الشمس عمودية على سطح الأرض، يمر الضوء بأقصر مسار ممكن داخل الغلاف الجوي، ويرمز لهذه الحالة بالمعيار AM1. أما في جميع الحالات الأخرى، فإن مسار الإشعاع الشمسي يصبح أطول داخل الغلاف الجوي، ويعتمد ذلك على ارتفاع الشمس.
ما هو معامل كتلة الهواء (Air Mass Coefficient)؟
يشير معامل كتلة الهواء (Air Mass Coefficient) إلى طول مسار الإشعاع الشمسي داخل الغلاف الجوي عندما تسقط أشعة الشمس بزاوية θz بالنسبة إلى العمودي على سطح الأرض.
ويمكن حساب معامل كتلة الهواء باستخدام المعادلة التالية:
حيث:
- L: طول المسار خلال الغلاف الجوي (Path Length Through Atmosphere).
- L₀: طول مسار السمت العمودي إلى سطح الأرض عند مستوى سطح البحر (Zenith Path Length Normal to Earth’s Surface at Sea Level).
- θz: زاوية السمت (Zenith Angle).
وتوضح هذه المعادلة أن معامل كتلة الهواء يزداد كلما زادت زاوية السمت، لأن ضوء الشمس يقطع مسافة أطول داخل الغلاف الجوي.
يوضح الشكل (13) تمثيل كتلة الهواء.
معايير كتلة الهواء في الطاقة الشمسية
تستخدم عدة معايير لكتلة الهواء، ويعبر كل معيار عن حالة مختلفة لمسار أشعة الشمس داخل الغلاف الجوي.
معيار AM0
يشير معيار AM0 إلى الطيف الشمسي خارج الغلاف الجوي، والذي يقترب من الجسم الأسود عند 5800 كلفن. ويعني هذا المعيار عدم وجود غلاف جوي.
ويستخدم هذا المعيار للخلايا الشمسية المخصصة لتطبيقات الطاقة الفضائية، مثل الخلايا المستخدمة في أقمار الاتصالات.
معيار AM1
يشير معيار AM1 إلى الطيف الشمسي بعد عبوره الغلاف الجوي حتى مستوى سطح البحر، عندما تكون الشمس فوق الموقع مباشرة.
في هذه الحالة تكون:
- θz = 0°
- cos θz = 1
ولذلك يرمز لهذه الحالة بالمعيار AM1.
ويستخدم هذا المعيار في المناطق الاستوائية والمدارية، لأنه يعطي تقديراً جيداً لأداء الخلايا الشمسية.
معيار AM1.5
يمثل معيار AM1.5 حالة تكون فيها سماكة الغلاف الجوي التي يمر خلالها ضوء الشمس أكبر بحوالي 1.5 مرة مقارنة بحالة AM1.
وفي هذه الحالة:
- θz = 48.2°
- AM = 1 / cos θz = 1.5
ولذلك يرمز لهذه الحالة بالمعيار AM1.5.
ويعد هذا المعيار الأكثر استخداماً في صناعة الطاقة الشمسية، حيث يعتمد عليه في جميع الاختبارات المعيارية الخاصة بتصنيف الخلايا الشمسية والوحدات الشمسية الأرضية.
من معيار AM2 إلى معيار AM3
يفيد هذا المدى في تقدير متوسط الأداء الكلي للخلايا الشمسية المثبتة في المناطق المرتفعة، مثل بعض المرتفعات الموجودة في شمال أوروبا. كما يستخدم لتقدير أداء الخلايا الشمسية خلال فصل الشتاء في المناطق المعتدلة.
فعلى سبيل المثال، يكون معامل كتلة الهواء أكبر من 2 خلال ساعات النهار في فصل الشتاء عند نطاقات مساوية أو أقل من 37 درجة.
ويحسب كما يلي:
معيار AM38
يشير معيار AM38 إلى كتلة هوائية في الاتجاه الأفقي (90°) عند مستوى سطح البحر.
ويوضح الشكل (13) أمثلة لمعيار كتلة الهواء، بينما يوضح الشكل (14) أمثلة لتمثيل كتلة الهواء.
إليكم وضع الشمس وقيم معامل كتلة الهواء وقت الظهيرة في أيام مختلفة بمدينة القاهرة في مصر
في حين يبين الشكل (16) وضع الشمس وقيم معامل كتلة الهواء وقت الظهيرة في أيام مختلفة بمدينة برلين في ألمانيا.
مقال ذو صلة: ما المقصود بالإشعاع الشمسي؟
خلاصة: كتلة الهواء في الطاقة الشمسية (Air Mass)
تعد كتلة الهواء (Air Mass) من المفاهيم الأساسية في مجال الطاقة الشمسية، لأنها توضح مقدار المسار الذي يقطعه ضوء الشمس داخل الغلاف الجوي قبل وصوله إلى سطح الأرض. ويؤثر هذا المسار بشكل مباشر على خصائص الطيف الشمسي وكمية الإشعاع التي تصل إلى الخلايا الشمسية.
يعتمد معامل كتلة الهواء على زاوية سقوط أشعة الشمس؛ فكلما كانت الشمس عمودية على سطح الأرض، كان المسار أقصر وكانت قيمة كتلة الهواء منخفضة، كما في معيار AM1. أما عندما تنخفض زاوية ارتفاع الشمس، فإن الأشعة تقطع مسافة أطول داخل الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى زيادة قيمة معامل كتلة الهواء.
وتستخدم معايير كتلة الهواء المختلفة مثل AM0 وAM1 وAM1.5 وAM2 وAM3 لتقييم أداء الخلايا والوحدات الشمسية في ظروف تشغيل متنوعة. ويعد معيار AM1.5 الأكثر استخدامًا في صناعة الطاقة الشمسية الأرضية، حيث تعتمد عليه الاختبارات القياسية لتصنيف وكفاءة الألواح الشمسية.
لذلك، يساعد فهم كتلة الهواء ومعاييرها على تحليل أداء الأنظمة الكهروضوئية واختيار الظروف المناسبة لاختبار ومقارنة الخلايا الشمسية بدقة.
الأسئلة الشائعة حول كتلة الهواء في الطاقة الشمسية
كتلة الهواء هي مقياس لطول المسار الذي يقطعه ضوء الشمس خلال الغلاف الجوي قبل وصوله إلى سطح الأرض. ويرمز لها بالاختصار AM، وتستخدم لتحديد تأثير الغلاف الجوي على الإشعاع الشمسي.
يشير معيار AM0 إلى الطيف الشمسي خارج الغلاف الجوي، ولذلك يستخدم في تطبيقات الطاقة الفضائية مثل الأقمار الصناعية.
أما معيار AM1 فيمثل حالة وصول أشعة الشمس إلى سطح الأرض عندما تكون الشمس عمودية مباشرة، ويستخدم لتقدير أداء الخلايا الشمسية في المناطق التي تكون فيها الشمس مرتفعة.
يستخدم معيار AM1.5 لأنه يمثل ظروفًا قريبة من الظروف الفعلية للأنظمة الشمسية الأرضية. لذلك تعتمد عليه الشركات والمختبرات في اختبار وتصنيف الخلايا والوحدات الشمسية.
تساعد معرفة كتلة الهواء على تقييم أداء الخلايا الشمسية في ظروف الإشعاع المختلفة، كما تستخدم في الاختبارات القياسية ومقارنة كفاءة الألواح الشمسية بين المواقع والظروف المناخية المختلفة.
المصدر: g2voptics، مراجع تعليمية
