دورة الطاقة في الطبيعة
كما أن استهلاك الأفراد والمجتمعات للطاقة يتباين حسب مدى تحضر هذه المجتمعات، نجد أن الطاقة التي يستهلكها الفرد المتمدن كبيرة جداً بمقارنتها بالطاقة التي يستهلكها الإنسان البدائي – أما الإنسان الزراعي فتتركز استخداماته للطاقة معتمدا على الأدوات والحيوانات في أداء العمليات الزراعية وهي تعتبر أول خطوة لتصنيع الطاقة – أما الإنسان الصناعي والمتمدن فانه يستخدم الطاقة بكل أنواعها.
طرق انتقال الحرارة (الطاقة الحرارية)
- التوصيل : وفيه يتم انتقال الطاقة الحرارية بين الأجسام المتلاصقة .
- الإشعاع : وهو انتقال الطاقة الحرارية عن طريق موجات كهرومغناطيسية وهي الوسيلة التي تصل لنا بها أشعة الشمس .
- الحمل : وهي خاصية انتقال الحرارة في السوائل والغازات حيث يتم رفع درجة حرارة الحيز المحيط بمصدر الطاقة ثم يندفع في أي حيزعن طريق تيارات الحمل .
الشمس
هي أحد الأجرام السماوية ذو مصدر اشعاعي كبير تتحرك أشعتها بسرعة 300 ألف كيلومتر/ثانية وتستغرق حوالي 8.3 دقيقة لتصل لسطح الأرض، ويبلغ قطرها = 1.39 مليون كيلومتر, ومتوسط بعدها عن الأرض 150 ميلون كيلومتر، ودرجة حرارة سطحها 5760 ْم .
حسابات الطاقة الشمسية :
أشعة الشمس التي تصل إلينا من خلال طبقات الجو عمودياً على وحدة المساحة بكثافة 1.4كيلووات/مترمربع ويسمى الثابت الشمسى وقد يختلف بنسبة 3.5% بسبب دوران الأرض حول الشمس حيث أن الأرض بيضاوية قليلاً. وأشعة الشمس الساقطة تنقسم إلى أشعة مباشرة وغير مباشرة وأشعة منعكسة وإشعاعات الشمس تحتوى على موجات مختلفة من الإشعاعات تتراوح أطوال موجاتها 10 -10 إلى 1000م وفي الطبقات العليا من الهواء(20-50 كم) يمتص غاز الأوزون أغلب الموجات القصيرة وكذلك بخار الماء يمتص الموجات الطويلة ويصل إلى الأرض الموجات المتوسطة التي تقع بين0.2ـ 3.0 ميكرون. وعلى ذلك فانه من كل 100 وحدة من أشعة الشمس ينعكس إلى أعلى مرة أخرى 25 وحدة بسبب السحب، ويمتص حوالى 16 وحدة في الجو ويتشتت حوالى 7 وحدات ويمتص بخار الماء وحدة واحدة ولا يصل إلى سطح الأرض الا 51 وحدة فقط.
الثابت الشمسي : (Gsc)
هو الطاقة المشعة من الشمس في وحدة الزمن الساقطة علي وحدة مساحة متعامدة لاتجاه الإشعاع الشمسي وتبعد مسافة مساوية لمتوسط بعد الأرض عن الشمس وتبلغ قيمته حوالي 1.4 كيلوات / م2 ويختلف بنسبة 3.5 % ( قيمة الثابت GSC = 1.4 + 3.5 kW/m2 ) .
زاوية ميل الشمس (d )
هي الزاوية التي تقع بين الخط الواصل بين الشمس والأرض والمستوي المار بخط الإستواء , وتتغير هذه الزاوية بتغير التاريخ حيث تتراوح قيمتها ما بين الصفر° , + 23.5° . ويمكن حسابها من المعادلة التالية : d = 23.45 Sin ( 300* 284 + n) 365 حيث أن :
n = اليوم من السنة الذي يتم عنده حساب زاوية ميل الشمس وتتراوح قيمتها ما بين 1 إلى 365 يوم لذلك فهناك جداول فيها قيمة (d ) خلال السنة حيث العامل المتغير الوحيد في المعادلة هو n ) ) ومعلوم حدود تغيره . طول النهار :
يزداد طول النهار من ديسمبر حتى يونيو ويقل من يونيو إلى ديسمبر وذلك في الجزء الشمالي من الأرض ويعكس ذلك في الجزء الجنوبي من الأرض .
التوقيت الشمسي
يعرف التوقيت الشمسي المتوسط (Lst) بأنه الوقت المحلي لو كانت الأرض تدور حول الشمس بسرعة ثابته [ وحيث ان مدار الأرض حول الشمس بيضاوي فهذا يعني أن سرعة الدوران غير ثابتة وبالتالي فأن الشمس تظهر متقدمة أو متأخرة عن الوقت المتوسط حسب اليوم من السنة وهذا الذي يسبب فروق التوقيت يوم عن يوم]. ويتم حساب التوقيت الحقيقي من خلال معادلة الزمن التالية : Solar Time = Standard Time + 4 ( Lst – L Loc ) + E حيث أن :
Solar Time = التوقيت الشمسي لمنطقة ما . Standard Time = الوقت المحلي القياسي للمنطقة . 4 = ثابت بمعدل تغير الوقت الشمسي 4 دقيقة لكل درجة من دوران الأرض .
و حيث أن الأرض تدور 360º في اللفة حول نفسها بما يقابل يوم كامل .
قيمة الثابت = ( 24 × 60 ) ÷ 360 = 4 دقيقة / درجة من دوران الأرض. Lst = عبارة عن خط وهمي يمر بالمركز التقريبي لكل نطاق زمني وذلك لكل 15 ْ من دوران الأرض . قيمته تكون صفرº أو 15 ºأومضاعفات 15º إلى 360º. L Loc = خط طول المنطقة .
E = معامل تصحيح الوقت وهو مرتبط باليوم من السنة وهو موجود في
المجمعات الشمسية
هي مبادلات حرارية تستخدم أشعة الشمس في تسخين مادة ناقلة غالباً ما تكون الماء أو الهواء – وتصنع المجمعات الشمسية من الزجاج أو البلاستيك الذي يسمح بنفاذ الأشعة تحت الحمراء ( الأكثر أهمية ) ويجب ان يكون سطح المجمع مستوي حتى لا يشتت الأشعة الساقطة علي المجمع .
تنقسم المجمعات الشمسية حسب وسط التسخين إلى:
المجمعات الشمسية التي تستخدم الهواء كوسط انتقال، وتلك التي تستخدم الماء كوسط انتقال
أولا : المجمعات الشمسية الهوائية وتتميز بما يلى :