شرح أجهزة استشعار الإشعاع الشمسي: أي نوع هو المناسب لمشروعك الشمسي؟

يمكن لمستشعر الإشعاع الشمسي المناسب أن يُحسّن أداء مشروعك الشمسي ويزيد من أرباحه. لديك خياران رئيسيان لقياس الإشعاع الشمسي: مقاييس الإشعاع الشمسي الحرارية ومستشعرات الإشعاع الشمسي الخلوية المرجعية. يُناسب كل خيار استخدامات مختلفة.

تقيس أجهزة قياس الإشعاع الشمسي الإشعاع الشمسي العالمي بوحدة واط/متر مربع (واط/متر مربع). وتعمل بكفاءة عالية مع أطوال موجية تتراوح بين حوالي ٢٨٥ و٣٠٠٠ نانومتر. تتوفر أجهزة استشعار الإشعاع الشمسي بأنواع متعددة، مع استجابات طيفية ومستويات دقة وأسعار مختلفة. تمنحك أجهزة قياس الإشعاع الشمسي الحرارية دقة عالية مع عدم اليقين في القياس حول ±2%لكنها تستغرق وقتًا أطول للاستجابة (حتى 30 ثانية) وتكلف أكثر من الخيارات القائمة على السيليكون. لذا، من الضروري معرفة هذه الاختلافات قبل شراء معدات القياس لنظام الطاقة الشمسية الخاص بك.

ماذا يقيس مقياس الإشعاع الشمسي ولماذا هو مهم؟

يقيس مستشعر البيرانومتر الإشعاع الشمسي العالمي، أي إجمالي كمية الطاقة الشمسية الساقطة على سطح مستوٍ من مجال رؤية نصف كروي (180 درجة). يلتقط المستشعر ضوء الشمس المباشر والإشعاع المنتشر عبر الطيف الشمسي، ويحوّل هذه الطاقة إلى إشارات كهربائية قابلة للقياس.

فهم الإشعاع الشمسي

يُمثل الإشعاع الشمسي الطاقة المُستقبَلة من الشمس لكل وحدة مساحة، مُقاسةً بالواط لكل متر مربع (واط/م²). ويغطي هذا القياس عنصرين أساسيين:

• الإشعاع المباشر - ضوء الشمس ينتقل مباشرة من الشمس إلى الأرض دون انقطاع

• الإشعاع المنتشر - ضوء الشمس المتناثر بواسطة السحب أو الجسيمات الجوية أو المنعكس من الأجسام المحيطة

تبدو صيغة الإشعاع العالمي (Eg↓) على النحو التالي: Eg↓ = E⋅cos(θ) + Ed

يمثل E ضوء الشمس المباشر بأقصى شدة، ويمثل θ الزاوية بين العمودي على السطح وموضع الشمس، ويمثل Ed ضوء الشمس المنتشر.

تتراوح قيم الإشعاع العالمي عادةً بين صفر و1400 واط/م²، مع أنها قد تتجاوز هذا النطاق عندما تعكس المباني أو الثلوج الضوء. وتُظهر الأيام الصافية عند الظهيرة الشمسية المحلية إشعاعًا إجماليًا يتراوح بين 700 و1300 واط/م²، ويختلف ذلك باختلاف خط العرض والارتفاع والفصل.

تُصدر الشمس 99.97% من إجمالي الطاقة على سطح الأرض. وتبلغ قيمة الإشعاع الشمسي حوالي 1,360.8 ± 0.5 واط/م² عند حافة غلافنا الجوي - وهي قيمة تُعرف بالثابت الشمسي.

لماذا يعد القياس الدقيق أمرًا حيويًا لمشاريع الطاقة الشمسية

تُعدّ بيانات الإشعاع الشمسي الدقيقة أساس نجاح مشاريع الطاقة الشمسية. ويستخدم المهندسون هذه القياسات لتحديد المواقع المثلى من خلال تقييم موارد الطاقة الشمسية المتاحة، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة النظام وإنتاج الطاقة.

تساعد مستشعرات مقياس الإشعاع الشمسي (Pyranometer) أيضًا في مراقبة الأداء التشغيلي. يمكن للمشغلين حساب نسبة أداء النظام بمقارنة ناتج الطاقة الفعلي مع الناتج المتوقع بناءً على قراءات مقياس الإشعاع الشمسي. تتراوح هذه النسبة عادةً بين 75% و85%. قد يشير الانخفاض المفاجئ إلى الحاجة إلى التنظيف أو الإصلاح أو فحص أعطال النظام.

تساعد بيانات الإشعاع الشمسي التاريخية على التنبؤ بعوائد الطاقة الكامنة وحجم أنظمة الطاقة الكهروضوئية بدقة خلال مرحلة التصميم. يشترط معيار اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC 61724-1:2017) أنواعًا وكميات محددة من مقاييس الإشعاع الشمسي بناءً على حجم المحطة وفئتها للمنشآت على نطاق المرافق.

يمكن لأخطاء القياس أن تؤثر بشكل كبير على النتائج المالية. تعتمد جدوى المشاريع وقرارات الاستثمار بشكل كبير على جودة بيانات الإشعاع الشمسي. يجب أن يقيس مقياس الإشعاع الشمسي الثانوي القياسي أو مقياس الطيف المسطح من الفئة أ المُعدّل جيدًا إجمالي الإشعاع الشمسي اليومي بدقة 2%، وهو المستوى الموصى به لمعظم تطبيقات الطاقة الشمسية.

أنواع أجهزة استشعار الإشعاع الشمسي موضحة

تتوفر مستشعرات البيرانومتر بنوعين رئيسيين. يعمل كل نوع بطريقة مختلفة ويؤثر على أدائه في التطبيقات بمختلف أحجامها. عليك فهم هذه الاختلافات لاختيار الجهاز المناسب لمشروعك الشمسي.

مقاييس الإشعاع الحراري

تستخدم مقاييس الإشعاع الشمسي الحرارية التأثير الكهروحراري لقياس الإشعاع الشمسي من خلال فروق درجات الحرارة. يوجد في قلبها كومة حرارية مزودة بمزدوجات حرارية متعددة، وتقع وصلاتها النشطة تحت طبقة سوداء تمتص الإشعاع الشمسي. هذه المستشعرات توليد حوالي 10 ميكروفولت لكل واط/م² وتنتج مخرجات تبلغ حوالي 10 مللي فولت عندما تشرق الشمس.

تتميز تصاميم الأعمدة الحرارية الحديثة بقبة زجاجية واحدة أو اثنتين. تخدم هذه القبب غرضين: تحديد الاستجابة الطيفية لنطاق 300-2800 نانومتر مع الحفاظ على مجال رؤية كامل بزاوية 180 درجة، وحماية المستشعر من الحمل الحراري. تستخدم الطرز المتطورة قبة ثانية تُقلل من انحرافات الأجهزة وتُحسّن التوازن الحراري.

مقاييس الإشعاع الشمسي الضوئي

تستخدم مقاييس الإشعاع الشمسي (Pyranometers) المصنوعة من خلايا السيليكون، كما تُسمى أيضًا، ثنائيات ضوئية شبه موصلة. تُنتج هذه الثنائيات الضوئية تيارًا كهربائيًا بناءً على الضوء المُستقبَل من خلال التأثير الكهروضوئي. تستجيب هذه الثنائيات الضوئية بشكل أسرع وتكلف أقل من إصدارات الثيرموبيل، ولكن لديها بعض القيود الرئيسية. يغطي نطاق كشفها جزءًا فقط من الطيف الشمسي - 360-1120 نانومتر لإصدارات خلايا السيليكون، أو 400-1100 نانومتر لإصدارات الثنائي الضوئي.

اختلافات الاستجابة الطيفية

تُمثل طريقة استجابة هذه التقنيات لأطوال موجية مختلفة فرقًا رئيسيًا بينها. تكتشف مستشعرات الثيرموبيل أطوالًا موجية تتراوح بين 300 و2800 نانومتر، وهو ما يُطابق الطيف الشمسي الكامل بدقة. بينما تكتشف مستشعرات الثنائيات الضوئية نطاقًا أصغر يتراوح بين 360 و1120 نانومتر. يؤدي هذا الاكتشاف الانتقائي إلى أخطاء في القياس عند تغير ظروف السماء. وتُظهر مقاييس الإشعاع الشمسي ذات الخلايا السيليكونية أخطاء أعلى (10-15%) في الطقس الغائم بسبب هذا القيد.

زمن الاستجابة وسلوك درجة الحرارة

تختلف أزمنة الاستجابة اختلافًا كبيرًا بين هذه المستشعرات. تستجيب مقاييس الإشعاع الشمسي المصنوعة من خلايا السيليكون في أقل من ميلي ثانية واحدة. تحتاج نماذج الثيرموبيل من 15 إلى 60 ثانية للوصول إلى 95% من قراءتها النهائية. هذه الاستجابة السريعة تُحسّن من قدرة مستشعرات الثنائيات الضوئية على تتبع التغيرات السريعة في الإشعاع.

تُظهر استجابة درجة الحرارة كيفية تغير الحساسية مع درجة الحرارة المحيطة. تُعرّفها ISO 9060 بأنها انحراف الحساسية على مدى فترة 50 كلفن، ويُعرض كنسبة مئوية من حساسية المعايرة. يجب أن تحافظ مقاييس الإشعاع الشمسي من الفئة A على استجابة درجة الحرارة ضمن 2%، بينما يمكن لأجهزة الفئة C أن تنحرف حتى 8%. عادةً ما تتبع استجابة درجة الحرارة لمقاييس الإشعاع الشمسي ذات المصفوفة الحرارية دالة حدودية من الدرجة الثالثة.

مقارنة أداء مستشعر مقياس الإشعاع الشمسي

تعتمد موثوقية القياسات واقتصاد المشروع على أداء أنواع مختلفة من أجهزة قياس الإشعاع الشمسي. هناك عدة عوامل مهمة يجب مراعاتها عند اختيار أجهزة مراقبة الطاقة الشمسية.

مستويات الدقة وعدم اليقين

تختلف درجة عدم اليقين في القياس بين فئات أجهزة قياس الإشعاع الشمسي. تُظهر الأبحاث أن أجهزة قياس الإشعاع الشمسي عالية الجودة ذات الأعمدة الحرارية تصل إلى درجة عدم يقين تبلغ حوالي ±2.4%. تُظهر الأجهزة المرجعية القائمة على الثنائيات الضوئية درجة عدم يقين أعلى تبلغ حوالي ±5.0%. يمكن لجهاز قياس الإشعاع الشمسي من الفئة A قياس إجمالي الإشعاع اليومي في حدود ±2% مع معايرة وصيانة جيدتين.

تستخدم حسابات عدم اليقين مستوى ثقة 95%. هذا يعني أن احتمالية وقوع القيمة الحقيقية خارج النطاق المذكور هي 5% فقط. يلعب رقم عدم اليقين دورًا حاسمًا في تقييمات قابلية التمويل، ويؤثر على عوائد الاستثمار المحسوبة.

عوامل التكلفة والصيانة

تختلف أسعار أجهزة قياس الإشعاع الشمسي (Peranometers) باختلاف النوع. أجهزة قياس الإشعاع الشمسي من الفئة (أ) أغلى من طرازات الفئة (ب) أو (ج).

تعتمد التكلفة الإجمالية للملكية على:

• متطلبات المعايرة (كل سنتين للامتثال لمعايير IEC)

• تردد التنظيف (أسبوعيًا لأنظمة الفئة أ)

• أنظمة التهوية والتدفئة

تتطلب مراقبة الفئة أ تنظيفًا أسبوعيًا وإعادة معايرة سنوية للحفاظ على دقة عالية. وتواجه مشاريع الطاقة الشمسية الكبيرة تكاليف تشغيلية باهظة بسبب جدول الصيانة هذا.

المعايير والشهادات (ISO 9060، IEC 61724-1)

تصنف ISO 9060:2018 أجهزة قياس الإشعاع الشمسي إلى ثلاث فئات من الدقة: الفئة أ، والفئة ب، والفئة ج. ولكل فئة أقصى درجات عدم اليقين في المعايرة: ±1.2% للفئة أ، و±1.5% للفئة ب، و±2.4% للفئة ج.

يُعرّف المعيار IEC 61724-1 أيضًا فئات أنظمة المراقبة (أ، ب، ج) بمتطلبات محددة لأجهزة قياس الإشعاع الشمسي. تتطلب أنظمة المراقبة من الفئة أ أجهزة قياس إشعاع شمسي مُدفأة وجيدة التهوية تُنظف أسبوعيًا.

التكامل مع مسجلات البيانات والأنظمة

تعمل مراقبة الطاقة الشمسية بشكل أفضل مع أنظمة جمع البيانات المتوافقة. يجب أن توفر مسجلات البيانات الجيدة دقة تعادل 1 واط/م² (10 ميكروفولت). هذا يمنع انخفاض جودة القياس.

غالبًا ما تستخدم أنظمة قياس الإشعاع الشمسي الحديثة مخرجات رقمية مع بروتوكول Modbus RTU عبر RS-485. هذا يُسهّل التكامل. تقترح معايير IEC تسجيل البيانات كل 3 ثوانٍ على الأقل، وتخزين متوسطات دقيقة واحدة للحصول على أفضل جمع للبيانات.

اختيار مقياس الإشعاع الشمسي المناسب لمشروعك الشمسي

ستحدد متطلبات مشروعك وقيوده جهاز قياس الإشعاع الشمسي الذي يجب عليك اختياره. إليك ما يجب أن تعرفه عن أجهزة الاستشعار الأنسب لتطبيقات الطاقة الشمسية المختلفة.

أنظمة سكنية صغيرة الحجم أو مراقبة زراعية وبيئية

يهتم أصحاب المنازل الذين يركّبون أنظمة الطاقة الشمسية بالتكلفة المعقولة أكثر من الدقة المتناهية. تُقدّم أجهزة قياس الإشعاع الشمسي (Pyranometers) المصنوعة من خلايا السيليكون أداءً جيدًا يُلبّي احتياجات معظم أصحاب المنازل مع الحفاظ على الكفاءة الاقتصادية. تُساعد هذه المستشعرات على تتبّع أداء النظام البسيط ورصد المشاكل الرئيسية، مثل تلف الألواح أو الاتساخ المفرط. ES-S228A تُعدّ هذه النماذج مثالية للتركيبات على الأسطح. يكفي وجود مستشعر واحد في مكان مناسب، لأن الأنظمة السكنية عادةً ما تغطي مساحات صغيرة بظروف موحدة.

محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية على نطاق المرافق

تحتاج مزارع الطاقة الشمسية إلى حلول مراقبة دقيقة. تشترط معايير الصناعة استخدام مقاييس الإشعاع الشمسي من الفئة أ، والتي تتوافق مع مواصفات IEC 61724-1، للتركيبات على نطاق المرافق. ES-S228T أصبح الخيار القياسي للمنشآت الكبيرة مع أكثر من 65000 وحدة منتشرة في جميع أنحاء العالم.

الموازنة بين الميزانية والدقة

كل فئة أعلى من أجهزة قياس الإشعاع الشمسي تُضاعف دقة القياس، من C إلى B إلى A. ومع ذلك، فإن هذه الدقة أعلى تكلفةً من حيث التكلفة والصيانة. تحتاج أجهزة الفئة A إلى تنظيف أسبوعي وإعادة معايرة دورية. قد تُعطي عدة أجهزة من الفئة B أو C نتائج أفضل من جهاز واحد من الفئة A لا يُصان جيدًا في الأماكن التي يصعب فيها الصيانة. يجب أن يُوازن اختيارك بين التكاليف الأولية والنفقات طويلة الأجل بناءً على احتياجاتك من الدقة وموارد الصيانة المتاحة.

خاتمة

اختيار الأداة المناسبة لنجاح الطاقة الشمسية

ستُرشدك متطلبات مشروعك المحددة، وحدود ميزانيتك، وأهداف الأداء في اختيار جهاز قياس الإشعاع الشمسي. يستكشف هذا المقال كيفية قياس هذه المستشعرات الحيوية للإشعاع الشمسي العالمي. تُشكل هذه القياسات أساس نجاح تركيبات الطاقة الشمسية.

تُحدث التكنولوجيا فرقًا كبيرًا في جودة القياس. تُوفر مستشعرات الثيرموبيل استجابة طيفية أفضل (300-2800 نانومتر) ودقة (±2%). تستغرق وقتًا أطول للاستجابة وتكلف أكثر. أما خيارات الثنائيات الضوئية فتستجيب بشكل أسرع وأرخص، لكنها تفقد دقتها، خاصةً في ظل تقلبات الطقس.

يتجاوز القرار المواصفات الفنية. عليك موازنة تكاليفك الأولية مع نفقات التشغيل المستقبلية. يشمل ذلك عدد مرات حاجتك للمعايرة والصيانة المطلوبة. تساعدك معايير مثل ISO 9060:2018 وIEC 61724-1 على مطابقة قدرات المستشعر مع احتياجات مشروعك.

حجم مشروعك هو ما يحدد المستشعر الأنسب. تعمل التركيبات المنزلية الصغيرة بكفاءة مع أجهزة قياس الإشعاع الشمسي (Peranometers) المصنوعة من خلايا السيليكون بأسعار معقولة. تحتاج محطات الطاقة الكبيرة إلى أجهزة استشعار حرارية من الفئة أ مزودة بأنظمة مراقبة كاملة. غالبًا ما تتطلب المزارع تغطية خاصة للأطوال الموجية تتناسب مع احتياجات النباتات لعملية التمثيل الضوئي.

لا يعمل مقياس الإشعاع الشمسي (Pyranometer) بكفاءة إلا عند صيانته بشكل صحيح وتوصيله بأنظمة البيانات الصحيحة. نظّفه بانتظام، وعايره في مواعيده، وسجل البيانات بدقة. تضمن هذه الخطوات قراءات دقيقة طوال عمر مشروعك الشمسي.

ستساعدك هذه المعلومات على اختيار جهاز القياس المناسب لتركيبات الطاقة الشمسية لديك. يتيح لك جهاز قياس الإشعاع الشمسي المناسب تقييم موارد الطاقة الشمسية، والتحقق من أداء النظام، وتحقيق نجاح باهر.

اتصل بنا وناقش الاختيار معنا.

الأسئلة الشائعة

س1. ما هي الأنواع الرئيسية لمستشعرات الإشعاع الشمسي؟ هناك نوعان رئيسيان من مستشعرات الإشعاع الشمسي: مقاييس الإشعاع الشمسي الحرارية (الثيرموبيل) ومقاييس الإشعاع الشمسي الضوئية (الخلية السيليكونية). توفر مستشعرات الإشعاع الشمسي الحرارية دقة أعلى واستجابة طيفية أوسع، بينما تتميز مستشعرات الإشعاع الشمسي الضوئي بسرعة أكبر وفعالية من حيث التكلفة.

س2. ما مدى دقة قياسات مقياس الإشعاع الشمسي؟ تختلف الدقة باختلاف نوع المستشعر وفئته. عادةً ما تحقق مقاييس الإشعاع الشمسي عالية الجودة شكوكًا تبلغ حوالي ±2.4%، بينما تُظهر الأجهزة القائمة على الثنائيات الضوئية شكوكًا أعلى تبلغ حوالي ±5.0%. تستطيع مقاييس الإشعاع الشمسي من الفئة A قياس إجمالي الإشعاع اليومي في حدود ±2% مع المعايرة والصيانة المناسبتين.

س3. ما هي العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار مقياس الإشعاع الشمسي لمشروع الطاقة الشمسية الخاص بي؟ ضع في اعتبارك حجم مشروعك، وميزانيته، والدقة المطلوبة، وقدرات الصيانة، واحتياجات التطبيق المحددة. كذلك، ضع في اعتبارك الاستجابة الطيفية للمستشعر، وزمن الاستجابة، وسلوك درجة الحرارة، وتوافقه مع نظام جمع البيانات.

س4. ما هي المدة التي يجب فيها معايرة وصيانة أجهزة قياس الإشعاع الشمسي؟ للامتثال لمعايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC)، تتطلب أجهزة قياس الإشعاع الشمسي عادةً معايرة كل عامين. أما أنظمة المراقبة من الفئة أ، فتحتاج إلى تنظيف أسبوعي وإعادة معايرة سنوية. الصيانة الدورية ضرورية لضمان دقة القياسات، خاصةً للأجهزة عالية الدقة.

س5. هل أجهزة قياس الإشعاع الشمسي باهظة الثمن هي الأفضل دائمًا لمشاريع الطاقة الشمسية؟ ليس بالضرورة. فبينما توفر أجهزة قياس الإشعاع الشمسي عالية الجودة دقةً أكبر، إلا أنها تتطلب أيضًا صيانةً أكبر. في بعض الحالات، قد توفر عدة أجهزة استشعار منخفضة الجودة أداءً عامًا أفضل من جهاز واحد مهمل عالي الجودة، خاصةً في المشاريع الكبيرة أو السيناريوهات منخفضة الصيانة.