تضمن البحث دراسة عملية لتأثير الطيف الشمسي على بعض الخواص البصرية مثل (لانعكاسية ، الامتصاصية ، النفوذية ) لأنواع من الطلاء الصناعي ،كما تم حساب مقدار شدة التدفق الشمسي ضمن منطقة أجراء البحث .
Abstract
[ltr] The study amid to determine the effect of the sun light spectroscopy on same optical properties such as ( Reflection, Absorption and Transmition ) for different kinds of artificial paints and to calculate the light intensity in the area included in the research region .[/ltr]
1- المقدمة
يعتمد توزيع الطاقة الشمسية على الطول ألموجي في الطيف الشمسي ويؤثر ذلك على كفاءة المجمعات الشمسية مثلا ويكون توزيع الطيف الشمسي كما ياتي (Hamer,1977).
-aالأشعة تحت الحمراء ويبلغ طولها ألموجي 1mm-0.75 µm
b - الضوء المرئي ويبلغ طولها ألموجي 0.75µm – 0.4 µm
c -الأشعة فوق البنفسجية ويبلغ طولها ألموجي 0.4 µm – 0.1 µm
- dالأشعة السينية ويبلغ طولها ألموجي m -11- 10- 9 ) 10)
-eأشعة كاما ويبلغ طولها ألموجي في حدود 10- 12 m
-fالأشعة الكونية ويبلغ الطول ألموجي لها في حدود ( 10 -13 – 10 15) m
ويؤثر الغلاف الجوي على قياس توزيع الطاقة في الطيف الشمسي حيث يقوم الغلاف الجوي بامتصاص جزء من الطاقة لوجود طبقة الأوزون (O3) وبخار الماء وغاز ثاني اوكسيد الكربون حيث يتم امتصاص جزء كبير من الطاقة عن الترددات المقابلة للرنين وهي ذات طول موجي يتناسب مع قطر ألجزيء لهذه المواد ولقد لوحظ أن غاز الأوزون يؤثر في حيز الطول ألموجي (0.3 µm ) أي في حيز الأشعة فوق البنفسجية أما بخار الماء فيؤثر في الطول ألموجي ( 20 µm ) أي في حيز الأشعة تحت الحمراء ويشكل تأثير الأوزون وبخار الماء الحدود العليا والدنيا للطيف الشمسي تقريبا الذي يتأثر بالغلاف الجوي . لقد وجد أن ( 90% ) من إجمالي الطاقة في الطيف الشمسي تنحصر في الطول ألموجي (0.3-1.5µm) حيث أن أجمالي الطاقة الموجودة في حيز طيف الأشعة فوق البنفسجية (0.3 – 0.4µm ) اقل قليلا من (2.5%) من إجمالي الطاقة في الطيف الشمسي. أما حيز الضوء المرئي (0.4 -0.75 µm) فيحتوي على ما يقارب (43%) من إجمالي الطاقة في الطيف الشمسي أما الأشعة تحت الحمراء فأنها تشمل مايزيد قليلا عن (54%) من إجمالي الطاقة ألشمسيه وتمثل الأشعة تحت الحمراء التأثير الحراري للطاقة الشمسية في حين يمثل الضوء المرئي التأثير الضوئي في أشعة الشمس1970;Bueche , (1998)] [Cadle, et.al
تمكن السير ويليام بيركن (1838 – 1907) من تصنيع أول طلاء صناعي (مادفاين) عام 1856 وأستأنف ألالماني هوفمان العمل على الاصباغ وتوسيع تشكيلتها [ كفافي ، (1997) ] تستخدم الدهانات في عملية الطلاء الذي اصبح من المواد المهمة في عصرنا الحاضر فكل المنازل بما فيها من أثاث وجدران وأبواب تتزين بهذا الطلاء وأيضا الاجهزة والسيارات والطائرات والمعدات كل ذلك لايكاد يخلو من الطلاء بالدهانات الصناعية ، فالطلاء عبارة عن مادة رقيقة تغطي الاسطح لتجميل المظهر الخارجي لها و لا يقتصر على هذا فحسب ربما تحتوي على مواد أضافية اخرى مثل مانعات حريق وبعض الاحيان تحتوي على مواد تضفي ملمسا ناعما ، أن المكونات الرئيسية للدهانات الصناعية هي] [Mark,et. al 1963):
جدول رقم (1)
المادة الكيميائية | الرمز الكيميائي | |
1 2 3 45 6 7 8 | كربونات الكالسيوم أكسيد الحديد أكسيد السيلكا كربونات المغنيسيوم أكسيد ألألمنيوم المنغنيز فلوريدالكاليسيوم فلوريد المغنيسيوم | CaCo3 Fe2O3 SiO3 MgCo3 Al2O3 Mn CaF2 MgF2 |
- الدهانات ذات أساس مائي
- الدهانات ذات أساس زيتي
- دهانات أيروسول (بخاخ)
- دهانات أخشاب
تتكون الدهانات الصناعية عند تصنيعها من المكونات الرئيسية الاتية :
أولا : المواد الرابطة – وهي عبارة عن راتنجات
ثانيا :المواد الملونة
ثالثا :مواد أضافية لتحسين الخواص الفيزيائية والكيميائية
رابعا : المذيبات لتخفيف الدهانات
استخدام الدهانات الصناعية في المجمعات الشمسية :
تعكس كل المواد الشفافة جزء من الأشعة الساقطة عليها ويمثل الجزء المنعكس بعض الفقد أذا كان المطلوب هو عدم انعكاس الأشعة وان اتجاه الاستفادة من الأشعة هو في اتجاه السقوط ويعتبر تقليل الانعكاسية بمثابة عامل تكبير لنظام المجمعات الشمسية .وتعتمد كمية الطاقة المنعكسة على عامل الانكسار (n) على المادة المصنوع منها النافذة وكذلك على زاوية سقوط الأشعة [Cadle, et.al(1970)]
نظرا لاعتماد كمية الطاقة المنعكسة على معامل الانعكاس لذا يمكن تقليل معامل الانعكاس وأبسط طريقة تتمثل في إضافة طبقة من الدهان سمكها ((1/4 طول موجي للضوء بحيث يكون معامل انكسارها مساويا إلى الجذر ألتربيعي لمعامل انكسار المادة التي تغطيها فيؤدي ذلك إلى تلاشي الجزء المنعكس أو يكون معامل الانعكاس صغيرا جدا(1977)] [Hamer .وفي بعض أنواع الزجاج يمكن الحصول على معامل انعكاس له قيمة صغيرة جدا بمعالجة سطح الزجاج باستخدام حامض فلوريد الهيدروجين ويمكن تنفيذ ذلك بدلك الزجاج بالحامض المشبع بأيونات السليكا ويمكن التحكم في الطبقة التي تكون على سطح الزجاج ويعيب هذه الطريقة تجمع التراب والأوساخ على الزجاج ويصعب تنظيفه علاوة على تكون بصمات الأصابع عليه بمجرد لمسه مما يسبب بتلفه ويمكن استخدام طرقا معقدة للحصول على زجاج غير عاكس على الإطلاق يصل معامل الانعكاس له (0.3%) وذلك في حيز الطيف المرئي حيث يمكن استخدام أكثر من طبقة من الدهان وقد تصل هذه الطبقات إلى ثلاثة طبقات ونتيجة للدهان فأن محصلة معامل الانعكاس تقترب من الصفر تقريبا الأمر الذي يجعل معامل الانعكاس يساوي صفر عند طول موجي حوالي (45µm) ويقلل معامل الانعكاس في حيز الأشعة تحت الحمراء ليكون أقل بشكل ملحوظ مما كان عليه قبل الدهان [Hamer(1977),Cadle, et.al(1970)]
يكون للدهان فعالية واضحة في حال استخدام المجمعات الشمسية المسطحة في حيز الطول ألموجي (3-1µm) ومن الواضح أن الدهانات تحسن كفاءة الأداء ولكنها تزيد من التكاليف الإجمالية وحتى الدهان بطبقة واحدة يكون غالبا حيث يتم في شروط تفريغ خاصة .تعتبر الدهانات التي تعكس الأشعة تحت الحمراء والمستخدمة في العواكس الخاصة بالمجمع الشمسي مثلا من العوامل التي تزيد من كفاءة المجمع ويمكن استخدام بعض المواد ذات خاصية الانعكاس الذاتي للأشعة تحت الحمراء مثل أكسيد القصدير (SnO) وأكسيد الانديوم (In2O3) ويمكن الحصول على الانعكاس باستخدام طبقات متعددة من الدهانات حيث يتم إضافة متجهات معامل الانعكاس لزيادة معامل الانعكاس النهائي ولكن هذه المواد تكون غالية الثمن لان المطلوب في هذه الحالة توفير) (50-100 طبقة من الدهانات وقد يصل عدد الطبقات إلى عدة مئات.ويمكن الاستفادة من استخدام طبقة واحدة من فلوريد المغنيسيوم فوق أكسيد القصدير أو أكسيد الانديوم كما تستخدم الدهانات في تحسين الانتقائية في المجمعات الشمسية فمثلا تعتبر مادة سادس بوريد اللانثاليوم (LaB6) مادة ذاتية الانتقائية ذات انعكاسية عالية للأشعة تحت الحمراء بمعامل انعكاسية يقترب من (92%) إما في حيز الضوء المرئي فان معامل النفاذية حوالي (85%) ويمكن زيادة معامل النفاذية في حيز الضوء المرئي باستخدام طبقة من الدهان سمكها ربع طول موجي ويختار الطول ألموجي في منتصف حيز الضوء المرئي (0.6µm) أي أن سمك الدهان يبلغ حوالي (0.12-0.15µm) ويمتاز سادس بوريد الانثاليوم بان ميل منحني الانعكاسية له يكون حادا وذلك يعني أن الانتقال من مادة شفافة إلى مادة عاكسة يحدث في حيز ضيق جدا من الطول ألموجي [ألهاشمي ، (1999) ] إن إضافة طبقة من دهان فلوريد الكالسيوم (CaF2) تعمل على تحسين النفاذية في حيز الضوء المرئي حيث أدت العملية إلى أن الانعكاس ينعدم تقريبا في هذا الحيز من الضوء وأول من استخدم ذلك هو العالم كوير (Kauer) عام( 1966 ) [Hamer(1977)],كما يمكن استخدام بعض المحاليل لتلوين طبقة الطلاء للمعادن باللون الاصفر وتدريجاته البرتقالي وتدريجاته الاخضر الى الاسود .وتتم هذه العملية في محاليل الداى كرومات التي تحتوي على أيودات بروميد قلوية ، نيوسيانات،نيوسلفات ،حامض سلفوتيك،حامض الكروميك،كرومات ،أو محلول داى كرومات يحتوي على كلوريد الزنك ،وهو يعطي اللون الازرق والاحمر من محاليل حامض الكروميك الذي يحتوي على حامض فورميك ، كما ينتج اللون ألبني في محلول يحتوي على (8gram/litres) من مادة داى كرومات البوتاسيوم مع ( 4gram/litres) من حامض نيتريك [Aumer,M.A,(2005)] ، كذلك يمكن طلاء المعادن بنوع من السبائك مثل سبيكة رصاص – قصدير المستخدم في مساند الارتكاز والدوائر المطبوعة والقطع المعرضة للزيوت واستخدامات عسكرية وصناعية كثيرة [Aumer, (2002)] .
الامتصاصية : يمكن تعريف امتصاصية أي سطح بأنه النسبة بين الطاقة الضوئية الممتصة الى الطاقة الساقطة على السطح ويرمز إلى معامل الامتصاص بالرمز (α) .
وتقترب قيمة المعامل (α) من الواحد الصحيح للأجسام السوداء أما الأجسام الرمادية فان معامل الامتصاصية لها يكون في حدود (0.9-0.98) [Raymond, et.al(1987)]
الانعكاسية :
تعرف الانعكاسية للسطح بأنها النسبة بين الطاقة المنعكسة إلى أجمالي الطاقة الضوئية الساقطة على السطح ويرمز لها بالرمز (σ) .
النفاذية :
ويمكن تعريفها بأنها النسبة بين الطاقة الضوئية التي تنفذ من السطح إلى الطاقة الساقطة على السطح وتساوي قيمتها صفرا في حالة الأجسام المعتمة ويرمز لها بالرمز(ε(.
أن مجموع ( معامل الامتصاص + معامل الانعكاسية + معامل النفاذية ) يساوي الواحد الصحيح أي أن أقصى قيمة لأي معامل منهم هو الواحد الصحيح [Cadle,R.D.et.al(1987)]
2 – الجزء العملي :
نعمل على طلاء ألواح الزجاج الشفاف فكل لوح يطلى بأحد الالوان الاتية :
- اللون الأحمر وهو من نوع طلاء أيروسول (بخاخ)
- اللون الأخضر ألدهني
- اللون الأسود ألدهني
- اللون الأبيض ألدهني
بعد أكمال عملية الطلاء تترك الألواح فترة من الزمن من اجل أن تجف ثم بعد ذلك نبداء باستخدامها ، لقد أجريت تجارب البحث في شهر ( أيار 2009) وعند مستوى سطح البحر وفي موقع أسفل خط عرض(42°)وأستعمل جهاز أللوكس ميتر لقياس شدة التدفق الشمسي لخمس مرات خلال فترة النهار .
تمت دراسة تأثير الطيف الشمسي على الخصائص البصرية لبعض أنواع الطلاء ومن هذه الخصائص هي (النفوذية ، الانعكاسية ، معامل الامتصاص )وكما يأتي :
أولا :تم أخذ قيم التدفق الشمسي خلال فترة النهار ابتداء من الساعة العاشرة حتى الساعة الخامسة عصرا وكما موضح في الجدول أدناه :
جدول رقم (2) يبين مقدار التدفق الشمسي
مقدار شدة التدفق Lux | الساعة |
77000 | 10 صباحا |
78000 | 12 صباحا |
66000 | 2 مساء |
54000 | 4 مساء |
48000 | 5 مساء |
m-1 α
ثالثا : قمنا بحساب مقدار شدة الأشعة النافذة خلال أنواع الطلاء وتثبيتها كما في الجدول (4) :
رابعا : قمنا بحساب مقدار شدة الأشعة المنعكسة على كل نوع من الطلاء في كل حالة من أوقات الزمن المقاس به في الحالات السابقة ثم توضع القراءات ضمن الجدول (5):
خامسا : لحساب معامل النفوذية للطلاء الصناعي نطبق العلاقة التالية :
شدة الأشعة النافذة
النفاذية = ---------------------- ...................................(1)
شدة الأشعة الساقطة
بعد استخراج القراءات لكل حالة تم وضعها كما في الجدول رقم (6) :
جدول رقم (6 ) يبين معاملات النفوذية لبعض أنواع الطلاء الصناعي
سادسا : يتم حساب معامل الانعكاس لأنواع من الطلاء الصناعي وذلك بتطبيق العلاقة الرياضية الاتية :
شدة الأشعة المنعكسة عن الطلاء
معامل الانعكاسية = ------------------------ .............(2)
شدة الأشعة الساقطة على الطلاء
كما في الجدول رقم (7) :
3- النتائج والمناقشة :
أولا :مقدار التدفق الشمسي :
التدفق هو وسيلة لقياس القدرة خلال نظام معين ففي النظام الشمسي يسمى بالتدفق الشمسي والوحدات المستخدمة هي وحدات (طاقة\وحدة الزمن ) وهذه الوحدة تعادل وحدة اللوكس (Lux) . لقد أخذت القراءات للتدفق الشمسي خلال فترة النهار وكانت النتائج التي يوضحها الشكل أللوغاريتمي المبين أدناه :
شكل رقم (1) يبين مقدار التدفق الشمسي الذي يصل الى سطح الارض
لقد أخذت القراءات ابتداء من الساعة العاشرة صباحا حتى الساعة الخامسة مساء نجد من الشكل (1) أن أقصى قيمة يصل فيها التدفق إلى سطح الأرض عند منتصف النهار أي عند الساعة (12 صباحا ) بسبب قصر مسار الأشعة الضوئية بينما نلاحظ عند زيادة المسار الأشعة عند ألأوقات الأخرى يقل مقدار شدة التدفق الشمسي .
ثانيا : مقدار شدة الأشعة النافذة خلال الزجاج الشفاف.
للإغراض العملية الدقيقة قمنا بحساب مقدار شدة الأشعة النافذة خلال الزجاج الشفاف قبل أن يطلى بأنواع الطلاء الصناعي وذلك لغرض الحصول على القيمة الفعلية لمقدار شدة الأشعة النافذة خلال الطلاء الصناعي ثم تم طرح قيمة شدة الأشعة النافذة عند اخذ القياسات للمقدار الأخير .
وجد أن الأشعة النافذة تزداد عند منتصف النهار والسبب هو زيادة التدفق الشمسي عند هذا الوقت من النهار بينما نجد أن القيم تأخذ بالتناقص تدريجيا كما مبين ذلك في الشكل (2) :
ثالثا : معامل الامتصاص للزجاج الشفاف .
عند دراستنا للخواص البصرية للطلاء تم دراسة معامل الامتصاص للزجاج الشفاف
فوجد أن معامل الامتصاص يأخذ اقل قيمة عند منصف النهار أي عند الساعة (12 صباحا) وذلك لان أشعة الشمس تسقط عموديا على لوح الزجاج أخذا اقصر مسافة مقطوعة خلال لوح الزجاج بينما عندما تميل أشعة الشمس بزاوية معينة فان المسار البصري للأشعة سوف يأخذ مقدار اكبر وحسب المعادلة التالية :
(n) يمثل معامل الانكسار الزجاج
(∆L) يمثل طول المسار البصري للأشعة خلال الزجاج
كما موضح في الشكل (3 ) حيث أن منحني معامل الامتصاص يأخذ اقل قيمة عند منتصف النهار بينما يزداد عندما يزداد العامل (d)وقد تم حساب معامل الامتصاص حسب معادلة لامبرت :
----------- (4) xα - е = 0
حيث أن ( oΙ) يمثل مقدار شدة الأشعة الساقطة على لوح الزجاج
العامل (Ι) يمثل مقدار الأشعة النافذة
العامل (x) يمثل سمك الزجاج ومقداره 3mm
العامل (α ) يمثل معامل الامتصاص للزجاج
وبذلك وجد أن معامل الامتصاص يتغير حسب قيم العوامل أعلاه كما موضح بالشكل(3) :
رابعا :مقدار شدة الأشعة النافذة خلال أنواع الطلاء الصناعي .
شكل رقم (4) يبين مقدار شدة الأشعة النافذة خلال أنواع الطلاء الصناعي
خامسا : حساب مقدار شدة الأشعة المنعكسة عن الطلاء الصناعي .
عند حساب شدة الأشعة المنعكسة وجدت أن نوع الطلاء يؤثر تأثير مباشرا على مقدار الانعكاسية حيث أثبتت القراءات أن طلاء أيروسول يختلف في مقدار الانعكاسية عن بقية الألوان الدهنيه وان اللون الأبيض ألدهني يمتلك اكبر معامل أنعكاس بينما اللون الأسود يمتلك اصغر قيمة للانعكاسية كما أن مقدار الانعكاسية تعتمد على مقدار الأشعة التي تصل إلى الأرض ولهذا نجد أن معظم خطوط منحني الانعكاسية لأنواع الطلاء تمتلك قيمة عظمى عند قيمة محددة هي (12 صباحا ) وكما مبين في الشكل (5) .لذا عندما يكون المطلوب استغلال الأشعة الشمسية في المجمعات يجب أن نختار الألوان الغامقة .
شكل رقم (5) يبين مقدار شدة الأشعة المنعكسة عن أنواع الطلاء الصناعي
سادسا :حساب معامل النفوذية لأنواع من الطلاء الصناعي .
شكل رقم (6 ) يبين معامل النفوذية لأنواع الطلاء الصناعي
4 - الاستنتاجات والتوصيات :
كفافي ، طارق أسماعيل ، (1997) ، طلي المعادن ، دمشق ، سوريا .
كفافي ، نزار ، وحيد طحان ، (1998) ، طلي البلاستيك والمعادن ، دمشق ، سوريا .
العلم والايمان2014-07-23, 1:54 pm