مخطط حركة الشمس وعلاقتها بموقع منزلك ومواقع التنمية المستدامة

   29,أكتوبر 2015 بواسطة   مصنف تحت GENERAL, DESIGN, HOW TO

   يعتبر فهم حركة الشمس بالنسبة للموقع المحدد على الارض عنصر هام جداً من عناصر تصميم التنمية المستدامة الجيدة ,لأن العناصر المختلفة من النباتات والحيوانات والمجموعات الشمسية تعتمد على الشمس في عمل وظائفها .إن التقديرات الجيدة لدوران الأرض حول محورها و دورانها حول الشمس والنتائج المترتبة على حركتها بالنسبة لموقع الشمس وتوفير موقع مناسب على سطح الأرض يعد أمراً ضرورياً لتحقيق أقصى قدر ممكن من الإنتاج النباتي وتوفير بيئة داخلية مريحة للإنسان والحيوان والنبات.

لتحقيق أفصل أداء و أفضل إنتاج للحدائق والبيوت الزجاجية والبساتين ينبغي تحديد موقعها بحيث يكون مواجهاً لأشعة الشمس لباقي أشهر السنة. هناك حاجة لعنصر آخر من عناصر تصميم المعمرة النباتية ألا وهو الخلايا الشمسية التي يمكن توجيهها نحو الشمس لجني أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية . إن المنازل التي توجد خارج المنطقة المدارية تحتاج لأن تصمم وتوجه تجاه الشمس بحيث تصل شمس الشتاء إلى المساحات الشمسية ،أما بالنسبة لتلك الموجودة في المناطق المدارية فيجب أن تصمم مواجهة للظل حتى تسمح للظل والبرودة بالدخول الى المساحات المعيشية من المنزل .  ويمكن أيضاً للحيوانات مثل: (خلايا النحل, الدواجن, وأحواض السمك, والمواشي ) الاستفادة من هذه التصاميم لأنهم أيضاً يحتاجون إلى دفء شمس الشتاء وإلى الظل في فصل الصيف.

ولتصميم موقع معين , نحن نحتاج إلى رسم تخطيطي يبين لنا مناطق الظل ومناطق الشمس للاستفادة من العناصر المختلفة بتحقيق الأداء الأمثل لها . بمعنى آخر, نحن نحتاج إلى رسم تخطيطي يبين لنا موقع وحركة الشمس طوال العام , لكن كيف يمكننا العثور على الموقع المناسب بالنسبة لحركة الشمس ؟

دعونا نبدأ بمحاولة فهم كيفية دوران الأرض حول نفسها و دورانها حول الشمس وايضاً دعونا نفهم آلية عمل الفصول الأربعة

ravsunImage2

مصدر الصورة : www.solar.steinbergs.us

الفصول الأربعة

جميعنا نعلم أن فصل الصيف هو الأكثر سخونة وأن فصل الشتاء هو الأكثر برودة. ونعلم أيضاً أنه عندما يكون فصل الصيف في نصف الكرة الشمالي, يكون فصل الشتاء في نصف الكرة الأرضية الجنوبي, لكن كيف يحدث ذلك ؟

إن السبب وراء كون فصل الصيف هو الأكثر سخونة, هو أن مسار الشمس يكون أكثر ارتفاعاً في السماء, لذلك تكون الأيام في فصل الصيف أطول, وهذا يجعل أشعة الشمس أكثر كثافة خلال هذا الفصل. لفهم ذلك بشكل أوضح وأفضل ,دعونا نقوم بتجربة بسيطة باستخدام ضوء الفلاش.

داخل غرفة معتمة, قم بتشغيل ضوء الفلاش وتسليطه مباشرة على السطح بزاوية قائمة مقياسها 90 درجة, ثم لاحظ حجم المنطقة المضاءة. الآن, قم بتحريك الضوء ببطء لجعل الزاوية أقل حدة. سوف تلاحظ الآن أن حجم المنطقة المضاءة قد ازداد, ولكن تركيز وكثافة الضوء قد قلت. وهذا يعني أن الضوء المباشر بزاوية 90 درجة قد زودنا بكثافة وتركيز أكثر. وهذا ما يحدث مع الشمس. كلما ارتفعت الشمس في السماء كلما كان ضوؤها أكثر كثافة وتركيز. وهذا ما دفعنا إلى السؤال التالي: لماذا تكون الشمس أعلى في السماء خلال فصل الصيف؟ الإجابة تكمن في دوران الأرض حول محورها ودورانها حول الشمس. حيث أن الأرض تدور حول محورها بزاوية مائلة تقدر ب 23.5درجة بالنسبة إلى موقعها المداري وفي الوقت نفسه تدور حول الشمس في مدار دائري ضخم عبر الفضاء.

ravsunImage3

تركيز ضوء الفلاش ، صورة بواسطة : كليي اتشلسون ، www.solarschoolhouse.org

خلال فصل الصيف, يميل القطب الشمالي نحو الشمس. ونتيجة لذلك, يكون مسار الشمس أعلى في السماء مما يتسبب في تلقي نصف الكرة الارضية الشمالي المزيد من الضوء والحرارة. في يوم 21 يونيو يكون ميلان نصف الكرة الشمالي أكثر باتجاه الشمس وهذا ما يسمى بالانقلاب الصيفي. حيث يعتبر هذا اليوم هو أول أيام فصل الصيف, يكون مسار الشمس في هذا اليوم أعلى في السماء مما هو عليه في أي يوم آخر من أيام السنة. بالإضافة إلى ذلك يعتبر هذا اليوم هو أطول أيام السنة وذلك بسبب بقاء الشمس في السماء لساعات إضافية أخرى . حيث أن هذه الساعات الإضافية تعطي الشمس وقتاُ أطول لتسخن الأرض وتمدها بالحرارة, لذلك يعتبر فصل الصيف هو الفصل الأكثر حرارة و سخونة.

ومع استمرار الأرض في دورانها حول الشمس فإنها تصل إلى نقطة مائلة جانبية بالنسبة للشمس, هذا ما يطلق عليه الاعتدال الخريفي بحيث يكون الليل والنهار متساويين في الطول وفي عدد الساعات بمعدل 12 ساعة لكل منهما.

ravsunImage4

الفصول الاربعة , مصدر الصورة : www.solar.steinbergs.us

ومع استمرار دوران الأرض حول الشمس, تصل الأرض إلى الجانب الآخر من الشمس , وبالتالي فإن النصف الكرة الشمالي يميل  بعيداً عن الشمس. يصبح مسار الشمس الآن أكثر انخفاضا في السماء مسبباً بذلك انبعاث ضوء وحرارة أقل إلى النصف الشمالي من الكرة الأرضية, وهذا ما يجعل الأيام تبدو أقصر وأبرد خلال هذه الفترة من السنة. ويطلق على أقصر الأيام في هذه الفترة ما يسمى بالانقلاب الشتوي.

ومع عودة الأرض للدوران مرة أخرى باتجاه الصيف, فإنها تمر بنقطة أخرى يكون مدارها جانبياً مائلاً تجاه الشمس ليتساوى اليوم مرة اخرى في الطول, وهذا ما يسمى بالاعتدال الربيعي.

ravsunImage5

مسار الشمس خلال فصل الصيف والشتاء ، رسمت بواسطة : كلي اتشيسون ،  www.solarschoolhouse.org

مسار الشمس في السماء

دعونا نحاول أن نتصور هذه الحركة الكوكبية على سطح الأرض. تخيل أن السماء عبارة عن قبة نصف كروية ضخمة تدور فوق رؤوسنا, وأن الشمس تدور في السطح الداخلي لهذه القبة. دعونا نرسم مسار الشمس خلال فترة الانقلاب الصيفي وفترة الانقلاب الشتوي. سيتضح لنا أن هذين المسارين مختلفين تماماً, فبينما يكون مسار الشمس خلال فصل الصيف أطول وأكثر ارتفاعا , يكون مسارها خلال الشتاء أقصر وأكثر انخفاضاً. نتوصل بذلك إلى أنه كلما كان مسار الشمس أطول كلما طالت فترة بقاء الشمس في السماء. وعلى مدار العام يبقى مسار الشمس مستمراً في الصعود والهبوط بين هذين النقيضين.

ravsunImage6

موضع الشمس بين الساعة 9:00 صباحا والساعة 3:00 مساءا في الانقلاب الشتوي والصيفي ، رسمت بواسطة : كلي اتشيسون ،  www.solarschoolhouse.org

رسم موقع الشمس في أي وقت خلال اليوم

نستطيع بمساعدة هذين الخطين رسم وتحديد موقع الشمس في أي وقت من اليوم خلال السنة, وفي أي مكان على سطح الأرض .على سبيل المثال, في يوم 21 ديسمبر الساعة 9 صباحاً, تكون الشمس قد أشرقت في الشرق وغربت في سماء الجنوب. وخلال نفس التوقيت من يوم 21 يونيو تكون الشمس أكثر ارتفاعا في السماء. لو استطعنا رسم خط في سماء القبة بين هذين الموقعين في نفس التوقيت –الساعة 9 صباحاً- سيكون باستطاعتنا تحديد موقع الشمس بالضبط في هذا التوقيت خلال باقي العام. فبينما يستمر مسار الشمس بالتحرك صعوداً وهبوطاً خلال فصول السنة, يبقى موقع الشمس الساعة 9 صباحا دائماً في مكان ما على هذا الخط.

ravsunImage7

النافذة الشمسية ، رسمت بواسطة : كلي اتشيسون ،  www.solarschoolhouse.org

نافذة الطاقة الشمسية

بطريقة مماثلة, يمكننا رسم خط لموقع الشمس الساعة الثالثة ظهراً, حيث يتكون لدينا الآن مستطيل في قبة السماء يبين لنا موقع الشمس بين الساعة 9 صباحاً والساعة 3 ظهراً خلال السنة. و بأخذ جزء من قوس الإنقلاب الصيفي وجزء من قوس الانقلاب الشتوي مع القوس الممتد بين الساعة التاسعة صباحا والساعة الثالثة ظهراً فانه يتكون لدينا مستطيل بأربعة جوانب . تسمى المنطقة التي تقع في داخل هذا المستطيل بنافذة الطاقة الشمسية لهذا الموقع المحدد.

تكمن أهمية هذا المنفذ للطاقة الشمسية بأنها تقع بين الساعة 9 صباحاً و3 ظهراً بحيث نستطيع الحصول على أكبر قدر من طاقة الشمس. وللحصول على أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية في أي موقع جغرافي, يجب ان يكون منفذ الشمس خالي من أي تظليل بواسطة الأشجار او أي عقبة اخرى في الفترة ما بين التاسعة صباحاً والثالثة ظهراً. ولهذا السبب ينبغي لنا قبل تثبيت أي جهاز للطاقة الشمسية أن نقوم بتحليل موقع التركيب والتأكد من خلو الموقع من عقبات التظليل.

ravsunImage8

قياس موقع الشمس بواسطة اللسمت والارتفاع ، رسُمت بواسطة : كلي اتشيسون ،  www.solarschoolhouse.org

قياس موقع الشمس

لرسم حدود واضحة لنافذة الطاقة الشمسية لموقع جغرافي حقيقي على الأرض, يحتاج الإنسان لمعرفة كيفية قياس موقع الشمس في السماء. ولتحديد موقع الشمس في السماء بشكل دقيق فإننا نحتاج إلى تحديد قياسين معاً.

القياس الأول هو تحديد اتجاه الشمس بواسطة بوصلة. وذلك برسم خط مستقيم يمتد من موقع الشمس إلى الأفق بتقاطع درجة معينة على البوصلة. هذه الزاوية تقوم بقياس ارتفاع الشمس. أما القياس الثاني فهو ارتفاع الشمس أو الزاوية العمودية لها. بالجمع بين الارتفاع والسمت نستطيع وصف نقطة معينة على قبة السماء.

ravsunImage9

مخطط مسار الطاقة الشمسية خلال الانقلاب الصيفي والشتوي ، وتحديد الموقع بالساعات ، مناطق الظل والنافذة الشمسية ، رسُمت بواسطة : كلي اتشيسون ،  www.solarschoolhouse.org

رسم مسار الشمس

باستخدام هذان المقياسان للسمت الشمسي والارتفاع الشمسي .يمكننا  التوصل إلى مخطط يوضح لنا كيفية تغير موقع الشمس خلال العام. هذا المخطط يطلق عليه مخطط مسار الشمس ويبين هذا المخطط أيضاً كيف يبدو مسار هذا الخط فوق سطح الأرض.

هذه الصورة توضح لنا مخطط لمسار الشمس من مدينة سان فرانسيسكو بولاية فلوريدا الأمريكية. حيث يظهر هذا المخطط ما يمكننا رؤيته لو نظرنا باتجاه القطب الجنوبي من هذا الموقع. يمثل المحور الصادي الإرتفاع الشمسي ويقاس من درجة 0ْ إلى درجة 90ْ مباشرة في سماء المنطقة . إن المحور الصادي يمثل اتجاه الشمس على البوصلة, ويمثل أيضا السمت الشمسي. مركز المخطط هو 180ْ درجة باتجاه الجنوب. إن تقاطع ارتفاع الشمس مع نقطة السمت يبين لنا موقع الشمس في السماء.

ravsunImage10

مخطط مسار الشمس مع الموقع بالساعات ، الناقذة الشمسية والمسارات الشهرية ، رسُمت بواسطة : كلي اتشيسون ،  www.solarschoolhouse.org

يمكن اضافة مناطق الظل مثل الأشجار والمباني على الخطط, علاوةً على ذلك ,فإنه يمكن أيضاً إضافة مسار الشمس لأقصر وأطول يوم في السنة , وفوق كل ذلك يمكن أيضاً رسم خطوط توضح موقع الشمس خلال ساعات وفترات اليوم. وهذا يمكن نافذة الطاقة الشمسية من تحديد منطقة السماء عندما تكون الشمس في الفترة ما بين 9 صباحاً و 3 ظهراً على مدار العام بأكمله.

في النهاية , يمكن ايضاً إدراج مسار الشمس في الخمسة أشهر المتبقية من العام. حيث يوجد خمسة مسارات فقط تستطيع فيها الشمس بالتحرك صعوداً وهبوطاً خلال فصول السنة. على سبيل المثال, مسار الشمس في 21 مارس هو نفس المسار في 21 سبتمبر.

نستطيع الآن أن نحدد الأماكن التي تقع في منطقة الظل خلال العام. وكمثال على كيفية الاستفادة من هذا المخطط, لاحظ أدنى مسار للشمس وهو مسار يوم 21 ديسمبر, في هذا اليوم في الفترة ما بين 9صباحاً و3 ظهراً تكون الشمس قد دخلت في منطقة الظل بفعل الأشجار التي تقع بين الدرجة 135ْ والدرجة 150ْ على البوصلة.

المراجع :

1. www.solarschoolhouse.org

2. http://mymilescity.com/how-to-solar-power/tilting_solar_panels.html

3. http://oikos.com/library/solar_site_design/index.html

4. http://mothermana.com/2012/08/23/1535/

5. http://www.ecowho.com/articles/6/The_importance_of_building_orientation.html

6. https://thesoilhuggersjourney.wordpress.com