รังสีดวงอาทิตย

คลื่นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปลดปล่อยออกมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ในรูปการแผ่รังสีความร้อนผ่านสุญญากาศมายังโลกโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง รังสีดวงอาทิตย์ร้อยละ 97 ที่ตกกระทบขอบชั้นบรรยากาศชั้นนอกสุดของโลกเป็นรังสีคลื่นสั้น (short wave radiation) มีพลังงานเท่ากับค่าคงที่รังสีดวงอาทิตย์ เมื่อผ่านชั้นบรรยากาศของโลกความเข้มของพลังงานจะลดลงกว่าร้อยละ 70 เนื่องจากการสะท้อนแสงของชั้นบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกและพื้นผิวโลกรวมไปถึงการกระจายแสงและการดูดกลืนพลังงานของอนุภาคและเมฆในชั้นบรรยากาศซึ่งมีปริมาณและสมบัติเชิงแสงแตกต่างกันไปขึ้นกับสภาพอากาศและตำแหน่งละติจูด (latitude) บนโลก

 capture-20150425-083707

Solar Constant ค่าคงที่รังสีดวงอาทิตย์

ค่าความเข้มต่อหน่วยพื้นที่ของพลังงานจากรังสีดวงอาทิตย์ (solar radiation) ต่อหนึ่งหน่วยเวลาที่ตกกระทบ ณ ขอบของชั้นบรรยากาศชั้นนอกของโลกตำแหน่งที่ตั้งฉากกับดวงอาทิตย์ ซึ่งห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณ 1.5 x 108 กิโลเมตร มีค่าประมาณ 1,353 วัตต์ต่อตารางเมตร

capture-20150425-085029

ตำแหน่งที่วัดค่าคงที่รังสีอาทิตย์

short wave radiation รังสีคลื่นสั้น

รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการปลดปล่อยจากชั้นโฟโตสเฟียร์ (photosphere) ของดวงอาทิตย์มายังโลกในรูปของการแผ่รังสีความร้อนซึ่งร้อยละ 97 เป็นรังสีคลื่นสั้นที่มีพลังงานสูงและมีความยาวคลื่นสั้นกว่า 4 ไมโครเมตรอยู่ในย่านแสงอินฟราเรด (infrared) ย่านแสงที่มองเห็นได้ (visible light) และย่านแสงอัลตราไวโอเล็ต (ultraviolet)

Long Wave Radiation รังสีคลื่นยาว

รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านแสงอินฟราเรด (infrared region) มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 4 ไมโครเมตรขึ้นไป มีพลังงานตํ่า เกิดจากการที่บรรยากาศของโลก เมฆ และพื้นโลกกักเก็บพลังงานที่ได้รับรังสีคลื่นสั้น (ดู short wave radiation) จากดวงอาทิตย์ไว้บางส่วน และปลดปล่อยพลังงานออกสู่ชั้นบรรยากาศของโลกในรูปรังสีคลื่นยาว เพื่อรักษาสมดุลพลังงานภายในโลก

capture-20150425-085919

รังสีคลื่นยาวจากพื้นผิวโลกและรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์

 Direct Radiation รังสีตรง

รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่จากดวงอาทิตย์มาสู่พื้นผิวโลกด้วยระยะทางที่สั้นที่สุดโดยไม่มีการกระจายในชั้นบรรยากาศและไม่ถูกบดบังด้วยสิ่งกีดขวางใด มีทิศทางที่แน่นอนในช่วงระยะเวลาหนึ่ง การวัดรังสีตรงสามารถวัดในวันที่ท้องฟ้าปลอดโปร่งโดยใช้เครื่องมือวัดรังสีตรงหรือเครื่องมือวัดไพร์เฮลิโอมิเตอร์ (pyrheliometer) ที่มีระบบติดตามตำแหน่งของดวงอาทิตย์บนท้องฟ้า โดยเครื่องจะบันทึกค่าความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากความร้อนจากรังสีตรงเพื่อนำไปคำนวณความเข้มของพลังงานรังสีดวงอาทิตย์

capture-20150425-090433

การแผ่รังสีดวงอาทิตย์มาสู่พื้นผิวโลกในลักษณะรังสีตรง (direct radiation) และรังสีกระจาย (diffuse radiation) เนื่องจากการสะท้อนจากอนุภาคบนท้องฟ้าและจากพื้นผิวโลก

capture-20150425-090534

เครื่องมือวัดไพร์เฮลิโอมิเตอร์สำหรับวัดความเข้มของพลังงานรังสีดวงอาทิตย์จากรังสีตรง

capture-20150425-090507

เครื่องมือวัดไพราโนมิเตอร์สำหรับวัดรังสีรวม

Diffuse Radiation รังสีกระจาย

รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่จากดวงอาทิตย์แต่แพร่กระจายในทุกทิศทางเมื่อสัมผัสกับเมฆ แก๊ส ฝุ่นละอองหรืออนุภาคอื่นในชั้นบรรยากาศโลก รวมถึงการสะท้อนแสงของชั้นบรรยากาศก่อนจะถึงพื้นผิวโลก การวัดค่ารังสีกระจายของดวงอาทิตย์ทำได้โดยวัดรังสีรวม (global radiation) หรือผลรวมสเกล่าร์ (scalar sum) ของรังสีตรงกับรังสีกระจาย โดยใช้เครื่องมือวัดไพราโนมิเตอร์ (pyranometer) วัดความดันอากาศภายใต้ฝาครอบรูปทรงครึ่งวงกลมที่เพิ่มสูงขึ้นเนื่องจากความร้อนจากรังสีดวงอาทิตย์ เครื่องมือวัดไพราโนมิเตอร์(pyranometer) สามารถวัดรังสีรวมได้ครอบคลุมทุกความยาวคลื่นขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำฝาครอบที่ครอบอุปกรณ์ตรวจวัดความร้อนไว้ เช่น ฝาแก้วสำหรับวัดรังสีคลื่นสั้นฝาซิลิคอนสำหรับวัดรังสีคลื่นยาว และฝาพอลิเอทิลีนสำหรับวัดรังสีได้ทั้งคลื่นสั้นและคลื่นยาว

Optical Windows หน้าต่างแสง

ชั้นบรรยากาศของโลกที่ทำหน้าที่เปรียบเสมือนหน้าต่างกรองรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์ที่จะผ่านลงมาสู่พื้นผิวโลกรังสีคลื่นสั้น ในสเปกตรัมพลังงานของรังสีดวงอาทิตย์ เกือบทั้งหมดจากดวงอาทิตย์จะถูกกรองโดยชั้นบรรยากาศของโลก ยกเว้นแสงที่มองเห็นได้ (visible light) และรังสีอัลตราไวโอเล็ต (ultraviolet) บางส่วนที่มีความยาวคลื่นในช่วง 0.38-0.78 ไมโครเมตร หน้าต่างแสงยอมให้รังสีคลื่นยาว (ดู long wave radiation) ในช่วงความยาวคลื่น 0.01-100 เมตร เช่น คลื่นวิทยุ (radio waves) คลื่นไมโครเวฟ (microwave radar) ผ่านลงมาสู่พื้นผิวโลกได้แสงอาทิตย์ที่ผ่านหน้าต่างแสงในช่วงแสงที่มองเห็นได้เท่านั้นที่มีความเข้มและพลังงานเพียงพอที่จะนำมาใช้ประโยชน์ในรูปของพลังงานทดแทน

Air Mass Ratio (AM) อัตราส่วนมวลอากาศ

อัตราส่วนระหว่างความหนา (ระยะทาง) ของชั้นบรรยากาศที่แสงอาทิตย์ส่องผ่านมาสู่พื้นผิวโลก เมื่อดวงอาทิตย์โคจรไปอยู่ที่ตำแหน่งทำมุม z กับแนวตั้งฉาก (zenith) กับความหนา (ระยะทาง) ของชั้นบรรยากาศ เมื่อดวงอาทิตย์อยู่ในตำแหน่งตั้งฉากกับพื้นผิวโลก ความเข้มของพลังงานรังสีดวงอาทิตย์ (ดู solar radiation) ที่ตกกระทบพื้นผิวโลก เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนาของชั้นบรรยากาศโลก และตำแหน่งดวงอาทิตย์บนท้องฟ้าที่สังเกตจากพื้นผิวโลก ความเข้มของพลังงานรังสีดวงอาทิตย์ในเวลาเที่ยงของวันที่ท้องฟ้าปลอดโปร่ง ในเวลาที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งตั้งฉากกับพื้นผิวโลกที่ระดับนํ้าทะเลมีค่าประมาณ 1,000 วัตต์ต่อตารางเมตร แทนด้วยสัญลักษณ์ AM 1.0 (z = 0 องศา) ขณะที่ดวงอาทิตย์อยู่ในตำแหน่งทำมุม z ใดๆ กับแนวตั้งฉาก จะมีค่าอัตราส่วนมวลอากาศเท่ากับ 1/(cos z) สเปกตรัมรังสีดวงอาทิตย์ (ดู solar spectrum) ณ ตำแหน่งที่มีค่าอัตราส่วนมวลอากาศเท่ากับ AM 1.5 หรือดวงอาทิตย์โคจรทำมุม 48.2 องศากับแนวตั้งฉาก ถือเป็นค่าเฉลี่ยของสเปกตรัมรังสีดวงอาทิตย์ตลอดทั้งปีของพื้นผิวโลกในทุกระดับละติจูด (mid-latitudes) และใช้เป็นสเปกตรัมมาตรฐานสำหรับเครื่องกำเนิดแสงอาทิตย์เทียม (sun simulator) ในการทดสอบเซลล์แสงอาทิตย์

capture-20150425-213228

ความสัมพันธ์ของค่าอัตราส่วนมวลอากาศ (air mass ratio, AM) กับมุม z ของดวงอาทิตย์บนท้องฟ้าเทียบกับตำแหน่งที่ดวงอาทิตย์ตั้งฉากกับพื้นผิวโลก (zenith) ในเวลาที่ดวงอาทิตย์โคจรทำมุม 48.2 และ 60.1 องศากับพื้นผิวโลก อัตราส่วนมวลอากาศจะมีค่า AM 1.5 และ AM 2.0 ตามลำดับ

ที่มา : กระทรวงพลังงาน, ก. (2557). สารานุกรมพลังงานทดแทน (Alternative Energy Encyclopedia). กรุงเทพฯ.