جهاز تتبع الطاقة الشمسية
جهاز تتبع الشمس هو جهاز يوجه الحمولة نحو الشمس . وعادة ما تكون الحمولة عبارة عن ألواح شمسية ، أو أحواض مكافئة ، أو عاكسات فريسنل ، أو عدسات ، أو مرايا الهيليوستات .
في أنظمة الخلايا الكهروضوئية المسطحة ، تُستخدم أجهزة التتبع لتقليل زاوية سقوط ضوء الشمس على اللوحة الكهروضوئية ، والمعروفة أحيانًا بخطأ جيب التمام . ويؤدي تقليل هذه الزاوية إلى زيادة كمية الطاقة المنتجة من قدرة توليد الطاقة المركبة الثابتة.
مع تحسن أسعار وموثوقية وأداء أنظمة التتبع أحادية المحور، ازداد استخدام هذه الأنظمة في مشاريع الطاقة الشمسية واسعة النطاق. بلغ حجم سوق أنظمة التتبع الشمسية العالمي 14 جيجاوات في عام 2017 [ 1 ]، و 73 جيجاوات في عام 2022 [ 2 ] ، و94 جيجاوات في عام 2023. وبحلول عام 2024، وصل حجم السوق إلى 111 جيجاوات [ 1 ] ، حيث استخدمت 99% من مشاريع الطاقة الشمسية الجديدة واسعة النطاق أنظمة التتبع أحادية المحور نظرًا لانخفاض تكلفة إنتاج الطاقة الشمسية (LCoE) [ 3 ] . في المقابل، كان نظام التتبع ذو الميل الثابت يُستخدم بشكل أساسي في المناطق ذات التضاريس الوعرة، أو الأراضي الصناعية المهجورة، أو المناطق المعرضة للرياح العاتية.
في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) والطاقة الشمسية المركزة (CSP)، تُستخدم أجهزة التتبع لتمكين المكونات البصرية في أنظمة CPV وCSP. تستقبل البصريات في تطبيقات الطاقة الشمسية المركزة المكون المباشر لضوء الشمس، ولذلك يجب توجيهها بشكل مناسب لجمع الطاقة. توجد أنظمة التتبع في جميع تطبيقات الخلايا الكهروضوئية المركزة لأنها تجمع طاقة الشمس بأقصى كفاءة عندما يكون المحور البصري متوافقًا مع الإشعاع الشمسي الساقط. [ 4 ] [ 5 ]
المفهوم الأساسي
يتكون ضوء الشمس من عنصرين: "الشعاع المباشر" الذي يحمل حوالي 90% من الطاقة الشمسية [ 6 ] [ 7 ] ، و"ضوء الشمس المنتشر" الذي يحمل النسبة المتبقية. يُمثل ضوء الشمس المنتشر زرقة السماء في الأيام الصافية، ويُشكل نسبة أكبر من إجمالي الطاقة في الأيام الغائمة. ولأن معظم الطاقة تتركز في الشعاع المباشر، فإن تحقيق أقصى استفادة من الطاقة الشمسية يتطلب أن تكون الشمس مرئية للألواح لأطول فترة ممكنة. مع ذلك، في الأيام الغائمة، قد تنخفض نسبة الضوء المباشر إلى الضوء المنتشر إلى 60:40 أو حتى أقل.
تتناقص الطاقة التي يساهم بها الشعاع المباشر مع جيب تمام الزاوية بين الضوء الساقط واللوحة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الانعكاسية (المعدلة عبر جميع الاستقطابات ) ثابتة تقريبًا لزوايا السقوط حتى حوالي 50 درجة، وبعد ذلك تزداد الانعكاسية بسرعة. [ 8 ]
| الزاوية i | ساعات [ أ ] | خسارة |
|---|---|---|
| 0° | 0% | |
| 1° | 0.015% | |
| 3° | 0.14% | |
| 8° | 1% | |
| 15 درجة | 1 | 3.4% |
| 23.4° [ ب ] | 8.3% | |
| 30 درجة | 2 | 13.4% |
| 45 درجة | 3 | 30% |
| 60 درجة | 4 | >50% [ ج ] |
| 75 درجة | 5 | >75% [ ج ] |
ملحوظات
على سبيل المثال، تستطيع أجهزة التتبع التي تتمتع بدقة ± 5 درجات التقاط أكثر من 99.6% من الطاقة المنبعثة من الشعاع المباشر بالإضافة إلى 100% من الضوء المنتشر. ونتيجة لذلك، لا يُستخدم التتبع عالي الدقة عادةً في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية غير المركزة.
تتمثل وظيفة آلية التتبع في متابعة حركة الشمس في السماء. في الأقسام التالية، التي تُشرح فيها العوامل الرئيسية بمزيد من التفصيل، يُبسّط مسار الشمس المعقد من خلال دراسة حركتها اليومية شرقًا وغربًا بمعزل عن تغيرها السنوي شمالًا وجنوبًا مع تغير فصول السنة.
الطاقة الشمسية الممتصة
كمية الطاقة الشمسية المتاحة للتجميع من الشعاع المباشر هي كمية الضوء التي يمتصها اللوح. تُحسب هذه الكمية بضرب مساحة اللوح في جيب تمام زاوية سقوط الشعاع المباشر (انظر الرسم التوضيحي أعلاه). بعبارة أخرى، الطاقة الممتصة تعادل مساحة الظل الذي يُلقيه اللوح على سطح عمودي على الشعاع المباشر.
ترتبط علاقة جيب التمام هذه ارتباطًا وثيقًا بالملاحظة التي صاغها قانون لامبرت لجيب التمام عام 1760. وينص هذا القانون على أن سطوع الجسم المرصود يتناسب طرديًا مع جيب تمام زاوية سقوط الضوء عليه.
الخسائر الانعكاسية
لا ينتقل كل الضوء المعترض إلى داخل اللوحة؛ إذ ينعكس جزء منه على سطحها. وتعتمد كمية الضوء المنعكس على كلٍّ من معامل انكسار مادة السطح وزاوية سقوط الضوء. كما تختلف كمية الضوء المنعكس باختلاف استقطاب الضوء الساقط. يتكون ضوء الشمس الساقط من مزيج من جميع الاستقطابات، وبكميات متساوية في ضوء الشمس المباشر. وبحساب المتوسط لجميع الاستقطابات، تكون خسائر الانعكاس ثابتة تقريبًا عند زوايا السقوط حتى 50 درجة تقريبًا، وبعدها تزداد بسرعة. انظر على سبيل المثال الرسم البياني المرفق، وهو مناسب للزجاج.
تُغطى الألواح الشمسية عادةً بطبقة مضادة للانعكاس ، وهي عبارة عن طبقة أو أكثر من مواد ذات معامل انكسار متوسط بين معامل انكسار السيليكون والهواء. يُسبب هذا تداخلاً هدّاماً في الضوء المنعكس، مما يُقلل من كميته. وقد عمل مُصنّعو الخلايا الكهروضوئية على تقليل الانعكاس من خلال تحسين طبقات الطلاء المضادة للانعكاس واستخدام الزجاج المُحكم. [ 9 ] [ 10 ]
حركة الشمس اليومية شرقاً وغرباً
تتحرك الشمس 360 درجة من الشرق إلى الغرب يوميًا، ولكن من منظور أي موقع ثابت، يبلغ الجزء المرئي منها 180 درجة خلال نصف يوم تقريبًا (أكثر في الصيف، وأقل قليلًا في الربيع والخريف، وأقل بكثير في الشتاء). تُقلل تأثيرات الأفق المحلية من هذه المسافة، مما يجعل الحركة الفعلية حوالي 150 درجة. تتحرك الألواح الشمسية المثبتة في اتجاه ثابت بين أقصى درجات الفجر والغروب 75 درجة إلى كلا الجانبين، وبالتالي، وفقًا للجدول أعلاه، تفقد أكثر من 75% من الطاقة في الصباح والمساء. يمكن أن يساعد تدوير الألواح شرقًا وغربًا في استعادة هذه الطاقة المفقودة. يُعرف جهاز التتبع الذي يحاول فقط تعويض حركة الشمس شرقًا وغربًا باسم جهاز التتبع أحادي المحور.
حركة الشمس الموسمية شمالاً وجنوباً
بسبب ميل محور الأرض ، تتحرك الشمس أيضًا مسافة 46 درجة شمالًا وجنوبًا خلال العام. وبالتالي، فإن نفس مجموعة الألواح الموضوعة في منتصف المسافة بين أقصى نقطتين محليتين ستشهد تحرك الشمس 23 درجة على كلا الجانبين. وعليه، وفقًا للجدول أعلاه، فإن جهاز تتبع أحادي المحور مُحاذى بشكل مثالي (انظر جهاز التتبع المُحاذى قطبيًا أدناه) سيفقد 8.3% فقط من طاقته في أقصى درجات الصيف والشتاء، أو حوالي 5% كمعدل سنوي. في المقابل، سيفقد جهاز التتبع أحادي المحور المُحاذى رأسيًا أو أفقيًا طاقة أكبر بكثير نتيجةً لهذه التغيرات الموسمية في مسار الشمس. على سبيل المثال، سيفقد جهاز تتبع رأسي في موقع عند خط عرض 60 درجة ما يصل إلى 40% من الطاقة المتاحة في الصيف، بينما سيفقد جهاز تتبع أفقي موجود عند خط عرض 25 درجة ما يصل إلى 33% في الشتاء.
يُعرف جهاز التتبع الذي يأخذ في الحسبان الحركات اليومية والموسمية بجهاز التتبع ثنائي المحور. وبشكل عام، تتفاقم الخسائر الناتجة عن تغيرات زاوية الميل الموسمية بسبب تغيرات طول النهار، مما يزيد من كمية الطاقة الشمسية المُجمّعة في فصل الصيف في خطوط العرض الشمالية أو الجنوبية. وهذا يُرجّح عملية التجميع نحو فصل الصيف، لذا إذا تم إمالة الألواح الشمسية بزاوية أقرب إلى متوسط زوايا الميل الصيفية، فإن إجمالي الخسائر السنوية يقل مقارنةً بنظام مائل بزاوية الاعتدال الربيعي/الخريفي (وهي نفس زاوية خط عرض الموقع).
يدور جدل واسع في هذا القطاع حول ما إذا كان الفرق الطفيف في كمية البيانات المجمعة سنويًا بين أجهزة التتبع أحادية المحور وثنائية المحور يبرر التعقيد الإضافي الذي توفره أجهزة التتبع ثنائية المحور. وقد أشارت مراجعة حديثة لإحصاءات الإنتاج الفعلية من جنوب أونتاريو إلى أن الفرق بلغ حوالي 4% إجمالًا، وهو أقل بكثير من التكاليف الإضافية لأنظمة ثنائية المحور. ويُعدّ هذا الفرق ضئيلًا مقارنةً بالتحسن الذي يتراوح بين 24 و32% بين أجهزة التتبع ذات المصفوفة الثابتة وأجهزة التتبع أحادية المحور. [ 11 ] [ 12 ]
عوامل أخرى
الغيوم
تفترض النماذج المذكورة أعلاه احتمالية متساوية لغطاء السحب في أوقات مختلفة من اليوم أو السنة. في المناطق المناخية المختلفة، قد يختلف غطاء السحب باختلاف الفصول، مما يؤثر على متوسط أرقام الأداء المذكورة أعلاه. على سبيل المثال، في منطقة يتراكم فيها غطاء السحب في المتوسط خلال النهار، قد يكون هناك فوائد خاصة في الاستفادة من أشعة الشمس الصباحية.
أَجواء
تزداد المسافة التي يقطعها ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي كلما اقتربت الشمس من الأفق، حيث يسير ضوء الشمس بشكل مائل عبر الغلاف الجوي. ومع ازدياد طول المسار عبر الغلاف الجوي، تقل شدة الإشعاع الشمسي الواصل إلى المجمع. يُشار إلى ازدياد طول هذا المسار بمعامل كتلة الهواء (AM) ، حيث يُمثل AM0 أعلى الغلاف الجوي، وAM1 المسار الرأسي المباشر إلى مستوى سطح البحر مع وجود الشمس فوق الرأس، و AM الأكبر من 1 يُشير إلى المسارات المائلة مع اقتراب الشمس من الأفق.
على الرغم من أن الشمس قد لا تبدو حارة بشكل ملحوظ في الصباح الباكر أو خلال أشهر الشتاء، إلا أن مسارها المائل عبر الغلاف الجوي له تأثير أقل من المتوقع على شدة الإشعاع الشمسي. فحتى عندما تكون الشمس على ارتفاع 15 درجة فقط فوق الأفق، يمكن أن تصل شدة الإشعاع الشمسي إلى حوالي 60% من قيمتها القصوى، وحوالي 50% عند ارتفاع 10 درجات، و25% عند ارتفاع 5 درجات فقط فوق الأفق. [ 13 ] لذلك، إذا تمكنت أجهزة التتبع من متابعة الشمس من الأفق إلى الأفق، فإن ألواحها الشمسية ستتمكن من جمع كمية كبيرة من الطاقة.
كفاءة الخلايا الشمسية
تؤثر كفاءة تحويل الطاقة الأساسية للخلية الكهروضوئية بشكل كبير على النتيجة النهائية، بغض النظر عما إذا كان يتم استخدام التتبع أم لا.
درجة حرارة
تنخفض كفاءة الخلايا الشمسية الكهروضوئية مع ارتفاع درجة الحرارة، بمعدل 0.4% لكل درجة مئوية تقريبًا. [ 14 ] فعلى سبيل المثال، تكون الكفاءة أعلى بنحو 20% عند درجة حرارة 10 درجات مئوية في الصباح الباكر أو في فصل الشتاء مقارنةً بدرجة حرارة 60 درجة مئوية في ذروة النهار أو في فصل الصيف. ولذلك، يمكن لأنظمة التتبع أن توفر فائدة إضافية من خلال جمع الطاقة في الصباح الباكر وفي فصل الشتاء عندما تعمل الخلايا بأعلى كفاءة لها.
ملخص
يجب أن تستخدم أجهزة التتبع الخاصة بجامعي العينات المركزة تقنية تتبع عالية الدقة للحفاظ على الجامع عند نقطة التركيز.
لا تحتاج أجهزة التتبع الخاصة بالشاشات المسطحة غير المركزة إلى دقة تتبع عالية:
- فقد منخفض للطاقة: أقل من 10% فقد حتى عند انحراف 25 درجة
- انعكاس ثابت حتى مع انحراف يصل إلى حوالي 50 درجة
- يساهم ضوء الشمس المنتشر بنسبة 10% بغض النظر عن الاتجاه، وبنسبة أكبر في الأيام الغائمة.
تنبع فوائد تتبع مجمعات الألواح المسطحة غير المركزة مما يلي:
- يزداد فقد الطاقة بسرعة بعد تجاوز انحراف 30 درجة تقريبًا.
- تتوفر طاقة كبيرة حتى عندما تكون الشمس قريبة جدًا من الأفق، على سبيل المثال حوالي 60% من الطاقة الكاملة عند 15 درجة فوق الأفق، وحوالي 50% عند 10 درجات، وحتى 25% عند 5 درجات فقط فوق الأفق - وهو أمر ذو أهمية خاصة في خطوط العرض العليا و/أو خلال أشهر الشتاء
- تكون الألواح الكهروضوئية أكثر كفاءة بنسبة 20٪ تقريبًا في برودة الصباح الباكر مقارنة بحرارة النهار؛ وبالمثل، فهي أكثر كفاءة في الشتاء مقارنة بالصيف - ويتطلب التقاط أشعة الشمس في الصباح الباكر وشمس الشتاء بشكل فعال تتبعًا.
أنواع المجمعات الشمسية
قد تكون المجمعات الشمسية عبارة عن ألواح مسطحة غير مركزة، وعادة ما تكون كهروضوئية أو مياه ساخنة، أو أنظمة مركزة، من أنواع مختلفة.
قد تكون أنظمة تركيب المجمعات الشمسية ثابتة (تُحاذى يدويًا) أو مُتتبعة. تتطلب الأنواع المختلفة من المجمعات الشمسية ومواقعها ( خط العرض ) أنواعًا مختلفة من آليات التتبع. يمكن تهيئة أنظمة التتبع كمجمع ثابت/مرآة متحركة - مثل الهيليوستات - أو كمجمع متحرك.
حامل ثابت غير قابل للتتبع
تُثبّت ألواح الطاقة الشمسية على أسطح المنازل والمباني التجارية أو الصناعية الصغيرة، بالإضافة إلى ألواح سخانات المياه الشمسية، عادةً بشكل ثابت، وغالبًا ما تُركّب بشكل مُسطّح على سطح مائل مُوجّه بشكل مناسب. تشمل مزايا التركيب الثابت مقارنةً بالتركيب المُتتبّع ما يلي:
- المزايا الميكانيكية: سهولة التصنيع، وانخفاض تكاليف التركيب والصيانة.
- التحميل بفعل الرياح : من الأسهل والأرخص توفير حامل قوي؛ يجب تصميم جميع الحوامل الأخرى غير الألواح المثبتة بشكل مسطح بعناية مع مراعاة التحميل بفعل الرياح بسبب زيادة التعرض.
- الضوء غير المباشر : حوالي 10٪ [ 6 ] [ 7 ] من الإشعاع الشمسي الساقط هو ضوء منتشر، متاح في أي زاوية من عدم التوافق مع الشمس.
- التسامح مع عدم المحاذاة : منطقة التجميع الفعالة للوحة المسطحة غير حساسة نسبيًا لمستويات عالية من عدم المحاذاة مع الشمس - انظر الجدول والمخطط في قسم المفهوم الأساسي أعلاه - على سبيل المثال، حتى عدم المحاذاة بمقدار 25 درجة يقلل من الطاقة الشمسية المباشرة التي يتم جمعها بأقل من 10٪.
تُستخدم الحوامل الثابتة عادةً مع الأنظمة غير المركزة؛ ومع ذلك، تُعدّ المواقد الشمسية المحمولة فئةً مهمةً من المجمعات الشمسية المركزة غير المتتبعة، ذات قيمة خاصة في دول العالم النامي . تستخدم هذه المواقد مستويات تركيز منخفضة نسبيًا، تتراوح عادةً بين 2 إلى 8 أضعاف قوة الشمس، ويتم توجيهها يدويًا.
أجهزة التتبع
على الرغم من إمكانية ضبط الألواح الشمسية المسطحة الثابتة لجمع نسبة عالية من الطاقة المتاحة وقت الظهيرة، إلا أن هناك طاقة كبيرة متاحة أيضًا في الصباح الباكر وأواخر فترة ما بعد الظهر [ 13 ] عندما يصبح عدم محاذاة اللوح الثابت كبيرًا جدًا بحيث لا يمكن جمع نسبة معقولة من الطاقة المتاحة. على سبيل المثال، حتى عندما تكون الشمس على ارتفاع 10 درجات فقط فوق الأفق، يمكن أن تصل الطاقة المتاحة إلى حوالي نصف مستويات الطاقة وقت الظهيرة (أو حتى أكثر اعتمادًا على خط العرض والفصل والظروف الجوية).
وبالتالي فإن الفائدة الأساسية لنظام التتبع هي جمع الطاقة الشمسية لأطول فترة من اليوم، وبأكثر دقة في المحاذاة مع تغير موقع الشمس مع الفصول.
بالإضافة إلى ذلك، كلما زاد مستوى التركيز المستخدم، زادت أهمية التتبع الدقيق، لأن نسبة الطاقة المستمدة من الإشعاع المباشر تكون أعلى، وتصبح المنطقة التي تتركز فيها تلك الطاقة أصغر.
جامع ثابت / مرآة متحركة
لا يمكن نقل العديد من المجمعات الشمسية، مثل المجمعات ذات درجات الحرارة العالية حيث تُستعاد الطاقة على شكل سائل ساخن أو غاز (مثل البخار). ومن الأمثلة الأخرى التدفئة والإضاءة المباشرة للمباني، ومواقد الطهي الشمسية الثابتة المدمجة، مثل عاكسات شيفلر . في مثل هذه الحالات، من الضروري استخدام مرآة متحركة بحيث تُعاد توجيه أشعة الشمس إلى المجمع بغض النظر عن موقعها في السماء.
نظراً لحركة الشمس المعقدة في السماء، ومستوى الدقة المطلوب لتوجيه أشعتها بدقة نحو الهدف، تستخدم مرآة الهيليوستات عادةً نظام تتبع ثنائي المحور، مع وجود محور واحد على الأقل آلي. وفي تطبيقات مختلفة، قد تكون المرايا مسطحة أو مقعرة.
جامع أغراض متحركة
يمكن تصنيف أجهزة التتبع إلى فئات حسب عدد محاورها واتجاهها. بالمقارنة مع التثبيت الثابت، يزيد جهاز التتبع أحادي المحور الإنتاج السنوي بنسبة 30% تقريبًا، بينما يزيد جهاز التتبع ثنائي المحور الإنتاج بنسبة تتراوح بين 10 و20% إضافية. [ 15 ] [ 16 ]
يمكن تصنيف أجهزة تتبع الخلايا الكهروضوئية إلى نوعين: أجهزة التتبع الكهروضوئية القياسية وأجهزة التتبع الكهروضوئية المركزة. ويمكن تصنيف كل نوع من هذين النوعين بشكل أدق حسب عدد محاوره واتجاهها، وبنية تشغيله ونوع محركه، وتطبيقاته المقصودة، ودعاماته الرأسية، وأساسه.
حامل عائم
يجري تركيب جزر عائمة من الألواح الشمسية على خزانات المياه والبحيرات في هولندا والصين والمملكة المتحدة واليابان. ويعمل نظام تتبع الشمس الذي يتحكم في اتجاه الألواح تلقائيًا وفقًا لفصول السنة، حيث يغير موقعه بواسطة حبال متصلة بعوامات . [ 17 ]
حامل أرضي عائم
يمكن بناء أنظمة تتبع الطاقة الشمسية باستخدام أساسات "عائمة"، تستقر على الأرض دون الحاجة إلى أساسات خرسانية ضخمة. فبدلاً من وضع النظام على أساسات خرسانية، يُوضع على طبقة من الحصى يمكن ملؤها بمواد متنوعة، كالرمل أو الحصى، لتثبيته في الأرض. وتتحمل هذه الأنظمة "العائمة" نفس أحمال الرياح التي تتحملها الأنظمة التقليدية الثابتة. ويزيد استخدام الأنظمة العائمة من عدد المواقع المحتملة لمشاريع الطاقة الشمسية التجارية، إذ يمكن وضعها فوق مكبات النفايات المغطاة أو في المناطق التي يصعب فيها إنشاء أساسات محفورة.
تتبع بصري بدون حركة
يمكن بناء أجهزة تتبع الطاقة الشمسية دون الحاجة إلى معدات تتبع ميكانيكية، وتُعرف هذه الأجهزة باسم التتبع البصري الثابت. وقد ابتكرت شركة رينكوب تصميمًا زجاجيًا لإعادة توجيه الضوء باستخدام تقنية التتبع البصري الثابت.
أجهزة تتبع الخلايا الكهروضوئية غير المركزة
تستقبل الألواح الكهروضوئية الضوء المباشر وغير المباشر من السماء. وتجمع الألواح الموجودة في أنظمة التتبع الكهروضوئية القياسية كلا النوعين من الضوء. وتُستخدم خاصية التتبع في هذه الأنظمة لتقليل زاوية سقوط الضوء على اللوح الكهروضوئي، مما يزيد من كمية الطاقة المُجمّعة من الجزء المباشر لأشعة الشمس.
تعتمد الفيزياء الكامنة وراء أجهزة تتبع الخلايا الكهروضوئية القياسية على جميع تقنيات وحدات الخلايا الكهروضوئية القياسية. وتشمل هذه التقنيات جميع أنواع ألواح السيليكون البلوري (سواء أحادية أو متعددة الطبقات ) وجميع أنواع ألواح الأغشية الرقيقة (السيليكون غير المتبلور، وCdTe، وCIGS، والسيليكون الميكروكريستالي).
أجهزة تتبع الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV)
تستقبل العدسات في وحدات الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) الجزء المباشر من الضوء الساقط، ولذلك يجب توجيهها بشكل مناسب لزيادة الطاقة المُجمّعة إلى أقصى حد. في التطبيقات ذات التركيز المنخفض، يمكن أيضًا التقاط جزء من الضوء المنتشر من السماء. تُستخدم خاصية التتبع في وحدات الخلايا الكهروضوئية المركزة لتوجيه العدسات بحيث يتم تركيز الضوء الساقط على مُجمّع الخلايا الكهروضوئية.
يجب تتبع وحدات الطاقة الشمسية المركزة التي تركز الضوء في بُعد واحد عموديًا على الشمس في محور واحد. أما وحدات الطاقة الشمسية المركزة التي تركز الضوء في بُعدين، فيجب تتبعها عموديًا على الشمس في محورين.
- متطلبات الدقة
تتطلب الفيزياء الكامنة وراء بصريات الخلايا الكهروضوئية المركزة أن تزداد دقة التتبع مع زيادة نسبة تركيز النظام. ومع ذلك، بالنسبة لتركيز معين، توفر البصريات غير التصويرية أوسع زوايا قبول ممكنة ، والتي قد تُستخدم لتقليل دقة التتبع. [ 20 ] [ 21 ]
في الأنظمة النموذجية عالية التركيز، يجب أن تكون دقة التتبع في حدود ± 0.1 درجة لتوفير ما يقارب 90% من القدرة المقدرة. أما في الأنظمة منخفضة التركيز، فيجب أن تكون دقة التتبع في حدود ± 2.0 درجة لتوفير 90% من القدرة المقدرة. ونتيجة لذلك، تُعد أنظمة التتبع عالية الدقة شائعة.
- التقنيات المدعومة
تُستخدم أجهزة تتبع الخلايا الكهروضوئية المركزة مع أنظمة التركيز الانكسارية والعاكسة. وتوجد مجموعة من تقنيات الخلايا الكهروضوئية الحديثة المستخدمة في هذه الأنظمة، تتراوح بين مستقبلات الخلايا الكهروضوئية التقليدية القائمة على السيليكون البلوري ومستقبلات الوصلات الثلاثية القائمة على الجرمانيوم .
أجهزة التتبع أحادية المحور
تتمتع أجهزة التتبع أحادية المحور بدرجة حرية واحدة تعمل كمحور دوران . عادةً ما يكون محور دوران هذه الأجهزة محاذيًا لخط الزوال الشمالي الحقيقي. ويمكن محاذاتها في أي اتجاه رئيسي باستخدام خوارزميات تتبع متقدمة. توجد عدة تطبيقات شائعة لأجهزة التتبع أحادية المحور، منها: أجهزة التتبع الأفقية أحادية المحور (HSAT)، وأجهزة التتبع الأفقية أحادية المحور ذات الوحدات المائلة (HTSAT)، وأجهزة التتبع الرأسية أحادية المحور (VSAT)، وأجهزة التتبع أحادية المحور المائلة (TSAT)، وأجهزة التتبع أحادية المحور المحاذية قطبيًا (PSAT). يُعدّ توجيه الوحدة بالنسبة لمحور جهاز التتبع أمرًا بالغ الأهمية عند نمذجة الأداء.
أفقي
- جهاز تتبع أحادي المحور أفقي (HSAT)
محور دوران نظام التتبع الشمسي أحادي المحور أفقي بالنسبة للأرض، ويمكن أن يمتد على خط شمال-جنوب أو شرق-غرب. يمكن مشاركة الأعمدة الموجودة على طرفي محور الدوران بين أنظمة التتبع لتقليل تكلفة التركيب. يُعد هذا النوع من أنظمة التتبع الشمسي الأنسب للمناطق ذات خطوط العرض المنخفضة. تتميز تصميمات الحقول المزودة بأنظمة التتبع الشمسي أحادية المحور بمرونة عالية. فبفضل هندستها البسيطة، يكفي الحفاظ على توازي جميع محاور الدوران لتحديد المواقع المناسبة لأنظمة التتبع. يمكن للمسافات المناسبة أن تزيد من نسبة إنتاج الطاقة إلى التكلفة، ويعتمد ذلك على التضاريس المحلية وظروف التظليل وقيمة الطاقة المنتجة خلال اليوم. يُعد التتبع العكسي أحد طرق حساب توزيع الألواح. عادةً ما يكون وجه وحدة التتبع الأفقي موازيًا لمحور الدوران. أثناء تتبع الوحدة، فإنها تمسح أسطوانة متناظرة دورانيًا حول محور الدوران. في أنظمة التتبع الأفقي أحادية المحور، يُثبّت أنبوب أفقي طويل على محامل مثبتة على أعمدة أو إطارات. تُركّب الألواح على الأنبوب، ويدور الأنبوب حول محوره لتتبع الحركة الظاهرية للشمس خلال النهار. يهدف التتبع إلى تقليل الزاوية بين شعاع الضوء والعمود المقام على اللوح في أي لحظة.
- جهاز تتبع أفقي أحادي المحور بوحدات مائلة (HTSAT)
في أنظمة التتبع الأفقية (HSATs)، تُثبّت الألواح الشمسية بشكل أفقي بزاوية 0 درجة، بينما في أنظمة التتبع الأفقية ذات المحور الواحد (HTSATs)، تُثبّت الألواح بزاوية ميل محددة. وتعمل هذه الأنظمة وفق نفس مبدأ أنظمة التتبع الأفقية، حيث تُبقي محور الأنبوب أفقيًا في خط الشمال والجنوب، وتُدير الألواح الشمسية من الشرق إلى الغرب على مدار اليوم. تُناسب هذه الأنظمة عادةً المواقع ذات خطوط العرض العالية، ولكنها لا تشغل مساحة أرضية كبيرة مثل أنظمة التتبع الرأسية أحادية المحور (VSATs). ولذلك، فهي تجمع مزايا أنظمة التتبع الرأسية أحادية المحور في نظام تتبع أفقي، مما يُقلل التكلفة الإجمالية لمشروع الطاقة الشمسية. [ 22 ] [ 23 ]
رَأسِيّ
- جهاز التتبع العمودي أحادي المحور (VSAT)
محور دوران أجهزة التتبع أحادية المحور الرأسية يكون عموديًا على سطح الأرض. وتدور هذه الأجهزة من الشرق إلى الغرب على مدار اليوم. وتكون هذه الأجهزة أكثر فعالية في خطوط العرض العليا مقارنةً بأجهزة التتبع أحادية المحور الأفقية. يجب أن تراعي تصميمات الحقول التظليل لتجنب فقد الطاقة غير الضروري وتحسين استخدام الأراضي. كما أن تحسين كثافة التغطية محدود بسبب طبيعة التظليل على مدار العام. عادةً ما يكون وجه وحدة أجهزة التتبع أحادية المحور الرأسية مائلًا بزاوية معينة بالنسبة لمحور الدوران. وأثناء تتبع الوحدة، فإنها تمسح مخروطًا متناظرًا دورانيًا حول محور الدوران.
مائل
- جهاز تتبع أحادي المحور مائل (TSAT)
تُعتبر جميع أجهزة التتبع ذات محاور الدوران بين الأفقي والرأسي أجهزة تتبع أحادية المحور مائلة. غالبًا ما تكون زوايا ميل أجهزة التتبع محدودة لتقليل تأثير الرياح وخفض ارتفاع الطرف المرتفع. مع خاصية التراجع، يمكن تكديسها دون تظليل عمودي على محاور دورانها بأي كثافة. مع ذلك، فإن التكديس الموازي لمحاور دورانها محدود بزاوية الميل وخط العرض. عادةً ما يكون وجه وحدة أجهزة التتبع أحادية المحور المائلة موازيًا لمحور الدوران. أثناء تتبع الوحدة، فإنها تمسح أسطوانة متناظرة دورانيًا حول محور الدوران.
كيف تختلف أنواع أجهزة التتبع أحادية المحور المختلفة في الأداء
بما أن نظام التتبع أحادي المحور يسعى إلى تقليل زاوية سقوط ضوء الشمس المباشر في أي لحظة، فإن السؤال المطروح هو: كيف تعمل التطبيقات المختلفة، أو أنواع أنظمة التتبع أحادية المحور، في التقاط ضوء الشمس المباشر، أو اعتراضه، مقارنةً ببعضها البعض، ومقارنةً بنظام التتبع ثنائي المحور؟ وقد حاولت دراسة نُشرت عام 2025 في مجلة " الطاقة الشمسية " الإجابة عن هذا السؤال من خلال تطوير صيغة عالمية قائمة على المتجهات للهندسة الشمسية لأنظمة التتبع أحادية المحور، وتطبيقها على قمة الغلاف الجوي ونموذج مثالي لسماء صافية على سطح الأرض، وذلك لأقمار HSAT EW (محورها في اتجاه الشرق والغرب)، وHSAT NS (محورها في اتجاه الشمال والجنوب)، وPSAT، وVSAT، وVTSAT (بزاوية ميل تساوي القيمة المطلقة لخط العرض) عند جميع خطوط العرض من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي. إذن، أي نوع هو الأفضل على أساس سنوي؟ تُظهر النتائج أن ذلك يعتمد على خط العرض. ومع ذلك، يبرز القمر الصناعي PSAT باعتباره الأكثر كفاءة على أساس سنوي في التقاط ضوء الشمس المباشر في المناطق الاستوائية ومعظم المناطق المعتدلة، ولا يتفوق عليه في المناطق القطبية سوى القمر الصناعي VTSAT بزاوية ميل تساوي القيمة المطلقة لخط العرض. [ 24 ]
أجهزة التتبع ثنائية المحور
تتمتع أجهزة التتبع ثنائية المحور بدرجتي حرية تعملان كمحوري دوران، وعادةً ما يكون هذان المحوران متعامدين. يُعتبر المحور الثابت بالنسبة للأرض محورًا رئيسيًا، بينما يُعتبر المحور المُشار إليه محورًا ثانويًا. توجد عدة تطبيقات شائعة لأجهزة التتبع ثنائية المحور، ويتم تصنيفها حسب اتجاه محورها الرئيسي بالنسبة للأرض. من بين التطبيقات الشائعة: أجهزة التتبع ثنائية المحور ذات الميل والإمالة (TTDAT) وأجهزة التتبع ثنائية المحور ذات السمت والارتفاع (AADAT). يُعد اتجاه الوحدة بالنسبة لمحور التتبع مهمًا عند نمذجة الأداء. عادةً ما تكون وحدات أجهزة التتبع ثنائية المحور موجهة بالتوازي مع محور الدوران الثانوي. تتيح هذه الأجهزة مستويات مثالية من الطاقة الشمسية بفضل قدرتها على تتبع الشمس رأسيًا وأفقيًا. بغض النظر عن موقع الشمس في السماء، تستطيع أجهزة التتبع ثنائية المحور توجيه نفسها مباشرةً نحو الشمس.
إمالة طرفية
يُطلق على نظام التتبع ثنائي المحور (TTDAT) هذا الاسم لأن مجموعة الألواح الشمسية تُثبّت أعلى عمود. يوجد أعلى العمود مفصل عالمي ثنائي المحور يوفر الدوران الأفقي الفعال والإمالة الرأسية للألواح، كما يوفر قدرة تحمل الأحمال الثابتة للمجموعة. يتم التحكم في الإمالة والميل بواسطة مشغلات خارجية. تتم الحركة حول الأفق عن طريق تدوير المجموعة حول أعلى العمود. يتيح ذلك مرونة كبيرة في توصيل الحمولة بالمعدات الأرضية، لعدم وجود التواء في الكابلات حول العمود.
بفضل التصميم الهندسي البسيط، يكفي الحفاظ على محاور الدوران متوازية لتحديد المواقع المناسبة لأجهزة التتبع. عادةً، يجب وضع أجهزة التتبع بكثافة منخفضة نسبيًا لتجنب حجب أحدها للضوء عن الآخر عندما تكون الشمس منخفضة في السماء. إن التباعد الصحيح بين أجهزة التتبع في مصفوفة هو السبيل الوحيد لضمان استغلال طاقة الشمس في الصباح والمساء. إن استغلال طاقة الشمس في الصباح والمساء هو ما يميز جهاز التتبع ثنائي المحور عن أجهزة التتبع الثابتة أو أحادية المحور. تستخدم أجهزة التتبع أحادية المحور تقنية "التراجع" لمعالجة التظليل الذاتي، ولكن هذا لا يمثل مشكلة في أجهزة التتبع ثنائية المحور. إذا كنت ستنفق تكلفة تركيب جهاز تتبع ثنائي المحور، فلماذا التوفير على حساب جودة الطاقة بتقليل تعرضك لشمس المساء؟ وزّع أجهزة التتبع بشكل صحيح واستمتع بأقصى استفادة من الطاقة الشمسية.
عادةً ما تتم محاذاة محاور دوران أجهزة التتبع من الجيل الأول للعديد من أجهزة التتبع ثنائية المحور إما على طول خط الزوال الشمالي الحقيقي أو خط عرض شرقي غربي.
يتميز جهاز تتبع الشمس الموصوف في هذه الفقرة بمحور دوران رئيسي أفقي ومحور دوران ثانوي يظل متعامدًا مع المحور الرئيسي في جميع الأوقات. لا يوجد دوران للمصفوفة حول المحور الرأسي (عند التثبيت على عمود). يسمح الدوران الكلي حول المحورين الرئيسي والثانوي للمصفوفة بالدوران حول المحور الرأسي (أعلى العمود). بفضل الإمكانيات الفريدة لهذا التكوين ووحدة التحكم، يُمكن تتبع الشمس تلقائيًا بالكامل، سواءً على منصات محمولة أو ثابتة. يستجيب جهاز التتبع هذا لموقع الشمس أو ألمع منطقة في السماء الملبدة بالغيوم (الإضاءة المنتشرة). وبالتالي، يمكنه تتبع الشمس حول الأفق أثناء حركتها خلال يوم صيفي قطبي مدته 24 ساعة. لا حاجة لإجراء حسابات فلكية لتحديد موقع الشمس، كما أن اتجاه محاور التتبع ليس ذا أهمية خاصة، ويمكن وضعه حسب الحاجة. [ 26 ]
سمت-ارتفاع
يتميز نظام التتبع ثنائي المحور (AADAT) ذو السمت والارتفاع (أو الارتفاع-السمت ) بمحوره الأساسي (محور السمت) عموديًا على الأرض. أما المحور الثانوي، والذي يُسمى غالبًا محور الارتفاع، فهو عادةً عمودي على المحور الأساسي. يشبه هذا النظام أنظمة الإمالة والميل في طريقة عمله، ولكنه يختلف عنها في طريقة تدوير المصفوفة للتتبع اليومي. فبدلاً من تدوير المصفوفة حول قمة العمود، يمكن لأنظمة AADAT استخدام حلقة كبيرة مثبتة على الأرض، مع تثبيت المصفوفة على سلسلة من البكرات. تتمثل الميزة الرئيسية لهذا الترتيب في توزيع وزن المصفوفة على جزء من الحلقة، بدلاً من نقطة التحميل الوحيدة على العمود في نظام TTDAT. وهذا يسمح لنظام AADAT بدعم مصفوفات أكبر بكثير. ومع ذلك، وعلى عكس نظام TTDAT، لا يمكن وضع نظام AADAT على مسافة أقرب من قطر الحلقة، مما قد يقلل من كثافة النظام، خاصةً مع مراعاة التظليل بين أجهزة التتبع.
البناء والتشييد (الذاتي)
كما سيُشرح لاحقًا، يكمن التوازن الاقتصادي بين تكاليف الألواح الشمسية وأجهزة التتبع. وقد زاد الانخفاض الحاد في تكلفة الألواح الشمسية في أوائل العقد الثاني من الألفية من صعوبة إيجاد حل عملي. وكما هو موضح في الملفات المرفقة، تستخدم معظم الإنشاءات مواد صناعية و/أو ثقيلة غير مناسبة للورش الصغيرة أو الحرفية. حتى العروض التجارية قد تتضمن حلولًا غير ملائمة (كاستخدام صخرة كبيرة) للتثبيت. بالنسبة للإنشاءات الصغيرة (التي يقوم بها هواة)، تشمل المعايير التي يجب استيفاؤها: التكلفة الاقتصادية، وثبات المنتج النهائي في مواجهة المخاطر البيئية، وسهولة التعامل مع المواد، وجودة أعمال النجارة. [ 27 ]
اختيار نوع جهاز التتبع
يعتمد اختيار نوع جهاز التتبع على العديد من العوامل بما في ذلك حجم التركيب، وأسعار الكهرباء، والحوافز الحكومية، وقيود الأراضي، وخط العرض، والطقس المحلي.
تُستخدم أنظمة التتبع الأفقية أحادية المحور عادةً في مشاريع توليد الطاقة الموزعة الكبيرة ومشاريع الطاقة الشمسية واسعة النطاق. ويؤدي الجمع بين تحسين كفاءة الطاقة، وانخفاض تكلفة المنتج، وسهولة التركيب إلى جدوى اقتصادية جذابة في عمليات النشر واسعة النطاق. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ الأداء القوي في فترة ما بعد الظهر مرغوبًا فيه بشكل خاص لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصلة بالشبكة، بحيث يتوافق الإنتاج مع أوقات ذروة الطلب. كما تُضيف أنظمة التتبع الأفقية أحادية المحور إنتاجية كبيرة خلال فصلي الربيع والصيف عندما تكون الشمس في كبد السماء. وتؤدي متانة هيكلها الداعم وبساطة آلية عملها إلى موثوقية عالية، مما يُبقي تكاليف الصيانة منخفضة. ونظرًا لأن الألواح أفقية، يُمكن وضعها بشكل مُدمج على أنبوب المحور دون خطر التظليل الذاتي، كما يسهل الوصول إليها للتنظيف.
يدور نظام التتبع ذو المحور الرأسي حول محور رأسي فقط، مع تثبيت الألواح بزاوية ارتفاع ثابتة أو قابلة للتعديل أو يتم تتبعها. تُعدّ أنظمة التتبع هذه، ذات الزوايا الثابتة أو القابلة للتعديل (موسميًا)، مناسبة لخطوط العرض العليا، حيث لا يكون مسار الشمس الظاهري مرتفعًا بشكل خاص، ولكنه يؤدي إلى أيام طويلة في الصيف، حيث تتحرك الشمس عبر قوس طويل.
تُستخدم أنظمة التتبع ثنائية المحور عادةً في المنشآت السكنية الصغيرة والمناطق ذات تعريفات التغذية الحكومية المرتفعة. وبالطبع، سيتغير هذا الوضع عندما تُدرك الصناعات المرتبطة بالطاقة الشمسية أهمية خسارة 30% من الطاقة المُنتجة خلال فترات ذروة الطلب. وستُحفز الحوافز المُقدمة لإنتاج الطاقة الشمسية عند الحاجة إليها بشدة الاهتمام المُتجدد بأنظمة التتبع ثنائية المحور.
الخلايا الكهروضوئية المركزة متعددة المرايا
يستخدم هذا الجهاز مرايا متعددة مرتبة أفقيًا لعكس ضوء الشمس لأعلى نحو نظام عالي الحرارة يتطلب طاقة شمسية مركزة. يتم تقليل المشاكل الهيكلية والتكاليف بشكل كبير نظرًا لعدم تعرض المرايا لأحمال الرياح بشكل ملحوظ. وبفضل آلية حاصلة على براءة اختراع، لا يتطلب كل جهاز سوى نظامي تشغيل. ونظرًا لتصميمه، يُعد هذا الجهاز مناسبًا بشكل خاص للاستخدام على الأسطح المستوية وفي خطوط العرض المنخفضة. تنتج كل وحدة من الوحدات الموضحة حوالي 200 واط من الطاقة الكهربائية المستمرة.
استُخدم نظام عاكس متعدد المرايا مُدمج مع برج طاقة مركزي في محطة سييرا صن تاور ، الواقعة في لانكستر، كاليفورنيا. وقد عملت محطة توليد الطاقة هذه، التي تديرها شركة إي سولار ، من عام 2009 إلى عام 2014. واعتمد هذا النظام، الذي استخدم عدة مرايا عاكسة في محاذاة شمالية جنوبية، على أجزاء وهياكل مُسبقة الصنع كوسيلة لتقليل تكاليف بدء التشغيل والتشغيل.
أنواع محركات الأقراص
متتبع نشط
تستخدم أنظمة التتبع النشطة محركات وسلاسل تروس لتتبع حركة الشمس. ويمكنها استخدام معالجات دقيقة ومستشعرات، أو خوارزميات تعتمد على التاريخ والوقت، أو مزيج من الاثنين معًا، لتحديد موقع الشمس. وللتحكم في حركة هذه الهياكل الضخمة وإدارتها، تُصمَّم محركات دوران خاصة وتُختَبَر بدقة. وتتطور التقنيات المستخدمة لتوجيه نظام التتبع باستمرار، وقد شملت التطورات الحديثة في جوجل وإيترنيجي استخدام أسلاك فولاذية ورافعات لاستبدال بعض المكونات الأكثر تكلفة وهشاشة.
يمكن استخدام محركات دوران متعاكسة مثبتة على دعامة بزاوية ثابتة لإنشاء طريقة تتبع "متعددة المحاور" تلغي الدوران بالنسبة للمحاذاة الطولية. هذه الطريقة، عند تركيبها على عمود أو دعامة، تولد كهرباء أكثر من الألواح الكهروضوئية الثابتة، ولن تدور مصفوفة الألواح الكهروضوئية أبدًا في مسار موقف السيارات. كما أنها تتيح أقصى قدر من توليد الطاقة الشمسية في أي اتجاه تقريبًا لمسار/صف موقف السيارات، بما في ذلك الدائري أو المنحني.
تُستخدم أجهزة التتبع النشطة ثنائية المحور أيضًا لتوجيه المرايا الشمسية المتحركة، التي تعكس ضوء الشمس نحو الممتص في محطة الطاقة المركزية . ونظرًا لأن لكل مرآة في حقل واسع اتجاهًا فرديًا، يتم التحكم في هذه الاتجاهات برمجيًا من خلال نظام حاسوبي مركزي، مما يسمح أيضًا بإيقاف تشغيل النظام عند الضرورة.
تحتوي أجهزة التتبع الحساسة للضوء عادةً على مستشعرين ضوئيين أو أكثر ، مثل الثنائيات الضوئية ، مُهيأة بشكل تفاضلي بحيث تُخرج إشارة صفرية عند استقبال نفس التدفق الضوئي. ميكانيكيًا، يجب أن تكون هذه المستشعرات شاملة الاتجاهات (أي مسطحة) وموجهة بزاوية 90 درجة. سيؤدي ذلك إلى توازن الجزء الأكثر انحدارًا من دوال نقل جيب التمام عند الجزء الأكثر انحدارًا، مما يُترجم إلى أقصى حساسية. لمزيد من المعلومات حول وحدات التحكم، راجع قسم الإضاءة النهارية النشطة .
بما أن المحركات تستهلك الطاقة، يُفضّل استخدامها عند الضرورة فقط. لذا، بدلاً من الحركة المستمرة، يُحرّك الهيليوستات بخطوات منفصلة. كذلك، إذا كان الضوء أقل من حدٍّ معين، فلن تُولّد طاقة كافية لإعادة التوجيه. وينطبق هذا أيضاً عندما لا يكون هناك فرق كافٍ في مستوى الإضاءة بين اتجاهين، كما هو الحال عند مرور السحب فوق الرأس. يجب مراعاة عدم إهدار الطاقة في جهاز التتبع خلال فترات الغيوم.
جهاز تتبع سلبي
تستخدم معظم أنظمة التتبع السلبية الشائعة غازًا مضغوطًا منخفض درجة الغليان ، يُدفع إلى أحد الجانبين (بفعل حرارة الشمس التي تولد ضغطًا غازيًا) لتحريك النظام استجابةً لأي اختلال في التوازن. ولأن هذا التوجيه غير دقيق، فهو غير مناسب لأنواع معينة من مُجمِّعات الخلايا الكهروضوئية المركزة، ولكنه يعمل بكفاءة مع أنواع الألواح الكهروضوئية الشائعة. تحتوي هذه الألواح على مخمدات لزجة لمنع الحركة المفرطة استجابةً لهبات الرياح. تُستخدم عواكس/مظلات لعكس ضوء الشمس في الصباح الباكر "لتنشيط" اللوح وإمالته نحو الشمس، وهو ما قد يستغرق عدة ساعات، حسب ظروف التظليل. يمكن تقليل وقت هذه العملية بشكل كبير بإضافة رباط ذاتي الفك يُثبِّت اللوح قليلًا بعد نقطة سمت الرأس (بحيث لا يضطر السائل للتغلب على الجاذبية) واستخدام الرباط في المساء. (يمنع زنبرك مرن فك الرباط في ظروف الرياح الليلية).
يستخدم نوع جديد من أجهزة التتبع السلبي للألواح الشمسية الكهروضوئية صورة ثلاثية الأبعاد خلف شرائح الخلايا الكهروضوئية، بحيث يمر ضوء الشمس عبر الجزء الشفاف من الوحدة وينعكس على الصورة الثلاثية الأبعاد. يسمح هذا لضوء الشمس بالوصول إلى الخلايا من الخلف، مما يزيد من كفاءة الوحدة. كما أن اللوحة لا تحتاج إلى الحركة لأن الصورة الثلاثية الأبعاد تعكس ضوء الشمس دائمًا من الزاوية الصحيحة باتجاه الخلايا.
التتبع اليدوي
في بعض الدول النامية، استُبدلت المحركات بمشغلين يقومون بضبط أجهزة التتبع. وهذا يوفر مزايا عديدة، منها المتانة، وتوافر كوادر للصيانة، وخلق فرص عمل للسكان المجاورين للموقع.
المباني الدوارة
في مدينة فرايبورغ إم برايسغاو الألمانية، بنى رولف ديش مبنى " هيليوتروب" السكني عام 1996، وهو مبنى يدور مع الشمس ويحتوي على شراع كهروضوئي ثنائي المحور إضافي على سطحه. ينتج هذا الشراع أربعة أضعاف الطاقة التي يستهلكها المبنى.
يُعدّ منزل جيميني مثالاً فريداً على نظام تتبع محوري رأسي. يدور هذا المنزل الأسطواني في النمسا (خط عرض يزيد عن 45 درجة شمالاً ) بكامله لتتبع الشمس، حيث تُثبّت ألواح شمسية رأسية على أحد جوانب المبنى، وتدور بشكل مستقل، مما يسمح بالتحكم في التدفئة الطبيعية من الشمس.
منزل ريفولت هو منزل دوّار عائم صمّمه طلاب جامعة دلفت للتكنولوجيا للمشاركة في مسابقة سولار ديكاتلون أوروبا في مدريد . اكتمل بناء المنزل في سبتمبر 2012. تتوجّه واجهته المعتمة نحو الشمس صيفًا لمنع ارتفاع درجة حرارة داخله. أما شتاءً، فتواجه واجهة زجاجية الشمس لتوفير التدفئة الشمسية السلبية للمنزل. ولأن المنزل يطفو على الماء بانسيابية تامة، فإن تدويره لا يتطلب طاقة كبيرة. [ 28 ]
العيوب
تُضيف أنظمة التتبع تكاليف وصيانة إضافية للنظام؛ فإذا زادت التكلفة بنسبة 25%، وحسّنت الإنتاجية بنسبة 25%، يُمكن الحصول على الأداء نفسه بزيادة حجم النظام بنسبة 25%، ما يُلغي الحاجة إلى الصيانة الإضافية. [ 29 ] كان التتبع فعالاً من حيث التكلفة في الماضي عندما كانت وحدات الخلايا الكهروضوئية باهظة الثمن مقارنةً باليوم. ولأنها كانت باهظة الثمن، كان من المهم استخدام التتبع لتقليل عدد الألواح المستخدمة في نظام ذي إنتاجية طاقة مُحددة. ولكن مع انخفاض أسعار الألواح، تتضاءل فعالية التتبع من حيث التكلفة مقارنةً باستخدام عدد أكبر من الألواح. مع ذلك، في المنشآت غير المتصلة بالشبكة حيث تُخزّن البطاريات الطاقة للاستخدام الليلي، يُقلل نظام التتبع ساعات استخدام الطاقة المُخزّنة، ما يُقلل من سعة البطارية المطلوبة. ولأن البطاريات نفسها باهظة الثمن (سواءً كانت خلايا حمض الرصاص التقليدية الثابتة أو بطاريات الليثيوم أيون الأحدث)، يجب تضمين تكلفتها في تحليل التكلفة.
لا يُعدّ نظام التتبع مناسبًا لتركيبات الطاقة الشمسية الكهروضوئية المنزلية التقليدية على أسطح المنازل. فبما أن التتبع يتطلب إمالة الألواح أو تحريكها، فلا بد من اتخاذ تدابير تسمح بذلك. وهذا يستلزم وضع الألواح على مسافة كبيرة من السطح، مما يستلزم تركيب دعامات مكلفة ويزيد من مقاومة الرياح. كما أن هذا التصميم لا يُضفي مظهرًا جماليًا على أسطح المنازل. لهذا السبب (ولارتفاع تكلفة هذا النظام)، لا يُستخدم نظام التتبع في تركيبات الطاقة الشمسية على أسطح المنازل، ومن غير المرجح استخدامه فيها مستقبلًا. ويصدق هذا بشكل خاص مع استمرار انخفاض تكلفة وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، مما يجعل زيادة عدد الوحدات للحصول على طاقة أكبر الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة. يُمكن استخدام نظام التتبع (ويُستخدم أحيانًا) في تركيبات الطاقة الشمسية الأرضية المنزلية، حيث تتوفر حرية حركة أكبر.
قد يتسبب نظام التتبع أيضًا في مشاكل التظليل. فمع تحرك الألواح الشمسية خلال النهار، قد يؤدي تقاربها الشديد إلى تظليل بعضها البعض نتيجة لتأثير زاوية الرؤية. على سبيل المثال، إذا وُضعت عدة ألواح في صف واحد من الشرق إلى الغرب، فلن يكون هناك تظليل وقت الظهيرة، ولكن في فترة ما بعد الظهر، قد تُظلل الألواح المجاورة لها من جهة الغرب إذا كانت متقاربة بما يكفي. هذا يعني ضرورة وجود مسافة كافية بين الألواح في أنظمة التتبع لمنع التظليل، الذي قد يقلل من الطاقة المتاحة من منطقة معينة خلال ساعات ذروة سطوع الشمس. لا تُعد هذه مشكلة كبيرة إذا كانت مساحة الأرض كافية لتباعد الألواح على نطاق واسع. ولكنها ستؤدي إلى انخفاض الإنتاج خلال ساعات معينة من اليوم (مثل وقت الظهيرة) مقارنةً بنظام ثابت. يُطلق على تحسين هذه المشكلة رياضيًا اسم "التراجع".
علاوة على ذلك، فإن أنظمة التتبع أحادية المحور عرضة لعدم الاستقرار عند سرعات رياح معتدلة نسبيًا (الاهتزاز). ويعود ذلك إلى عدم استقرارها الالتوائي. لذا، يجب تطبيق تدابير مضادة للاهتزاز، مثل التخزين التلقائي والمخمدات الخارجية. [ 30 ]
انظر أيضاً
- معامل كتلة الهواء
- الخلايا الشمسية ثنائية الوجه - مصفوفة شمسية ثنائية الوجه عمودية
- الهيليوستات
- طاقة شمسية
- مسار الشمس
- نيكست باور
مراجع
- ١ ٢ "تصل شحنات أجهزة تتبع الطاقة الشمسية العالمية إلى ١١١ جيجاواط في عام ٢٠٢٤" . مجلة الطاقة الشمسية الأسترالية . ١٧ يونيو ٢٠٢٥.
- ↑ العملاء يدركون قوة تتبع الطاقة الشمسية (تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 مارس 2012)
- ↑ "تحديث بيانات الطاقة الشمسية على نطاق المرافق في الولايات المتحدة لعام 2025 | أسواق الطاقة والتخطيط" . emp.lbl.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 فبراير 2026 .
- ^ أنطونيو ل. لوك. فياتشيسلاف م. أندريف (2007). الخلايا الكهروضوئية المركزة . سبرينغر فيرلاغ. رقم ISBN 978-3-540-68796-2.
- ↑ Ignacio Luque-Heredia et al.، "The Sun Tracker in Concentrator Photovoltaics" في Cristobal، AB، Martí، A.، and Luque، A. الجيل القادم من الخلايا الكهروضوئية ، Springer Verlag، 2012 ISBN 978-3642233692
- 1 2 900 واط/م² إشعاع مباشر من أصل 1000 واط/م² إجمالي ، وفقًا لبيانات الإشعاع الطيفي الشمسي المرجعي: كتلة الهواء 1.5، NREL. تم الاطلاع عليه في 1 مايو 2011.
- 1 2 ستيوارت بودن؛ كريستيانا هونسبرغ. "الكتلة الهوائية" . تعليم الرؤية الحاسوبية . تم الاسترجاع في 1 مايو 2011 .
- ↑ على سبيل المثال، الشكل 6 (Si+SiO 2 SLAR) في "أسطح نانوية محاكاة حيوية لانعكاس شبه معدوم من شروق الشمس إلى غروبها" ، ستيوارت أ. بودن، دارين م. باغنال، جامعة ساوثهامبتون. تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 يونيو 2011.
- ↑ راجيندر شارما (يوليو 2019). "تأثير ميل الضوء الساقط على أداء الخلايا الشمسية السيليكونية" . هيليون . 5 ( 7) e01965. Bibcode : 2019Heliy...501965S . doi : 10.1016/j.heliyon.2019.e01965 . PMC 6611928. PMID 31317080 .
- ↑ سوريانارايانا فاسانثا جاناكيرامان (أبريل 2013). تحليل زاوية السقوط وتدهور الطاقة للوحدات الكهروضوئية (PDF) .رسالة ماجستير.
- ↑ ديفيد لوبيتز ويليام (2011). "تأثير تعديلات الميل اليدوية على الإشعاع الشمسي الساقط على الألواح الشمسية الثابتة والمتحركة". الطاقة التطبيقية . 88 (5): 1710-1719 . Bibcode : 2011ApEn...88.1710L . doi : 10.1016/j.apenergy.2010.11.008 .
- ↑ ديفيد كوك، "تتبع الشمس أحادي المحور مقابل ثنائي المحور" ، مجلة الطاقة البديلة الإلكترونية ، أبريل 2011
- 1 2 انظر الجدول في معامل كتلة الهواء
- ↑ دوبي سوابنيل؛ ناروتام سارفاييا جاتين؛ سيشادري بهارات (2013). "كفاءة الخلايا الكهروضوئية المعتمدة على درجة الحرارة وتأثيرها على إنتاج الخلايا الكهروضوئية في العالم - مراجعة" . Energy Procedia . 33 : 311-321 . Bibcode : 2013EnPro..33..311D . doi : 10.1016/j.egypro.2013.05.072 . hdl : 10356/106457 .
- ↑ جاي، سي إف؛ ويلسون، جيه إتش؛ ويركس، جيه دبليو (1982). "مزايا الأداء لتتبع المحورين لأنظمة الطاقة الكهروضوئية ذات الألواح المسطحة الكبيرة". المؤتمر السادس عشر لمتخصصي الخلايا الكهروضوئية . المجلد 16. ص 1368. رمز Bibcode : 1982pvsp.conf.1368G . OSTI 5379108 .
- ↑ كينغ، د. ل.؛ بويسون، و. إ.؛ كراتوشفيل، ج. أ. (2002). "تحليل العوامل المؤثرة على الإنتاج السنوي للطاقة لأنظمة الخلايا الكهروضوئية". وقائع المؤتمر التاسع والعشرين لمتخصصي الخلايا الكهروضوئية التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، 2002. الصفحات 1356-1361 . doi : 10.1109/PVSC.2002.1190861 . ISBN 978-0-7803-7471-3. S2CID 18463433 .
- ↑ بوفي، دانيال (21 أبريل 2019). "مهندسون هولنديون يبنون أكبر مزرعة طاقة شمسية في العالم موجهة نحو الشمس" . صحيفة الغارديان : 22. ISSN 0261-3077 .
- ↑ "محطة غولدمود 3 ميغاواط HCPV" . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 13 ديسمبر 2014. تم الاطلاع عليها بتاريخ 19 سبتمبر 2014 .
- ↑ "مشروع تشينداو" . مؤرشف من الأصل في 13 ديسمبر 2014. تم الاطلاع عليه في 19 سبتمبر 2014 .
- ↑ تشافيز، خوليو (2015). مقدمة في البصريات غير التصويرية، الطبعة الثانية . مطبعة سي آر سي . رقم ISBN 978-1-4822-0673-9.
- ^ رولاند ونستون. خوان سي مينيانو؛ بابلو بينيتيز (2005). البصريات غير التصويرية . الصحافة الأكاديمية. رقم ISBN 978-0-12-759751-5.
- ↑ «شركة Suntrix تُشغّل جهاز التتبع المبتكر الخاص بها في شيتيشان» . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 سبتمبر 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 سبتمبر 2014 .
- ↑ مثال على HTSAT مؤرشف في 16 سبتمبر 2014 على Wayback Machine
- ↑ تشانغ، ت.، ستاكهاوس الابن، ب. و.، باتاديا، ف.، ألورو، ن.، ماكفرسون، ب.، وميكوفيتز، ج. س.، 2025. صيغة عالمية قائمة على المتجهات للهندسة الشمسية لأجهزة التتبع أحادية المحور: تطبيق على خمسة أنواع نموذجية وأدائها عند قمة الغلاف الجوي وعلى السطح في الزمان والمكان. الطاقة الشمسية ، 302 (2025) 114015. https://doi.org/10.1016/j.solener.2025.114015
- ^ "سيزيوانجكي 320 كيلو وات" . تم الاسترجاع 16 سبتمبر 2014 .
{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link ) - ↑ "أجهزة تتبع الطاقة الشمسية المحمولة" ، شركة موزر المحدودة
- ↑ برينسلو، جي جي ودوبسون، آر تي (572). تتبع الشمس (كتاب إلكتروني) . ص 1. doi : 10.13140/RG.2.1.4265.6329/1 . ISBN 978-0-620-61576-1.
{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة ) - ↑ مهندسون معماريون، جامعة دلفت للتكنولوجيا. "بيت الثورة" . أرتشيلو . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 فبراير 2020 .
- ↑ أجهزة تتبع الشمس: الإيجابيات والسلبيات ( مؤرشف في 22 فبراير 2019 في أرشيف الإنترنت، تم الاطلاع عليه في 4 مارس 2012)
- ↑ عدم استقرار الالتواء لأنظمة تتبع الطاقة الشمسية أحادية المحور (ملف PDF) . المؤتمر الدولي الرابع عشر لهندسة الرياح. بورتو أليغري، البرازيل. 21-26 يونيو 2015. تاريخ الاطلاع: 17 فبراير 2023 .
- طاقة شمسية
- التتبع
- الخلايا الكهروضوئية