جهاز تتبع شمسي أوتوماتيكي بالكامل: المبدأ والتكنولوجيا والتطبيق المبتكر

نظرة عامة على المعدات
يُعدّ جهاز تتبع الشمس الأوتوماتيكي بالكامل نظامًا ذكيًا يستشعر سمت الشمس وارتفاعها في الوقت الفعلي، ويُشغّل الألواح الكهروضوئية أو المُركّزات أو معدات الرصد للحفاظ دائمًا على أفضل زاوية مع أشعة الشمس. وبالمقارنة مع الأجهزة الشمسية الثابتة، يُمكنه زيادة كفاءة استقبال الطاقة بنسبة تتراوح بين 20% و40%، وله قيمة كبيرة في توليد الطاقة الكهروضوئية، وتنظيم الإضاءة الزراعية، والرصد الفلكي، وغيرها من المجالات.

مكونات التكنولوجيا الأساسية
نظام الإدراك
مصفوفة مستشعرات كهروضوئية: استخدم ثنائيًا ضوئيًا رباعي الأجزاء أو مستشعر صور CCD للكشف عن الاختلاف في توزيع شدة ضوء الشمس
تعويض الخوارزمية الفلكية: نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المدمج وقاعدة بيانات التقويم الفلكي، لحساب مسار الشمس والتنبؤ به في الطقس الممطر
الكشف المدمج متعدد المصادر: دمج مستشعرات شدة الضوء ودرجة الحرارة وسرعة الرياح لتحقيق تحديد المواقع في حالة عدم وجود تداخل (مثل التمييز بين ضوء الشمس وتداخل الضوء).
نظام التحكم
هيكل محرك ثنائي المحور:
محور الدوران الأفقي (السمت): يتحكم محرك الخطوة في الدوران من 0 إلى 360 درجة، بدقة ±0.1 درجة
محور ضبط زاوية الميل (زاوية الارتفاع): يتيح قضيب الدفع الخطي ضبطًا من -15° إلى 90° للتكيف مع تغير ارتفاع الشمس في الفصول الأربعة
خوارزمية التحكم التكيفي: استخدم التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID) ذو الحلقة المغلقة لضبط سرعة المحرك ديناميكيًا لتقليل استهلاك الطاقة
الهيكل الميكانيكي
دعامة مركبة خفيفة الوزن: مادة ألياف الكربون تحقق نسبة قوة إلى وزن تبلغ 10:1، ومستوى مقاومة للرياح يبلغ 10
نظام محامل ذاتي التنظيف: مستوى حماية IP68، طبقة تشحيم جرافيت مدمجة، وعمر تشغيلي متواصل في بيئة صحراوية يتجاوز 5 سنوات
حالات التطبيق النموذجية
1. محطة طاقة كهروضوئية مركزة عالية القدرة (CPV)

تم نشر نظام التتبع Array Technologies DuraTrack HZ v3 في حديقة الطاقة الشمسية في دبي، الإمارات العربية المتحدة، باستخدام خلايا شمسية متعددة الوصلات من النوع III-V:

يتيح التتبع ثنائي المحور كفاءة تحويل الطاقة الضوئية بنسبة 41% (بينما تبلغ كفاءة الأقواس الثابتة 32% فقط).

مزودة بوضع مقاومة الأعاصير: عندما تتجاوز سرعة الرياح 25 مترًا في الثانية، يتم تعديل اللوحة الكهروضوئية تلقائيًا إلى زاوية مقاومة للرياح لتقليل خطر التلف الهيكلي.

2. دفيئة زراعية ذكية تعمل بالطاقة الشمسية

جامعة فاغينينغين في هولندا تدمج نظام تتبع عباد الشمس SolarEdge في دفيئة الطماطم:

يتم تعديل زاوية سقوط ضوء الشمس ديناميكيًا من خلال مصفوفة العاكسات لتحسين تجانس الضوء بنسبة 65%

بالإضافة إلى نموذج نمو النبات، فإنه ينحرف تلقائيًا بزاوية 15 درجة خلال فترة الضوء القوي في الظهيرة لتجنب احتراق الأوراق

3. منصة رصد فلكي فضائية
يستخدم مرصد يونان التابع للأكاديمية الصينية للعلوم نظام التتبع الاستوائي ASA DDM85:

في وضع تتبع النجوم، تصل الدقة الزاوية إلى 0.05 ثانية قوسية، مما يلبي احتياجات التعريض طويل الأمد للأجرام السماوية البعيدة.

باستخدام الجيروسكوبات الكوارتزية للتعويض عن دوران الأرض، يكون خطأ التتبع على مدار 24 ساعة أقل من 3 دقائق قوسية

4. نظام إنارة الشوارع في المدينة الذكية
مشروع تجريبي لإضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية في منطقة تشيانهاي بمدينة شنتشن:

يساهم نظام التتبع ثنائي المحور وخلايا السيليكون أحادية البلورة في وصول متوسط ​​إنتاج الطاقة اليومي إلى 4.2 كيلوواط ساعة، مما يدعم عمر بطارية يصل إلى 72 ساعة في الأجواء الممطرة والغيوم.

يُعاد ضبطه تلقائيًا إلى الوضع الأفقي ليلًا لتقليل مقاومة الرياح وليكون بمثابة منصة تركيب لمحطة قاعدة صغيرة من الجيل الخامس.

5. سفينة تحلية المياه بالطاقة الشمسية
مشروع "سولار سيلور" في جزر المالديف:

يتم وضع غشاء كهروضوئي مرن على سطح الهيكل، ويتم تحقيق تتبع تعويض الأمواج من خلال نظام قيادة هيدروليكي.

بالمقارنة مع الأنظمة الثابتة، يزداد إنتاج المياه العذبة اليومي بنسبة 28%، مما يلبي الاحتياجات اليومية لمجتمع مكون من 200 شخص.

اتجاهات تطوير التكنولوجيا
تحديد المواقع باستخدام دمج بيانات من عدة مستشعرات: دمج تقنية SLAM البصرية وتقنية الليدار لتحقيق دقة تتبع تصل إلى مستوى السنتيمتر في التضاريس المعقدة

تحسين استراتيجية القيادة بالذكاء الاصطناعي: استخدام التعلم العميق للتنبؤ بمسار حركة السحب وتخطيط مسار التتبع الأمثل مسبقًا (تشير تجارب معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى أنه يمكن أن يزيد من إنتاج الطاقة اليومي بنسبة 8٪).

تصميم الهيكل الحيوي: محاكاة آلية نمو عباد الشمس وتطوير جهاز توجيه ذاتي من مادة مطاط الكريستال السائل بدون محرك (حقق النموذج الأولي لمختبر KIT الألماني توجيهًا بزاوية ±30 درجة).

مصفوفة الخلايا الكهروضوئية الفضائية: يحقق نظام SSPS الذي طورته وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA) نقل طاقة الميكروويف من خلال هوائي مصفوفة طورية، ويبلغ خطأ تتبع المدار المتزامن أقل من 0.001 درجة.

اقتراحات للاختيار والتنفيذ
محطة طاقة كهروضوئية صحراوية، مقاومة للتآكل الناتج عن الرمال والغبار، تعمل في درجات حرارة عالية تصل إلى 50 درجة مئوية، مزودة بمحرك تخفيض توافقي مغلق ووحدة تبريد هوائي لتبديد الحرارة

محطة أبحاث قطبية، بدء تشغيل في درجات حرارة منخفضة تصل إلى -60 درجة مئوية، مقاومة لأحمال الجليد والثلج، محمل تسخين + دعامة من سبائك التيتانيوم

نظام كهروضوئي منزلي موزع، تصميم هادئ (أقل من 40 ديسيبل)، تركيب خفيف الوزن على السطح، نظام تتبع أحادي المحور + محرك تيار مستمر بدون فرش

خاتمة
مع التطورات التكنولوجية في مجالات مثل مواد البيروفسكايت الكهروضوئية ومنصات التشغيل والصيانة الرقمية التوأمية، تتطور أجهزة تتبع الطاقة الشمسية الأوتوماتيكية بالكامل من مجرد "متابعة سلبية" إلى "تعاون تنبؤي". وفي المستقبل، ستُظهر هذه الأجهزة إمكانات تطبيقية أكبر في مجالات محطات الطاقة الشمسية الفضائية، ومصادر الإضاءة الاصطناعية الضوئية، ومركبات استكشاف الفضاء بين النجوم.