نظرة عامة على المعدات
جهاز التتبع الشمسي الأوتوماتيكي بالكامل هو نظام ذكي يستشعر سمت وارتفاع الشمس آنيًا، مما يُشغّل الألواح الكهروضوئية، أو المُركّزات، أو معدات الرصد للحفاظ على أفضل زاوية مع أشعة الشمس. وبالمقارنة مع الأجهزة الشمسية الثابتة، يُمكن لهذا النظام زيادة كفاءة استقبال الطاقة بنسبة 20%-40%، وله أهمية كبيرة في توليد الطاقة الكهروضوئية، وتنظيم الإضاءة الزراعية، والرصد الفلكي، وغيرها من المجالات.
تكوين التكنولوجيا الأساسية
نظام الإدراك
مجموعة أجهزة الاستشعار الضوئية الكهربائية: استخدم الثنائي الضوئي رباعي الأرباع أو مستشعر الصور CCD لاكتشاف الفرق في توزيع شدة الضوء الشمسي
تعويض الخوارزمية الفلكية: نظام تحديد المواقع العالمي المدمج وقاعدة بيانات التقويم الفلكي، وحساب وتوقع مسار الشمس في الطقس الممطر
اكتشاف الاندماج متعدد المصادر: الجمع بين شدة الضوء ودرجة الحرارة وسرعة الرياح لتحقيق تحديد المواقع المضادة للتداخل (مثل التمييز بين ضوء الشمس وتداخل الضوء)
نظام التحكم
هيكل محرك ثنائي المحور:
محور الدوران الأفقي (السمت): يتحكم المحرك المتدرج في الدوران من 0 إلى 360 درجة، بدقة ±0.1 درجة
محور تعديل درجة الحرارة (زاوية الارتفاع): يحقق قضيب الدفع الخطي تعديلًا يتراوح بين -15° و90° للتكيف مع تغير ارتفاع الشمس في أربعة فصول
خوارزمية التحكم التكيفي: استخدم التحكم في الحلقة المغلقة PID لضبط سرعة المحرك بشكل ديناميكي لتقليل استهلاك الطاقة
الهيكل الميكانيكي
دعامة مركبة خفيفة الوزن: تحقق مادة ألياف الكربون نسبة قوة إلى وزن تبلغ 10:1، ومستوى مقاومة للرياح يبلغ 10
نظام محمل التنظيف الذاتي: مستوى حماية IP68، وطبقة تشحيم الجرافيت المدمجة، وعمر التشغيل المستمر في بيئة صحراوية يتجاوز 5 سنوات
حالات التطبيق النموذجية
1. محطة الطاقة الكهروضوئية المركزة عالية الطاقة (CPV)
تم نشر نظام التتبع DuraTrack HZ v3 من Array Technologies في Solar Park في دبي، الإمارات العربية المتحدة، باستخدام خلايا شمسية متعددة الوصلات III-V:
يتيح التتبع ثنائي المحور كفاءة تحويل طاقة الضوء بنسبة 41% (الأقواس الثابتة تبلغ 32% فقط)
مزود بوضع الإعصار: عندما تتجاوز سرعة الرياح 25 مترًا في الثانية، يتم ضبط اللوحة الكهروضوئية تلقائيًا إلى زاوية مقاومة للرياح لتقليل خطر الأضرار الهيكلية
2. دفيئة زراعية شمسية ذكية
جامعة فاجينينجن في هولندا تدمج نظام تتبع عباد الشمس SolarEdge في دفيئة الطماطم:
يتم تعديل زاوية سقوط ضوء الشمس بشكل ديناميكي من خلال مجموعة العاكس لتحسين تجانس الضوء بنسبة 65٪
عند دمجه مع نموذج نمو النبات، فإنه ينحرف تلقائيًا بمقدار 15 درجة خلال فترة الضوء القوي في الظهيرة لتجنب حرق الأوراق
3. منصة المراقبة الفلكية الفضائية
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 التعرض الطويل الأمد لأجرام السماء العميقة
باستخدام جيروسكوبات الكوارتز للتعويض عن دوران الأرض، فإن خطأ التتبع على مدار 24 ساعة أقل من 3 دقائق قوسية
4. نظام إضاءة شوارع المدينة الذكية
مشروع SolarTree التجريبي لإضاءة الشوارع الكهروضوئية في منطقة شنتشن تشيانهاي:
يجعل التتبع ثنائي المحور + خلايا السيليكون أحادية البلورة متوسط توليد الطاقة اليومي يصل إلى 4.2 كيلووات ساعة، مما يدعم عمر بطارية يصل إلى 72 ساعة في الطقس الممطر والغائم
يتم إعادة الضبط تلقائيًا إلى الوضع الأفقي في الليل لتقليل مقاومة الرياح والعمل كمنصة تثبيت لمحطة قاعدة صغيرة 5G
5. سفينة تحلية المياه بالطاقة الشمسية
مشروع "SolarSailor" في جزر المالديف:
يتم وضع فيلم كهروضوئي مرن على سطح الهيكل، ويتم تحقيق تتبع تعويض الموجة من خلال نظام دفع هيدروليكي
بالمقارنة مع الأنظمة الثابتة، يتم زيادة إنتاج المياه العذبة اليومي بنسبة 28%، مما يلبي الاحتياجات اليومية لمجتمع مكون من 200 شخص
اتجاهات تطوير التكنولوجيا
تحديد المواقع بالاندماج مع أجهزة استشعار متعددة: الجمع بين تقنية SLAM البصرية والليدار لتحقيق دقة تتبع على مستوى السنتيمتر في ظل التضاريس المعقدة
تحسين استراتيجية قيادة الذكاء الاصطناعي: استخدام التعلم العميق للتنبؤ بمسار حركة السحب والتخطيط لمسار التتبع الأمثل مسبقًا (تظهر تجارب معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أنه يمكن أن يزيد من توليد الطاقة اليومي بنسبة 8٪)
تصميم الهيكل الحيوي: تقليد آلية نمو عباد الشمس وتطوير جهاز توجيه ذاتي من مادة الإيلاستومر البلوري السائل بدون محرك (حقق النموذج الأولي لمختبر KIT الألماني توجيهًا بزاوية ±30 درجة)
مجموعة الخلايا الكهروضوئية الفضائية: يحقق نظام SSPS الذي طورته وكالة استكشاف الفضاء اليابانية JAXA نقل طاقة الموجات الدقيقة من خلال هوائي مجموعة طورية، ويبلغ خطأ تتبع المدار المتزامن <0.001 درجة
اقتراحات الاختيار والتنفيذ
محطة طاقة شمسية صحراوية، مقاومة للتآكل بالرمال والغبار، تشغيل بدرجة حرارة عالية 50 درجة مئوية، محرك اختزال توافقي مغلق + وحدة تبديد حرارة تبريد الهواء
محطة أبحاث قطبية، بدء التشغيل بدرجة حرارة منخفضة -60 درجة مئوية، حمل مضاد للجليد والثلوج، محمل تسخين + دعامة من سبائك التيتانيوم
الطاقة الشمسية الموزعة في المنزل، تصميم صامت (<40 ديسيبل)، تركيب خفيف الوزن على السطح، نظام تتبع أحادي المحور + محرك تيار مستمر بدون فرشاة
خاتمة
مع التطورات في تقنيات مثل مواد البيروفسكايت الكهروضوئية ومنصات التشغيل والصيانة الرقمية التوأمية، تتطور أجهزة التتبع الشمسي الآلية بالكامل من "التتبع السلبي" إلى "التعاون التنبئي". وفي المستقبل، ستُظهر هذه الأجهزة إمكانات تطبيقية أكبر في مجالات محطات الطاقة الشمسية الفضائية، ومصادر الضوء الاصطناعي المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي، ومركبات الاستكشاف بين النجوم.
وقت النشر: ١١ فبراير ٢٠٢٥