الفهرس
عادة ما يتم تركيب الألواح الكهروضوئية على زاوية ميلان محددة بحيث تتعرض لأكبر قدر ممكن من الإشعاع الشمسي طيلة فترة تشغيلها. ووجد العلماء أنه يمكن رفع إنتاجية الألواح الكهروضوئية وذلك من خلال جعلها تحافظ على زاوية عمودية مع الإشعاع الساقط عليها بشكل أعظمي، ويتم تحقيق ذلك من خلال المتتبع الشمسي (أجهزة التتبع الشمسية) والمعروفة باسم «Solar Tracking Devices or Solar Trackers».
يقدم المتتبع الشمسي القدرة لجعل الألواح الشمسية تتبع مسار الشمس من أجل ضمان تحقيق أفضل زاوية سقوط للإشعاع الشمسي على أسطح الألواح خلال اليوم وخلال العام. وتساهم هذه العملية في رفع إنتاجية الألواح الكهروضوئية من الكهرباء، حيث يزداد إنتاج الألواح الكهروضوئية المتحركة حوالي 40% بالمقارنة مع إذا ما ثُبتت على زاوية واحدة طيلة العام.
أنواع أنظمة التتبع الشمسية
بالنظر إلى الصورة رقم 1، يمكننا ملاحظة كافة المحاور التي يمكن أن يدور اللوح الشمسي الكهروضوئي حولها، حيث أنه عند دوران اللوح حول محور واحد فقط يسمى نظام التتبع بأحادي المحور «Single Axis Trackers» وقد تدور حول أحد المحاور الأفقية أو المحاور العمودية.
أما عندما يدور اللوح حول محورين يسمى نظام التتبع بالنظام ثنائي المحاور «Dual Axis Trackers».
ويتم استخدام أجهزة التتبع الشمسية في محطات الطاقة الكهروضوئية على مستوى المرافق الخدمية Utility-Scale بنسب أعلى من المحطات التجارية والصناعية أو المنزلية. ويوضح الشكل التالي توزيع المشاريع التي تستخدم أجهزة التتبع الشمسية عبر قطاعات الطاقة الشمسية الكهروضوئية في الولايات المتحدة الأمريكية وذلك لإجمالي المشاريع في العام 2019.
المتتبع الشمسي أُحادي المحور - Single Axis Tracker
يتم تركيب الألواح الكهروضوئية بزاوية ميلان لتقرب زاوية سقوط الإشعاع الشمسي من العمودية وتكون حركة المحور إما من الشرق للغرب أو من الشمال للجنوب وفقاً لموقع الألواح وتوجيهها.
محاسن المتتبع الشمسي أُحادي المحور
يعد هذا النوع من أجهزة التتبع طريقة فعالة وبسيطة ومنخفضة التكلفة لتحسين أداء محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، كما يقدم الإمكانية لزيادة إنتاج الكهرباء لأكثر من 30% عن إذا كانت الألواح مثبتة على زاوية محددة.
ويمكن لهذه المتتبعات تحسين أداء الألواح الشمسية الكهروضوئية خلال مواسم الصيف والربيع، عندما تكون الشمس في وضع أعلى في السماء.
مساوئ المتتبع الشمسي أُحادي المحور
تنخفض فائدة أجهزة التتبع أحادية المحور مع الاقتراب من الشمال وذلك لارتفاع الفروقات في الزاوية الشمسية ما بين فصلي الصيف والشتاء.
كما يتراجع الأداء في باقي أوقات السنة بسبب الموضع الأفقي للشمس، بينما تعمل أنظمة التتبع أحادية المحور الشاقولية (العمودية) بشكل أفضل من الأفقية في المناطق ذات خطوط العرض العالية (مع الاقتراب من الشمال).
تقوم أجهزة التتبع أُحادية الإتجاه بجمع طاقة أقل لكل وحدة مقارنة بالمتتبعات ثنائية المحور، ولكن مع ارتفاعات الأرفف الأقصر، فإنها تتطلب مساحة أقل للتثبيت، مما يخلق أثرًا أكثر تركيزًا للنظام ونموذجًا أسهل للتشغيل والصيانة.
أنواع أجهزة التتبع أحادية المحور
أجهزة تتبع مركزية - Centralized
يتم تثبيت صف من الألواح (String) على محور دوران يديره محرك واحد وبالتالي تتحرك جميع الألواح باتجاه واحد في نفس الوقت. ويكثر استخدام هذا النوع عند وجود مساحات واسعة للمحطة وتتعرض جميعها للإشعاع الشمسي بزاوية ميلان واحدة.
أجهزة تتبع لا مركزية - Decentralized
يختلف هذا النوع عن سابقه بارتباطه بعدد أقل من الألواح، ويستخدم في المشروع الواحد عدد كبير من المحركات بالمقارنة مع الأجهزة المركزية. وتقدم ميزة تحريك كل مجموعة الواح بشكل مستقل عن بقية الألواح المرتبطة بمحرك أخر، مما يجعلها تصلح للاستخدام عند الحاجة لتنصيب الألواح في مناطق تختلف بالمستوى (الارتفاع)، مما يؤدي لاختلاف كمية الإشعاع الشمسي الساقط على الألواح ككل.
نظام التتبع الشمسي الأفقي أحادي المحور - HSAT
يتم تثبيت اللوح الشمسي على محرك يمر بأحد محاوره الأفقية ليقوم بتدويره من الشرق إلى الغرب طوال اليوم على محور ثابت موازي للأرض، ويعتبر هذا النوع من أجهزة التتبع أكثر أدوات التتبع فعالية من حيث التكلفة في العديد من التطبيقات.
ويمكن لأجهزة «التتبع الشمسية الأفقية – أحادية المحور – Horizontal Single-Axis Solar Trackers» متابعة حركة الشمس في السماء من الصباح إلى المساء.
قد يكون الهيكل مدعومًا في العديد من النقاط على طول المحور الدوار وبالتالي يتطلب قدرًا أقل من التعقيد ومواد أقل للبناء مقارنة بأجهزة التتبع الأخرى.
يسود إستخدام أجهزة التتبع الأفقية لأنها تقلل من متطلبات المواد الهيكلية عن طريق الحفاظ على الوحدات في ملف منخفض نسبيًا إلى الأساس. كما أنه ليست هناك حاجة إلى اتصال خاص لتدوير النظام حول مركز ثقله.
نظام التتبع الشمسي الأفقي المائل أحادي المحور - HTSAT
يتم تثبيت اللوح الشمسي على محرك مار بأحد محاوره الأفقية ولكن يكون اللوح مائلاً بزاوية معينة، لذلك تعد أنظمة التتبع الأفقية المائلة أكثر تعقيدًا نسبيًا من أجهزة التتبع الأفقية أحادية المحور العادية وعادة ما تتطلب أساسات صلبة.
تميل «أجهزة التتبع الشمسية الأفقية المائلة – أحادية المحور – Horizontal Tilted Single-Axis Solar Tracker» إلى الأعلى وإلى النصف الجنوبي أو الشمالي من الكرة الأرضية وتدور الألواح من الشرق إلى الغرب طوال اليوم لتتبع حركة الشمس.
ويعد هذا النوع من الأجهزة باهظ الثمن، بالمقارنة مع الأجهزة الأفقية أحادية المحور العادية كما أن حاجتها للحصول على أساس صلب وقوي يزيد من تكلفتها.
بشكل عام، إن استخدام أنظمة التتبع الأفقية المائلة أحادية المحور، يفرض وجود عدد معين ومحدد من الألواح مرتبطة بالمحور مما يجعلها غير قابلة للزيادة والتوسيع في عدد الألواح المركبة على جهاز التتبع الواحد، على عكس ماهو ممكن في أنظمة التتبع الأفقية العادية، مما يجعلها غير مفضلة للمشاريع الكبرى المتميزة بخطط توسعية في المستقبل.
نظام التتبع الشمسي العمودي أحادي المحور - VSAT
يتم تثبيت الألواح الشمسية الكهروضوئية على محرك يؤمن دورانها حول محور عمودي (شاقولي) وتدور هذه «أجهزة التتبع الشمسية العمودية – أحادية المحور – Vertical Single Axis Solar Tracker» من الشرق إلى الغرب لملاحقة الشمس على مدار اليوم. ويكثر استخدام هذه الأنظمة عند تثبيت الألواح الشمسية في مواقع شاهقة أو جبلية.
ويتم تركيب الألواح على المتتبع بحيث تكون غير موازية للأرض، مما يجعل من السهل على هذه الألواح الحفاظ على زاوية ثابتة من موقع الشمس عندما تكون الشمس أدنى في السماء.
ويعتبر هذا مفيد بشكل خاص في خطوط العرض الشمالية، على سبيل المثال، بين 40 درجة و 55 درجة،على عكس المصفوفات الأفقية المستوية، تحتاج تخطيطات المجال الرأسي إلى استيعاب المظهر الأطول لجهاز التتبع الرأسي ووحدات الانتشار لتجنب التظليل الذاتي وفقدان الطاقة، ونتيجة لذلك تميل أجهزة التتبع العمودية إلى أن تكون كثافة الطاقة فيها أقل نسبيًا لوحدة المساحة.
نظام التتبع الشمسي العمودي المائل أحادي المحور - VTSAT
تشبه أجهزة التتبع الشمسي العمودية المائلة أحادية المحور «Vertical Tilted Single Axis Solar Tracker»، جهاز التتبع الشمسي الأفقي المائل أحادي المحور، والفرق الوحيد هو أن الميل موازي لموضع أفقي ويدور على محور عمودي.
يمكن لهذا النوع من الأجهزة تحسين إنتاج الطاقة مقارنة بالمتتبعات الأفقية. ومع ذلك نظرًا لزاوية الإمالة المثلى، تخضع أجهزة التتبع ذات المحور الواحد المائلة لزيادة تحميل الرياح مقارنة بالأنظمة الأفقية.
وتكون المتطلبات الهيكلية أعلى، ونتيجة لذلك يتم استخدام المزيد من الفولاذ والخرسانة مقارنة بالأنظمة الأفقية.
مزايا نظام التتبع الشمسي أحادي المحور
تتمتع أجهزة التتبع أحادية المحور بدرجة واحدة من المرونة تعمل كمحور للدوران، والتي يتم محاذاتها بشكل عام على طول المسار بين الشمال والجنوب. تشمل المزايا الرئيسية لأجهزة التتبع أحادية المحور ما يلي:
- أجهزة التتبع ذات المحور الواحد أكثر موثوقية (Reliability).
- يتمتع المحور الوحيد بعمر أطول من المتتبعات ثنائية المحور.
- أجهزة التتبع أحادية المحور أرخص من أجهزة التتبع ثنائية المحور لأنها تتميز بآلية بسيطة وتعمل بتكلفة منخفضة.
- أجهزة التتبع ذات المحور الواحد مثالية للشركات ذات الميزانية المنخفضة أو المناطق الغائمة بشكل عام.
- تولد أجهزة التتبع ذات المحور الواحد طاقة أكثر من أجهزة التتبع الثابتة بنسبة 17٪ تقريبًا.
- تتبع أجهزة التتبع هذه الشمس من الشرق إلى الغرب ، مما يوفر خرج طاقة ثابتًا طوال اليوم.
- تولد أجهزة التتبع طاقة سنوية أعلى بنسبة 15-16٪ مقارنة بمحطة ثابتة بنفس السعة المركبة.
- توفر أجهزة التتبع ذات المحور الواحد أعلى كثافة لوضع الألواح الكهروضوئية بالنسبة لواحدة المساحة.
- فترة الاسترداد أقل لاستثمار المشروع الشمسي (ROI)، وزيادة نسبية في الأرباح.
أجهزة التتبع ثنائية المحور - Dual Axis rackers
يختلف موقع الشمس بالنسبة للأرض في اليوم الواحد نتيجة دوران الأرض حول نفسها وأيضاً طوال العام بسبب دوران الأرض حول الشمس، وبالتالي يقدم نظام التتبع ثنائي المحور إنتاجية طاقة أكبر من نظيره أحادي المحور باستمرار لأنه يمكن أن يتبع هذا المسار مباشرة.
ينتج متتبع الطاقة الشمسية ثنائي المحور زيادة في إنتاج الطاقة بنسبة تتراوح من 30 إلى 45٪ مقارنة بالأنظمة الشمسية المائلة الثابتة.
يتم استخدام أجهزة التتبع ثنائية المحور بشكل أكبر في التطبيقات السكنية والتجارية الصغيرة،ولكنها بدأت بالانتشار على مستوى المنشآت الكبيرة.
يتم تثبيت كل من هذه المتتبعات فوق موقع مرتفع لحساب النطاق الأكبر من الزوايا التي ستصل إليها الألواح المثبتة. يمكن لأجهزة التتبع ثنائية المحور استيعاب ما يصل إلى 20 لوح شمسي لكل جهاز.
ومع وجودها بارتفاع أعلى، لا يمكن الوصول إلى الألواح بسهولة للتنظيف، ولكن توفر تحتها مساحة أكبر، للاستخدام في أغراض أخرى، مثل الزراعة أو حتى مرآب السيارات.
تعد هذه التقنية جزءاً غير مستكشَف إلى حد كبير من السوق، ولكن حلول التتبع لأسطح المنازل بدأت في الظهور أيضًا. وتعمل أجهزة التتبع المركبة على الأسطح بشكل يشبه لحد ما عمل أجهزة التتبع ثنائية المحور، حيث تدور على مسار بنمط دائري في الجزء السفلي من قواعدها، وتعدل زاوية اللوح لمتابعة الشمس بشكل أكثر دقة من أجهزة التتبع ذات المحور الواحد.
تشتمل أجهزة التتبع ثنائية المحورعلى درجتين لمحور دوران ، يُطلق عليهما “المحور الأساسي” و “المحور الثانوي”, ويمكن أن يتحرك محور الدوران لأسفل أو لأعلى للتكيف مع زوايا الشمس على مدار اليوم. ويمكن توجيهه بشكل دقيق، وتجعل هذه الأجهزة الألواح الشمسية مواجهة للشمس باستمرار حيث يمكنها التحرك في اتجاهين مختلفين.ومع ذلك، فإن أجهزة التتبع الشمسي هذه أكثر تعقيدًا ومكلفة، ويمكن تصنيف أجهزة التتبع ثنائية المحور المستندة إلى الارتفاع إلى نوعان، الطرف المائل «tip-tilt»، وارتفاع السمت «azimuth-altitude».
تعتمد وظيفة أجهزة التتبع ثنائية المحور على المحاور الرأسية والأفقية، والتي يتم توجيهها بواسطة جهاز تحكم مماثلة للتلسكوبات الشمسية، التي تعتبر مكلفة للغاية، ويقتصر استخدامها بشكل عام على أنظمة الطاقة التجارية الشمسية التجارية.
كما يتم استخدام التتبع الدقيق لأجهزة التتبع الشمسية ثنائية المحور في التطبيقات الشمسية المركزة، مثل المرايا التي توجه مستقبلات ضوء الشمس وتحول ضوء الشمس إلى حرارة.
مزايا نظام التتبع الشمسي ثنائي المحور
- تتبع أجهزة التتبع ثنائية المحور الشمس باستمرار وتوفر طاقة ثابتة طوال اليوم.
- توفر أجهزة التتبع الشمسي هذه حلاً معقولاً في حالات قدرة الطاقة المحدودة للاتصال بالشبكة.
- تحتاج أجهزة التتبع ثنائية المحور إلى مساحة أصغر وتوفر فرصة لاستخدام المساحة المتبقية حولها لأغراض إضافية أخرى مثل مواقف السيارات والبستنة وغيرها.
- تولد هذه المتتبعات طاقة أعلى بنسبة 45-50 ٪ سنويًا، مقارنة بمحطة ثابتة بنفس السعة المركبة.
- توفر أجهزة التتبع ثنائية المحور الحل الأمثل للمناطق التي قد تعوق إنتاجية الطاقة الشمسية, التي يمكن أن تكون لها هيكلًا معقدًا للأرض، ونقشًا معقدًا، ونتوءات حجرية، والانحدار نحو الشمال، وغيرها من المشاكل.
- تكون فترة الاسترداد للاستثمار أقل في حالة أجهزة التتبع ثنائية المحور. أيضا، سيكون هناك زيادة كبيرة في الأرباح خلال فترة حياتهم.
مساوئ نظام التتبع الشمسي ثنائي المحور
- تتميز أجهزة التتبع ثنائية المحور بتعقيد تقني أعلى، مما يجعلها عرضة للخلل.
- هذه المتتبعات لها عمر أقصر وموثوقية أقل.
- أداء منخفض في الطقس الغائم أو الغائم
تحتوي معظم أجهزة التتبع الشمسي على ضمانات لمدة خمس سنوات لمحركات الأقراص وأجهزة التحكم وضمانات لمدة 10 سنوات للقواعد والأساسات.
في السنوات العديدة الماضية، قامت شركات أنظمة التتبع بإدخال تحسينات تشغيلية على أنظمتها، حيث طورت برامج مراقبة للصيانة الوقائية وتحسين الزوايا لتحقيق عائد أعلى للطاقة. ستستمر تقنية التتبع في التطور، مما يساعد التركيب على زيادة إنتاج الطاقة من مشروعات الطاقة الشمسية.
مستقبل أنظمة التتبع الشمسي
وقدر حجم سوق «أجهزة التتبع الشمسي – Solar Tracker» بحوالي 3.1 مليار دولار أمريكي في عام 2019، ومن المتوقع أن يشهد تركيبًا سنويًا بأكثر من 35 جيجاواط بحلول عام 2026. ستؤثر زيادة الطلب على الكهرباء جنبًا إلى جنب مع الاستثمار السريع نحو تقنيات الطاقة المتجددة بشكل كبير على نمو السوق.
ومن المتوقع أن تنمو النسبة السنوية للمشاريع التي تستخدم «أجهزة التتبع الشمسي – Solar Tracker» مقارنة «بالأنظمة الشمسية ذات الإمالة الثابتة- fixed tilted systems» في المشاريع الكبيرة (أكبر من 1 ميغا واط) إلى 40% بحلول عام 2023 كما هو موضح في الشكل التالي
وتعد البرازيل من الدول الرائدة باستخدام أنظمة التتبع الشمسية، حيث بلغت نسبة استخدام أنظمة التتبع الشمسية في مشاريع المنشآت الخدمية حوالي الـ 80% في عام 2019! وشكلت نسبة المشاريع التي تم استخدام هذه الأنظمة فيها ما يتجاوز الـ 50% في نفس العام.
إن قدرة أجهزة التتبع الشمسية على إنتاج كهرباء أكثر من نظيراتها الثابتة يجعل اعتمادها ممكناً، مما يعزز طلبها في السوق.
وشهد استهلاك الطاقة في جميع أنحاء العالم نموًا بارزًا بسبب التصنيع السريع والتحضر، كما أدت المخاوف المستمرة تجاه زيادة انبعاثات الكربون إلى جانب إدخال سياسات وخطط مواتية إلى زيادة حجم سوق تقنيات الطاقة الشمسية.
أهم عشر موردين لأجهزة التتبع الشمسية
يوضح الشكل التالي الموردين العشرة الأوائل لأنظمة التتبع الشمسية في عام 2018، ويزداد حجم الشحنات لها عاماً بعد آخر.
تصدرت شركة «نيكستراكر – NEXTracker» السوق العالمي للسنة الرابعة على التوالي، بنسبة 29% من إجمالي الشحنات على مستوى العالم،واحتلت «أراي تيكنولوجيز – Array Technologies» ثاني أكبر مورد في السوق للمرة الثانية على التوالي، ويليهم «بي في هاردوير – PV Hardware» و«أرتيك سولار – Arctech Solar» و «سولتيك – Soltec».
نتمنى لكم يوما مشمساً!
