تحسين أنظمة التتبع الشمسي بمستشعرات ميل عالية الدقة
تؤثر مستشعرات الميل تأثيرًا كبيرًا في إنتاج محطات الطاقة الشمسية (CSP)، ولذلك تُستخدم عادةً في التتبع الشمسي. ورغم ثبوت أهمية التتبع الشمسي وزيادة الإنتاج الناتجة عنه، يكتنف الغموض كثيرًا كيفية عمل هذا النظام والمكاسب المتوقعة منه. وكثيرًا ما تصلنا استفسارات وأسئلة عن فعالية مستشعرات الميل في التتبع الشمسي ومزاياها. ويحاول هذا المقال أن يشرح ذلك تحديدًا.
أهمية التتبع الشمسي
في محطات الطاقة الشمسية، يعتمد الخرج الكهربائي على اتجاه الألواح بالنسبة إلى الشمس. وعندما يزداد عدم المحاذاة عن حد معين، يبدأ الخرج بالهبوط الحاد. وبدقة، ينخفض خرج الألواح بجيب تمام الزاوية بين الإشعاع الساقط واللوح.
ومن سوء الفهم الشائع أن معظم الطاقة الشمسية لا تتوافر إلا عند الظهيرة. والحقيقة أن عدة دراسات بيّنت أن الطاقة المتاحة في الصباح الباكر والمساء تبلغ نحو نصف الطاقة المتاحة وقت الظهيرة. بل إن زاوية الميل التي يُتوقع عندها أقصى قدرة هي أيضًا دالة في الموقع (خط العرض) والفصل. وغياب التتبع الشمسي يعني أن معظم هذه الطاقة يُفقد بسبب عدم المحاذاة بين أشعة الشمس والمجمّعات.
وفي بلدان مثل الهند، تتوافر الطاقة الشمسية بوفرة معظم أيام السنة. أما في مناطق أخرى من العالم، فبسبب ضعف توافر الطاقة الشمسية، يؤدي غياب نظام التتبع الشمسي إلى ضعف الخرج الكهربائي ومن ثم إلى فترات استرداد طويلة. وحتى في مناطق مثل الهند، يمكن لاستخدام التتبع الشمسي أن يحسّن الخرج الكهربائي تحسينًا ملحوظًا، فيؤدي إلى استرداد سريع للاستثمارات.
ويمكن للتتبع الشمسي أن يحسّن خرج محطات الطاقة الشمسية بنسبة 10-25%، بحسب الموقع والأحوال الجوية. وإذا كانت هناك قيود على المساحة، يمكن الحصول على خرج أكبر باستخدام أنظمة التتبع الشمسي.
أنواع التتبع الشمسي
يمكن إجراء التتبع الشمسي بطريقتين: بمحور واحد (الارتفاع فقط) وبمحورين (الارتفاع والسمت).
التتبع الشمسي بمحور واحد
في التتبع الشمسي بمحور واحد، تُحرَّك المجمّعات الشمسية بمساعدة مستشعرات الميل لتطابق ارتفاع الشمس فقط. وهذا يعني أنه إذا تحركت الشمس أفقيًا في السماء، فلن تتحرك الألواح لتواجهها.
ومستشعرات الميل المستخدمة في التتبع بمحور واحد هي عادةً مستشعرات ميل أحادية المحور. والخرج المتحقق بالتتبع الشمسي بمحور واحد أكبر بالتأكيد من الخرج دون أي نظام تتبع، لكنه أقل قليلًا من نظام التتبع بمحورين.
وفي التتبع الشمسي بمحورين، يُتحكم في زاوية الارتفاع وفي زاوية السمت (الأفقية) معًا، بحيث تواجه المجمّعة الشمس بدقة دائمًا. وتستطيع مستشعرات الميل المستخدمة في التتبع بمحورين كشف الميل في بعدين. ورغم أن أنظمة التتبع الشمسي بمحورين أعلى كلفة من أنظمة المحور الواحد، فإن الزيادة المتحققة في الخرج تبرر النفقات الإضافية.
دور مستشعرات الميل في التتبع الشمسي
رغم إمكان استخدام تقنيات مختلفة للتتبع الشمسي، فإن مستشعرات الميل هي على الأرجح التقنية الأكثر استخدامًا للتتبع الشمسي.
ومن التقنيات الأخرى المستخدمة في التتبع الشمسي المرمّزات البصرية. للمرمّز البصري قرص عليه شقوق بأحجام وأشكال مختلفة عند زوايا مختلفة. ويُراقَب النبض الضوئي الآتي عبر هذه الشقوق لمعرفة زاوية الاتجاه. وعندما يحرّك المحرك العمود، يدور القرص أيضًا، ونتيجة لذلك يتغير النبض الضوئي. ويُستخدم هذا التغير لمعرفة زاوية الدوران. وفي حالة التتبع بمحورين، يُستخدم محركان منفصلان ويُركَّب مرمّزان بصريان لحساب زاوية الارتفاع وزاوية السمت.
فما الذي يجعل مستشعرات الميل خيارًا مفضلًا لهذا التطبيق على التقنيات الأخرى، مثل المرمّزات البصرية؟
فيما يلي بعض ميزات مستشعرات الميل التي تجعلها مناسبة تمامًا لهذا التطبيق.
مستشعرات الميل مدمجة وسهلة التركيب والاستخدام وميسورة التكلفة. وتكلفتها أقل بكثير من الفوائد المالية التي تُجنى منها، ما يبرر استخدامها في هذا التطبيق. أما المرمّزات البصرية فيصعب تركيبها، ويمكن أن تؤدي حالات عدم المحاذاة أثناء التركيب إلى خطأ دائم في الخرج ما لم يُصحَّح.
توفّر مستشعرات الميل خرجًا رقميًا يمكن تغذيته مباشرة إلى وحدات التحكم للتحكم فعليًا في اتجاه المجمّعات. ويبقى الخرج دقيقًا عبر الزمن. أما المرمّزات البصرية، فبما أنها مستشعرات زاوية نسبية، فقد يُدخل التشغيل عبر الزمن خطأً صغيرًا في الخرج قد يتزايد تدريجيًا.
مستشعرات الميل متينة وبالتالي تتحمل الحرارة والمطر وغيرهما من الظروف الجوية القاسية. وبالمقارنة مع مستشعرات الميل، تحتوي المرمّزات البصرية على مكونات متحركة وبالتالي تتعرض للتآكل والبلى. كما يؤثر الغبار والأوساخ في أدائها.