معرفی سیستم های ردیاب خورشیدی تک محوره و دو محوره

گرایش جهانی به انرژی خورشیدی، انرژی ارزان تری نسبت به سوختهای فسیلی و هسته ای

مطابق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر  (Irena) برخی کشورها بیش از ۸۰ درصد از ظرفیت جدید تولید برق خود را از منابع تجدیدپذیر تامین می‌کنند که ۹۱ درصد از آن به انرژی خورشیدی و بادی اختصاص دارد.

سال ۲۰۲۳ رکورد جدیدی در استقرار انرژی‌های تجدیدپذیر در بخش تولید برق ثبت شد و به ظرفیت کل ۳۸۶۵ گیگاوات (GW) در سطح جهانی رسید. تجدیدپذیرها ۸0٪ از ظرفیت جدید تولید برق را تشکیل دادند. بیشترین میزان رشد بار دیگر توسط آسیا انجام شد که ۶۹٪ از سهم این افزایش را به خود اختصاص داد(1).

هزینه های تولید برق خورشیدی(انرژی خورشیدی) در مقایسه با دیگر انرژی ها چگونه است؟

نکته جالب آن است که هزینه‌های تولید انرژی خورشیدی از سال ۲۰۰۹ تا ۲۰۲۰ به میزان ۹۰ درصد کاهش یافته است(2).

در سال ۲۰۲۰، هزینه تولید برق از نیروگاه‌های بزرگ خورشیدی به طور متوسط جهانی تنها ۰.۰۳۷ دلار به ازای هر کیلووات‌ساعت بود. در مقایسه، هزینه تولید برق از نیروگاه‌های جدید زغال‌سنگی سه برابر این مقدار و برابر با ۰.۱۱۲ دلار به ازای هر کیلووات‌ساعت بود، در حالی که هزینه تولید برق از گاز طبیعی ۰.۰۵۹ دلار، هسته‌ای ۰.۱۶۳ دلار و باد ۰.۰۴ دلار به ازای هر کیلووات‌ساعت بوده است.

با کاهش چشمگیر هزینه‌ها به حدود چهار سنت دلار آمریکا به ازای هر کیلووات ساعت، هزینه جهانی تولید برق خورشیدی با پنل های فوتوولتاییک  (PV) در سال ۲۰۲۳، 56 درصد کمتر از گزینه‌های سوخت فسیلی و هسته‌ای بود. در سال ۲۰۲۴، هزینه ماژول‌های فتوولتائیک به  پایین‌ترین رکورد تاکنون آن تخمین زده می شود.

دنبال کننده خورشیدی (solar tracker) چیست؟

نیروگاه های برق خورشیدی می‌توانند از دنبال کننده‌های خورشیدی برای تنظیم زاویه پنل‌های خورشیدی با جهت خورشید استفاده کنند تا حداکثر میزان تولید برق را فراهم آورند. استفاده از ردیاب های خورشیدی باعث افزایش تولید برق به میزان 10 تا 40 درصد می‌شود. برخلاف تصور رایج در مکانهایی از زمین که تابش نور خورشید بیشتر می باشد، استفاده از ردیاب های خورشیدی رایج تر است.  بیش از نیمی از نیروگاه‌های خورشیدی بزرگ در آمریکا، مخصوصاً در مناطقی که آفتاب زیاد می‌تابد از این فناوری بهره می‌برند(1).

ردیاب خورشیدی در طول روز مثل گل آفتابگردان حرکت می‌کند، پنل‌های خورشیدی را طوری می‌چرخاند که همیشه عکود بر جهت تابش خورشید قرار بگیرند، تا بیشترین میزان نور خورشید را دریافت کنند و برق بیشتری تولید کنند. این کار باعث می‌شود که از انرژی خورشید به بهترین شکل استفاده کنیم.

بازار جهانی ردیاب‌های خورشیدی در حال رشد سریع است.این رشد چشمگیر به دلیل افزایش تقاضا برای انرژی‌های پاک و حمایت دولت‌ها از انرژی‌های تجدیدپذیر است.

پنل های خورشیدی(فوتوولتاییک)  با دنبال کننده‌های خورشیدی(تراکر)  چگونه کار می‌کنند؟

در یک نیروگاه ثابت، با وجود حرکت خورشید در طول روز، نور خورشید با زوایای مختلف به پنل خورشیدی برخورد می‌کند که به آن زاویه تابش می‌گویند. هرچه این زاویه تابش به 90 درجه نزدیکتر باشد، بازدهی پنل های فتوولتاییک بالاتر می‌رود. با استفاده از دنبال کننده های خورشیدی(ردیاب خورشیدی)، پنل‌ها می‌توانند حرکت خورشید را در آسمان دنبال کرده و پرتوهای خورشید را عمود بر سطح پنل نگه دارند تا حداکثر تولید برق را داشته باشند.

الگوریتم رهگیری نورخورشید در تراکر های خورشیدی

• براساس موقعیت خورشید در هر لحظه در آسمان

ردیاب‌های خورشیدی مبتنی بر موقعیت دریافتی ازماهواره ها (GPS)با بهره‌گیری از داده‌های دقیق موقعیت، به عنوان یک راهکار پیشرفته برای ردیابی خورشید مطرح می‌شوند. در این حالت الگوریتم حرکت خورشید در طول روز و فصل های مختلف توسط برنامه نویسان استخراج می گردد. با وارد کردن موقعیت(لوکیشن)  نصب سیستم، پردازنده فرمان های لازم به موتور جهت قرارگرفتن پنل خورشیدی در بهترین موقعیت نسبت به خورشید را می دهد. 

• با استفاده از سنسورهای نوری

سیستم‌های ردیاب خورشیدی از حسگرهای نوری متنوعی برای ردیابی دقیق موقعیت خورشید بهره می‌برند. این حسگرها که اغلب بر پایه سنسورهای نوری هستند، به صورتی تنظیم شده اند که با جابه جایی خورشید فرمان لازم به موتور(ها) برای حرکت را می دهند، تا در صفحات خورشیدی در بهترین موقعیت نسبت به خورشید قرار گیرد.

• ترکیب سیستم ردیابی براساس موقعیت و سنسور نوری

در سیستم های جدید رهگیری با استفاده از الگوریتم های حرکت خورشید انجام می شود و سیستم سنسور نوری به عنوان بک آپ مورد استفاده قرار می گیرد. در این حالت در صورت ابری شدن هوا ، سنسور نوری می تواند موقعیت بهینه خورشید  را مشخص و جهت پنل خورشیدی را با آن تنظیم نماید. همچنین در این صورت امکان اجرای بک تراکینگ در این سیستم ها نیز می باشد.

بک ترکینگ (Backtracking) در نیروگاه‌های خورشیدی: راهکاری برای افزایش بهره‌وری

بازگشت به ردیابی یا “بک ترکینگ” (Backtracking) یک تکنیک هوشمندانه در نیروگاه‌های خورشیدی است که به منظور بهینه‌سازی تولید انرژی و کاهش سایه‌اندازی بین ردیف‌های پنل‌های خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

 چرا بک ترکینگ مهم است؟

در نیروگاه‌های خورشیدی که از سیستم‌های ردیابی خورشیدی تک‌محوره استفاده می‌کنند، پنل‌ها در طول روز به دنبال خورشید می‌چرخند تا بیشترین میزان تابش نور خورشید را جذب کنند. با این حال، در ساعات ابتدایی صبح و اواخر روز، زاویه تابش خورشید به گونه‌ای است که ممکن است سایه پنل‌های یک ردیف بر روی ردیف‌های مجاور بیفتد. این سایه‌اندازی باعث کاهش قابل توجه راندمان و تولید انرژی کل نیروگاه می‌شود.

بک ترکینگ با تنظیم هوشمندانه زاویه پنل‌ها، از این مشکل جلوگیری می‌کند. به جای اینکه پنل‌ها همیشه دقیقاً به سمت خورشید باشند، در مواقعی که احتمال سایه‌اندازی وجود دارد، زاویه آنها کمی تغییر می‌کند تا سایه‌ها به حداقل برسند. این کار باعث می‌شود که حتی اگر برخی از پنل‌ها کمی از زاویه ایده‌آل خود دور شوند، در نهایت، تولید کلی انرژی نیروگاه افزایش یابد.

تفاوت انواع ردیاب های خورشیدی در  نیروگاههای فوتوولتاییک(پنل خورشیدی)  از لحاظ مکانیزم: ثابت(Fixed Type) ، تک محوره و دو محوره

پنل های خورشیدی ثابت

در نیروگاههای ثابت(Fixed Type) معمولا پنل ها در جهت جنوب  قرار می گیرند و زاویه ای بین 20 تا 30 درجه به افق دارند.

پنل های خورشیدی تک محوره

در سیستم های تک محوره(Single Axis Tracker) معمولا یک محور گردش داریم که پنل ها را از سمت شرق به غرب میچرخاند. محور گردش در راستای شمال به جنوب است، به طوری که پنل‌های خورشیدی می‌توانند با طلوع خورشید به سمت شرق و با غروب آن به سمت  غرب منحرف شوند. بدین ترتیب با حرکت پنل ها در جهت خورشید، صفحات خورشیدی از صبح تا غروب در بهترین زاویه نسبت به خورشید قرار می گیرند. ردیاب تک محور به طور متوسط بازده تولید برق در نیروگاه خورشیدی را 15 تا 25 درصد افزایش می‌دهد. شرکت نوین افق با بهره گیری از دانش فنی متخصصان خود توانسته است سیستم ردیاب تک محوره برای نیروگا های فتوولتائیک را طراحی و تولید نماید.

پنل های خورشیدی دو محوره:

سیستم‌های ردیاب خورشیدی دو محوره، با بهره‌گیری از دو محور چرخش مستقل، قادرند پنل‌های خورشیدی را در هر لحظه به سمت خورشید تنظیم کنند. محور اول، حرکت شرق به غرب پنل‌ها را کنترل می‌کند، در حالی که محور دوم، زاویه پنل‌ها را با توجه به ارتفاع خورشید تنظیم می‌کند. این سیستم‌ها معمولاً از موتورهای الکتریکی، گیربکس‌ها، سنسورهای نوری یا ردیاب‌های خورشیدی مبتنی بر GPS و یک سیستم کنترل هوشمند تشکیل شده‌اند. ردیاب دو محوره می‌تواند بین 20 تا 40 درصد  به بازده انرژی تولید شده در نیروگاه خورشیدی اضافه کند.

شرکت نوین افق با بهره گیری از دانش فنی متخصصان خود توانسته است سیستم ردیاب دو محوره برای نیروگا های فتوولتائیک را طراحی و تولید نماید.

هزینه های نصب تراکر خورشیدی:

بر اساس اطلاعات موجود، نصب تراکر های تک محوره، هزینه سرمایه گذاری در نیروگاه خورشیدی را بین 10 تا 20 درصد افزایش می دهد و در نیروگاه های دو محوره افزایش هزینه سرمایه گذاری اولیه  به 20 تا 30 درصد می رسد(3).

بنابراین، انتخاب بین سازه‌های ثابت، ردیاب‌های تک‌محوره و دو‌محوره باید با توجه به بودجه، فضای موجود و اهداف بهره‌برداری انجام شود.

افزایش بهره‌وری با ردیاب‌های خورشیدی

برای مقایسه بهره‌وری، می‌توان خروجی یک سیستم ردیاب تک محوره بهینه‌شده را با یک سیستم ثابت (هر دو با توان 10 کیلووات پیک) در یک روز مقایسه کرد.

تفاوت بازدهی پنل های فوتوولتاییک ثابت، تک محوره و دومحوره در فصول مختلف

برای درک بهتر تفاوت بهره‌وری، می‌توانیم خروجی سه سیستم مختلف (ثابت، تک محوره و دو محوره) را در هر فصل مقایسه کنیم:

این تفاوت‌ها نشان می‌دهند که سیستم‌های ردیاب خورشیدی، به ویژه سیستم‌های دو محوره، می‌توانند بهره‌وری انرژی را در مقایسه با سیستم‌های ثابت به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

سیستم های تک محور و دو محور در تمام فصول بازدهی بیشتری نسبت به سیستم ثابت دارند. البته این اختلاف بازدهی در فصول بهار و تابستان به دلیل تابش بیشتر آفتاب و زاویه بهینه پنل ها به حداکثر خود می رسد.

برخی مزایای مهم نیروگاههای خورشیدی تک محوره

فضای محدود: اگر فضای کافی برای نصب پنل‌های خورشیدی ثابت ندارید، ردیاب‌های تک محور می‌توانند با همان مقدار پنل، برق بیشتری تولید کنند.

خروجی بالا در ساعات صبح و عصر: ردیاب‌های تک محور می‌توانند خروجی برق را در این زمان‌ها که تقاضا برای برق بیشتر است، افزایش دهند.

کاربردهای تجاری: ردیاب‌های خورشیدی برای پروژه‌های تجاری که به دنبال حداکثر بازده انرژی از سیستم خورشیدی خود هستند، مفید هستند و باعث افزایش بازدهی پنل ها می شود.

نتیجه‌گیری

روند رو به رشد استفاده از انرژی خورشیدی، به ویژه با بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند دنبال‌کننده‌های خورشیدی، تحولی عظیم در تولید انرژی پاک و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی ایجاد کرده است. کاهش چشمگیر هزینه‌های تولید و افزایش بازدهی پنل‌ها، دسترسی به انرژی خورشیدی را برای افراد و جوامع مختلف تسهیل کرده است. این پیشرفت‌ها نه تنها به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و مقابله با تغییرات اقلیمی کمک می‌کنند، بلکه فرصت‌های اقتصادی جدیدی را نیز ایجاد می‌کنند.

استفاده از سیستم‌های ردیاب خورشیدی تک‌محوره و دو‌محوره به طور چشمگیری بازدهی انرژی پنل‌های خورشیدی را افزایش می‌دهد. هرچند هزینه اولیه بیشتری نسبت به سیستم‌های ثابت دارند، ولی این هزینه اولیه بیشتر با تولید بیشتر انرژی خورشیدی و ضرورت استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، این افزایش قیمت را توجیه پذیر خواهد کرد.

به طور کلی، آینده انرژی خورشیدی بسیار روشن است و این فناوری نقش محوری در ساخت دنیایی پایدارتر و سبزتر ایفا خواهد کرد.

منابع:

1- www.Irena.org

2- www.dw.com

3-

A- The IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineeringَ discusses the design and construction of cost-effective solar trackers.

B- An article on PV-Tech provides an international overview of bifacial PV tracking systems and their financial implications.

4- www.spiritenergy.co.uk