في ظل التطور السريع الذي يشهده قطاع الطاقة المتجددة،, أنظمة تتبع الشمس أصبحت لا غنى عنها لتحقيق أقصى قدر من كفاءة الطاقة الكهروضوئية (PV) والطاقة الشمسية المركزة (CSP). وعلى عكس المنشآت الثابتة، فإن جهاز تعقب الطاقة الشمسية يضبط اتجاه بشكل ديناميكي لـ الألواح الشمسية لمتابعة مسار الشمس، مما يزيد من إنتاج الطاقة بنسبة تتراوح بين 20% و40% حسب الموقع الجغرافي وتصميم نظام التتبع. ويُعد القلب الميكانيكي لكل نظام التتبع الشمسي توجد وحدة طاقة تم اختيارها بعناية — وعادةً ما تكون عبارة عن مشغلات خطية كهربائية لتعديل الميل ومحركات الدوران (مشغلات دوارة) لتدوير الزاوية الأفقية. يستكشف هذا المقال كيف تعمل تقنيات التشغيل المتميزة هذه كقوة دافعة وراء أجهزة التتبع الحرارية الشمسية أحادية المحور وثنائية المحور والمركزة، مع أمثلة ملموسة على المنتجات توضح كيفية دمجها.

أحادي المحور أجهزة التتبع الشمسي تمثل هذه الأنظمة التصميم السائد في مشاريع الطاقة على نطاق واسع، وذلك بفضل التوازن المثالي بين مكاسب الطاقة والتكلفة. تعمل هذه الأنظمة على تدوير الألواح وفقًا لدرجة حرية واحدة — عادةً ما تكون المحور الشمالي-الجنوبي — لتتبع حركة الشمس من الشرق إلى الغرب (التتبع الزاوي). ووحدة الطاقة المفضلة في أنظمة التتبع الأفقية أحادية المحور هي محرك الدوران, ، وهي مجموعة علبة تروس محكمة الإغلاق تجمع بين ترس دودي ومحمل دوار ومحرك كهربائي في وحدة واحدة متينة.

تتميز محركات الدوران بأدائها المتميز في التطبيقات أحادية المحور، حيث إنها تتحمل في آن واحد الأحمال المحورية والأحمال الشعاعية وعزم الإمالة، مع توفير عزم دوران دقيق. على سبيل المثال، فإن محرك الدوران الرأسي VH7 تم تصميم هذا المنتج، الذي تصنعه شركة Hostboks، خصيصًا للمصفوفات الأفقية أحادية المحور المكونة من 60 إلى 80 لوحًا، حيث يوفر عزم دوران خرج يبلغ 6.3 كيلو نيوتن·م مع عزم تثبيت يبلغ 45 كيلو نيوتن·م، بالإضافة إلى درجة حماية IP65 لضمان عمر تشغيلي ميداني يصل إلى 25 عامًا. ويوفر تصميمها الدودي على شكل الساعة الرملية تلامسًا متعدد الأسنان، مما يضمن صلابة عالية وقدرة على القفل الذاتي، مما يلغي الحاجة إلى آليات كبح إضافية أثناء هبوب الرياح العاتية. وبالمثل، فإن محرك الدوران SC9 تم تحسين نظام «كوريسون درايف» ليتناسب مع تكوينات تتراوح بين 12 و16 لوحة، حيث يوفر نسبة تروس تبلغ 61:1 ويتوافق مع المحركات التي تعمل بجهد 24 فولت تيار مستمر أو 220 فولت تيار متردد أو 380 فولت تيار متردد، مما يجعله قابلاً للتكيف مع مختلف أحجام المشاريع والمعايير الكهربائية.

في أجهزة التتبع أحادية المحور المائلة — التي تُفضل في خطوط العرض التي تزيد عن 40 درجة حيث تتفاوت زوايا الارتفاع الموسمية بشكل كبير — يتم تركيب محركات الدوران عند نقاط محور أنبوب العزم. إن محرك الدوران SE9 تُعد منتجات شركة XZWD مثالاً على هذا التطبيق، حيث توفر علبًا مغلقة مزودة بأختام عمود دوارة ذات شفة مزدوجة لمقاومة الغبار والرطوبة ودرجات الحرارة القصوى التي تتراوح من -30 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية. تقوم هذه المحركات بتدوير صف الألواح بالكامل ضمن نطاقات تتبع تتراوح بين ±45° و±60°، بدقة تقل عن 0.1°، مما يضمن احتفاظ الألواح بزوايا السقوط المثلى على مدار اليوم.

بالنسبة للمنشآت التي تُعد فيها الكثافة القصوى للطاقة أمراً بالغ الأهمية — مثل المناطق ذات خطوط العرض العالية، أو أنظمة الطاقة الكهروضوئية المركزة (CPV)، أو محطات الطاقة الحرارية الشمسية —أجهزة تتبع الشمس ثنائية المحور تتبع كل من الزاوية الأفقية (الدوران الأفقي) والارتفاع (الميل الرأسي). ويمكن لهذا النهج القائم على التتبع الكامل أن يزيد من توليد الطاقة بأكثر من 35% مقارنةً بالمنصات الثابتة، لكنه يتطلب استراتيجية تشغيل أكثر تطوراً تجمع بين محركات الدوران والمشغلات الخطية.

يعتمد التصميم السائد ذو المحورين على محرك الدوران للدوران الزاوي عند قاعدة الصاري الرئيسي، في حين أن مشغل خطي كهربائي يتولى ضبط الارتفاع. يتحمل محرك الدوران الوزن الكامل للمصفوفة ويقاوم عزم الانقلاب الناتج عن الرياح، في حين يوفر المشغل الخطي الحركة الخطية الدقيقة للدفع والسحب اللازمة لإمالة إطار اللوحة. ووفقًا لبحث هندسي أجرته الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا، يتيح هذا التكوين الهجين لمحور الزاوية الأفقية الدوران بنطاق يتراوح بين 280 و310 درجة تقريبًا، بينما يحقق محور الارتفاع حركة ميل تتراوح بين 0 و60 درجة، مما يتيح تتبع القوس اليومي والموسمي للشمس بشكل كامل.

ومن الأمثلة التجارية المقنعة على ذلك جهاز التتبع الشمسي ثنائي المحور «BOFU Mini», ، المصمم للاستخدامات السكنية أو الزراعية الصغيرة التي تتراوح فيها عدد الألواح الشمسية بين 2 و6. ويستخدم هذا النظام محرك محمل الدوران للدوران الأفقي (±90°) و المشغل الخطي بقوة دفع تبلغ 2000 نيوتن للتحكم في زاوية الارتفاع (0–60°). تقوم وحدة التحكم بحساب موقع الشمس في الوقت الفعلي عبر خوارزميات فلكية ونظام GPS، وتصدر أوامر إلى كلا المشغلين لمزامنة اتجاه الألواح. في الليل، يعيد المشغل الخطي الألواح إلى وضع التخزين المسطح، مما يقلل من تعرضها للرياح وتراكم الأوساخ. يزن التجميع بأكمله 90 كجم فقط ويحقق مقاومة للماء بمستوى IP56 من خلال إخفاء محرك الدوران داخل العمود السفلي — وهو تصميم يوضح كيف يمكن للتشغيل الهجين المدمج أن يجعل التتبع ثنائي المحور متاحًا للجميع في مجال التوليد الموزع.

بالنسبة للأنظمة التجارية والصناعية ذات المحورين الأكبر حجمًا، فإن محرك الدوران ثنائي المحور SVH3 تدمج وحدة Coresun Drive آليات التحكم في الزاوية الأفقية والارتفاعية في مجموعة واحدة. توفر هذه الوحدة الدقيقة مقاس 3 بوصات عزم دوران خرج يبلغ 716 نيوتن·متر بدقة ≤0.2°، مستخدمةً تقنية الدودة اللولبية على شكل الساعة الرملية الحاصلة على براءة اختراع من أجل القفل الذاتي والتحكم في التراخي. وتعتبر هذه المحركات المدمجة ذات قيمة خاصة لتطبيقات CPV ومركّزات الأطباق الشمسية، حيث تُعد دقة التتبع التي تقل عن الدرجة أمرًا ضروريًا للحفاظ على محاذاة البؤرة.

بالإضافة إلى أنظمة الطاقة الكهروضوئية التقليدية،, أنظمة تتبع الشمس تلعب دورًا حاسمًا في محطات الطاقة الشمسية الحرارية المركزة (CSP) وأنظمة الطاقة الكهروضوئية المركزة (CPV). تتطلب هذه التقنيات دقة تتبع استثنائية — غالبًا في نطاق ±0.1° — لأن المكثف يجب أن يركّز أشعة الشمس بدقة على جهاز استقبال أو خلية متعددة الوصلات. في مثل هذه الحالات، تصبح محركات الدوران ذات نسب التخفيض العالية والتصميمات الخالية من التراخي أمرًا ضروريًا.

إن محرك تروس الدوران الرأسي VH9 توفر نسبة تروس تبلغ 61:1 مع عزم دوران خرج يبلغ 6,405 نيوتن·متر وعزم تثبيت يبلغ 56 كيلو نيوتن·متر، مما يجعلها مناسبة للأقواس المكافئة الكبيرة والأطباق الشمسية التي يبلغ وزنها عدة أطنان. ويوفر هيكلها المصنوع من سبائك الفولاذ 42CrMo وطلاءها المسحوقي المزدوج الطبقة من الإيبوكسي الغني بالزنك مقاومة للتآكل من الفئة C3 إلى C5، مما يجعلها مناسبة للبيئات الصحراوية والساحلية التي تقع فيها محطات الطاقة الشمسية المركزة عادةً. أما بالنسبة لحقول المرايا العاكسة في محطات الطاقة الشمسية المركزة ذات البرج المركزي، فيمكن استخدام مجموعات من محركات الدوران الأصغر حجمًا — مثل محرك الدوران المغلق SE7—تمكين التحكم الفردي في المرايا، مما يسمح لكل مرآة شمسية بتتبع الشمس بشكل مستقل وإعادة توجيه التدفق الضوئي نحو المستقبل المركزي بدقة تصل إلى الميليراديان.

بغض النظر عن نوع المشغل، فإن الأنظمة الحديثة أجهزة التتبع الشمسي تعتمد على أنظمة تحكم ذكية لتنسيق الحركة. وعادةً ما تستخدم وحدات التحكم وحدات تحكم ميكروية (MCU) ذات 32 بت تعمل بخوارزميات فلكية تحسب موقع الشمس استنادًا إلى إحداثيات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والتاريخ والوقت. وغالبًا ما تُعزَّز هذه الأوامر ذات الحلقة المفتوحة بتغذية مرتدة ذات حلقة مغلقة من مستشعرات الضوء أو مشفرات دوارة مدمجة في محركات الدوران والمشغلات الخطية.

كما تطورت البنية التحتية للاتصالات. و نظام التتبع أحادي المحور SAST تتميز منتجات شركة Kseng Energy ببروتوكول RS485 Modbus لتوزيع أوامر المشغلات، مع إمكانية الاتصال الاختياري عبر البلوتوث أو الواي فاي أو شبكة الجيل الرابع (4G) من أجل المراقبة عن بُعد. تقوم مستشعرات الرياح بتشغيل بروتوكولات التخزين التلقائي — حيث تعيد محركات الدوران المصفوفات إلى أوضاعها المحايدة بينما تعمل المشغلات الخطية على تسوية الألواح ثنائية المحور — مما يحمي المكونات الميكانيكية من سرعات الرياح التي تتجاوز 37 م/ث. وتضمن أوضاع العودة الليلية أن تكون الألواح مواجهة للشرق قبل الفجر، مما يقلل من فقدان الطاقة في الصباح أثناء إعادة توجيه جهاز التتبع.

تطور أنظمة تتبع الشمس يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتطورات في تكنولوجيا التشغيل. محركات الدوران تتفوق في تطبيقات المحور الواحد والازيموث بفضل ما توفره من عزم دوران عالٍ وقدرة تحمل عالية وعمر تشغيلي طويل دون الحاجة إلى صيانة، وذلك بفضل غلافها المُحكم الإغلاق. المشغلات الخطية توفر الحركة الخطية الدقيقة والموفرة للطاقة، والتي تُعد ضرورية للتحكم في الارتفاع في أجهزة التتبع ثنائية المحور وصغيرة الحجم. وتتيح وحدات الطاقة هذه مجتمعةً أجهزة التتبع الشمسي لتحويل مصفوفات الألواح السلبية إلى آلات ديناميكية لالتقاط الطاقة، مما يدفع بكفاءة الطاقة الكهروضوئية والطاقة الشمسية المركزة إلى أقصى حدودها النظرية. ومع تزايد الطلب العالمي على الطاقة النظيفة، ستظل التآزر بين التشغيل الميكانيكي القوي والتحكم الذكي يحدد معالم الجيل القادم من جهاز تتبع الألواح الشمسية التكنولوجيا.