ردیاب خورشیدی چیست و چگونه کار می‌کند؟ | ویژگی‌ها و انواع ترکر خورشیدی

ردیاب خورشیدی سیستم مکانیکی و هوشمند است که با تنظیم موقعیت پنل‌های خورشیدی متناسب با حرکت خورشید در طول روز، به‌طور چشمگیری بازدهی سیستم‌های خورشیدی را افزایش می‌دهد. این فناوری در مدل‌های مختلفی ازجمله ردیاب‌های تک‌محوره و دو‌محوره توسعه یافته و در مقیاس‌های خانگی، تجاری و نیروگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله از کلین‌پست، به‌صورت جامع به بررسی انواع ردیاب خورشیدی، سازوکار عملکرد آن‌ها، مزایا و معایب این فناوری و همچنین شرایط فنی و اقتصادی که استفاده از ردیاب را مقرون‌به‌صرفه می‌سازد، پرداخته‌ایم.

ردیاب خورشیدی چیست؟

ردیاب خورشیدی یا سولار ترکر (Solar Tracker) سیستمی مکانیکی است که زاویه پنل خورشیدی را به‌گونه‌ای تنظیم می‌کند تا همواره نسبت به موقعیت خورشید در آسمان در وضعیت بهینه قرار گیرد، به‌طوری‌که سطح پنل تا حد امکان عمود بر تابش خورشید باقی بماند.

دنبال‌کننده‌های خورشیدی PV جهت پنل‌های خورشیدی را براساس موقعیت خورشید در آسمان تغییر می‌دهند. با حفظ زاویه عمود پنل نسبت به خورشید، مقدار بیشتری از نور خورشید به سطح پنل می‌تابد، بازتابش نور کاهش می‌یابد و انرژی بیشتری جذب می‌شود.

با توجه به هزینه بالای خرید، نصب و نگهداری این سیستم‌ها، استفاده از ردیاب‌های خورشیدی عمدتاً در پروژه‌های مقیاس بزرگ، مانند مزارع و نیروگاه‌های خورشیدی رایج است.به‌طور کلی، ردیاب‌های خورشیدی زمانی از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر هستند که افزایش بهره‌وری آن‌ها نسبت به سامانه‌های با زاویه ثابت، از هزینه سرمایه‌گذاری اولیه بیشتر باشد.

ردیاب خورشیدی یا ترکر خورشیدی چگونه کار می‌کند؟

مطالعات نشان می‌دهند که زاویه تابش نور خورشید تأثیر مستقیمی بر میزان توان خروجی پنل خورشیدی دارد. زمانی‌که پرتوهای خورشید به‌صورت عمود بر سطح پنل بتابند، جذب انرژی در بیشترین مقدار خود قرار دارد. در مقابل، حتی انحراف جزئی از زاویه عمود می‌تواند منجر به کاهش محسوس در توان تولیدی شود.

چگونه توان خروجی پنل‌های خورشیدی را محاسبه کنیم؟ | راهنمای کامل محاسبه توان خروجی پنل خورشیدی

از سوی دیگر، زاویه تابش خورشید نه‌تنها در طول یک روز، بلکه در طول سال نیز تغییر می‌کند. این تغییرات به‌صورت روزانه از شرق به غرب و به‌صورت فصلی از شمال به جنوب اتفاق می‌افتند. بااین‌حال، تغییرات زاویه‌ای در راستای شرقی-غربی تأثیر بیشتری بر عملکرد پنل دارند و ازاین‌رو، ردیابی حرکت خورشید در این محور اهمیت بالاتری دارد.

سامانه‌های ردیاب خورشیدی معمولاً به رایانه‌هایی با الگوریتم‌های پیشرفته مجهز هستند که موقعیت خورشید را محاسبه و سیستم را به‌صورت دقیق تنظیم می‌کنند. در برخی مدل‌ها، از حسگرهای نوری نیز برای تشخیص موقعیت لحظه‌ای خورشید استفاده می‌شود. بااین‌حال، در سامانه‌های ساده‌تر، این وظیفه با استفاده از مدارهای الکترونیکی پایه و بدون نیاز به رایانه مرکزی نیز قابل انجام است.

انواع ترکر یا ردیاب خورشیدی

ردیاب‌های خورشیدی به دو روش خورشید را دنبال می‌کنند: ردیاب‌های تک‌محوره (Single-Axis Trackers) و دو‌محوره (Dual-Axis Trackers).

ردیاب خورشیدی تک‌محوره: حول یک محور شرقی-غربی یا شمالی-جنوبی می‌چرخد و در طول روز مسیر خورشید را دنبال می‌کند. این ردیاب‌ها برای افزایش جذب انرژی خورشیدی تا حدود ۲۵ تا ۳۵ درصد طراحی شده است.

ردیاب خورشیدی دو‌محوره: این ردیاب بر هر دو محور شرقی-غربی و شمالی-جنوبی حرکت می‌کند و می‌تواند خورشید را در طول سال دنبال کند. در مقایسه با سیستمی با زاویه ثابت که روی پشت‌بام نصب شده، سیستم نصب‌شده روی زمین با ردیاب دو‌محوره می‌تواند تا ۴۵ درصد برق بیشتری تولید کند.

ردیاب‌های دومحوره بیشتر در کاربردهای خانگی و پروژه‌های تجاری کوچک استفاده می‌شوند، اما به‌تازگی در مقیاس نیروگاهی نیز به‌کار گرفته می‌شوند. هریک از این ردیاب‌ها روی یک پایه بلند نصب می‌شود تا بتواند دامنه وسیع‌تری از زوایای حرکتی پنل‌ها را پشتیبانی کند. هر واحد از ردیاب‌های دومحوره می‌تواند بیش از ۲۰ پنل خورشیدی را در خود جای دهد.

ردیاب‌های خورشیدی براساس نوع سنسور به‌کاررفته در آن‌ها نیز به دو گروه ردیاب خورشیدی مبتنی بر سنسورهای حرارتی و ردیاب خورشیدی مبتنی بر سنسورهای نوری دسته‌بندی می‌شوند:

ردیاب خورشیدی با سنسور حرارتی (ترمیستور)

این سیستم از ترمیستور به‌عنوان حسگر اصلی برای تشخیص تغییرات زاویه تابش خورشید استفاده می‌کند. ترمیستور یک مقاومت الکتریکی با ضریب حرارتی بالاست که مقدار مقاومت آن به‌طور قابل‌توجهی با تغییر دما نوسان می‌کند. در این طراحی:

• ترمیستورها در نقاط استراتژیک پنل خورشیدی نصب می‌شوند
• اختلاف دمای ثبت‌شده توسط ترمیستورهای مختلف، تغییر زاویه تابش را مشخص می‌کند
• دقت سیستم مستقیماً به ابعاد ترمیستورها وابسته است (ترمیستورهای بزرگ‌تر = خطای کمتر)
• سیستم کنترل مرکزی با تحلیل داده‌های حرارتی، فرمان حرکت به موتورهای ردیاب را صادر می‌کند

ردیاب خورشیدی با سنسور نوری (فتورزیستور)

این مدل از فتورزیستور (مقاومت نوری) به‌عنوان عنصر حسگر بهره می‌برد. فتورزیستور مقاومتی است که مقدار آن با شدت نور تابیده‌شده تغییر می‌کند:

• با تغییر زاویه تابش، توزیع نور روی سنسورهای مختلف تغییر می‌کند
• سیستم با مقایسه مقادیر مقاومت فتورزیستورها، جهت حرکت صحیح را تشخیص می‌دهد
• مشابه سیستم حرارتی، دقت با افزایش ابعاد سلول‌های نوری بهبود می‌یابد

سیستم‌های نوری معمولاً پاسخ سریع‌تری به تغییرات ناگهانی نور نشان می‌دهند؛ بااین‌حال، سیستم‌های حرارتی نیز در شرایط آب‌وهوایی متغیر عملکرد پایدارتری دارند. انتخاب بین این دو فناوری به عوامل محیطی، هزینه و دقت مورد نیاز بستگی دارد. در کاربردهای حساس مانند نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP)،  معمولاً از ترکیب هر دو روش استفاده می‌شود.

ردیاب‌های خورشیدی دستی

ردیاب‌های خورشیدی دستی به‌عنوان ابتدایی‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین نوع سیستم‌های ردیابی خورشید شناخته می‌شوند که با مکانیزمی کاملاً ساده عمل می‌کنند. این سیستم‌ها برخلاف نمونه‌های خودکار، نیازمند تنظیم دستی پنل‌ها در طول روز هستند تا همواره در بهترین زاویه نسبت به خورشید قرار بگیرند. کاربران معمولاً باید روزانه دو تا سه بار پنل‌ها را به‌صورت فیزیکی تنظیم کنند که اگرچه زمان‌بر است، اما هزینه اولیه بسیار کمتری نسبت به سیستم‌های پیشرفته دارد.

مزیت اصلی این ردیاب‌ها سادگی ساختار و عدم نیاز به تجهیزات الکترونیکی پیچیده است. ازآنجا‌که هیچ موتور یا سیستم کنترل خودکاری در کار نیست، این ردیاب‌ها به برق خارجی نیازی نداشته و نگهداری آن‌ها بسیار ساده است. این ویژگی‌ها باعث شده برای سیستم‌های کوچک خانگی، پروژه‌های آموزشی یا مناطق دورافتاده گزینه مناسبی محسوب شوند. البته دقت این سیستم‌ها به مهارت کاربر در تنظیم زاویه بستگی دارد و معمولاً نمی‌توانند به‌اندازه نمونه‌های خودکار بازدهی داشته باشند.

برای بهبود عملکرد ردیاب‌های دستی، می‌توان از ابزارهای کمکی مانند نشانگرهای سایه یا اپلیکیشن‌های محاسبه موقعیت خورشید استفاده کرد. همچنین طراحی پایه‌های چرخان با درجه‌بندی مناسب می‌تواند به افزایش دقت کمک کند. اگرچه این سیستم‌ها در مقایسه با ردیاب‌های خودکار تنها ۱۵ تا ۲۰ درصد بازدهی را افزایش می‌دهند، اما قیمت بسیار پایین آن‌ها (معمولاً یک پنجم تا یک دهم سیستم‌های خودکار) باعث شده همچنان در میان کاربران خانگی و پروژه‌های کوچک محبوبیت داشته باشند. این فناوری ساده به‌ویژه برای کسانی که اولویت اصلی آن‌ها کاهش هزینه‌های اولیه است، گزینه مناسبی محسوب می‌شود.

مزایا و معایب استفاده از ردیاب در نیروگاه خورشیدی

استفاده از ردیاب خورشیدی می‌تواند میزان تولید برق را تا حدود ۴۰ درصد افزایش دهد. بااین‌حال، استفاده از سامانه‌های ردیاب با چالش‌ها و محدودیت‌هایی نیز همراه است.

پنل‌های خورشیدی ثابت معمولاً دارای ضمانت‌نامه‌های چنددهه‌ای هستند و نیاز چندانی به تعمیر و نگهداری ندارند. در مقابل، ردیاب‌ها ضمانت کوتاه‌تری دارند و برای جابه‌جایی پنل نیازمند یک یا چند عملگر هستند. این قطعات متحرک موجب افزایش هزینه‌های نصب، کاهش قابلیت اطمینان، و کوتاه‌تر شدن دوره ضمانت تجهیزات می‌شوند. علاوه‌براین، ردیاب‌های فعال برای عملکرد خود به انرژی الکتریکی نیاز دارند، درحالی‌که ردیاب‌های غیرفعال بدون مصرف انرژی خارجی کار می‌کنند.

یکی دیگر از معایب احتمالی ردیاب‌ها، پدیده سایه‌اندازی ناشی از حرکت پنل‌ها در طول روز است. درصورتی‌که فاصله بین پنل‌ها به‌درستی تنظیم نشده باشد، ممکن است در ساعات خاصی از روز—مانند بعدازظهر—پنل‌های غربی روی پنل‌های مجاور خود سایه بیندازند. برای نمونه، در چینش شرقی-غربی، در هنگام ظهر سایه‌ای وجود ندارد، اما در بعدازظهر، با تغییر زاویه تابش، پنل‌ها ممکن است توسط پنل غربی مجاور خود سایه‌اندازی شوند.

برای جلوگیری از این پدیده، پنل‌ها در سیستم‌های مجهز به ردیاب باید با فاصله مناسبی از هم نصب شوند تا از سایه‌اندازی ناخواسته جلوگیری شود. این موضوع هرچند باعث کاهش تراکم نصب و درنتیجه کاهش توان تولیدی در واحد سطح می‌شود، اما در مناطقی که زمین کافی در دسترس است، تأثیر آن چندان چشمگیر نخواهد بود.

مقایسه سازه‌های ثابت و دارای ردیاب در نیروگاه‌های خورشیدی

در مقایسه بین سازه‌های خورشیدی ثابت و سازه‌های دارای ردیاب خورشیدی، باید چندین جنبه کلیدی را از نظر فنی، اقتصادی و عملکردی بررسی کرد:

عملکرد و بازدهی انرژی

سازه ثابت: زاویه پنل‌ها معمولاً به‌صورت ثابت و بهینه‌شده برای یک فصل یا موقعیت خاص جغرافیایی تنظیم می‌شود. این سیستم‌ها در ساعات خاصی از روز بیشترین بازده را دارند.

سازه با ردیاب خورشیدی: پنل‌ها در طول روز با حرکت خورشید تنظیم می‌شوند (ردیابی یک‌محوره یا دو‌محوره)، و در نتیجه تابش بیشتری دریافت می‌کنند. این کار باعث افزایش تا حدود ۴۰ درصدی توان خروجی نسبت به سازه ثابت می‌شود.

پیچیدگی فنی و محدودیت‌های محیطی

سازه‌های ردیاب‌دار برای عملکرد بهینه به زمین‌هایی با شیب کم و فضای کافی برای چرخش پنل‌ها نیاز دارند و در مناطق بادخیز یا گردوغباردار، عملکرد آن‌ها ممکن است با چالش‌هایی مواجه شود. در مقابل، سازه‌های ثابت تقریباً در هر نوع شرایط جغرافیایی قابل پیاده‌سازی‌اند و طراحی ساده‌تری دارند.

راهنمای جامع تمیز کردن و نگهداری از پنل‌های خورشیدی

نگهداری و پایداری عملکرد

سازه‌های ثابت فاقد اجزای متحرک هستند و نیاز چندانی به تعمیر و نگهداری ندارند. اما در ردیاب‌های خورشیدی، وجود قطعات متحرک و سیستم‌های الکترومکانیکی، مستلزم بازرسی‌های دوره‌ای و هزینه‌های تعمیرات بیشتری است. همچنین احتمال بروز خرابی در این سیستم‌ها بالاتر است.

توجیه اقتصادی پروژه

در پروژه‌های کوچک‌مقیاس یا با بودجه محدود، استفاده از سازه‌های ثابت مقرون‌به‌صرفه‌تر است. اما در پروژه‌های صنعتی و بزرگ، به‌ویژه در مناطقی با تابش خورشیدی بالا یا زمانی که فضای زمین محدود است، ردیاب‌های خورشیدی با افزایش توان تولیدی می‌توانند هزینه‌های اولیه را در بلندمدت جبران کنند و از نظر اقتصادی به‌صرفه باشند.

	سازه ثابت	سازه با ردیاب
توان خروجی	کمتر (نسبت به ردیاب)	بیشتر (۳۰-۴۰٪ بالاتر)
هزینه اولیه	پایین‌تر	بالاتر
نگهداری	بسیار کم	بیشتر
پیچیدگی	ساده	پیچیده‌تر
مصرف انرژی	ندارد	دارد (در سیستم‌های فعال)
طول عمر	بالاتر	کمتر
مناسب برای	پروژه‌های کوچک و کم‌هزینه	پروژه‌های بزرگ و صنعتی

درنهایت، انتخاب نوع سازه به اهداف پروژه، شرایط محیطی، محدودیت‌های بودجه و اولویت‌های بهره‌بردار بستگی دارد. در برخی پروژه‌ها، سادگی و دوام سازه‌های ثابت ارجح است، در حالی‌که در دیگر پروژه‌ها، افزایش تولید انرژی با بهره‌گیری از ردیاب‌ها، مزیت اصلی تلقی می‌شود.

جمع‌بندی؛ دنبال‌کننده‌های خورشیدی

ردیاب‌های خورشیدی موقعیت خورشید را در آسمان دنبال می‌کنند تا پنل‌ها در زاویه‌ای قرار گیرند که بیشترین دریافت نور ممکن را داشته باشند. این سیستم‌ها به‌ویژه در پروژه‌های بزرگ و نیروگاه‌های زمینی به‌کار می‌روند و می‌توانند تولید برق را تا ۴۰ درصد نسبت به سیستم‌های ثابت افزایش دهند.

بااین‌حال، به‌کارگیری ردیاب‌ها مستلزم سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر، اختصاص فضای بیشتر برای جلوگیری از سایه‌اندازی، و در برخی موارد، افزایش حساسیت سازه به شرایط جوی نامساعد مانند بادهای شدید است. به‌همین‌دلیل، تصمیم‌گیری در مورد استفاده از ردیاب یا سامانه ثابت باید با توجه به شرایط اقلیمی منطقه، محدودیت‌های فضایی و ارزیابی دقیق اقتصادی پروژه انجام شود.

سؤالات متداول