Tổng quan về thiết bị
Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời tự động hoàn toàn là một hệ thống thông minh cảm nhận góc phương vị và độ cao của mặt trời trong thời gian thực, điều khiển các tấm pin quang điện, bộ tập trung hoặc thiết bị quan sát để luôn duy trì góc tối ưu với tia nắng mặt trời. So với các thiết bị năng lượng mặt trời cố định, nó có thể tăng hiệu suất thu năng lượng lên 20%-40%, và có giá trị quan trọng trong sản xuất điện năng lượng mặt trời, điều tiết ánh sáng nông nghiệp, quan sát thiên văn và các lĩnh vực khác.
Thành phần công nghệ cốt lõi
Hệ thống nhận thức
Mảng cảm biến quang điện: Sử dụng điốt quang bốn góc phần tư hoặc cảm biến hình ảnh CCD để phát hiện sự khác biệt trong phân bố cường độ ánh sáng mặt trời.
Bù trừ thuật toán thiên văn: Tích hợp định vị GPS và cơ sở dữ liệu lịch thiên văn, tính toán và dự đoán quỹ đạo của mặt trời trong điều kiện thời tiết mưa.
Phát hiện kết hợp nhiều nguồn: Kết hợp các cảm biến cường độ ánh sáng, nhiệt độ và tốc độ gió để đạt được khả năng định vị chống nhiễu (chẳng hạn như phân biệt ánh sáng mặt trời với nhiễu ánh sáng).
Hệ thống điều khiển
Cấu trúc truyền động hai trục:
Trục quay ngang (phương vị): Động cơ bước điều khiển chuyển động quay từ 0-360°, độ chính xác ±0,1°
Trục điều chỉnh góc nghiêng (góc nâng): Thanh đẩy tuyến tính cho phép điều chỉnh từ -15° đến 90° để thích ứng với sự thay đổi độ cao của mặt trời trong bốn mùa.
Thuật toán điều khiển thích nghi: Sử dụng điều khiển vòng kín PID để điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt nhằm giảm tiêu thụ năng lượng.
Cấu trúc cơ khí
Khung composite trọng lượng nhẹ: Vật liệu sợi carbon đạt tỷ lệ độ bền trên trọng lượng là 10:1 và khả năng chống gió ở mức 10.
Hệ thống ổ trục tự làm sạch: cấp độ bảo vệ IP68, lớp bôi trơn than chì tích hợp, tuổi thọ hoạt động liên tục trong môi trường sa mạc vượt quá 5 năm.
Các trường hợp ứng dụng điển hình
1. Trạm điện mặt trời tập trung công suất cao (CPV)
Hệ thống theo dõi DuraTrack HZ v3 của Array Technologies được triển khai tại Công viên năng lượng mặt trời ở Dubai, UAE, sử dụng các tế bào quang điện đa lớp III-V:
Hệ thống theo dõi hai trục cho phép hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng đạt 41% (trong khi giá đỡ cố định chỉ đạt 32%).
Được trang bị chế độ chống bão: khi tốc độ gió vượt quá 25m/s, tấm pin quang điện sẽ tự động điều chỉnh góc nghiêng để giảm nguy cơ hư hỏng cấu trúc.
2. Nhà kính năng lượng mặt trời nông nghiệp thông minh
Đại học Wageningen ở Hà Lan tích hợp hệ thống theo dõi hướng dương SolarEdge Sunflower vào nhà kính trồng cà chua:
Góc chiếu của ánh sáng mặt trời được điều chỉnh linh hoạt thông qua hệ thống gương phản xạ để cải thiện độ đồng đều của ánh sáng lên đến 65%.
Kết hợp với mô hình sinh trưởng của cây, thiết bị tự động điều chỉnh góc chiếu 15° trong thời gian nắng gắt giữa trưa để tránh làm cháy lá.
3. Nền tảng quan sát thiên văn không gian
Đài quan sát Vân Nam thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc sử dụng hệ thống theo dõi xích đạo ASA DDM85:
Ở chế độ theo dõi sao, độ phân giải góc đạt 0,05 giây cung, đáp ứng nhu cầu phơi sáng lâu dài đối với các vật thể trong không gian sâu.
Sử dụng con quay hồi chuyển thạch anh để bù lại sự quay của trái đất, sai số theo dõi trong 24 giờ nhỏ hơn 3 phút cung.
4. Hệ thống đèn đường thành phố thông minh
Dự án thí điểm đèn đường năng lượng mặt trời SolarTree tại khu vực Thâm Quyến Qianhai:
Công nghệ theo dõi hai trục kết hợp với pin silicon đơn tinh thể giúp sản lượng điện trung bình hàng ngày đạt 4,2kWh, hỗ trợ thời lượng sử dụng pin lên đến 72 giờ ngay cả trong điều kiện trời mưa và nhiều mây.
Tự động xoay về vị trí nằm ngang vào ban đêm để giảm sức cản của gió và đóng vai trò như một bệ đỡ trạm gốc 5G siêu nhỏ.
5. Tàu khử muối bằng năng lượng mặt trời
Dự án “SolarSailor” của Maldives:
Màng phim quang điện dẻo được trải trên boong tàu, và việc theo dõi bù sóng được thực hiện thông qua hệ thống truyền động thủy lực.
So với các hệ thống cố định, sản lượng nước ngọt hàng ngày tăng 28%, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của một cộng đồng 200 người.
Xu hướng phát triển công nghệ
Định vị kết hợp đa cảm biến: Kết hợp SLAM thị giác và lidar để đạt độ chính xác theo dõi ở mức centimet trong điều kiện địa hình phức tạp.
Tối ưu hóa chiến lược bằng trí tuệ nhân tạo: Sử dụng học sâu để dự đoán quỹ đạo chuyển động của các đám mây và lập kế hoạch đường đi tối ưu trước (các thí nghiệm của MIT cho thấy điều này có thể tăng sản lượng điện hàng ngày lên 8%).
Thiết kế cấu trúc sinh học: Mô phỏng cơ chế sinh trưởng của hoa hướng dương và phát triển thiết bị tự lái bằng chất đàn hồi tinh thể lỏng không cần động cơ (nguyên mẫu của phòng thí nghiệm KIT Đức đã đạt được khả năng lái ±30°).
Mảng quang điện không gian: Hệ thống SSPS do JAXA của Nhật Bản phát triển thực hiện truyền năng lượng vi sóng thông qua ăng-ten mảng pha, và sai số theo dõi quỹ đạo đồng bộ là <0,001°.
Đề xuất lựa chọn và thực hiện
Trạm điện mặt trời sa mạc, chống mài mòn do cát và bụi, hoạt động ở nhiệt độ cao 50℃, động cơ giảm tốc hài kín + mô-đun tản nhiệt làm mát bằng không khí
Trạm nghiên cứu vùng cực, khởi động ở nhiệt độ thấp -60℃, chịu tải trọng băng tuyết, ổ trục gia nhiệt + giá đỡ hợp kim titan
Hệ thống quang điện phân tán tại nhà, thiết kế giảm tiếng ồn (<40dB), lắp đặt trên mái nhà trọng lượng nhẹ, hệ thống theo dõi một trục + động cơ DC không chổi than
Phần kết luận
Với những đột phá trong các công nghệ như vật liệu quang điện perovskite và nền tảng vận hành và bảo trì kỹ thuật số song sinh, các hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời tự động hoàn toàn đang phát triển từ chế độ “theo dõi thụ động” sang “hợp tác dự đoán”. Trong tương lai, chúng sẽ thể hiện tiềm năng ứng dụng lớn hơn trong các lĩnh vực trạm điện mặt trời vũ trụ, nguồn sáng nhân tạo quang hợp và phương tiện thám hiểm liên sao.
Thời gian đăng bài: 11/02/2025