Real-Time IoT-Based Solar Monitoring and Tracking System Using AWS Cloud

تعد الشمس مصدراً موثوقاً للطاقة، لكنها شريك متقلب للآلات التي تحاول التقاط طاقتها. فالألواح الشمسية، وهي تلك المستطيلات الزجاجية الداكنة التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء، تعمل بأفضل حالاتها عندما تواجه الشمس مباشرة. ومع ذلك، تتحرك الشمس عبر السماء من الشرق إلى الغرب كل يوم، بينما يظل اللوح الشمسي القياسي عادةً ثابتاً في وضع واحد، مما يؤدي غالباً إلى تفويت ذروة شدة الضوء. ويعني هذا عدم التطابق أن كمية كبيرة من الطاقة الكامنة تُفقد ببساطة لأن اللوح ينظر في الاتجاه الخاطئ. ولحل هذه المشكلة، سعى المهندسون منذ فترة طويلة لإيجاد طرق لجعل الألواح تتحرك، تماماً كما تتبع زهور عباد الشمس الضوء. وكان التحدي دائماً يتمثل في القيام بذلك دون جعل النظام مكلفاً للغاية، أو معقداً جداً، أو صعب الإدارة.

في مشروع حديث، قام فريق من الباحثين من كلية "سفيري" للهندسة في الهند ببناء نموذج عملي صغير يجمع بين لوح شمسي متحرك ونظام عصبي رقمي. لقد ابتكروا جهازاً لا يتتبع الشمس تلقائياً فحسب، بل يرسل أيضاً تقريراً حياً عن أدائه إلى الإنترنت، مما يسمح لأي شخص يمتلك حاسوباً أو هاتفاً بمراقبة الطاقة التي يتم توليدها في الوقت الفعلي. يستخدم النظام منطقاً بسيطاً: حيث يضع مستشعرين للضوء على جانبين متقابلين من اللوح لمعرفة أي الجانبين أكثر سطوعاً. فإذا كان الضوء أقوى على اليسار، يدور اللوح نحو اليسار؛ وإذا كان أقوى على اليمين، يدور اللوح نحو اليمين. وتتم عملية الحركة هذه بواسطة محرك صغير، بينما تدير شريحة حاسوب مركزية المستشعرات والمحرك. وما يجعل هذا المشروع تحديداً بارزاً هو كيفية ربط هذه الحركة الفيزيائية بالسحابة الإلكترونية. فبدلاً من مجرد الجلوس في مختبر، يستخدم النظام شبكة "الواي فاي" (Wi-Fi) لإرسال بيانات حول الجهد الكهربائي، والتيار، ودرجة الحرارة، والرطوبة إلى خادم بعيد، حيث تُعرض البيانات على لوحة تحكم تتحدث فورياً.

قام الباحثون ببناء نموذجهم الأولي باستخدام لوح شمسي بجهد ستة فولتات وبطارية قابلة لإعادة الشحن لتخزين الطاقة التي يجمعها. ويعد المتحكم الدقيق قلب النظام، وهو عب ấy شريحة حاسوبية صغيرة تعمل بمثابة العقل. تقرأ هذه الشريحة البيانات من عدة مصادر: مستشعري الضوء اللذين يحددان موقع الشمس، ومستشعر يقيس كمية الكهرباء المتدفقة، ومستشعر منفصل يتحقق من درجة حرارة الهواء والرطوبة حول اللوح. وعندما تكتشف مستشعرات الضوء فرقاً في السطوع، ترسل "الشريحة" إشارة إلى محرك سيرفو صغير، والذي يقوم بتدوير اللوح فيزيائياً ليوجه وجهه نحو الجانب الأكثر سطوعاً. وتحدث هذه العملية باستمرار، رغم أن الباحثين يشيرون إلى أن الأداء يمكن أن يتأثر بالغيوم، والظلال، وعدم تطابق المستشعرات، والمحاذاة الميكانيكية، ودقة دوائر الاستشعار الكهربائية. وقد صُمم النظام ليكون مدمجاً ومنخفض التكلفة، مما يثبت أن التتبع والمراقبة المتطورة لا تتطلبان معدات صناعية ضخمة.

وللتأكد من عمل النظام، قام الفريق بإعداد نموذجهم الأولي وتركه يعمل. وراقبوا اللوح أثناء تعديل وضعيته بناءً على الضوء. وأظهرت البيانات أن نظام التتبع كان قادراً بالفعل على توجيه اللوح نحو مصدر الضوء الأقوى. وفي اختبار محدد، سجل النظام جهداً قدره 3.05 فولت، وتياراً مقاساً قدره -3.94 أمبير، مما نتج عنه إنتاج طاقة مسجل قدره 12.01 واط. وكانت درجة الحرارة في ذلك الوقت 34.9 درجة مئوية، والرطوبة 43 بالمئة. وأشار الباحثون إلى أنه بينما تدرج الوثيقة قيماً مقارنة للألواح الثابتة والمتتبعة، إلا أن المادة المصدر المقدمة تنص صراحةً على عدم وجود مجموعة بيانات تجريبية لمقارنة اللوح الثابت مقابل اللوح المتتبع. وبناءً على ذلك، لم يتم الادعاء بوجود نسبة تحسن كمية في المخطوطة، ولم يتم تحديد القيم المحددة للوح الثابت تحت نفس الظروف في الدراسة.

وبعيداً عن الحركة الفيزيائية، ركز المشروع بشكل كبير على كيفية مشاركة البيانات. يتصل المتحكم الدقيق بشبكة "واي فاي" محلية ويرسل قراءات المستشعرات إلى منصة حوسبة سحابية. وهذا يسمح بتخزين البيانات وتصورها على موقع إلكتروني يمكن الوصول إليه من أي مكان. وقد بنى الباحثون لوحة تحكم رقمية تعرض رسوماً بيانية للجهد، والتيار، والقدرة، ودرجة الحرارة، وزاوية المحرك. وهذا يعني أن المستخدم ليس بحاجة للوقوف بجانب اللوح الشمسي لمعرفة كيفية أدائه؛ بل يمكنه التحقق من الحالة المباشرة عبر حاسوب محمول أو هاتف محمول. ويستخدم النظام طريقة اتصال قياسية لضمان وصول البيانات بسرعة وموثوقية، مما يجعل عملية المراقبة سلسة.

وبينما يوضح النموذج الأولي أن المفهوم يعمل، فإن الباحثين حذرون في ملاحظة حدود نتائجهم الحالية. يعتمد النظام على محور حركة واحد، مما يعني أنه يمكنه الميل يميناً ويساراً فقط، وليس للأعلى والأسفل. ويمكن أن يتأثر الأداء بالغيوم، أو الظلال، أو إذا لم تكن مستشعرات الضوء متطابقة تماماً. ولم تتضمن الدراسة مقارنة طويلة الأمد مقابل لوح ثابت على مدار عدة أيام أو تحت جميع الظروف الجوية، لذا فإن النسبة المئوية الدقيقة لزيادة الطاقة غير محددة في الوثيقة المقدمة. ومع ذلك، نجحت التجربة في إثبات جدوى دمج التتبع الشمسي التلقائي مع المراقبة عن بعد في الوقت الفعلي في جهاز واحد محمول.

ويقترح العمل مساراً للمضي قدماً في جعل الطاقة الشمسية أكثر كفاءة وسهولة في الإدارة. فمن خلال الجمع بين الحركة الميكانيكية البسيطة والاتصال الحديث بالإنترنت، أنشأ الفريق نظاماً يتسم بالذكاء وسهولة الوصول في آن واحد. إن القدرة على مشاهدة توليد الطاقة يحدث مباشرة، بينما يعدل اللوح نفسه تلقائياً تجاه الشمس، تقدم لمحة عن كيفية عمل أنظمة الطاقة المتجددة في المستقبل. ويظل المشروع بمثابة إثبات للمفهوم، يوضح أنه مع الجمع الصحيح بين المستشعرات والمحركات وتقنية السحابة، يمكن حتى لنظام شمسي صغير أن يتم تحسينه لالتقاط المزيد من الطاقة ومراقبته من على بعد أميال.