الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات (Vehicle Integrated Photovoltaics: VIPV)

مقالات مشابهة

أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية للتحكم بحركة الرمال

يناير 31, 2024

كهربة القطاعات، ماذا تمثل؟ ما أهميتها؟ وأثرها على الشبكات الكهربائية

يوليو 1, 2023

منحنى البطة وتأثير مشاريع الطاقة المتجددة على الشبكة الكهربائية

يونيو 13, 2023

مقدمة

الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات (بالإنجليزية: Vehicle Integrated Photovoltaics، واختصاراً: VIPV) هي الخلايا التي يتم تركيبها بشكل متكامل مع جسم المركبة، بهدف تحويل أشعة الشمس الساقطة على جسم المركبة إلى تيار كهربائي يتم من خلاله شحن بطارية المركبة أو تقوم المركبة باستخدامه بشكل مباشر.

وتحل الخلايا الكهروضوئية في هذا النوع من التطبيقات محل مكونات أخرى في المركبات، مثل سقف المركبة أو غطاء المحرك. وتعمل الخلايا على توفير العديد من الفوائد للمركبات ومستخدميها، مثل:

1. رفع نطاق السير للمركبات الكهربائية.
2. التوفير المالي الناتج عن انخفاض استخدام الشبكة الكهربائية لشحن المركبات.
3. تقليل الحمل على الشبكات الكهربائية العامة، بتوفير مصدر بديل لشحن بطاريات المركبات.

ولا يقتصر هذا النوع من التطبيقات على السيارات الخاصة فقط، فيمكن تطبيقها أيضاً مع الحافلات، القطارات، الشاحنات، القوارب، الترام، وغيرها.

صورة (1): توضيح لإضافة الخلايا الكهروضوئية على القوارب. (مصدر الصورة: موقع شركة Advanced and Automotive).

صورة (2): توضيح لإضافة الخلايا الكهروضوئية على الشاحنات. (مصدر الصورة: موقع شركة Advanced and Automotive).

التحديات

من التحديات التي تواجه توسع استخدام الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات (VIPV):

• محدودية المساحة المتوافرة على أجسام المركبات، والحاجة إلى خلايا بكفاءة عالية لرفع نطاق السير للمركبات بشكل ملحوظ.
• استخدام تقنيات ومواد جديدة لتصنيع الخلايا مقارنة مع صناعة الخلايا التقليدية، كما أن هذا النوع من التطبيقات يتطلب خلايا قابلة للانحناء.
• ضمان موثوقية الخلايا مع الأخذ بين الاعتبار تعرضها ل:
  • إشعاع شمسي غير متساوي بشكل شبه دائم.
  • للظلال بشكل مستمر.
  • سرعات الرياح العالية.
  • الاهتزازات.
• خفة الوزن لكيلا تؤثر على كفاءة المركبات.
• المظهر الجمالي.

 

نماذج تجارية

هناك العديد من الشركات التي تعمل على تطوير مركبات بخلايا كهروضوئية متكاملة، منها شركات قامت بطرح بعض المركبات بشكل تجاري مثل شركة هيونداي الكورية وشركة تويوتا اليابانية. وشركات أخرى ما زالت في مراحل التطوير والنماذج المبدئية.

 

1. شركة هيونداي (Hyundai)

صورة (3): سيارة من شركة هيونداي، طراز (Sonata Hybrid, 2020).

• طراز السيارة: سوناتا الهجينة 2020 (Sonata Hybrid).
• قدرة الألواح: 204 واط.
• نطاق السير الإضافي باستخدام الطاقة الشمسية: تتوقع الشركة أن تعمل الألواح الشمسية على شحن البطاريات بما يكفي لإضافة 3.6 كيلو متر كنطاق سير يومي إضافي للسيارة، أي ما يعادل 1310 كيلو متر بشكل سنوي، وذلك بناءً على مستويات الإشعاع الشمسي في كوريا.

 

2. شركة تويوتا (Toyota)

صورة (4): سيارة من شركة تويوتا، طراز (Prius IV).

• طراز السيارة: بريوس 2017 (Prius IV).
• قدرة الألواح: 180 واط.
• نطاق السير الإضافي باستخدام الطاقة الشمسية: تتوقع الشركة أن تعمل الألواح الشمسية على شحن البطاريات بما يكفي لإضافة 2.9 كيلو متر كنطاق سير يومي إضافي للسيارة، أي ما يعادل 1060 كيلو متر بشكل سنوي، وذلك بناءً على مستويات الإشعاع الشمسي في مدينة ناغويا الوسطى في اليابان.

 

3. شركة كارما (Karma)

صورة (5): سيارة من شركة كارما، طراز (Revero 2017).

• طراز السيارة: Revero 2017
• قدرة الألواح: 200 واط.
• نطاق السير باستخدام الطاقة الشمسية: لا يوجد توضيح لذلك على موقع الشركة.

 

نماذج مبدئية

بسبب محدودية المساحة وكفاءة خلايا السيليكون فإن الزيادة في نطاق السير الناتجة عن إضافة الخلايا للمركبات التجارية التي عرضناها سابقاً لا تشكل فرق كبير لمالكي المركبات. لذلك بدأت بعض الشركات على تطوير نماذج مبدئية (Prototypes) تهدف من خلالها بشكل أساسي إلى رفع نطاق السير للمركبات بشكل ملحوظ بعد إضافة الخلايا الكهروضوئية إليها.

 

  * نموذج شركة تويوتا (Toyota)   

صورة (6): نموذج سيارة من شركة تويوتا، طراز (Prius PHV).

صورة (7): سقف نموذج سيارة من شركة تويوتا، طراز (Prius PHV).

صورة (8): غطاء المحرك لنموذج سيارة من شركة تويوتا، طراز (Prius PHV).

في عام 2019، عملت تويوتا مع منظمة تنمية الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الصناعية (NEDO) وشركة شارب (Sharp) على تطوير نموذج مبدئي لسيارة بخلايا بقدرة 860 واط. وللوصول إلى هذه القدرة تم استخدام خلايا كهروضوئية بتقنية (ثلاثة خمسة III-V) وبكفاءة عالية تتجاوز ال34%، وهي خلايا مستخدمة في تطبيقات الأقمار الصناعية.

كانت الخلايا الكهروضوئية في هذا النموذج قادرة على توليد طاقة كهربائية كافية لرفع نطاق السير للسيارة لمسافة 44.5 كيلو متر كحد أقصى في اليوم الواحد.

وبتقرير صادر عن شركة تويوتا، وضحت الشركة أنه في حال إمكانية تركيب خلايا بقدرة تتراوح ما بين 800 و1000 واط على السيارات الشخصية، وبناءً على متوسط حركة السيارات الشخصية في اليابان البالغة 24 كيلو متر يومياً، فإن 70% من السيارات في اليابان يمكنها أن تعتمد بشكل كامل على الطاقة الشمسية كمصدر للطاقة.

صورة (9): متوسط المسافات المقطوعة للسيارات الشخصية في اليابان.

     * نموذج لايت يير (Lightyear) الهولندية

صورة (10): نموذج سيارة من شركة لايت يير.

تدّعي الشركة في نموذجها أن إضافة الخلايا الشمسية سوف يعمل على رفع نطاق سير المركبة 70 كيلو متراً في اليوم الواحد، وتتوقع الشركة أن تبدأ مرحلة الإنتاج الضخم في بداية عام 2024.

لا يوجد معلومات إضافية عن تكنولوجيا الخلايا المستخدمة في السيارة أو قدرتها.

 

 

مستقبل الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات

    أعتقد أن مستقبل الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات يعتمد بشكل أساسي على الجدوى الاقتصادية لتركيبها. لأن استخدام خلايا تطبيقات الأقمار الصناعية سوف يعمل على رفع الكلف بشكل كبير جداً، فلذلك يجب الموازنة ما بين الكفاءة المستخدمة والكلف الناجمة عنها.

وفي حال الوصول إلى كفاءة عالية بكلف مناسبة، فإن هذا النوع من التطبيقات سوف يشهد نقلة نوعية وتطبيق واسع يعمل على رفع قدرة الألواح الكهروضوئية التي يتم تركيبها سنوياً حول العالم. فحسب تقرير صادر عن الرابطة الأوروبية لمصنعي السيارات، فقد تم تصنيع 60 مليون سيارة شخصية في عام 2021، وفي حال تم إضافة خلايا شمسية بكفاءة 25% وبمساحة 3 متر مربع لكل سيارة، فإن إجمالي القدرة التي يمكن تركيبها على هذه المركبات يساوي 45 جيجا واط!

صورة (11): عدد السيارات الشخصية التي تم تصنيعها في الفترة (2010-2021)

.

وأخيراً، فإنه من المهم جداً جمع أكبر قدر من المعلومات عن هذا النوع من التطبيقات قبل استخدامه بشكل واسع. وذلك بهدف دراسة أثر تركيب الخلايا على جسم متحرك باستمرار مقارنة مع التطبيقات التقليدية الثابتة بطبيعتها، وبهدف دراسة أثر الإشعاعية غير المتساوية، أثر الظلال، وأثر سلوك مالكي المركبات (أماكن اصطفاف السيارات على سبيل المثال).