الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات (VIPV)

الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات (Vehicle Integrated Photovoltaics – VIPV) تمثل قفزة نوعية في استخدام الطاقة الشمسية في عالم النقل، يتم دمج هذه الخلايا بشكل مباشر في هيكل المركبة، مثل السقف أو غطاء المحرك، لتقوم بتحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية تُستخدم لشحن البطارية أو لتشغيل المركبة مباشرة، تعدّ هذه التقنية ابتكارًا مستدامًا، حيث تسهم في تقليل الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية، وتساعد في تحسين أداء المركبات الكهربائية عبر توفير طاقة إضافية.

 كما أنها تُعزز من كفاءة المركبات عبر زيادة مدى القيادة وتخفيض استهلاك الطاقة من الشبكة العامة، مما يخفف العبء على شبكات الطاقة الوطنية ويوفر بدائل شحن مستدامة. ولا يقتصر تطبيقها على السيارات فقط، بل يمتد ليشمل الحافلات، القطارات، وحتى القوارب، مما يجعلها حلاً شاملاً متعدد الاستخدامات في قطاع النقل، ويساهم في تحقيق أهداف الاستدامة البيئية

التحديات

من التحديات التي تواجه توسع استخدام الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات (VIPV) هي محدودية المساحة المتاحة على هياكل المركبات، مما يتطلب تطوير خلايا ذات كفاءة عالية، لتحقيق زيادة ملحوظة في مدى السير للمركبات، يجب استخدام تقنيات ومواد جديدة في تصنيع الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات مقارنة بالخلايا التقليدية، بالإضافة إلى ذلك، هذه التطبيقات تتطلب خلايا قابلة للانحناء لتناسب الأشكال المختلفة للمركبات.

أيضًا، من الضروري ضمان موثوقية الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات في ظروف متعددة، مثل تعرضها لإشعاع شمسي غير متساوٍ باستمرار، والظل المستمر نتيجة لعوامل مثل المباني أو الأشجار، بالإضافة إلى تأثيرات مثل سرعات الرياح العالية، الاهتزازات، وخفة الوزن لضمان عدم تأثيرها على كفاءة المركبات، وأخيرًا، يجب أن تحافظ الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات على المظهر الجمالي للمركبة دون التأثير على تصميمها العام.

نماذج تجارية

هناك العديد من الشركات التي تركز على تطوير مركبات مزودة بـ الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات، من بين هذه الشركات، قامت شركات كبرى مثل شركة هيونداي الكورية و شركة تويوتا اليابانية بطرح بعض المركبات التي تضم هذه التقنية بشكل تجاري، بينما لا تزال هناك شركات أخرى في مراحل التطوير، حيث تعمل على تقديم نماذج مبدئية واختبارات للمركبات التي تعتمد على الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات.

1 شركة هيونداي (Hyundai)

• طراز السيارة: سوناتا الهجينة 2020 (Sonata Hybrid).
• قدرة الألواح الشمسية: 204 واط.
• نطاق السير الإضافي باستخدام الطاقة الشمسية:
• الألواح الشمسية تساهم في شحن البطاريات بما يكفي لإضافة 3.6 كيلو متر إلى نطاق السير اليومي.
• هذا يعادل 1310 كيلو متر سنويًا، بناءً على مستويات الإشعاع الشمسي في كوريا.

2. شركة تويوتا (Toyota)

طراز السيارة: بريوس 2017 (Prius IV).

قدرة الألواح الشمسية: 180 واط.

نطاق السير الإضافي باستخدام الطاقة الشمسية:

• تتوقع الشركة أن تساهم الألواح الشمسية في شحن البطاريات بما يكفي لإضافة 2.9 كيلو متر إلى نطاق السير اليومي.
• هذا يعادل 1060 كيلو متر سنويًا، بناءً على مستويات الإشعاع الشمسي في مدينة ناغويا الوسطى في اليابان.

.3 شركة كارما (Karma)

طراز السيارة: 2017 Revero.

قدرة الألواح الشمسية: 200 واط.

نطاق السير باستخدام الطاقة الشمسية: لم يتم توضيح ذلك على موقع الشركة.

نماذج مبدئية

بسبب محدودية المساحة المتاحة وكفاءة خلايا السيليكون، فإن الزيادة في نطاق السير الناتجة عن إضافة الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات للمركبات التجارية التي تم عرضها سابقًا لا تشكل فارقًا كبيرًا لمالكي المركبات، لذلك، بدأت بعض الشركات في تطوير نماذج مبدئية (Prototypes) تهدف بشكل أساسي إلى تحسين نطاق السير للمركبات بشكل ملحوظ بعد دمج الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات، مما يعزز من الفائدة العملية لهذه التقنية.

نموذج شركة تويوتا (Toyota)

في عام 2019، تعاونت تويوتا مع منظمة تنمية الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الصناعية (NEDO) وشركة شارب (Sharp) لتطوير نموذج مبدئي لسيارة مزودة بـ الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات بقدرة 860 واط. ولتحقيق هذه القدرة، تم استخدام خلايا كهروضوئية بتقنية III-V عالية الكفاءة، التي تتجاوز كفاءتها 34%، وهي التقنية المستخدمة في تطبيقات الأقمار الصناعية.

كانت الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات في هذا النموذج قادرة على توليد طاقة كهربائية تكفي لزيادة نطاق السير للمركبات بمقدار 44.5 كيلو متر كحد أقصى في اليوم، وفي تقرير صادر عن تويوتا، تم توضيح أنه في حال تركيب خلايا بقدرة تتراوح بين 800 و 1000 واط على السيارات الشخصية، وبناءً على متوسط حركة السيارات في اليابان التي تبلغ 24 كيلو متر يوميًا، فإن 70% من السيارات في اليابان ستكون قادرة على الاعتماد الكامل على الطاقة الشمسية كمصدر للطاقة.

نموذج لايت يير (Lightyear) الهولندية

تدعي الشركة في نموذجها أن إضافة الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات ستساهم في زيادة نطاق السير للمركبة بمقدار 70 كيلو متر يوميًا، كما تتوقع الشركة بدء مرحلة الإنتاج الضخم في بداية عام 2024، ولكن لا توجد معلومات إضافية حول تكنولوجيا الخلايا المستخدمة في السيارة أو قدرتها.

مستقبل الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات

يُعتقد أن مستقبل الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات يعتمد بشكل أساسي على الجدوى الاقتصادية لتركيبها، نظرًا لاستخدام خلايا تطبيقات الأقمار الصناعية التي قد ترفع التكاليف بشكل كبير، فإن من الضروري الموازنة بين الكفاءة والكلفة الناتجة عنها، وفي حال الوصول إلى كفاءة عالية بتكاليف مناسبة، فإن هذا النوع من التطبيقات سيشهد تحولًا نوعيًا وتوسعًا كبيرًا، مما يعزز من قدرة الألواح الكهروضوئية التي تُركب سنويًا حول العالم.

ووفقًا لتقرير صادر عن الرابطة الأوروبية لمصنعي السيارات، تم تصنيع 60 مليون سيارة شخصية في عام 2021، وإذا تم تركيب الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات بكفاءة 25% وبمساحة 3 متر مربع لكل سيارة، فإن إجمالي القدرة التي يمكن تركيبها على هذه المركبات يصل إلى 45 جيجا واط!

في النهاية، من الضروري جمع أكبر قدر من المعلومات حول الخلايا الكهروضوئية المتكاملة مع المركبات قبل استخدامها على نطاق واسع، ذلك بهدف دراسة تأثير تركيب هذه الخلايا على جسم متحرك باستمرار مقارنة مع التطبيقات التقليدية التي تتميز بالثبات، بالإضافة إلى تحليل تأثير الإشعاع غير المتساوي والظلال، كما يجب دراسة كيفية تأثير سلوك مالكي المركبات في أماكن الاصطفاف، على سبيل المثال، على فعالية هذه الخلايا في توفير الطاقة.