احتمالية (الرايات الشمسية) في الهياكل الأساسية للنقل البحري والنقل

The growingwing Intersection of Solar Energy and Transportation

فالنقل هو أحد أكبر مصادر انبعاثات الكربون العالمية، وقد فتحت عملية إزالة الكربون في القطاع الباب أمام حلول مبتكرة للطاقة المتجددة، ومن أبرزها إدماج صفائف الطاقة الشمسية مباشرة في المركبات والهياكل الأساسية التي تدعمها، وقد تتطور تكنولوجيا الصور الفوتاتوغرافية على مدى العقد الماضي، مع زيادة كفاءة استخدام المركبات، وقلة مرنة بما يكفي من أجل مطابقتها للأسطح الممنوعة.

وعلى عكس المزارع الشمسية الثابتة، يجب أن يتنافس الطاقة الشمسية المتطورة والبنى التحتية مع الظلال الدينامية - الاختراق، والهزاء، والتراب، والزوايا المتغيرة لضوء الشمس، ومع ذلك، فإن الإمكانات هائلة، إذ يقدر تقرير عام 2023 من المختبر الوطني للطاقة المتجددة أنه إذا كانت نسبة 10 في المائة فقط من أسطح الطرق الموجودة في الولايات المتحدة مشمولة بألواح شمسية، فإنها يمكن أن تولد ما يكفي من الكهرباء إلى الطاقة.

كما أن إدماج الصفوف الشمسية في النقل يتوافق مع اتجاهات الطاقة الأوسع نطاقا، ومع تسارع وتيرة اعتماد المركبات الكهربائية، فإن الطلب على الكهرباء النظيفة لشحن تلك المركبات ينمو، كما أن الصفوف الشمسية التي توضع على الطرق السريعة، وفي محطات الراحة، وعلى سطح المركبات يمكن أن توفر تلك الطاقة مباشرة، مما يقلل من الضغط على الشبكة ويتيح التنقل الفعلي الصفري الانبعاثات، وهذا التآزر بين توليد الطاقة الشمسية والنقل الكهربائي هو حجر الزاوية في مستقبل النقل المستدام.

المنافع البيئية والتشغيلية

وتتمثل الميزة الأكثر وضوحاً للصفائف الشمسية في النقل في خفض انبعاثات غازات الدفيئة، إذ أن كل كيلوواط ساعة من الكهرباء الشمسية المستخدمة في تشغيل مركبة أو بنية أساسية تزيل الكهرباء التي كانت ستنجم عن الوقود الأحفوري لولا ذلك، ويمكن أن يترجم ذلك إلى تخفيضات كبيرة في البصمات الكربونية، وهو أمر يزداد أهمية بالنسبة للإبلاغ عن استدامة الشركات والامتثال لأنظمة الانبعاثات.

فبخلاف الانبعاثات، توفر الصفوف الشمسية القدرة على الصمود في العمليات، وفي حالة انقطاع الشبكات، يمكن لمحطات الشحن بالطاقة الشمسية، ومركبات مدمجة أن توفر الطاقة الكهربائية في حالات الطوارئ اللازمة لمهام النقل الحرجة، وعلى سبيل المثال، يمكن للملابس الشمسية على مستودعات الحافلات أن تحافظ على حافلات كهربائية محملة بين عشية وضحاها، حتى وإن فشلت الشبكة، بما يكفل استمرار المرور العابر العام أثناء الكوارث، بالإضافة إلى ذلك، يمكن للألوحات الشمسية أن تقلل من تأثيرات الجزر الحرارية في المناطق الحضرية عن طريق التثبيتات.

ووفرات التكاليف عامل آخر قاهر، ففي حين أن الاستثمار المباشر للتكامل الشمسي يمكن أن يكون مرتفعا، فإن الوفورات الطويلة الأجل في الوقود أو الكهرباء يمكن أن تكون كبيرة بالنسبة لأسطول من شاحنات توصيل الكهرباء التي بها أسطح شمسية، قد تكسب كل مركبة من هذه المركبات ٥ إلى ١٠ أميال يوميا من ضوء الشمس، وذلك للحد من الحاجة إلى شحن وقطع تكاليف الكهرباء بنسبة ١٠ إلى ١٥ في المائة على حياة المركبات، وبالنسبة للأساطيل الكبيرة، فإن مجمع الاد المدخرات هذه بسرعة.

التطبيقات الرئيسية عبر المركبات والهياكل الأساسية

إن إدماج الصفوف الشمسية في النقل ليس مفهوماً يناسب الجميع، فقد ظهرت حالات مختلفة لاستخدامها، كل منها يواجه تحديات وفوائد هندسية فريدة، وتشمل بعض التطبيقات الواعدة المركبات التي تعمل بالطاقة الشمسية، والملابس الشمسية في محطات العبور، ومحطات الشحن الشمسية، والفولطيات الضوئية المدمجة على الطرق.

مركبات ذات طاقة كهربية: تسخير الطاقة في الحركة

يمكن للمركبات الكهربائية (EVs) التي تحتوي على لوحات شمسية أن تُدمج في أسطحها أو أسطحها أو ألواحها أو أجسامها أن تلتقط ضوء الشمس أثناء ركنها أو قيادة السيارة، ويمكن استخدام الطاقة المحصولة في منظومات مساعدة مثل تكييف الهواء أو احتواءها أو المساعدة مباشرة في شحن البطارية، كما أن عدة نماذج إنتاجية تقدم الآن أسطح شمسية مجهزة بالمصنع، بما في ذلك شركة تويوتا بريوس، هيوندي.

وبالنسبة للمركبات التجارية، فإن الإمكانات أكبر، إذ أن شاحنات الإيصال والشاحنات المبردة والحافلات تعمل على طرق يومية مع تعرضها للأشعة الشمسية بشكل يمكن التنبؤ به، ويمكن للألواح الشمسية على أسطحها أن تعوض عن كميات كبيرة من الطاقة، لا سيما بالنسبة لوحدات التبريد التي تدار باستمرار، وقد قامت شركات مثل فرقة العمل وريفيان باستكشاف خيارات شمسية لمركبات إيصالها الكهربائية، وتبين التجارب المبكرة أن سقف الطاقة الشمسية يمكن أن تقلل من مجموع الطاقة

والتحدي الرئيسي الذي يواجهه PV مدمج المركبات هو الكفاءة، إذ أن الألواح الشمسية الموحدة لها كفاءة تقارب 20-22 في المائة، ولكن بالنسبة للوزن الممنوع أو الخفيف أو التصميمات المترجمة المستخدمة على المركبات، كثيرا ما تهبط الكفاءة إلى 15-18 في المائة، غير أن الصناعة تتحسن بسرعة، وقد أظهرت خلايا التكتل الجديدة من المبردات كفاءة تفوق 30 في المائة في المختبر، وتزداد فيها التكنولوجيات المرنة من الإنتاج.

أجهزة نسخ كهربية في مهاب العبور ومرافق وقوف السيارات

ربما أكثر التطبيقات وضوحاً هو تركيب الألواح الشمسية كبزات فوق مواقف السيارات، ومحطات الحافلات، ومنصات القطار، وممرات وقوف المطارات، وهي توفر ازدواجية في العمل، وهي توفر في الوقت نفسه الظل أو الحماية الجوية للركاب والمركبات، وأجهزة العبور الرئيسية تقوم بالفعل بنشر أجهزة للملابس الشمسية، على سبيل المثال، قام مترو لوس أنجلوس بتركيب أجهزة كهربائية في عدة محطات للحافلات الهولندية

ويمكن أن تقترن هذه المستودعات بخزن البطاريات لتوفير طاقة موثوقة للإضاءة، وآلات التذاكر، والواي فاي، وحتى محطات شحن المركبات، وبالنسبة لمشغلي الأساطيل، فإن الأفران الشمسية في مستودعات تتيح شحن حافلات وشاحنات كهربائية لا تُحمل إلا بين عشية وضحاها، وتُقل تكاليفها عن طاقة الشبكة، لا سيما عندما تقترن بإدارة الطاقة في وقت الاستخدام، وتُسقط الاقتصادات أكثر من 80 في المائة.

محطات الشحن ذات الدفع الشمسي

ومع تزايد اعتماد نظام " EV " ، تزداد الحاجة إلى شحن الهياكل الأساسية، ولا سيما على الطرق السريعة وفي المناطق الريفية حيث يمكن أن يكون الوصول إلى الشبكة محدودا أو مكلفا، وتوفر محطات الشحن ذات الطاقة الشمسية حلا، وتتألف هذه المحطات من مجموعة شمسية (تتتشكل غالبا في شكل نظام للملابس أو للمستوى الأرضي)، ونظام لتخزين الطاقة، وأجهزة شحن للكهرباء الإلكترونية، ويمكنها تشغيلها خارج الشبكة أو على مدار الساعة.

وزارة الطاقة الأمريكية مولت عدة مشاريع تجريبية لشحنات كهربائية تعمل بالطاقة الشمسية على الطرق السريعة بين الولايات، مثال بارز هو شبكة الطاقة الشمسية في كولورادو حيث يتم بناء سلسلة من محطات الشحن الشمسية على طول الممر الجبلي من طراز I-70، وتستخدم هذه المحطات كل من الألواح الشمسية وتخزين البطاريات لتوفير شحن سريع في المناطق التي لا تكون فيها طاقة الوصل غير كافية.

وتُعد محطات الشحن الشمسية ذات قيمة خاصة في المناطق التي تكثر فيها ضوء الشمس ولكنها ضعف الهياكل الأساسية للشبكات مثل أجزاء من أفريقيا والهند وأمريكا اللاتينية، وفي هذه المناطق، يمكن للشحن بالطاقة الشمسية أن يعجل باعتماد نظام " إي في " دون أن يتطلب رفع مستوى الشبكة الضخمة.() وأشارت دراسة أجرتها الوكالة الدولية للطاقة في عام 2024 إلى أن محطات الشحن بالطاقة الشمسية التي لا تعمل في الحيز الأرضي يمكن أن تدعم ما يصل إلى 20 في المائة من الطلب على الشحن في البلدان النامية().

التصوير الفوتوغرافي المتكامل للطرق البرية

وقد استولى مفهوم دمج الألواح الشمسية مباشرة في أسطح الطرق على الخيال العام، ولكن التبني العملي كان بطيئاً، وكانت المشاريع الرائدة المبكرة، مثل مبادرة الطرق الشمسية في الولايات المتحدة، و " الطريق السريع " التي قام بها كولاس في فرنسا، قد ركّبت ألواح شمسية في ممر المشاة، وممرات الدراجات، والطرق المنخفضة الترسبات، وكانت النتائج متباينة:

لكن التكنولوجيا تتطور، نُهج جديدة تستخدم الزجاج المُتقلب مع المعاطف المضادة للدبابات و الألواح المُعدية التي يمكن استبدالها بشكل فردي، في الصين، تم اختبار جزء من الطريق الشمسي السريع في جينا، مما يولد طاقة كهربائية كافية لتوليد أضواء الطريق السريع وأجهزة التخريب، وفي هولندا، مشروع "سولا رود" على مسار دراجة كان يولد حوالي 70 كيلوواط لكل متر مربع في السنة.

وعلى الرغم من التحديات، فإن الإمكانية كبيرة، فإذا استطاعت الطاقة الشمسية المدمجة على الطرق أن تتغلب على العقبات التي تُفرض على التكلفة والقدرة على الاستمرار، فإنها يمكن أن تحول ملايين الكيلومترات من الطرق القائمة إلى أصول مدرة للطاقة، كما يقوم الباحثون باستكشاف استخدام الألواح الشمسية في حواجز ضوضاء على الطرق السريعة، وهو تطبيق أقل طلبا يمكن أن يولد قدرا كبيرا من الكهرباء، فعلى سبيل المثال، قامت ألمانيا بتركيب لوحات شمسية على أكثر من الحواجز التي تتجاوز 200 كيلومتر من الطرق السريعة التي تولدت 000 10 كهرباء سنويا.

التغلب على العقبات التقنية والاقتصادية

ولكي تصبح الصفوف الشمسية معيارا في مجال النقل، يجب التصدي لعدة حواجز، تشمل قيودا على الكفاءة، وارتفاع التكاليف الأولية، وتعقيدات التكامل، والحاجة إلى معايير وأنظمة جديدة.

الكفاءة وضغوط الطاقة

ولا يمكن للوحات الشمسية، حتى أكثرها كفاءة، إلا أن تلتقط جزءاً من ضوء الشمس الذي يضربها، وعلى سطح المركبة، لا يتجاوز حجم المساحة المتاحة 3-5 متر مربع لسيارة الركاب، حيث تبلغ نسبة الطاقة الكهربائية الضائعة التي تبلغ 22 في المائة، وتنتج عن ذلك ما لا يتجاوز 800 واط من الطاقة تحت ضوء الشمس، وربما تكون نسبة مئوية متوسطة من القوة، حيث ترتفع إلى 300 ساعة، وتهبط إلى 200 في المائة.

ولا توجد في البنية التحتية المرتبطة بالطوابق، مثل الأمكنة ومحطات الشحن، نفس القيود المتعلقة بالفضاء، ولكن يجب أن تكافح مع ذلك خسائر في الكفاءة من التراب، وسقوط الطيور، والظلام الجزئي، كما أن التقدم في الألواح الثنائية الوجه (التي تلتقط الضوء من كلا الجانبين) والميكروينفيرات التي تُحدِّد كل فريق على حدة تساعد على تخفيف هذه المسائل.

التكلفة الأولية والعودة إلى الاستثمار

ويمكن أن تكون التكلفة الأولية لإدماج الصفوف الشمسية في البنية التحتية للنقل أعلى بنسبة تتراوح بين 20 و50 في المائة من أساليب البناء التقليدية، فعلى سبيل المثال، فإن الصبغة الشمسية على تكاليف موقف السيارات تزيد على تكاليف الكوب الصلب التقليدي، وقد لا تكون دورة استبدال الألواح (25-30 سنة) متسقة مع فترة عمر هيكل الكانوب، ففي حالة الطاقة الشمسية المدمجة للمركبات، تكون تكلفة إضافة لوحات شمسية أكثر من مائة إلى بضعة آلاف دولار للسيارة الواحدة.

غير أن الاقتصاد، بالنسبة لمشغلي الأسطول والوكالات العامة، أفضل من ذلك، ومن المتوقع أن تستمر الحوافز الحكومية، مثل الائتمانات الضريبية للاستثمار في المنشآت الشمسية في الولايات المتحدة (30 في المائة حاليا) ومنح مشاريع الطاقة المتجددة، في تخفيض فترة السداد بدرجة كبيرة، وبالإضافة إلى ذلك، ومع تحسن مستويات التصنيع والتكنولوجيا الشمسية، يتوقع أن تستمر التكاليف.

التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة ومع نظام " غريد "

ومن أكثر التحديات تعقيداً إدماج صفائف الطاقة الشمسية في نظم النقل القائمة، ويعني ذلك بالنسبة لمركبات المركبات المدمجة أن النظام الشمسي لا يضيف وزناً كبيراً أو يعرّض الديناميكا الهوائية أو يتدخل في نظم الأمان، وبالنسبة لمشاريع البنية التحتية، يتطلب التنسيق مع شركات المرافق العامة، وأنظمة تقسيم المناطق، وقواعد البناء، وفي العديد من الولايات القضائية، تتطلب المنشآت الشمسية على أرض جانب الطريق أو فوق أماكن وقوف السيارات تصاريح خاصة واستعراضات بيئية.

وثمة مسألة أخرى هي تداخل الطاقة الشمسية، إذ تتطلب نظم النقل طاقة موثوقة على مدار الساعة، ليس فقط عندما تشرق الشمس، فخزن البطاريات ضروري لمحطة الشحن بالطاقة الشمسية والملابس لتوفير الطاقة في الليل أو في الأيام الغائبة، وفي حين انخفضت تكاليف شبكات البطاريات، فإنها تضيف نفقات كبيرة على المستوى الأمامي، ولكن في التطبيقات مثل مستودعات الأسطول، يمكن للبطاريات أيضا أن توفر خدمات السحب من المركبات إلى الشبكة.

The Road Ahead: Policy, Innovation, and Scalability

وعلى الرغم من التحديات، فإن الزخم الذي يولده التكامل الشمسي في مجال النقل آخذ في الازدياد، وتقوم الحكومات الوطنية والمحلية بوضع أهداف مناخية طموحة تتطلب إزالة الكربون من النقل، والصفوف الشمسية أداة حاسمة، وتشمل مجموعة تدابير الاتحاد الأوروبي المتعلقة بـ " التمويل من أجل 55 " حوافز لشحنات المركبات الكهربائية بالطاقة الشمسية وولايات الطاقة المتجددة في البنية التحتية للنقل العام، وفي الولايات المتحدة، يتضمن قانون الاستثمار في الهياكل الأساسية والوظائف بلايين الدولارات لمشاريع النقل النظيفة.

كما أن الباحثين يطورون خلايا شمسية شفافة يمكن أن تُدمج في نوافذ الحافلات والقطارات والسيارات هذه التكنولوجيات يمكن أن تحول سطحاً يمر حالياً إلى مولدات للطاقة

إن القدرة على التكييف ستتوقف على التوحيد القياسي وحجم التصنيع، فبما أن صناع السيارات ومقدمي الهياكل الأساسية يعتمدون ترابطات مشتركة وحجم الفريق، فإن التكاليف ستنخفض بالفعل، فإن شركات التصنيع الشمسية الرئيسية مثل خلايا هاوها Qlls وجينكو سولار تستحدث منتجات خصيصا لتطبيقات النقل، فالشراكات بين صناع السيارات والشركات الشمسية، مثل تعاون هيونداي مع محركات سونو، تصبح أكثر شيوعا وستعجل نضج التكنولوجيا.

وأخيرا، فإن قبول المستهلكين والجمهور أمر حاسم، حيث أن المركبات والهياكل الأساسية التي تجهز بالطاقة الشمسية تظهر في الحياة اليومية، فإن الناس سيشعرون بمزيد من الارتياح للتكنولوجيا، إذ أن المبتغاة المبكرين، مثل مديري الأسطول الذين يرون فوائد التكاليف الطويلة الأجل، سيقودون الطريق، كما أن مشاريع التدشين، مثل توقف الحافلات الشمسية في سان فرانسيسكو وخطوط الترام الشمسية في دبي، توفر دليلا واضحا على المفهوم.

خاتمة

فالصفوف الشمسية يمكنها أن تعيد تشكيلها أساساً عن كيفية نقل الطاقة، ومن أسطح المركبات الكهربائية إلى الأمكنة على مرآبنا، والطرق التي تقع تحت عجلاتنا، يمكن للطاقة الشمسية أن تقلل من الانبعاثات، وتخفض التكاليف، وتزيد من استقلال الطاقة، والتكنولوجيا لا تفتقر إلى الكفاءة، والتكاليف، والتكامل، وتظل تحديات - ولكن المسار إيجابي بشكل غير مقصود.