استخدام الأشعة الشمسية النموذجية للنشر السريع في حالات الطوارئ

وعندما تضرب الكوارث الطبيعية أو الأزمات الإنسانية، فإن أحد النظم الأساسية الأولى التي تفشل هي الشبكة الكهربائية، إذ تعتمد المستشفيات والملاجئ ومراكز الاتصال وعمليات الإغاثة على الطاقة الموثوقة، ومع ذلك فإن المولدات الكهربائية التقليدية القائمة على الوقود تتحول إلى سلاسل الإمداد والاختناقات اللوجستية، وقد ظهرت صفائف الطاقة الشمسية الحديثة كحل ثابت لنشر الطاقة السريعة والمتجددة في هذه البيئات العالية الضغط.

ما هو الـ(الراي) النجمي؟

أما الصفوف الشمسية النموذجية فهي تجمعات قابلة للتشغيل مسبقاً، وقابلة للنقل من الألواح الشمسية، والمحاولات، وتخزين البطاريات، ومعدات متنقلة مصممة للتركيب السريع في الموقع، وخلافاً للمنشآت الشمسية الثابتة التقليدية التي تتطلب أسابيع من التخطيط والبناء، فإن صفائف الوحدات النموذجية تأتي في وحدات موحدة يمكن نشرها مثل اللغز معاً لتشكل نظماً ذات حجم، وتحتوي كل وحدة نموذجية على مكوناتها الخاصة بالإدارة الكهربائية مجتمعة.

وتشمل العناصر الرئيسية للصفيفة الشمسية النموذجية ما يلي:

Solar modules] — light weight, high-efficiency photovoltaic panels (often monocrystalline or little-film) that capture sunlight
هياكل التموين ] - الأطر المعدنية القابلة للطي، أو الرهانات الأرضية، أو نظم الصابورة التي تسمح بنشرها على تضاريس غير متجانسة، أو أسطح، أو حتى رمال
المسافرون ومراقبو الشحنات - تحويل DC إلى AC وإدارة شحن البطاريات؛ وغالبا ما يدمجون في كل وحدة
وحدات تخزين البطاريات ] - ليثيوم - أو بطاريات تدفق تخزن الطاقة في أوقات الليل أو فترات الغيوم
Plug-and-play cabling] - أجهزة اتصال مضادة للطقس تقلل من وقت الأسلاك والخطأ

وكثيرا ما تكون هذه النظم مجهزة في حاويات الشحن أو مجهزة بالشحن الجوي أو البري أو البحري، وعندما يكون في الموقع، يستطيع فريق من شخصين أو أربعة أشخاص تجميع نظام من ٥ إلى ٠١ كيلوواط في أقل من ساعتين، مع تشغيل منشآت أكبر )١٠٠-٥٠٠ كيلوواط( في غضون يوم أو ساعتين.

مزايا الأرياح الشمسية النموذجية في سيناريوهات الطوارئ

النشر السريع والقوى الثابتة

وفي أعقاب الكارثة مباشرة، يمكن أن يعني كل ساعة بدون طاقة فقدان الاتصالات، وتدل على الإمدادات الطبية، وجهود الإنقاذ المتأخرة، وقد صُممت صفائف نموذجية بحيث لا تكون مجهزة وتُركَّب بسرعة، فعلى سبيل المثال، قام مختبر الطاقة المتجددة الوطني بتوثيق اختبارات ميدانية حيث كان نظام الوحدات النموذجية البالغ عددها 30 كيلوواط يعمل بالكامل في أقل من أربع ساعات.

المرونة والقابلية للاعتماد في التضاريس

ونادرا ما توفر مناطق الطوارئ ظروفا مثالية - هشة أو فيضان أو طين أو ثلج - يمكن أن تجعل من المستحيل وضع المولدات التقليدية، ويمكن نشر صفائف مناديل نموذجية على أي سطح من المستويات: مواقف السيارات، أو حقول الرياضة، أو مجرى المطارات، أو حتى أسطح المباني المتضررة، وتستخدم بعض النظم ألواح رقيقة مرنة يمكن أن تنفجر مثل السجاد، وتتمشى مع مناطق غير متجانسة، وتزيد من الطاقة الشمسية ٢٥.

الكفاءة في النقل والإمداد

فالضعف والحجم أمران بالغا الأهمية عندما تنقل الإمدادات جوا إلى منطقة كارثية، وتستخدم صفائف شمسية حديثة مواد خفيفة الوزن - إطارات للرم، وألواح الرش، وبطاريات مدمجة - بحيث يمكن أن يزن نظام خمس كيلوواط أقل من 150 جنيهاً ويدخل إلى صندوق واحد، وهذا النقال يعني أنها يمكن إرسالها إلى جانب معونة أساسية أخرى دون أن تتطلب طائرات مستأجرة ثقيلة أو مركبات إضافية.

الطاقة المستدامة والموثوق بها دون الاعتماد على الوقود

ومن أكبر التحديات التي تواجه مولدات الديزل إمدادات الوقود: تسليم وتخزين وحماية آلاف غالونات الديزل في ظروف فوضوية، أمر خطير ومعقد من الناحية السوقية، وتستمد صفائف الطاقة من ضوء الشمس، الذي يتوفر حتى في ظروف غير مأمونة )رغم أن الناتج يقلص(، وعندما يقترن ذلك بتخزين البطاريات، فإنها يمكن أن توفر الطاقة ٢٤/٧ دون أي إعادة وقود، مما يزيل مخاطر التلوث، والمولد الكهرباء.

Scalability from Micro to Macro

ويمكن لوحدة نموذجية واحدة أن تُدير عيادة ميدانية أو مركز اتصالات، حيث يضاف المزيد من الوحدات، يمكن للنظام أن يتوسع في دعم مخيم للاجئين بأكمله أو مستشفى مؤقت، ويتيح الهيكل النموذجي التوسع التدريجي دون انقطاع الأفرقة الجديدة للعمليات والبطاريات الموجودة، ويقتصر هذا التصعيد على النظام، وهذا أمر أساسي لأن الطلب على الطاقة كثيرا ما ينمو مع زيادة جهود الإغاثة.

التطبيقات في الاستجابة لحالات الطوارئ

المستشفيات والمرافق الطبية الميدانية

وفي حالة وقوع كارثة، يجب أن تعمل المستشفيات بكامل طاقتها، وكثيرا ما تكون لها وصلات شبكية مُهددة، ويمكن للصفوف الشمسية النموذجية أن تُستخدم معدات حرجة: أجهزة التهوية، والأضواء الجراحية، وتخزين اللقاحات المبردة، وآلات التشخيص، وقد أدمجت جهازاً لإدارة الطوارئ الاتحادية [FEMA:1] نظماً للضوضاء الشمسية في الاستجابة للكوارث.

المأوى ومعسكرات اللاجئين

وتحتاج الملاجئ والمخيمات المؤقتة إلى الإضاءة، وضخ المياه، ومرافق الطهي، وشحن الهاتف لآلاف الناس، ويمكن نشر النظم الشمسية النموذجية كغرافات صغيرة تخدم خيام أو حاويات متعددة، كما قامت مفوضية الأمم المتحدة لشؤون اللاجئين (وكالة الأمم المتحدة لشؤون اللاجئين) بنشر مجموعات شمسية نموذجية في مختلف مخيمات اللاجئين في أفريقيا والشرق الأوسط، مما يقلل من الاعتماد على نظم الديسير وتحسين السلامة.

مراكز الاتصال والتنسيق

وتعتمد عمليات الطوارئ عادة على الهواتف الساتلية والإذاعة ومراكز التنسيق على الإنترنت التي تتطلب جميعها الكهرباء، ويمكن أن تكون المصفوفات الشمسية النموذجية في أماكن مشتركة مع هذه المراكز لضمان الاتصالات غير المتقطعة، وفي عام 2020، تم توسيع نطاق إدارة الطاقة التابعة للولايات المتحدة ] مكتب أمن الفضاء الإلكتروني، وأمن الطاقة، ومراكز الاستجابة للطوارئ [ممارسة تجريبية]

محطات الشحن للأجهزة الأساسية

ويعتمد المستجيبون الأولون على أجهزة اللاسلكي المحمولة، وأجهزة الرؤية الليلية، والطائرات بدون طيار لتقييم الأضرار، والهواتف الذكية لرسم الخرائط، ويمكن أن تكون صفائف الطاقة الشمسية المتنقلة بمثابة محاور مخصصة للشحن، وغالبا ما تكون مجهزة بأجهزة USB ومنافذ موحدة لأجهزة AC، ويمكن وضع هذه المراكز في مناطق التعبئة، أو نقاط الترايج، أو حتى نقلها من فرادى المستجيبين كوحدات المجهزة.

دراسات الحالة الحقيقية في العالم وبيانات الأداء

إعصار ماريا، بورتوريكو (2017)

بعد أن دمر إعصار ماريا شبكة الطاقة في بورتوريكو، تم نشر صفائف شمسية من نظام الوحدات بواسطة منظمات متعددة، بما في ذلك فيلق الجيش الأمريكي للمهندسين، ومجموعات غير ربحية مثل شركة لايت وشركات خاصة، وتركيب مرئي هو نظام 100 كيلوواط في مركز صحي في أوتوادو، وهرب النظام باستمرار لمدة ستة أشهر، وزودت بأجهزة تنظيف الترددات الكهربائية لمدة 24 ساعة

نيبال: الاستجابة للزلازل (2015)

بعد زلزال الطول 7-8 في نيبال، جعلت التضاريس الجبلية في البلاد نقل الوقود مستحيلاً تقريباً، وكانت صفائف الطاقة الشمسية المتحركة مروحية في قرى نائية، وتم نشر نظام واحد، وهو 15 كيلوواط مع تخزين بطارية الليثيوم في مقاطعة غورخا، لتوليد الطاقة الكهربائية في مستشفى ميداني يعالج مئات الضحايا، وفقاً لتقرير صادر عن

كاليفورنيا قوة الطوارئ لإطلاق النار البري (2020-2021)

وخلال مواسم إطلاق النار في غربي المحيط، تركت مكوكات طاقة الأمان العامة مئات الآلاف بدون كهرباء، ووزعت صفائف شمسية نموذجية من قبل مكتب خدمات الطوارئ التابع لحاكم كاليفورنيا لدعم مراكز الإجلاء والمرافق الطبية، ووزعت شبكة 50 كيلوواط في ملجأ مناظر في مقاطعة سوندوما عشرات من علب المرضى، ولوازم التغذية، ومعدات الإنترنت المتنقلة لمدة تصل إلى 72 ساعة دون شمس.

التحديات التقنية واستراتيجيات التخفيف

وفي حين أن صفائف الطاقة الشمسية النموذجية توفر فوائد واضحة، فإنها ليست بدون قيود، فهم هذه التحديات أمر أساسي للتخطيط الفعال للنشر.

التغير في الطقس والنهار

وفي حالات الطوارئ، يمكن تخفيف هذا الكم من الكميات من الخزن بالبطارية المناسبة التي تُخزّن لمدة 24 إلى 48 ساعة على الأقل من الاستقلال الذاتي، فالنظم الهجينة التي تجمع بين الطاقة الشمسية ومولدات احتياطية صغيرة توفر القدرة على الصمود دون الاعتماد الكامل على الوقود، ويمكن أن تساعد أدوات التنبؤ الحديثة (مثل التنبؤ بالطاقة الشمسية بواسطة السواتل) المشغلين على تقدير الإنتاج واستخدام الخطة.

الأضرار والسرقة

وفي البيئات الفوضوية، يمكن سرقة أو تخريب الألواح الشمسية، كما يمكن أن تحجب الأطر المتصاعدة الآمنة، وكاميرات المراقبة التي يتحكم فيها النظام نفسه، ومشاركة المجتمعات المحلية، سرقة بعض النظم التي تجسد أجهزة تتبع النظام العالمي لتحديد المواقع، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الألواح مصممة لتحمل الهاب والريح؛ وكثيرا ما تستخدم صفائف من الزجاج المعزز أو المرن التي تقل احتمالات تحطمها عن الألواح الزجاجية التقليدية.

النقل والجمعية في المناطق النائية

ويمكن أن تكون صفائف كبيرة جدا (مقياس غابات) تحد من الناحية اللوجستية للنقل الجوي، والحل هو نشر وحدات أصغر حجماً من 100 كيلوواط يمكن تجميعها على مراحل، ويقوم المصنعون بتطوير أفرقة قابلة للطي تقلل من الحجم بنسبة 70 في المائة مقارنة باللوحات الصلبة، وهياكل الدعم التي تشعل الشق، وتختبر هذه الابتكارات وزارة الدفاع من أجل قواعد التشغيل الأمامي.

الصيانة والدعم التقني

وتصمم النظم النموذجية من أجل الحد الأدنى من الصيانة، ولكن إخفاقات أو وصلات اللافقار قد لا تزال بحاجة إلى مساعدة متخصصة، ولتناول ذلك، يقدم المصنّعون الرصد عن بعد عن طريق شبكات الخلايا أو السواتل، مما يمكّن التقنيين من خارج الموقع من تشخيص المشاكل وتوجيه العمال المحليين، وكثيرا ما يكون التدريب السابق للنشر لاثنين أو ثلاثة مشغلي محليين جزءا من مجموعة التدابير.

التوقعات والابتكارات في المستقبل

وترتبط مسار التكنولوجيا الشمسية النموذجية ارتباطا وثيقا بالاتجاهات الأوسع نطاقا في الطاقة المتجددة، وتخزين الطاقة، والتأهب لحالات الطوارئ، وتستعد عدة تطورات لجعل هذه النظم أكثر فعالية في السنوات القادمة.

أعلى أفرقة الكفاءة والتكنولوجيا البيوفينية

وتدفع الخلايا الجيل القادم من الزواحف الضوئية، بما فيها التوابيت البيروفسكي - السيليكون، والتصميمات الثنائية الوجه التي تلتقط الضوء من كلا الجانبين، إلى تحقيق كفاءة التحويل بنسبة تزيد على ٣٠ في المائة، ويعني ارتفاع الكفاءة أن منطقة الفريق أصغر بالنسبة لنفس ناتج الطاقة - وهو أمر حاسم عندما يكون الفضاء محدوداً، وقد بدأت هذه الأفرقة تظهر في مجموعات الطوارئ النموذجية.

تخزين البطاريات المتقدمة - البطاريات المتدفقة والدولة الصلبة

وتهيمن حالياً على بطاريات الليثيوم - الأسيون، ولكنها لديها شواغل تتعلق بالسلامة فيما يتعلق بالمجرى الحراري، وتُعد بطاريات تدفق الفاناديوم، التي تستخدم الكهروليت السائل، حياة أطول (20+ سنة)، وسلامة أفضل، ولا تدهور من الدراجات العميقة في حالات الانتشار الطارئة المطولة، وتعود بضغوط الدول الصلبة، التي يتوقع أن تنضج في غضون العقد، إلى ارتفاع كثافة الطاقة وإلى سرعة التدفق.

النشر الآلي والروبوت

تخيل حاوية تقع من طائرة شحن، تنشر لوحات شمسية عن طريق الأسلحة الآلية في غضون دقائق، بينما لا تزال في مرحلة النموذج الأولي، تعمل أفرقة البحوث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ووكالة ناسا على استخدام صفائف شمسية ذاتية لا تتطلب أي عمل بشري، ففي الوقت الحالي، تتوافر نظم إطلاق شبه مجهزة (مثلا، باستخدام المزمار والأطر المجهزة) وتخفض من الوقت المحدد بنسبة 50 في المائة.

التكامل مع الميكروغريدز وسمارت غريدز

ويمكن إدماج صفائف الطاقة الشمسية المتنقلة مع الشبكات الحالية للصغرى أو إنشاء شبكات مستقلة، وهي تشمل على نحو متزايد منافير ذكية تدير توزيع الحمولة، وتدمج مع مولدات الديزل، وتتيح رفوف الحمولة عن بعد، مما يتيح لوكالات الإغاثة إعطاء الأولوية للطاقة اللازمة للحمولات الحرجة (مثل وحدات الاستهلاك المتكاملة) على الأجهزة غير الأساسية، مما يزيد من فائدة الموارد الشمسية المحدودة.

دعم السياسات والتمويل

بدأت الحكومات والمنظمات الدولية في إدراج الطاقة الشمسية المتحركة في مخزونات الطوارئ القياسية، حيث أن المخزون الوطني الاستراتيجي للحكومة الأمريكية يضم الآن مولدات للطاقة الشمسية، ونظام الأمم المتحدة لتقييم الكوارث والتنسيق يقوم بتقييم الوحدات الشمسية الموحدة للاستجابة السريعة على الصعيد العالمي، حيث أن التكاليف لا تزال تقل عن أسعار الوحدات النموذجية قد انخفضت بنسبة 90 في المائة منذ عام 2010 وأصبح من الفعال من حيث التكلفة وضع هذه النظم في المناطق المعرضة للكوارث.

خاتمة

إن صفائح الطاقة الشمسية النموذجية أثبتت أنها أداة لتغيير اللعبة من أجل الطاقة في حالات الطوارئ: فهي سريعة الانتشار، قابلة للتوسع، ومتحررة من الأعباء اللوجستية للوقود، ومن المستشفيات الميدانية في بورتوريكو إلى مخيمات اللاجئين في أفريقيا، فإن هذه النظم توفر الأرواح بإبقاء الأضواء على المواد والأدوية الباردة وخطوط الاتصال مفتوحة، وفي حين أن التحديات التقنية لا تزال قائمة على التخزين والابتكارات القائمة على التجوُّس في كفاءة الأفرقة، وتكنولوجيا البطاريات، والصفائف الآلية.