الابتكارات في المركبات الآلية ذات الطاقة الشمسية

ويكتسي الحتمية البيئية نفس القدر من الإلحاح، إذ أن النقل يمثل ربع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية المتصلة بالطاقة، والكهرباء وحده لا يكفي لتحقيق أهداف إزالة الكربون إذا كانت الكهرباء تأتي من مصادر الوقود الأحفوري، ويكفل التموين بالطاقة الشمسية أن الطاقة المستخدمة في أجهزة التفجير المزودة بالطاقة الكهربائية قابلة للتجديد حقا، مما ينشئ نظاما مغلقا حيث تُحمَّل المركبات بواسطة الشمس ويعيد الطاقة إلى الشبكة عندما يلزم ذلك.

Core Solar Technologies Powering AV Charging

السلف في الكفاءة الفوتوفولطية

وتكمن قاعدة أي محطة للشحن تعمل بالطاقة الشمسية في تكنولوجيا التفريغ الضوئية، وقد دفعت الانجازات الأخيرة في كفاءة الخلايا معدلات تحويل الألواح الشمسية التجارية إلى ما يتجاوز 24 في المائة، حيث تتجاوز بعض الخلايا التجريبية 40 في المائة تحت الضوء المركز، وتعني هذه المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة أن صفائف الأفرقة الأصغر يمكن أن تولد قدرا أكبر من الطاقة، وتخفض البصمات المادية لمراكز الشحن، وتسمح بالتركيب في البيئات الحضرية المرتدة.

الأفرقة الشمسية المرنة والمتكاملة

يمكن أن تُدمج في أسطح غير تقليدية، هذه الألواح الصغيرة من القذارة، بناء على مواد مثل مركب الغازات الغازية الاصطناعية أو المبردة، في مواقع النقل السطحي الممنوعة من الطاقة،

Energy Storage Integration

وتتداخل الطاقة الشمسية في جوهرها، مما يجعل تخزين الطاقة عنصرا حاسما في أي بنية تحتية موثوقة للشحن، وتدمج محطات الشحن الشمسية الحديثة مصارف البطاريات الليثيوم -يون أو البطاريات الناشئة ذاتية في الدول الصلبة لتخزين فائض الطاقة المتولدة أثناء ساعات الذروة لاستخدامها أثناء فترات الليل أو فترات السحب، وتستخدم نظم متقدمة لإدارة الطاقة خوارزميات التنبؤية من أجل تحقيق الحد الأمثل من دورات التموزين والتنبؤات الجوية

محطات الشحن المستقلة: كيف يعملان

الأسلحة الآلية والمكونات الآلية

الإبداع الأساسي لمحطات الشحن الذاتي هو قدرتها على إنشاء وصلة كهربائية مادية بدون مشاركة بشرية الأسلحة الآلية المجهزة برؤية حاسوبية وأجهزة استشعار للتكتل التي تُحدد ميناء المركبة وربط الموصل و إدخاله بدقة هذه النظم مصممة لاستيعاب التغيرات في موقف السيارات وموقع الميناء والظروف البيئية مثل المطر والثلج

شحن لاسلكية: بديل خال من القوارير

وهناك بديل للموصلات المادية هو الشحن اللاسلكي غير الموصل، حيث يقوم رصيف الشحن المتضمن في الأرض بنقل الطاقة إلى جهاز استقبال على المركبة عن طريق توجيه الكهرومغناطيسي، ويقضي هذا النهج على قطع الغيار المتحركة والملابس الميكانيكية، ويقلل من متطلبات الصيانة، ويحسن الموثوقية في الأحوال الجوية القاسية، بينما يمكن للمركبات المستقلة أن تضع نفسها على وجه التحديد على أجهزة التصفير اللاسلكية التي تستخدم في ثمانينات وتسعينات، مما يتيح إمكانية الوصول الكامل إلى 95.8 في المائة.

بروتوكولات الاتصالات وإمكانية التشغيل المتبادل

ولكي تكون المركبات ومحطات الشحن مستقلة، يجب أن تتواصل بصورة فعالة، كما أن البروتوكولات الموحدة مثل المعيار ISO 15118 (التي تمكن من تشغيل البلوغ والشحن) تسمح للمركبات بتوثيقها وترخيصها بالدفع وتبدأ شحنها تلقائيا، وعندما تقترن هذه البروتوكولات بقدرات القيادة المستقلة، فإنها تتيح السيناريوهات التي تدفع المركبات نفسها إلى شحن محطات، والربط، والشحن، والعودة إلى الخدمة دون أي تدخل بشري.

Smart Grid Integration and Energy Management

نظام الحد الأدنى الحقيقي

ولا تعمل محطات الشحن المستقلة ذاتيا ذاتيا ذاتيا ذاتيا تعمل بمعزل عن بعضها البعض؛ فهي تدمج بشكل متزايد في نظم الشبكات الذكية التي توازن بين العرض والطلب على الطاقة عبر محطات متعددة ووصلات شبكات، كما أن منابر ذكية ومنابر إدارة الطاقة تتواصل مع مشغلي الشبكات لتعديل معدلات الشحن القائمة على أساس ظروف التوقيت الحقيقي، ويمكن أن تزيد المحطات، خلال فترات توليد الطاقة الشمسية، السرعة القصوى لاستيعاب الطاقة المتجددة الزائدة.

الاستخدام الأمثل للطاقة الافتراضية

وتؤدي خوارزميات التعلم الماكنة دورا متزايد الأهمية في تحسين البنية التحتية للشحن الشمسي إلى أقصى حد، وتحلل هذه النظم البيانات التاريخية عن توليد الطاقة الشمسية، وأنماط وصول المركبات، والتنبؤات الجوية الإقليمية، والتسعير الكهربائي المستقل لاتخاذ قرارات ذكية بشأن متى تشحن المركبات، ومتى تخزن الطاقة، ومتى تبيع الطاقة إلى الشبكة، مثلا، قد تقلل معدلات التعبئة عند بلوغ الحد الأقصى للثديون الشمسي.

Distributed Energy Resource Management

ومع تزايد عدد محطات الشحن بالطاقة الشمسية، فإنها تشكل مجتمعة شبكة من موارد الطاقة موزعة يمكن إدارتها كمحطة توليد طاقة افتراضية، ويمكن للمجمعين والمرافق أن ينسقوا آلاف المحطات المستقلة لتقديم خدمات الشبكة مثل تنظيم الترددات، ودعم الفولط، واحتياطيات شبكات الطاقة.

المركبات إلى التكنولوجيا الكبرى والشحنات الثنائية الاتجاه

Enabling Two-Way Energy Flow

وتمثل تكنولوجيا المركبات إلى الحوائم تحولاً في النموذج في كيفية التفكير في المركبات الكهربائية، وبدلاً من أن تكون مستهلكة سلبية للكهرباء، يمكن للمركبات المزودة بشحنات ذات توجهات ثنائية أن تعمل كوحدات لتخزين الطاقة المتنقلة، وتعيد الطاقة إلى الشبكة عندما يكون الطلب مرتفعاً، وتزيد البنية التحتية ذات الطاقة الشمسية من هذه القدرة عن طريق ضمان أن تكون الطاقة التي توفرها المركبات في الأصل من مصادر متجددة.

المنافع الاقتصادية لمشغلي الأسطول

فالحالة الاقتصادية لتكامل الغازات المفلورة مع شحنات الطاقة الشمسية هي حالة قاهرة، إذ يمكن لمشغلي الأسطول أن يكسبوا إيرادات من مصادر متعددة: بيع الكهرباء التي تعمل بالطاقة الشمسية إلى الشبكة خلال ساعات الذروة، وتوفير خدمات تنظيم التردد، وتجارة أسعار الطاقة الذاتية عن طريق الشحن عندما تكون الكهرباء رخيصة وتوزع عندما تكون باهظة التكلفة، وقد أظهرت الدراسات أن الأساطيل التي يمكن أن تولد الطاقة من خلالها المركبات المحلية تولد إيرادات سنوية تبلغ ٥٠٠ دولار لكل مركبة حسب الظروف المحلية)٢(.

قدرة المظالم على التكيف والدعم في حالات الطوارئ

فبعد الفوائد الاقتصادية، تعزز تكنولوجيا V2G القدرة على الصمود في الشبكات وتوفر الطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ، وفي أثناء الكوارث الطبيعية أو انقطاع الشبكات، يمكن أن تستمر محطات الشحن التي تعمل بالطاقة الشمسية ولديها قدرات في مجال الغاز المائي المنخفض في العمل كغص، وتوفر الكهرباء للمرافق الحرجة مثل المستشفيات ومراكز الاستجابة لحالات الطوارئ وشبكات الاتصالات، ويمكن إرسال المركبات المستقلة إلى مواقع توليد الطاقة حيثما تكون الحاجة إليها أكثر من غيرها، وتعمل كمولدات طاقة متحركة قادرة على استكمال الهياكل الأساسية التقليدية.

الابتكارات في مجال الهياكل الأساسية: الكانتوزات الشمسية وممرات الطرق السريعة

Solar Canopies Over Parking and Charging Areas

ومن أبرز الابتكارات في الهياكل الأساسية للشحن بالطاقة الشمسية نشر أجهزة لتوليد الطاقة الشمسية على نطاق واسع توفر كلا من الظل وتوليد الطاقة، وهذه الهياكل التي كثيرا ما تبنى على أماكن وقوف السيارات أو مستودعات الشحن المستقلة، تخدم أغراضا مزدوجة: فهي تحمي المركبات من الشمس والطقس وتولد كميات كبيرة من الكهرباء، وتستخدم أجهزة التنظيف الحديثة أجهزة استرشادية شمسية مصممة على نحو يتيح لها الحصول على أفضل من خلال نقل البيئة الحضرية.

الممرات الشاملة والراسخة

يمكن للإدارة الدائمة أن تشحن البنية التحتية على طول ممرات النقل الرئيسية، أما نظم الطرق السريعة المدمجة فتمثل نهجا طموحا لتلبية هذه الحاجة، وتشمل المفاهيم دمج الألواح الشمسية في أسطح الطرق، والحواجز الصوتية، والقطع الوسيطة لتوليد الطاقة إلى جانب ممرات المرور، وفي حين أن التجارب المبكرة للطرق الشمسية تواجه تحديات ذات قابلية للدوام والتكاليف، وتجدد أوجه التقدم في مجال الطلاء الواقية، وتصاميم الألواح.

مجموعة التنقل المستقل المتكامل

والتطور التالي للهياكل الأساسية للشحن بالطاقة الشمسية هو إنشاء مراكز متكاملة للتنقل المستقل تجمع بين الشحن ووقوف السيارات والصيانة وتخزين الطاقة في مرفق واحد، وهذه المراكز تعمل كمراكز مركزية لخدمة الأساطيل المستقلة، حيث يمكن للمركبات أن تشحن من الألواح الشمسية، وتخضع للتنظيف الآلي والتفتيش، وتتلقى تحديثات للبرمجيات دون تدخل بشري، كما أن الطاقة الشمسية تخزن في مصارف كبيرة من الوقود أو تستخدم لإنتاج الهيدروجين.

التحديات والحلول

تكلفة التركيب والصيانة الشمسية

ولا تزال التكلفة الرأسمالية الأولية للهياكل الأساسية للشحن بالطاقة الشمسية تشكل عائقا كبيرا أمام الاعتماد الواسع النطاق، إذ أن الألواح الشمسية العالية الكفاءة ونظم تخزين البطاريات ومعدات الشحن الآلي والوصلات البينية للشبكات الذكية تتطلب استثمارات كبيرة، غير أن التكاليف ظلت تتناقص باطراد على مدى عقد من الزمن: فقد انخفضت التكلفة المخفضة للطاقة الشمسية بنسبة 90 في المائة منذ عام 2010، كما انخفضت تكاليف تخزين البطاريات بأكثر من 80 في المائة على مدى الفترة نفسها.

توحيد النظم عبر الشحن

ويؤدي عدم وجود معايير عالمية للموصلات المستقلة ذاتيا، وبروتوكولات الاتصالات، والتكامل الشمسي إلى تجزؤ يعوق النشر، ويستخدم مصنّعو المركبات مواقع مختلفة للشحن، وأنواع الموصول، بينما يقوم متعهدو الشبكات المستقلون بتنفيذ نظم الملكية للتوثيق والتكليف.

الإعالة الطبيعية وتخزين الطاقة

فالتوليد الشمسي متغير بطبيعته، تبعاً لتوافر ضوء الشمس الذي يطرأ على تغيرات مع الطقس والمواسم والموقع الجغرافي، وبينما يمكن لتخزين البطاريات أن يوقف التقلبات القصيرة الأجل، فإن فترات طويلة من الطقس الغائم أو ارتفاع الطلب يمكن أن تُستخدم فيها قدرة النظام المضيق، وتشمل الحلول نظماً هجينة تجمع بين الطاقة الشمسية والوصلات الشبكية الأخرى المتجددة مثل الرياح، فضلاً عن صفائف الشمسية التي تولد فائضاً من الطاقة أثناء وجود ظروف جيدة للاستخدام.

استخدام الأراضي والتكامل الحضري

فتركيب الهياكل الأساسية للشحن بالطاقة الشمسية يتطلب حيزا ماديا يمكن أن يكون شحوبا ومكلفا في بيئات حضرية كثيفة، وتشمل الحلول الإبداعية إدماج الألواح الشمسية في أسطح المباني، وعلى أماكن وقوف السيارات، وعلى طول حقوق النقل، ويمكن للمنشآت الشمسية في بناء واجهات وحواجز ضوضاء أن تولد الطاقة دون استهلاك المزيد من الأراضي، وتستكشف بعض البلديات الاحتياجات من التطورات الجديدة التي تستلزم القدرة على استيعاب الطاقة الشمسية كجزء من التزاماتها في مجال الهياكل الأساسية.

الاتجاهات المستقبلية واتجاهات البحوث

تكنولوجيا البطاريات القادمة

وتتقدم تكنولوجيا البطاريات بسرعة، مع ما يترتب على ذلك من آثار بالنسبة لكل من المركبات والهياكل الأساسية للشحن، وتعود البطاريات ذات الدول الصلبة بكثافة طاقة أعلى، وتسريع الشحن، وتحسين السلامة مقارنة بالخلايا الحالية لليثيوم، إذ أن المركبات المستقلة ذاتيا، والمسافات الأطول، والشحن السريع، يمكن أن يقلل من الحاجة إلى توقفات للشحن، بينما يؤدي تحسين كفاءة التخزين إلى استخدام بدائل للطاقة الشمسية الأقل تكلفة.

الاستخبارات الفنية من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة

ويؤدي الاستخبارات الاستخبارية والتعلم الآلي دوراً مركزياً متزايداً في تحسين البنية التحتية للشحن بالطاقة الشمسية إلى أقصى حد، ويمكن لنظم المعلوماتية أن تتنبأ بأنماط وصول المركبات، وأن ترسم جداول زمنية للتقليل من تكاليف الطاقة، وأن تُدير تدهور البطاريات عن طريق التحكم في معدلات الشحن وأعماق التصريف، كما أن نظم الرؤية الحاسوبية ترصد محطات الشحن لتلبية احتياجات الصيانة، بينما تتيح معالجة اللغات الطبيعية الحد الأدنى التفاعل مع مشغلي الصوت بالنسبة لمشغلي التكيف المستمر

دعم السياسات والتنظيم

وستؤدي السياسات والأنظمة الحكومية دورا حاسما في تشكيل مستقبل شحن المركبات المستقلة ذات الطاقة الشمسية، وتشمل السياسات الداعمة معايير حافظة الطاقة المتجددة التي تتطلب نسبة مئوية دنيا من الطاقة من المصادر الشمسية، ومدونات بناء ذاتية تخول البنية التحتية للإنشاءات الجديدة، وحوافز لمشغلي الأسطول لاعتماد رسوم شمسية، وتستكشف بعض الولايات آليات تسعير الكربون التي تجعل من الطاقة المتجددة أكثر قدرة على الاعتماد مقارنة بممارسات التعاون في مجال الطاقة الأحفورية.

سيناريوهات التبني العالمية

وتختلف مسارات الهياكل الأساسية ذات الطاقة الشمسية ذاتياً اختلافاً كبيراً بين المناطق، إذ أن البلدان الغنية بالشمس في الشرق الأوسط وأفريقيا وأستراليا تتمتع بمزايا طبيعية للجيل الشمسي وقد تحقق سرعة الاعتماد، ولا سيما بالنسبة للتعدين المستقل والزراعة والمركبات اللوجستية، حيث تواجه المراكز الحضرية المكتظة بالسكان في أوروبا وآسيا قيوداً في الفضاء، ولكنها يمكن أن تحفز على وضع نماذج متكاملة للنشر الشمسي والمبتكر في أمريكا الشمالية.

الخلاصة: نظام إكولوجي مستدام ذاتياً للتنقل

وينشئ تقارب توليد الطاقة الشمسية، وتكنولوجيا المركبات المستقلة، والهياكل الأساسية الذكية للشحن الأساس لنظم تنقل ذاتية الاستدامة حقا، وتتيح محطات الشحن المستقلة ذاتيا ذاتيا ذاتيا جدا مسارا مستقلا لنظم النقل التي تعمل على الطاقة النظيفة والمتجددة، وتحتاج إلى الحد الأدنى من التدخل البشري، وتسهم بنشاط في استقرار الشبكة والقدرة على التكيف، وفي حين تظل التحديات قائمة من حيث التكلفة والتوحيد والموثوقية، فإن سرعة الابتكار في جميع تكنولوجيات البحث التمكين تتسارع.

وبالنسبة لمشغلي الأسطول والمخططين الحضريين وواضعي السياسات، فإن الرسالة واضحة: فمستقبل النقل كهربائي ومستقل وطاقي شمسي، وستؤدي الاستثمارات المبكرة في هذه الهياكل الأساسية إلى تمكين أصحاب المصلحة من جني فوائد انخفاض تكاليف التشغيل، وانخفاض الأثر البيئي، وتعزيز استقلال الطاقة، مع زيادة كفاءة الألواح الشمسية، وزيادة قدرة البطاريات، وزيادة قدرة النظم المستقلة على تحمل أعباء، فإن رؤية المركبات التي تشحن نفسها بالطاقة من الشمس ستنتقل من الابتكار إلى التوقعات.