المواد المتقدمة للأفرقة البحرية الشمسية المرنة والمنتشرة

Introduction to Marine Solar Energy

وتستأثر صناعة النقل البحري العالمية بما يقرب من 3 في المائة من جميع انبعاثات غازات الدفيئة، وقد وضعت المنظمة البحرية الدولية أهدافا طموحة لخفض كثافة الكربون بنسبة 40 في المائة بحلول عام 2030 و 70 في المائة بحلول عام 2050، وتوفر الطاقة الشمسية طريقاً قاهراً لتطهير العمليات البحرية بتحويل ضوء الشمس إلى سفن متحركة مباشرة على متن السفن، ومنابر بحرية، وهياكل متحركة مضافة.

التحديات الرئيسية في نشر الفريق المعني بالبحار

ويشكل نشر الألواح الشمسية في البحر مجموعة فريدة من العقبات المادية والكيميائية التي تتجاوز بكثير المنشآت العادية السطحية، ويُعتبر فهم هذه التحديات أمرا أساسيا لاختيار وتصميم المواد المتقدمة الصحيحة.

ممر مياه الأمطار والهجوم الكهربي

وتحتوي علب الملح والرش المباشر على الكلوريدات المذوبة التي تعجل بتآكل الاتصالات المعدنية والوصلات المترابطة والمواد الإطارية، بل إن الثقوب الصغيرة في الكبسولة يمكن أن تسمح للرشوة بالارتطام في الخلية، مما يؤدي إلى تدهور سريع، ولا بد أن تظل المواد المتقدمة مقاوما للتآكل (مثل فتيلات الصلب غير الملموسة أو الاتصالات بالجزر) أو أن تُمنع فعليا من اختراق طبقات الحاجز.

الإشعاع فوق العالي والتحلل الضوئي

وفي البحر، يكون التعرض للأشعة فوق البنفسجية أكثر كثافة بسبب التأمل من المياه وغياب المباني أو الأشجار التي توفر الظل، ويفضل العديد من البوليمرات المرنة (مثلاً، PET، البوليكربونات) الصفراء، وتصبح رطبة تحت سطح ممتد من اليورانيوم، وتخفض انتقال النور، والسلامة الميكانيكية، كما أن المكبّلات مثل طبقة الفلوروئية المحتوية على الإيثيلين (ETFB) أو أفلام الفلوروئية المحتوية تُفضل حديثاً

الإجهاد الميكانيكي والتأشيرات

وتشهد السفن حركة مستمرة من موجات ولفائف ورمي ومحرك، ويجب أن تتحمل الألواح الشمسية حمولات الرواسب، والآثار الناجمة عن معدات سطح السفن، والزئبق الداكن، ويمكن تصميم الألواح المرنة على أن تنحني في نطاق معين دون كسر طبقة نشطة، ولكن القذف المتكرر يمكن أن يسبب آثارا مصغرة في خلايا الرشاقة.

القروض المرهقة والهيكلية

ويؤثر كل كيلوغرام من الوزن المضاف إلى السفينة على استهلاك الوقود والقدرة على تحميله، إذ يزن لوح زجاجي ثابت نموذجي حوالي 10-12 كيلوغرام/م2، في حين يمكن أن تزن الألواح المرنة المتقدمة 2-4 كيلوغرام/م2 أو أقل، وهذا الانخفاض حاسم لإعادة استخدام السفن القديمة التي لا تزال فيها حدود تحميل السفن منخفضة، أو لاستعمالها على القوارب المشتعلة والسفن السطحية غير المأهولة.

النشر وضبط المياه

فالسفن الفضائية على متن السفن هي في أقساط، وغالبا ما تكون مناطق الرصيف متعددة الوظائف - تستخدم في الرعي أو مناولة البضائع أو مستودعات الشحن، وتشغل الألواح الشمسية القابلة للانتشار التي يمكن أن تُطغى أو تطويعها أو تُشغَّل يدويا عندما تكون الطواقم المحفورة والمعادلة أثناء الرحلة مرغوبة للغاية، وهذا يتطلب مواد تحافظ على الأداء الكهربائي والميكانيكي بعد دورات الدوارة المتكررة والثابتة،

الدمج والسلامة في المجال الكهربائي

وفي ظروف بحرية قاسية، تشكل أي وصلات كهربائية معرضة للصدمات، والنيران، ومخاطر التآكل الجافاني، وكثيرا ما تستخدم الألواح المرنة أجهزة توجيه رقيقة الرش تطبع على ضواحي البوليمر، التي تقل قدرتها على التحمل عن الكابلات النحاسية، ويجب إدماج أجهزة التفاف والكشف عن القاع والقوارض، بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تنجو الأفرقة من ضربة خفيف إذا ما كانت مثبتة على الكبريت.

المواد الابتكارية للتطبيقات البحرية

وتركز التطورات الأخيرة على المواد التي تجمع بين المرونة والقوة والمقاومة للتآكل، وهي الفئات الأكثر واعدة، وكل منها له مزايا فريدة والتحديات المتبقية.

المواد الفوتوغرافية العضوية

ويستخدم الفولطية العضوية الفولطية نصف الموصلات الكربونية لتحويل الضوء إلى كهرباء، وهي في جوهرها مرنة خفيفة الوزن ويمكن تصنيعها من خلال الطباعة من طراز " د " إلى " ، وهي عملية منخفضة التكلفة وقابلة للتقسيم، وتستوعب المواد الكيميائية بصورة ضعيفة في إطار وحدة الحد من الكفاءة المتسارعة، مما يجعلها أكثر شفافية جزئيا، مما هو مزية للنوافذ والاحتباس الحراري.

خلايا بيروفسكيت سولار

(أ) خلايا (الفول) الشمسية ذات السعة العالية من حيث الكفاءة من 3.8 في المائة في عام 2009 إلى أكثر من 26 في المائة اليوم، وهي خلايا منافسة من السليكون الأحادي المحورة، ويمكن اختلاقها في مواضع فرعية مرنة مثل كبريتات البوليثيلين أو تعدد المبيدات باستخدام معالجة الرش.

Polymer-Based Composites with Nanomaterials

ويمكن أن يؤدي الجمع بين البوليمرات المرنة مع الجسيمات النانوية (النانووب الكربونية، والغرافينية، والسيليكا، والنانوبلات البحرية) إلى تحسين القدرة الميكانيكية، واستقرار المركبات، وخواص الحاجز، مثلاً، أن تُدخل أكسيد الهيدروجين إلى مصفوفة متعددة اليوريتان تقلل من انتقال بخار الماء بواسطة ترتيب من الحجم، وتحمي الخلية الأساسية.

ثين - فيلم سيليكون (أ - سي) و CIGS

أما السائل السيليكوني الهليون (A-Si) وسيلينيد الغاليوم النحاس (CIGS) فهو تكنولوجيات ذات مواهب رقيقة يمكن أن تُودع على رغاوي معدنية أو على أوراق متعددة.

خلايا الشمس المشعرة بالحساسية (DSSC)

وتستخدم هذه المراكز صبغة لاستيعاب الضوء وكهرباء سائلة أو صلبة لنقل الشحنات، وهي تعمل جيدا في ظروف منخفضة السرعة ويمكن أن تكون شبه مرنة، وفي حين أن هذه المواد أقل كفاءة (010 في المائة) يمكن أن تستخدم معادن وفرة مثل التيتانيوم والنحاس، وتتجنب العناصر النادرة، فقد أظهرت البلدان النامية وعدا ببناء مواد فضاءة متكاملة وعلامات بحرية ثابتة، ولكن قدرتها على التسرب الكهروائية.

مزايا المواد المتقدمة

ويتيح استخدام هذه المواد المتقدمة عدة فوائد للألواح الشمسية البحرية تتجاوز ما يمكن أن تقدمه الألواح الزجاجية الجامدة التقليدية، وتترجم هذه المزايا مباشرة إلى مكاسب عملية لمشغلي السفن ومديري الطاقة في الخارج.

المرونة والقابلية للتطابق

ويمكن تركيب لوحات مرنة على سطح محفور مثل قوس يخت الممزق، أو سقف الطيار الممنوع، أو على طول مجرى المدفع، ويمكن أن تُعمَّل لتخزينها عند عدم استخدامها - وهي حرجة بالنسبة للمنشآت المؤقتة على سفن الإمداد أو الحاويات البحرية التي يجب أن تظل قابلة للكسر، كما أن بعض الصانعين يقدمون لوحات يمكن أن تُصطف على نصف قطره 250 مم دون ضرر، مما يتيح الاندماج في هياكل العتاد.

بناء الوزن الخفيف

أما لوحات المواد المتقدمة فتبلغ نسبة وزنها 70-80 في المائة أقل من الألواح الصلبة المكافئة، فبالنسبة لسفينة شحن نموذجية من 10 طناً، ستزيد من التشريد ثلاث مرات إضافة 500 كيلوغرام من الألواح الشمسية، ولكن بالنسبة للسفن الأصغر حجماً مثل زوارق الدورية أو القوارب الترويحية، فإن كل كيلوغرامات من الكيلوغرامات تسمح بزيادة القدرة على تركيبها دون تجاوز حدود حمولة، كما أنها تقلل على أجهزة التك المحمولة، كما أنها تقلل من السعة ويمكن نقلها بسهولة.

الدوام والمقاومة

وهناك مواد متقدمة كثيرة مقاوم للتآكل في جوهرها، حيث تستخدم الخلايا العضوية شبه الموصلات التي لا تتآكل؛ وتحمي طبقات البروفسكيت عادة بحواجز أكسيد المعادن؛ وتفتقر المركبات المتعددة المقاييس إلى الصدأ، ومن خلال إزالة الأطر المعدنية واستخدام الصلب اللاصق أو البلطانيوم للاتصالات، يمكن تصميم اللوحة بأكملها بحيث تصمد 000 1 ساعة من اختبارات الرش الملوحي في إطار نظام " B117 " .

هاء - سهولة النشر والتنقل

ويمكن تخزين الألواح الشمسية القابلة للانتشار التي يتم إنتاجها من هذه المواد كحجر أو مطوية في خزانات، ثم يتم بسرعة كشفها وتأمينها بملحقات بسيطة، وهذا مثالي لتوليد الطاقة المؤقتة على موانئ السفن أثناء عمليات الاستغناء عن الموانئ، أو للمساندة الطارئة، أو لاستخدامها في قوارب الحياة ومركبات الإنقاذ، كما أن بعض التصميمات تتضمن شعاعات ذاتية أو أطارا للتحكم بالصوت.

التكيف مع البيئات الدينامية

ويمكن أن تتحلى الألواح المرنة بالتوسع والانكماش الحراريين اللذين يحدثان مع انتقال سفينة عبر مناخات مختلفة - من المياه المدارية إلى المياه القطبية، ويمكن أن تعاني الألواح المتردية من كسور الإجهاد عندما يتوسع الزجاج والإطار بمعدلات مختلفة، كما أن الطول المرن يقاومان الهالوحة: فالاختبارات تظهر أن الألواح المرنة يمكن أن تصمد عند 50 مترا مربعا، بينما تكفل هذه المركبات التي تعمل على الصم.

اعتبارات التنفيذ وأفضل الممارسات

ويتطلب اعتماد أفرقة متقدمة من المواد الشمسية البحرية اهتماما دقيقا لتكامل النظم، وتصميمها الكهربائي، وإجراءات تشغيلية لتحقيق أقصى قدر من حصاد الطاقة وسلامتها.

نظم التطعيم والفرز

ويمكن أيضاً أن تُضمَّن الألواح المرنة بأشرطة مائلة من الدرجة البحرية (المنخفضة من نوع VHB) أو تُزجّر من خلال الرؤوس، غير أن التكتل الصاعد يُحسَّن الإعداد السطحي - ويجب أن يكون السطح نظيفاً وجافاً وخالية من المعاطف القديمة، كما أن النظم القابلة للانتشار والجبال المغناطيسية (المغلفة في إطار الضغط المطاطي) تسمح بالإزال السريع.

النظام الكهربائي

فاللوحات الشمسية البحرية تغذي عادة متحكما بالشحنات ومصرفا للبطارية، وكثيرا ما تكون الألواح المرنة ذات حجم أقل ونواتج جارية؛ وينبغي أن تُرسل لوحات متعددة في شكل سلاسل متماثلة مع تركيبة النظام بأقل قدر من سوء المطابقة، وأن تكون الأغبياء ضرورية لمنع حدوث خسائر مظلة من التصل بالأجهزة المجهزة أو الهوائية، ويجب أن تُخصم أسلاك الرؤوس المستخرجة بقوة.

إجراءات السلامة والطوارئ

ويجب أن تكون جميع الاتصالات الكهربائية مائية، وينبغي تزويد الأفرقة بقطع يدوية يمكن أن يعمل الطاقم في حالة طوارئ، وفي حالة الحريق، يمكن أن تحترق الألواح المرنة بشكل مختلف عن الزجاج - ويمكن أن تذوب أو تسيل، بحيث تكون خطة إطفاء الحرائق مسؤولة عن ذلك، ويستلزم تخزين بطارية الليثيوم للطاقة الشمسية رصد التهوية ودرجات الحرارة، كما ينبغي إجراء عمليات تفتيش منتظمة لتطهير المياه من الغلاف الجوي أو لتركيبها.

الأثر البيئي وإعادة التدوير

ويمكن تصميم المواد المتقدمة، ولا سيما المواد العضوية والمربوطة، من أجل إعادة تدويرها بسهولة أكبر من الأفرقة التقليدية، كما أن تقارير الوكالة الدولية للطاقة المتجددة تفيد بأن إعادة تدوير الألواح ذات الرش النحيلية ممكنة تقنياً ولكنها لم تنشر بعد على نطاق واسع، وينبغي أن توفر الجهات المصنعة برامج للاسترداد، وأن تستخدم مواد بحثية غير سامة (مثل البيئة الرائدة).

الآفاق المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

وتهدف البحوث الجارية إلى زيادة تحسين كفاءة وعمر الألواح الشمسية البحرية التي تُصنع من المواد المتقدمة، وهناك عدة اتجاهات واعدة تستحق المشاهدة.

التكتلات والمركبات ذاتية التعافي

ويمكن أن تُدرج في طبقة التكسير الكثيفات الدقيقة التي تحتوي على عوامل الشفاء (مثلاً، ثنائي التدوير أو التكسين) حيث تظهر بعض أشكال الشقوق وتمزق الكبسولات وتطلق الوكيل الذي يُضفي على العيوب ويُختم العيوب، مما قد يُوسع نطاق حياة الفريق لسنوات، ولا سيما في البيئات البحرية البخارية، كما أن بعض البوليمرات التي تُخس تُصُصُصُر تُر تُرُرُرُ على مدى 50 سنة.

تجمعات الهجينات وخلية تانديم

ويمكن أن يزيد تكديس مواد مختلفة (مثلاً، البروفسكيت فوق السيليكون) من الكفاءة إلى ما يتجاوز 30 في المائة من خلال الاستيلاء على أجزاء مختلفة من الطيف، ويجري تطوير خلايا تانديم مرنة تستخدم سميكون رقيق وبروفسكيت، ولكن التعقيد الذي يتسم به التصنيع والتوسع الحراري الخاطئ يشكل تحديات، وإذا نجحت هذه الخلايا في توفير كثافة عالية من الطاقة في مجموعة من السفن ذات الوزن الخفيف.

الأفرقة الثنائية الوجهية المعنية بالاستخدام البحري

وتلتقط الخلايا الشمسية ذات الوجه الثنائي الضوء من كلا الجانبين، حيث تكسب طاقة أكبر تصل إلى 30 في المائة في البيئات التي تسودها المياه المعكسة، ويجري الآن اختبار الألواح الثنائية المرنة على الكاتامران، حيث يمكن للجانب السفلي أن يجمع الضوء المنعكس على سطح البحر أو البحر، وتستخدم صحائف خلفية شفافة من ETFE، ولكن يجب أن تحافظ على السلامة الهيكلية، وتبلغ نسبة المعتمدين المبكرين عن تحسن سنوي في العائدات عن أيام المياه المشرقة 15-25 في المائة.

التكامل مع الطاقة المتدفقة والخزن

ويمكن أن توفر النظم الهجينة التي تجمع بين الطاقة الشمسية المرنة ومحولات الطاقة الموجية (مثل الطوافات العائمة بالشمس المزروعة) قدرة مستمرة في ظروف متغيرة، ويجب أن تكون المواد متوافقة مع نوعي التعرض، كما أن النظم المدمجة تخضع للمحاكمة بالنسبة لبطاقات رصد المحيطات، بالإضافة إلى أن البطاريات الجديدة ذات الكثافة العالية للطاقة وحياة الدورة الطويلة يتم إدماجها مباشرة في غطاء اللوحة من أجل وحدة العجلات ذاتية.

التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية

والمواد المتقدمة تستفيد من رصد الظروف - يمكن للأجهزة الاستشعار التي تدمج في الألواح )الدرجة، الرطوبة، السلالة( أن تبلغ البيانات بتوأم رقمي - نموذج افتراضي يتوقع بقاء الحياة والاحتفاظ بالجداول، وصناعة النقل البحري تتحرك نحو سفن مستقلة، وجيل الطاقة الشمسية الموثوق به سيكون جزءا رئيسيا من إدارة الطاقة لهذه السفن، ويمكن أن تحقق المستوى الأمثل من توجه ونشر الألواح المرنة القائمة على الطقس والطريق.

وباختصار، فإن المواد المتقدمة التي تستخدمها الأفرقة الشمسية البحرية المرنة والقابلة للنشر تتسارع في التعبئة، وتقودها الحاجة إلى الطاقة المتجددة على السفن والمنابر البحرية، وفي حين أن أي مادة واحدة لا تزال كاملة، فإن الجمع بين المركبات العضوية، والخلايا المشبعة بالفلور، وبوليمرات المبيدات، إلى جانب تكنولوجيات أفضل للتعبئة الذاتية، سيخفض الحواجز التي تعترض الاعتماد الواسع النطاق.