تصميم أشعة سولاري محمولة لأغراض الإغاثة في حالات الطوارئ والكوارث

الدوام ضد ظروف هش

ولا توجد بيئات دنيئة، بل يجب على الأفرقة أن تنجو من الأمطار والريح والغبار والرمل والحرارة الشديدة، بل وحتى من الآثار العرضية، كما أن المعايير المشتركة للجنة الانتخابية الدولية - مثل المعيار IEC 61215 لفحص خطوط الأساس المزودة بالبلورات والمتمثلة في مقاومة الهلاك، والتدوير الحراري، وتجميد الخزانات.

كفاءة التحويل العالية

أما الفضاء فيوجد في حقيبة ظهرية أو مجموعة طوارئ، فمع أن الألواح ذات الكفاءة العالية تنتج طاقة أكبر لكل متر مربع من البولي كريستالين (17-19 في المائة) أو المرشّح الدقيق (10-15 في المائة) ومع أن خيارات الرش ذات العينات ذات العينات ذات الكفاءة العالية يمكن أن تكون أخف وأكثر مرونة، فإن كفاءة هذه الأجهزة تعني منطقة أوسع انتشاراً بالنسبة لنفس الوتاج().

تخزين الطاقة المتكامل

إن ضوء الشمس متقطع، فالصفيفة الشمسية المحمولة بدون تخزين لا فائدة منها في الليل أو تحت غطاء غيومي، وتشتمل التصاميم الحديثة على فوسفات الليثيوم أو الليثيوم (LiFePO4) التي هي الآن أخف وأطول عمراً وأكثر أماناً من السائل المحتوي على الرصاص، وينبغي أن تُخصم قدرة البطاريات لتغطية كل يوم على الأقل من الحملات الحرجة (مثلاًاً).

هاء - سهولة النشر والاستخدام

فالصفيفة لا يمكن نشرها في أقل من خمس دقائق بدون أدوات، كما أن الكابلات الملوّثة، والوصلات المجهزة قبل الوصول، والإطارات التي تُثبت أن القفل الذاتي في الزاوية المثلى خيارات تصميمية مشتركة، وبعض الوحدات تشمل أرجلا ذاتية سريعة التعادل مع خطوط العرض والموسم، وينبغي أن تكون التفاعلات بين المستعملين غير ملائمة: عرض مبسط لحالة التلقين المميت أو جهاز استقبال أساسي

اعتبارات التصميم المتعلقة بالأداء الجوهري للبعثة

وفيما عدا قائمة السمات، فإن مجموعة شمسية قابلة للتداول ناجحة هي نتيجة لعمليات المبادلات الهندسية المتأنية، وهنا هي الاعتبارات التصميمية الرئيسية التي تفصل بين نظم قوية للقراءة الميدانية من النماذج الأولية الهشة.

Weight vs. Power Trade-Off

وقد يكون المقياس 300 واط هو المثال النظري للمستشفى الميداني المتوسط الحجم، ولكن إذا كان وزنه 25 كغم، فإنه ثقيل جدا على شخص واحد أن يحمله، وكثيرا ما يستخدم المهندسون مترا من الوترات لكل كيلوغرام (W/kg) ويحقق المصفوفتان المتحركتان حاليا من وزن الزجاج يتراوح بين 12 و18 و/كغم، أي أن وحدة الطول 200 واط يزن نحو 11-17 كغم من الوزن، لتحسين هذا الوزن.

تقييم احتياجات الطاقة: وضع النظام

وقبل تصميم صفيفة محمولة، من الأهمية بمكان إبراز العبء المتوقع، وقد يشمل عبء الإغاثة في حالات الكوارث المعتاد ما يلي:

• Medical equipment:] ventilator (30-60 W), infusion pump (15 W), oxygen concentrator (300-500 W).
• Communication:] satellite phone (10-20 W), VHF radio (20-50 W), smartphone/tablet charging (5-10 W each).
• Lighting:] LED floodlights (10-30 W per fixture).
• Water purification:] UV filter (50-100 W).

ويعطي فرز ساعات العمل اليومية وفصلها عن ساعات الذروة المحلية (نحو 4-5 ساعات في معظم مناطق الكوارث خارج حدود خطوط العرض القصوى) الفريق اللازم، ويضاف هامش أمان بنسبة 50 في المائة أيام غيومية وألواح متدهورة، ثم يتم اختيار قدرة البطارية لتغطية 24 ساعة على الأقل من الاستقلال الذاتي.

الوحدة والقدرة على التصعيد

ولا يناسب أحد الحجم الجميع، إذ يحتاج فريق بحث صغير إلى 100-200 دبليو؛ وقد يحتاج مستشفى ميداني إلى 2 كيلوواط أو أكثر، وهو يصمم الصفيفة كنظام نموذجي - مع كل وحدة من وحدات الفريق التي تحتوي على جهاز التحكم في المركبات المتعددة السعة والسعة (MPPT) ومستجيبين موحدين للحافلات في العاصمة إلى وحدات متعددة من سلسلة الدايزيارات، كما أن هذه الإصلاحات تبسط: يمكن أن تكون وحدة تصنيع متضررة غير مجهزة وأن تحل دون إغلاقها.

Environmental Resilience: Temperature and Humidity

وتفقد الألواح الشمسية الكفاءة مع ارتفاع درجة الحرارة (من الناحية التقليدية - 0.4 في المائة إلى -0.5 في المائة في درجة سيليسوس فوق 25 درجة مئوية) وفي حالات الكوارث الصحراوية، يمكن أن تتجاوز درجات حرارة الألواح 70 درجة مئوية، مما يقلل من الناتج بنسبة 20 في المائة أو أكثر، ويمكن للمصممين أن يخففوا من ذلك باختيار الألواح ذات الكفاءات المنخفضة الحرارة، مما يزيد من ثغرات التهوية خلف الألواح، أو باستخدام معاطف المحتوية على معاطف المحتوية على مطاط.

الأنغلة والتعقب

فالنشر الأفقي الثابت بسيط ولكنه غير فعال؛ فالألواح التي تواجه الشمس يمكن أن تنتج مباشرة طاقة أكبر بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، وكثيرا ما تتضمن صفائف محمولة أرجلا ذات محرك قابل للتعديل، مما يتيح للفريق أن يربطها نحو خط الاستواء (مثل الزاوية = خط العرض في الصيف، والخط العرض + 15 درجة في الشتاء)، وتشمل بعض الوحدات المتقدمة جهازا للتعقب الكهربائي يدويا أو آليا (الفشل في الحد الأقصى)، وإن كان هذا يضيف وزنا محتملا.

Innovative Technologies Shaping the next Generation

وتتطور السوق الشمسية المحمولة بسرعة، مدفوعة باختراقات في مجال علوم المواد والالكترونيات الكهربائية، وهناك تكنولوجيات عديدة ذات صلة خاصة بالإغاثة في حالات الكوارث.

الأفرقة القابلة للتداول والمرونة

البطارية المتكاملة والمنحرفة في إطار الفريق

بدلاً من صناديق منفصلة، يوجد في الإطار الجديد "أفرقة ذكاء" مقصورة تُقيم بطارية ليف بي 4 و300 واط، المجموعة بأكملها وحدة متكاملة مع مقبضين فقط، مثلاً، Goal Zero Yeti Link النظام الإيكولوجي يسمح للألواح بشحن البطارية عبر الإطار المتكامل لـ MPPT، والبطارية خارج نطاق الولايات المتحدة.

Bi-Directional Power and Grid Interfacing

وتشمل بعض الصفوف المحمولة الآن منحرفين ثنائيي الاتجاه يمكن أن يشحنوا بطاريات من الشبكة (عندما تكون متاحة) أو يعملوا في حالة الجزر، وفي حالة ظهور شبكة ضعيفة، يمكن للمصفوفة أن تتحول إلى تغذية فائض الطاقة في الشبكة أو أن تعمل كإمدادات غير قابلة للانفصال من الطاقة بالنسبة للحمولات الحرجة، وهذه المرونة قيمة في المراحل الانتقالية لعملية الإغاثة.

الرصد والتشخيص بلا سلك

ويُساعد قياس التليفزيون في الوقت الحقيقي العاملين في الميدان وصحة نظام تتبع المقر. وتُرسل وحدات بلوتوس أو لوروانز المدمجة في جهاز مراقبة الشحن بيانات عن حجم الفريق، وحالة البطاريات، ودرجة الحرارة إلى جهاز هاتف ذكي، مما يتيح إجراء إنذارات استباقية بشأن الظل، أو الإفراط في التسخين، أو أخطاء الاتصال.

التطبيقات والدروس المستفادة في العالم الحقيقي

وقد تم نشر صفائف شمسية محمولة في العديد من الكوارث الكبرى، وبعد الزلزال الذي ضرب هايتي في عام 2010، قامت المنظمة ] بإحضار مجموعة من المواد الشمسية المحمولة إلى ثلاجات لقاحات الطاقة وإضاءة عياداتها، وكان الدرس الرئيسي هو أن الألواح تحتاج إلى أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الرطوبة المدارية وأن البطاريات هي أكثر الختمات تواتراسراً.

كما أن الجيش الأمريكي قد دفع إلى الابتكار، وقد وضع نظام شبكة الطاقة المتجددة الأرضية (GREENS) التابع للجيش الأمريكي نظاماً محمولاً للطاقة الشمسية/البطارية يصلح على نخيل ويمكن أن ينشره جنديان، وقد استخلصت دروساً من نظام GREENS - مثل أهمية الكابلات السريعة التلفزيون والطقس.

التحديات والحلول العملية

وعلى الرغم من الوعد، تواجه الصفوف الشمسية المحمولة تحديات مستمرة يتعين على المصممين التصدي لها.

السرقة والأمن

في البيئات الفوضوية، يمكن سرقة الألواح الشمسية غير المجهزة، وتشمل الحلول معدات متنقلة مضادة للدماغ، وتتبع النظام العالمي لتحديد المواقع، وأجهزة الإنذار المتكاملة، وتتضمن بعض التصميمات سمة " مخرج " تعطل النظام إذا أزيلت اللوحة بدون رمز دخول، وبالنسبة للمناطق الشديدة الخطورة، فإن لوحات الوزن الخفيفة التي يمكن أن تُطغى بسرعة داخل مركبة أو خيمة.

الصيانة في الميدان

ويمكن أن يقلل حجم الدوق، وسقوط الطيور، والثلوج من الناتج بنسبة 30 في المائة أو أكثر، وينبغي أن تكون للصفوف المحمولة أسطح مناظرة (زجاج أو معاطف هيدروفية) وأن تشمل قماش تنظيف صغيرة في الحالة، ويجب أن تُغلق صناديق التقاطع ووصلات الربط على العصيان؛ وأن تُحمَّل الديكلتري على الاتصالات التي تساعد على منع التآكل.

التكلفة مقابل الأداء

ويمكن أن تكلف الأفرقة الأحادية الكفاءات ذات الكفاءة العالية بطاريات ليفبو ٤ المتكاملة ومراقبي البوليسترات المتعددة الكلورات ٤ دولارات لكل واط، أو ٠٠٤ دولار - ٠٠٨ دولار لنظام مئتاوات، وكثيرا ما يتجاوز ذلك ميزانية المنظمات غير الحكومية الصغيرة، والبدائل المنخفضة التكلفة التي تستخدم الألواح البوليسترالية والبطاريات ذات العجلات هي نماذج أرخص وأكثر تكلفة وأكثر استكشافا.

الاتجاهات المستقبلية في مجال الطاقة الشمسية المحمولة لأغراض الإغاثة في حالات الطوارئ

وسيشهد العقد المقبل أن تكون الصفوف الشمسية المحمولة أكثر قدرة وأكثر سهولة، وهناك ثلاثة اتجاهات قائمة.

خلية بيروفسكيت تانديم

وقد حققت خلايا الطاقة الشمسية التي تستخدم في البروفسكي على السيليكون أكثر من 33 في المائة من الكفاءة في المختبر، وإذا أصبحت هذه الخلايا قابلة للتطبيق تجارياً، يمكن أن يتقلص فريق من 200 دبليو إلى نصف المساحة السطحية للوحات الاحتكار الحالية، ويحسن بشكل كبير إمكانية النقل.() ويتفق اختلاق البروفسكي أيضاً مع عوامل الوزن الخفيف، والمرونة، ويحتمل أن يدمج كفاءة عالية مع مرونة أجهزة المختبرات ذات الترددات الصغيرة.

النظم الهجينة مع ويند أو ميكروهيدرو

وفي بعض مناطق الكوارث، قد يكون ضوء الشمس شحوبا (غطاء غيوم ثابت، الشتاء في خط العرض العالي) - فالنظم المحمولة التي تجمع بين تربين رياح عمودي صغير أو مولد ميكروهيدرو مع الطاقة الشمسية يمكن أن توفر طاقة أكثر موثوقية، وكثيرا ما تشترك هذه الهجينات في مصرف للبطاريات ولافقار، مع جهاز واحد لمراقبة يدير كلا المصدرين، وفي حين أن زيادة الوزن والتعقيد، فإن المكاسب في الموثوقية قد تستحقها بالنسبة لبعثات طويلة الأجل.

توحيد المعايير وتصميمات المصادر المفتوحة

المنظمات الإنسانية تضغط لتوحيد الموصلات، ومستويات الفولط، والوصلات البينية المتصاعدة بحيث يمكن للأفرقة من مختلف الجهات المصنعة العمل معاً، كما أن بروتوكول IE 2030.7 لسلاسل التحكم بالضاحية الصغرى و [FLT:]