تحدي البطارية في التنقل الكهربائي

وقد عزز الكراسي الكهربائية المتحركة إلى حد كبير تنقل واستقلال الملايين من الأشخاص ذوي الإعاقة في التنقل، ومع ذلك فإن الحد الوحيد الأكثر استمرارا الذي أبلغ عنه المستخدمون هو القلق إزاء مدى البطاريات، حيث أن الكراسي الكهربائية المتحركة التي تُستخدم بواسطة الليثيوم أو البطاريات المغلقة التي تستخدم الرصاص يمكن أن تسافر من ١٢ إلى ٢٥ ميلا على أساس رسوم كاملة في ظل ظروف مثالية، واستخدام العالم الحقيقي - الذي يشمل التلال والسجادة، والحديدات، ونسبة ٣٠ في المائة من الوزن الضئي.

ويضاعف تدهور البطاريات المشكلة بمرور الوقت، حيث تفقد خلايا الليثيوم القدرة على كل دورة من دورات الشحن، وتعاني البطاريات التي تُقدَّم الرصاص من الكبريت إذا لم تُحمَّل بالكامل، وكثيرا ما يجد المستخدمون أنفسهم مقيدين بالجدول الزمني الذي يحد من العفو، وتصبح الرحلة السريعة إلى المنتزه أو زيارة ممتدة مع الأصدقاء عملية حساب لوجستي: هل يوجد لدي بطارية كافية للعودة؟

كيميائي البطارية وعالم ريال

ويمكن أن تستخدم البطاريات الكهربائية الحديثة في الغالب بطاريات الليثيوم -يون بسبب ارتفاع كثافة الطاقة فيها ووزن أخف بالمقارنة ببدائل الرصاص، حيث يمكن أن تؤدي مخازن حزم الليثيوم النموذجية التي تبلغ 50 ساعة من الطاقة إلى نحو 600 ساعة من الطاقة، وفي ظل الحمولة المتوسطة، إلى نحو 15 إلى 20 ميلا من السفر، غير أن نظم إدارة البطاريات كثيرا ما تحافظ على درجة أمان ودرجة حرارة أكبر.

فالبطاريات التي تُدفع باليد والتي لا تزال شائعة في الكراسي المتحركة الصديقة للميزانية، تواجه قيودا أشد حدة، وهي أشد ارتفاعا، وتباطؤا في الشحن، وتعاني من أثر الذاكرة إذا ما تم تصريفها بصورة متكررة جزئيا، وقد لا توفر بطارية الرصاص لمدة 70 ساعة سوى 10-12 ميلا من نطاق العالم الحقيقي، وعادة ما تبلغ مدة عمرها 300 إلى 500 دورة من دورات الطاقة الكهربائية مقارنة بـ 500 إلى 000 1 دورة من أجل الحلول التي تحتاج إلى الليثيوم.

الطاقة الشمسية كمصدر تكميلي للطاقة

فالكهرباء الشمسية توفر وسيلة عملية ومتزايدة التكلفة لتوسيع نطاق حياة البطاريات من الكراسي الكهربائية المتحركة، وبتركيب لوحات صغيرة ذات فولطية ضوئية على إطار الكراسي المتحركة، أو الكوب، أو العود إلى المقاعد، يمكن للمستعملين أن يقطعوا ضوء الشمس لإعادة شحن البطاريات أثناء الاستخدام الخارجي، وهذا المفهوم ليس مبدئيا - أي الكراسي الشمسية المتحركة بعد أن توجد بالفعل مجموعات من الطاقات الشمسية، والتكنولوجيا الأساسية

كيف يعمل التكامل الفوتوقراطي على كرسي العجلات

وتحوّل الألواح الشمسية ضوء الشمس إلى كهرباء مباشرة في التيار (DC) من خلال خلايا فولتايكية مصنّعة من مواد شبه موصلة مثل السيليكون الأحادي المكور، وعندما تكون هذه اللوحات مثبتة على كرسي متحرك، تكون متصلة بنظام لإدارة الطاقة - إما متحكم بالشحنات الشمسية أو نظام معدل لإدارة البطاريات، ويضمن هذا المراقب الفول والحالي من اللوحات مطابقة للعلامات المسائية.

ويمكن للهيكل الكهربائي أن يتخذ شكلين، وفي تشكيلة مباشرة للشحن ]، فإن تدفقات الطاقة الشمسية مباشرة إلى البطاريات الرئيسية للكراسي المتحركة، مكملة للشحنة التي يتلقاها من من منفذ الجدار، وفي تشكيلة ] هيجينة ، تحمل البطارية الإضافية الصغيرة المحتوية على مضافات من طراز DCto

أنواع واستراتيجيات الحد من الانبعاثات

إن اختيار تكنولوجيا الألواح الشمسية هو أمر هام لتطبيق كرسي متحرك، فاللوحات الاحتكارية المتحركة توفر أعلى كفاءة - ١٨ في المائة عادة - ولكنها رشوة وتحتاج إلى أسطح متحركة مسطحة، وألوحة ملوية قابلة للذوبان، مثل تلك التي تستخدم سلفة الصالة من الغاليوم أو السيليكون البير، هي أقصر من حيث الكفاءة الجاهزة )١٠ في المائة(.

وتشمل المواقع المتنقلة ما يلي:

  • Canopy or umbrella mount:] A small panel attached to the top of a canopy shade positions the panel flat for maximum sun exposure and also provides shade for the user.
  • Seat back mount:] A flexible panel can be adhered to the back of the seat, facing outward. This works well when the user is moving and the wheelchair is positioned upright.
  • Side frame mounts:] Small rigid panels can be mounted on the side of the wheelchair frame, angled slightly to catch sunlight.
  • Rear carrier or basket mount:] A foldable panel can be stored flat on a rear carrier and deployed when stationary, providing a larger surface area for charging during breaks.

ويتبادل كل نهج بين توليد الطاقة والوزن والجماليات وسهولة الاستخدام، ويجمع العديد من المستعملين بين أسلوبين أو أكثر في زيادة حصاد الطاقة إلى أقصى حد خلال يوم نموذجي.

الاستحقاقات القابلة للقياس الكمي للمستعملين

وتتجاوز فوائد التكملات الشمسية المكاسب النظرية في الطاقة، وبالنسبة للمستعملين الذين يقضون وقتا طويلا في الهواء الطلق، يمكن لنظام للشحن الشمسي مصمم تصميما جيدا أن يغير التجربة اليومية لاستخدام كرسي متحرك كهربائي.

توسيع نطاق الانتقال التشغيلي بنسبة تتراوح بين 20 و 40 في المائة

وفي ظل ضوء الشمس المباشر، يمكن أن يولد فريق شمسي واحد من 50 واطاً حوالي 250 إلى 300 ساعة من التعرض للفي الهواء الطلق (يستغرق 5-6 ساعات من ذروة الشمس) ويعادل حوالي 40 إلى 50 في المائة من الطاقة الصالحة للاستخدام في بطارية عادية مدتها 600 ساعة من البطاريات، ويقابل المستخدم الذي يبدأ اليوم ببطارية كاملة ويسحب رسوماً خارجية لمدة عدة ساعات على نحو فعال.

انخفاض معدلات الترددات والمرونة الكبرى

وتتزايد التعبئة في البطاريات، وتستمر أطول مدة في البطاريات الليثيوم - أيون عندما تُحتفظ بنسبة تتراوح بين 20 في المائة و80 في المائة، وعندما تكون دورات الشحن ضحلة، وباستخدام الطاقة الشمسية لإبقاء البطارية مجهزة أثناء الاستخدام اليومي، يمكن للمستعملين أن يقلصوا عمق التصريف في كل دورة، كما أن عمليات التفريغ العميقة القليلة يمكن أن تمتد من 3 إلى 5 سنوات.

كما أن الحد من الحاجة إلى إيجاد منافذ حائطية يتسع أيضاً إلى حيث وكيف يمكن للمستعملين السفر، إذ إن رحلة إلى شاطئ أو أرض معرضة أو للحفاظ على الطبيعة لم تعد تتطلب الكشف عن محطات الشحن الميسرة، ويصبح الكرسي المتحرك أداة الاكتفاء الذاتي لساعات النهار.

الآثار البيئية وتكاليفها

وعادة ما يكلف شحن كرسي كهربائي متحرك من الشبكة بضع سنتات لكل كيلوات ساعة، ولكن على مدى سنة، يقوم مستخدم يشحن إضافات يومية إلى ما يعادل 200-400 كيلوواط من استهلاك الكهرباء، ويقابل ذلك مقذوفات كهرباء تسحب بالكامل خلال ساعات النهار، مما يقلل من فاتورة الكهرباء للمستعمل، ويمكن أن تعوض الوفورات عن التكلفة الأولية للألواح واللوحات خلال فترة السنوات الخمس إلى السابعة.

ومن وجهة نظر بيئية، فإن كل ساعة من ساعات العمل التي تولدها الشمس تتجنب انبعاثات الكربون المرتبطة بالكهرباء الشبكية، وبالنسبة للمستخدمين المعنيين بشأن آثار الكربون، فإن التنقل بالطاقة الشمسية يتوافق مع أهداف الاستدامة الأوسع نطاقا، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة الشمسية، بتوسيع نطاق حياة البطاريات، تقلل من التواتر الذي يتعين أن تصنيعه والتخلص منه - وهو فائدة بيئية هامة نظرا لسمية تصنيع البطاريات وإعادة تدويرها.

الهياكل التقنية والحلول الهندسية

إن الطاقة الشمسية ليست حلاً مثالياً لكل مستخدم من مستخدمي الكراسي الكهربائية، ويجب معالجة العديد من العقبات العملية والتقنية من أجل الاعتماد على نطاق واسع، غير أن التقدم الهندسي يغلق الفجوة بسرعة.

الفضاء والزمن

ويتسع نطاق الكراسي المتحركة القياسية لأماكن سطحية محدودة بالنسبة لللوحات المتصاعدة، إذ يمكن أن يوفر كرسي متحرك نموذجي للكبار يتراوح بين مترين و3 أقدام مربعين من مساحة ثابتة أو شبه نكهة صالحة للاستخدام، حيث أن الألواح الشمسية الثابتة القياسية تولد نحو 15 إلى 18 واطلاً للقدم المربع تحت الشمس الكاملة، وبالتالي فإن حجم اللوحة الواقعي البالغ 2.5 قدما مربعاً سينتج نحو 40 واقاً - يكفي لتوفير رسوم إضافية ذات قيمة غير كافية لتغطية كاملة.

ويثير الوزن قلقاً ثانياً، إذ يزن فريق قوي من 50 واط وزنه نحو 8-10 رطل، ويضاف ذلك الوزن المرتفع على الكرسي المتحرك إلى مركز الجاذبية ويمكن أن يؤثر على الاستقرار، ولا سيما على الأراضي المتفاوتة، والألواح المرنة أخف - حوالي 4-6 رطل من أجل ويتا مكافئ - ولكنها لا تزال تضيف إلى الحمولة الإجمالية، التي تزيد من وزن السيارات.

الكفاءة في ظروف الضوء المتغيرة

وتنتج الألواح الشمسية أقصى طاقتها تحت ضوء الشمس المباشر والعالي الوعائي، ويمكن أن تؤدي التغطية السحابية والظل من المباني أو الأشجار، والزوايا غير البصرية للفرق إلى خفض الناتج بنسبة 50-80 في المائة، وسيشهد مستخدم كرسي متحرك ينتقل عبر بيئة حضرية بها مبان طويلة وظل متقطعة معدلات تحصين شديدة التغير، ويمكن التخفيف من هذا التحدي من خلال:

  • Maximum Power Point Tracking (MPPT) charge controllers:] These devices continuously adjust the electrical load on the panel to maintain the voltage and current that yields maximum power, compensating for changing light conditions.
  • Bypass diodes in panel arrays:] When one section of a panel is shaded, bypass diodes allow current to flow around the shaded area, preventing the entire panel from drop to near-zero output.
  • Orientation aids:] A simple tilt mount or a manually adjustedable الأقواس تسمح للمستعمل بأن يربط اللوحة مباشرة أكثر عند حديقة أو استراحة.

إدارة الطاقة وصحة البطارية

ويتطلب إدماج الشحنات الشمسية مع نظم إدارة البطاريات القائمة الرعاية، إذ أن البطاريات الليثيومية تحمل كميات كبيرة من الرصاص والحدود الحالية، كما أن اللوحة الشمسية غير الخاضعة للتنظيم يمكن أن تزيد من وزنها أو تتلفها، كما أن هناك أداة لمراقبة الشحنات الشمسية التي تُبنى لأغراض البطاريات الليثيوم - وهي بطارية تتصل بجهاز إدارة البطاريات - أمر أساسي، وقد بدأ بعض صناعات الكراسي المتحركة في بناء أجهزة التحكم في شحنات الشمسية.

إن الحرارة هي نظرة أخرى، فاللوحات الشمسية على كرسي متحرك يمكن أن تزيد بدرجة كبيرة درجة حرارة السطح الذي تُركب عليه، ولا سيما إذا كان اللوحة مظلمة وملتزمة مباشرة بالجزء الخلفي من المقعد أو الصبغة، ويمكن أن تتدهور الحرارة في خلايا البطاريات إذا كانت الألواح مثبتة مباشرة أو متاخمة لغرفة البطاريات، فالتهوية السليمة ودرء الحرارة ضروريان في هذه المنشآت.

التركيبات الحقيقية في العالم وخبرات المستعملين

ولا تزال الخبرة الميدانية التي اكتسبتها الكراسي الكهربائية العاملة بالطاقة الشمسية محدودة، ولكن المعتمدين المبكرين والأفكار الأولية للبحوث تولد بيانات مشجعة، وقد اختبر مشروع في جامعة تينيسي كرسيا متحركا يحتوي على 60 واطاً من الألواح المرنة، وفي أيام الصيف الواضحة، وفر النظام الشمسي متوسطاً قدره 280 ساعة من الشوائب يومياً - بما يكفي لتغطية نحو 40 في المائة من ساعات الاستخدام المتوسطة.

كما أن مجموعات المواد التجارية بعد السوق آخذة في الظهور، كما أن الشركات مثل ResUn] و] نظم التنقل السوفيتي تعرض لوحات شمسية تلحق بخلف كرسي متحرك ويمكن نشرها عندما يكون المستخدم ثابتاً، وتنتج هذه المجموعات رسوماً تتراوح بين 40 و80 وخياراً.

الابتكارات التي تشكل مستقبل التنقل الشمسي

ويتطور الحيز المخصص للكراسي المتحركة الشمسية بسرعة، ويقوده التقدم في علوم المواد، والإلكترونيات الكهربائية، وكيمياء البطاريات، وقد تؤدي عدة ابتكارات ناشئة إلى زيادة قدرة الطاقة الشمسية على البقاء كمصدر رئيسي أو شبه أولي للطاقة الكهربائية للمركبات الكهربائية.

خلايا مرنة من طراز ثين - فيلم وزرية مطبوعة

ويقوم باحثون في مؤسسات مثل مختبر الطاقة المتجددة الوطني بتطوير خلايا شمسية رقيقة تستخدم مواد البيروفسكيت التي يمكن طبعها في محركات فرعية مرنة، وقد حققت خلايا البيروفسكيت كفاءة مختبرية تفوق 25 في المائة - قادرة على المنافسة مع توليد النسيج الاحتكاري - مع وجود وزن خفيف ومرن للغاية في حالة أن تصبح هذه الخلايا ذات وزن تجاري(7).

Intelligent Power Tracking and Predictive Energy Management

بدأ المتحكمون بالمايكروول والتعلم الآلي يلعبان دوراً في إدارة الطاقة الشمسية على المنصات المتنقلة، ويمكن لنظام إدارة الطاقة الذكية أن يتعلم عادات القيادة المعتادة للمستعمل - السرعة والتضاريس وتواتر التوقف - وأن يدمج في الوقت الحاضر توقعات شمسية للشحن الأمثل للبطارية، مثلاً، يمكن للنظام أن يسحب المزيد من الألواح الشمسية عندما يكون ضوء الشمس ووفراً ويخفض من المساعدة في أوقات الطواريء، ويحقق الحد الأقصى من القدرة على التنبؤ بالنظم.

الهندسة المكثفة مع المكثفات

فالعاملون في مجال المراقبة يقدمون رسوما وتصريفات سريعة جدا ويمكنهم معالجة آلاف الدورات دون تردي، فالنظام الهجين الذي يستخدم مصرفا صغيرا خارقا للطاقات لمعالجة الطلبات التي تبلغ ذروتها من السيارات - مثل تسلق التل - يمكن أن يقلل من الحمولة على البطارية الرئيسية، ويمكن استخدام الطاقة الشمسية بعد ذلك لإعادة شحن المكثفات طوال اليوم، مع الحفاظ على البطارية الرئيسية للسفر عبر خط الأساس.

ويمكن أن يؤدي الجمع بين هذه التكنولوجيات إلى كرسي متحرك يعمل لمدة تتراوح بين ٨ و ١٠ ساعات متواصلة على أساس كامل واحد، ويكتفي جزئيا أو كليا بالأيام المشمسة، وفي حين أن هذه الرؤية ليست حقيقة تجارية بعد، فإن مسار التنمية واضح.

الاعتبارات العملية للمستعملين في اعتبارهم سوار

بالنسبة لمستخدمي الكراسي الكهربائية الحاليين الذين يقيّمون الطاقة الشمسية، هناك عدة نقاط عملية تستحق الاهتمام، أولاً، البيئة المثالية للمستعملين هي الأكثر أهمية، شخص يقضي معظم وقته في الداخل أو في المناخات المُنبثقة بشكل منتظم، سيستمد فائدة محدودة من الطاقة الشمسية، وعلى العكس من ذلك، فإن المستخدم الذي يعيش في منطقة مشمسة ويقضي ساعات قليلة يومياً خارج المنزل يمكن أن يحقق تمديداً مجدياً.

ثانيا، ينبغي أن يقوم بالتركيب فني يعرف كل من الكترونيات الكراسي المتحركة والعناصر الشمسية، ويمكن أن تؤدي الصبغة المميزة أو أجهزة التحكم غير السليمة في الشحنات إلى إلحاق الضرر بالبطاريات أو خلق مخاطر الحريق، إذ يقدم العديد من تجار الكراسي المتحركة خدمات التكامل الشمسي أو يمكن أن يحيلوا الزبائن إلى مُحرِّر مؤهل.

وأخيرا، ينبغي للمستعملين أن يتدبروا التوقعات، فالسولار هو مزود للطاقات وقاذفة للبطارية، وليس بديلا عن الشحنات، وحتى مع نظام مصمم تصميما جيدا، سيظل الكرسي المتحرك بحاجة إلى أن يُلصق بانتظام، لا سيما خلال أشهر الشتاء أو بعد الاستخدام الثقيل في أيام متتالية، ولكن بالنسبة للمستخدم الذي يريد أن يمد المسافة بين الرسوم ويخفض الضجيج المرتبط بحدود البطاريات، فإن الطاقة الشمسية توفر قدرة ملموسة ومتنامية.

الاستنتاج: نحو الاستقلال الشمسي

وقد تحولت الكراسي الكهربائية المتحركة بالفعل حياة الملايين من الناس، فالحدود التالية تمتد إلى أن التنقل بحيث يمكن للمستعملين السفر بعيدا، والتوقف عن العمل لفترة أطول، والقلق أقل بشأن حياة البطاريات، وتوفر الطاقة الشمسية طريقا نحو ذلك الهدف - وهو طريق مبني على تكنولوجيا فولتية ضوئية ناضجة، والنهوض بنظم إدارة الطاقة، ونمو النظم الإيكولوجية للمنتجات والخدمات المصممة للتنقل الكهربائي.

وسيستمر تقارب المواد الشمسية المرنة ذات الوزن الخفيف، والإلكترونيات الذكية، والبطاريات الكثيفة الكثافة في دفع حدود ما يمكن، وقد يصبح الكراسي الكهربائية المتحركة التي تُستخدم في إطار العقد المقبل المعيار وليس الاستثناء، مما يجعل السفر اليومي خارج المقر أكثر استدامة وأكثر استقلالا للمستعملين في جميع أنحاء العالم.