كيف يعمل مظلّة شحن المركبات الكهربائية بالطاقة الشمسية؟

الفكرة الأساسية وراء مظلة شحن المركبات الكهربائية بالطاقة الشمسية

تجمع مظلة شحن المركبات الكهربائية بالطاقة الشمسية ثلاث وظائف في هيكل واحد. فهي توفر ظلاً للمركبات الراكدة، وتولِّد الكهرباء من أشعة الشمس، وتُوجِّه تلك الطاقة إلى شواحن المركبات الكهربائية. وقد يبدو المفهوم بسيطًا، لكن طريقة انتقال الطاقة من اللوح الشمسي إلى بطارية المركبة تتضمَّن عدة خطواتٍ مهمة.

المظلّة نفسها مصنوعة من الفولاذ أو الألومنيوم، ومُركَّبة عليها وحدات شمسية. وتنتج هذه الوحدات كهرباء تيار مستمر كلما سقطت أشعة الشمس عليها. ويمر التيار المستمر الناتج عبر الأسلاك إلى عاكس كهربائي (إنفرتر)، الذي يحوّله إلى تيار متناوب يمكن للمباني ومعظم شواحن المركبات الكهربائية استخدامه. ومن ثم، تُوجَّه الكهرباء إما إلى المبنى أو لشحن بطارية أو مباشرةً إلى المركبة.

ما يمنح النظام قيمته هو التوقيت. فذروة إنتاج الطاقة الشمسية تحدث في منتصف النهار، بينما تكون العديد من المركبات المستخدمة في أماكن العمل متوقفة خلال تلك الساعات نفسها. وتستفيد مظلّة الشحن الشمسية للمركبات الكهربائية من هذا التداخل، وتحول وقت الوقوف غير المستغل إلى وقت شحن فعّال.

كيف تنتقل الطاقة فعليًّا من اللوحة الشمسية إلى المركبة

يختلف مسار انتقال الطاقة باختلاف تصميم النظام. وفي الترتيب الأساسي، تغذّي الوحدات الشمسية عاكس سلسلة (سترينج إنفرتر) أو عواكس دقيقة (مايكروإنفرترز). ويتصل ناتج التيار المتناوب بمجموعة توزيع كهربائية، بينما تستمد شواحن المركبات الكهربائية طاقتها من هذه المجموعة مثل أي حمل كهربائي آخر. وعندما يكون ضوء الشمس قويًّا، فإن معظم طاقة الشحن تأتي مباشرةً من المظلة.

إضافة نظام تخزين البطاريات يُغيّر مسار تدفق الطاقة. فتُخزَّن طاقة الطاقة الشمسية الزائدة التي لا تُستخدَم فورًا. ثم، عند توصيل المركبة بالشاحن في أواخر فترة ما بعد الظهر أو في المساء، تُفرِّغ البطارية طاقتها لدعم جلسة الشحن. وهذا يقلل من كمية الكهرباء المستمدّة من الشبكة خلال ساعات الذروة المرتفعة التكلفة.

يقع وحدة التحكم في الشحن أو نظام إدارة الطاقة في مركز هذه العملية كلها. فهي تراقب إنتاج الألواح الشمسية، وحمولة المبنى، ودرجة شحن البطارية، وطلب الشاحن. ثم تقرّر في الزمن الفعلي مصدر الطاقة الأنسب. ففي صباح مشمس وحمولة مبنى منخفضة، توجّه وحدة التحكم الطاقة الزائدة إلى البطارية. أما في عصر غائم مع شحن عدة مركبات في آنٍ واحد، فإنها تدمج الطاقة المخزَّنة مع طاقة الشبكة لتجنّب ارتفاع مفاجئ في الطلب.

المصدر الحقيقي لمكاسب الكفاءة

كل خطوة تحويل تفقد جزءًا صغيرًا من الطاقة. فالتيار المستمر (DC) القادم من الألواح يتحول إلى تيار متناوب (AC) في العاكس. وقد يُحوَّل هذا التيار المتناوب لاحقًا مجددًا إلى تيار مستمر داخل شاحن المركبة. وكل خطوة على حدة تكون كفوءة بذاتها، لكن الخسائر تتراكم. ولذلك فإن تصميم هيكل النظام له أهمية كبيرة.

تقلل أنظمة التوصيل المباشر بالتيار المستمر (DC) من خسائر التحويل عن طريق إبقاء الطاقة الشمسية ووحدات تخزين البطاريات على نفس حافلة التيار المستمر قبل التحويل إلى تيار متناوب. ويعمل هذا النظام بكفاءة عالية عندما تكون نسبة كبيرة من الطاقة الشمسية المُولَّدة مخصصة للتخزين أولاً ثم الاستخدام لاحقاً.

يقارن الجدول أدناه التكوينات النموذجية لمواقف السيارات المزودة بأنظمة شحن المركبات الكهربائية (EV) بالطاقة الشمسية.

مثالٌ واقعيٌّ من موقف لأساطيل المركبات

نصَّبت شركة لوجستية في ولاية أريزونا مظلة شمسية على ثلاثين مكانًا لوقوف الشاحنات الكهربائية المستخدمة في التوصيل. وكان المخطط الأصلي يقضي بتثبيت نظام شمسي متصل بالشبكة دون أي وحدة تخزين. وبعد أشهر قليلة من التشغيل، لاحظ فريق التشغيل أن معظم الشاحنات تُوصَل بالشواحن بعد انتهاء جولات التوصيل المسائية، بالضبط في الوقت الذي تنخفض فيه إنتاجية النظام الشمسي.

وهذا التباين جعل الشركة تستمر في شراء طاقة كهربائية باهظة الثمن خلال الفترة المسائية، رغم امتلاكها نظامًا شمسيًّا كبيرًا. والحلُّ كان تركيب حزمة بطاريات تكفي لتغطية نحو أربع ساعات من شحن الأساطيل. وبعد الترقية، بدأ النظام الشمسي في شحن البطاريات خلال منتصف النهار، بينما غطَّت البطاريات فترة التوصيل المسائية للشاحنات.

لم يُلْغِ المشروع استهلاك الشبكة. فما زال الموقع يستمد الطاقة خلال الأسابيع الغائمة وأيام الشحن الكثيف. لكن البطارية نقلت جزءًا كافيًا من الحمل، ما أدى إلى انخفاض ملحوظ في رسوم الطلب الشهري. وبعد ذلك، صرّح مدير العمليات بأن البطارية ليست مجرد مكوّن تكميلي، بل هي العنصر الذي جعل مظلّة السيارات الشمسية تتماشى فعليًّا مع جدول تشغيل الأسطول.

ما تُظهره البيانات حول نمو شحن المركبات الكهربائية بالطاقة الشمسية

تبقى مظلّات السيارات الشمسية تمثّل نسبة صغيرة من إجمالي تركيبات الألواح الشمسية، لكنها في ازدياد. ووفقًا لمختبر الطاقة المتجددة الوطني، فإن المظلّات المُنصوبة فوق أماكن وقوف السيارات تشكّل خيارًا عمليًّا للمواقع التي تعاني من ضيق المساحة على الأسطح وارتفاع تكاليف الأراضي. كما أن هذه المظلّات تقلّل من آثار جزر الحرارة وتوفر أماكن وقوف مظللة، ما يحسّن التجربة للموظفين والزوار.

يستمر اعتماد المركبات الكهربائية في الازدياد عبر أمريكا الشمالية وأوروبا. وأفاد وكالة الطاقة الدولية عن نمو قوي في مبيعات المركبات الكهربائية واستثمارات البنية التحتية للشحن. أما الممتلكات التجارية التي تُثبِّت أنظمة الشحن اليوم فهي تعدّ نفسها لمستقبلٍ يتوقع فيه الموظفون والمستأجرون إمكانية التوصيل بالكهرباء كخدمة قياسية.

ويكتسب الجمع بين إنتاج الطاقة الشمسية وشحن المركبات الكهربائية معنىً خاصاً في أماكن العمل. فتقضي المركبات ست إلى ثماني ساعات في موقف السيارات أثناء النهار، وهي بالضبط الفترة التي يبلغ فيها إنتاج الألواح الشمسية ذروته. وبذلك، ينسجم مظلّة الشحن الشمسية مع سلوك المستخدمين بدل أن تفرض عليهم تغيير سلوكهم.

قيود صريحة تؤثر في المشاريع الفعلية

ليست كل مواقف السيارات مناسبة لمظلّات الطاقة الشمسية. فقد تقلّل الظلال الناتجة عن المباني أو الأشجار المجاورة الإنتاج الكهربائي بما يكفي لتغيير الجدوى المالية للمشروع. وقد تحدّ القوانين المحلية الخاصة بالتخطيط العمراني من ارتفاع المظلّة أو نسبة التغطية المسموحة. كما قد تحتاج الأرضية الأسفلتية الحالية إلى تعزيز هيكلي لدعم الأعمدة الإنشائية ومعدات البناء.

تحديد حجم البطارية يُعَدُّ أيضًا مشكلةً شائعةً أخرى. فالبطارية الصغيرة جدًّا لن تكفي لتغطية فترة الشحن المسائية. أما البطارية الكبيرة جدًّا فتزيد التكلفة دون أن تحقِّق وفوراتٍ متناسبة. والحجم المناسب يُستخلَص من بيانات الشحن الفعلية وسجلات الفترات الزمنية التي تحددها شركة التوزيع، وليس من معادلةٍ بسيطة.

ويكتسب الصيانةُ أهميةً بالغةً أيضًا. فتحتاج الألواح الشمسية إلى التنظيف، وتحتاج العواكس إلى المراقبة، وتحتاج البطاريات إلى الخدمة الدورية. وبلا خطة صيانةٍ منتظمة، ستفقد المنظومة كفاءتها تدريجيًّا وباستمرار. وهذه التراجعات يسهل تجاهلها حتى تكشف مقارنة فواتير شركة التوزيع عنها.

كيف تؤثر الجودة الإنشائية في المنظومة بأكملها

ورغم أن المكونات الكهربائية تحظى بأكبر قدرٍ من الاهتمام، فإن هيكل مواقف السيارات نفسه هو الذي يقرِّر ما إذا كانت المنظومة ستستمر أم لا. فقوى الرفع الناتجة عن الرياح، والأحمال الثلجية، والتمدد الحراري تؤثِّر جميعها على الهيكل الفولاذي. فإذا تحرك الهيكل أو تآكل، انحرفت ألواح الطاقة الشمسية عن محاذاةٍ صحيحة، وانخفض إنتاج الطاقة.

توفر شركة كين باور هياكل فولاذية وأنظمة دعم لأماكن وقوف السيارات الشمسية والبنية التحتية ذات الصلة. وتدير الشركة قاعدة تصنيع في مقاطعة خبي، وتعمل مع عملاء في قطاعي الطاقة والبناء لتلبية متطلبات التركيب الميداني. وللمطورين الذين يشيّدون أماكن وقوف السيارات الشمسية المخصصة لشحن المركبات الكهربائية (EV)، فإن وجود مورد هياكل يفهم ظروف الموقع ومسارات الأحمال يجعل المشروع أكثر أمانًا ويسهّل تنسيقه.