هل زجاج الألواح الشمسية القابلة للطي مناسب لحالات التخييم في الهواء الطلق وشحن المركبات الكهربائية (EV)؟

لا يعمل زجاج الألواح الشمسية القياسي بسماكة ٣,٢ مم مع أي نوع من آليات الطي. وكلما زاد وزن اللوح الشمسي القابل للطي، زادت صعوبة استخدام آلية طي فعّالة. ولا يُعد الزجاج الثقيل خيارًا مثاليًا للوح شمسي قابل للطي. ويصبح الزجاج المقسّى النموذجي هشًّا وهشًّا عند التعرّض للصدمات، والطي يُعَدّ نوعًا من أنواع الصدمات. وأظهرت الدراسات البحثية أن عمر الزجاج المقسّى لا يتجاوز ٥٠ إلى ١٠٠ دورة طي فقط. كما تتأثر نقطة كسر الزجاج المقسّى بالصدمات. ومن الأفضل ألا تستخدم الألواح الشمسية الزجاج القياسي، لأن وزن ألواح الزجاج يشكّل أكثر من ٥٠٪ من إجمالي وزن الألواح. وليست الألواح القابلة للطي مصممة لاستخدام الزجاج أصلًا. إذ يضيف الزجاج القياسي وزنًا زائدًا جدًّا إلى اللوح القابل للطي. والوزن الزائد ليس خيارًا مثاليًا. ومن المعروف أن تكرار عملية الطي في مواقع الاختبار يؤدي إلى تراكم الضرر عند نقطة الطي. وتتطلب أنظمة الألواح الشمسية عمليات صيانة دورية، وإذا استُخدم لوح شمسي قابل للطي، فسيتعيّن تعبئة معدات الطاقة الشمسية عدة مرات أثناء التنقّل بين أماكن التخييم والسفر.

إيثيلين تترافلوروإيثيلين (ETFE) كمعيار وظيفي: تحقيق التوازن بين مقاومة الأشعة فوق البنفسجية، والمرونة، والأداء الخفيف الوزن

يُستخدم مادة الإيثيلين تترافلوروإيثيلين (ETFE) حاليًّا كطبقة أمامية في الألواح الشمسية القابلة للطي. وعلى عكس الزجاج، تتمتَّع مادة ETFE بعدة مزايا. فهي خفيفة جدًّا، حيث تزن فقط ٥٪ من وزن الزجاج، ما يسمح بسهولة حمل الألواح ونقلها. كما أنها متينة جدًّا، وتتحمّل أكثر من ١٠٬٠٠٠ دورة طي. ومعظم المستخدمين لن يصلوا إلى هذا العدد في السيناريوهات الواقعية. وتمتاز مادة ETFE أيضًا بشفافيتها العالية تجاه الأشعة فوق البنفسجية، إذ تصل نسبة انتقالها إلى ٩٤٪. وهذا يؤدي إلى فقدان ضئيل جدًّا في أداء اللوح الشمسي، لا يتجاوز ٥٪ على مدى عقدٍ من التعرُّض (المختبر الوطني للطاقة المتجددة NREL، ٢٠٢٣). كما أن مادة ETFE مرنة جدًّا؛ فهي قادرة على الانحناء بزوايا تصل إلى ٣٠٠ درجة، وبمستوى جزيئي، تستطيع رفع الغبار والماء ودفعهما بعيدًا. وعند استخدام الألواح الشمسية في الهواء الطلق وفي ظروف قاسية، تكتسب هذه الخاصية أهمية بالغة.

وتجمع كل هذه الخصائص بينها لتجعل من مادة ETFE ليس مجرد خيار جيد فحسب، بل عنصرًا أساسيًّا لتشغيل تقنية الألواح الشمسية القابلة للطي بكفاءة وفعالية في الوقت الراهن.

المتانة الفعلية للألواح الشمسية القابلة للطي في البيئات الخارجية

إغلاق وفق معيار IP67، والتدوير الحراري، ومقاومة الغبار/الرمال في ظروف التخييم

عندما يتعلق الأمر بالألواح الشمسية القابلة للطي للاستخدام في التخييم، فهي مصممة لتحمل البيئات والظروف القاسية والوعرة. وتحمي درجة الحماية IP67 الموجودة على غلافها الإلكترونيات من المياه، ما يساعد الألواح على تحمل الأمطار الغزيرة غير المتوقعة. وتُشكِّل الحشوات المُحقَنة ختمًا محكمًا ضد الجسيمات الدقيقة، ويُسهم هذا الختم في حماية الألواح الشمسية من الغبار والملح، اللذين قد يؤثّران سلبًا على الإلكترونيات تدريجيًّا. ولحماية الألواح الشمسية من درجات الحرارة القصوى، صُمِّمت طبقات توصيل معينة لتسمح باستخدام نطاق حراري كامل يتراوح بين +٢٠ و−٥٠ درجة مئوية. ولمنع تكوُّن طبقة شللية (Paralysis Layer)، يجب الاحتفاظ بالألواح ضمن نطاق حراري يتراوح بين −٢٠ و+٥٠ درجة مئوية. وهذا يساعد في تجنُّب حالات التفكك (Delamination) وفشل اللحام. وأظهرت اختبارات مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) التي أُجريت عام ٢٠٢٣ أن النماذج المغلَّفة تعمل بكفاءة تامة بعد تركها في الرمال لمدة ٣ أيام. وقد تفوَّقت هذه النماذج المغلَّفة على النماذج العادية، حيث بلغت كفاءتها ٩٠٪، أي أن النماذج المغلَّفة كانت أفضل بنسبة ٩٠٪ في مقاومة انسداد الجسيمات.

اختبارات مختبر الطاقة المتجددة الوطني لعام 2023: سلامة الانحناء في الظروف الباردة واستقرار مقاومة الأشعة فوق البنفسجية

تتضمن المتانة في التصميم أكثر من مجرد القدرة على تحمل العوامل الجوية. فهي تشمل متانة المادة عند الانحناء والطي. وأظهرت الاختبارات التي أجرتها مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) في عام 2023 أن أفضل المواد المرنة القابلة للطي تتحمّل أكثر من ١٠٬٠٠٠ دورة طي دون ظهور شقوق دقيقة. وهذه النتيجة تفوق أعلى المعايير العسكرية، التي تضمن سلامة الطيات فقط لأربع دورات تقريبًا. علاوةً على ذلك، فإن مادة الـETFE المعالَجة لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية تحتفظ بنسبة تقارب ٩٨٪ من نفاذية الضوء الأصلية لها بعد ٣٠٠٠ ساعة من التعرُّض الفعلي للعوامل الجوية، وهي نتيجة تتفوّق بشكل كبير على المواد القياسية التي تبدأ بالاصفرار بعد ١٥٠٠ ساعة من التعرُّض. ولن تصبح هذه المواد هشّة كما كانت الألواح الزجاجية السابقة، مما يضمن استقرار إنتاج الطاقة بغض النظر عن الموسم أو مدة المهمة.

واقع توصيل الطاقة: هل يمكن للألواح القابلة للطي تلبية أحمال التخييم وشحن المركبات الكهربائية (EV)؟

اتساق الاستهلاك بالواط في الظروف المتغيرة: الظل، والزاوية، ودرجة الحرارة

تعمل الألواح الشمسية القابلة للطي بشكل ممتاز في تشغيل المعدات المحمولة… لكن عند اختبارها في بيئات التخييم الواقعية، يتغير إنتاجها الفعلي للطاقة. وتتعرض الألواح الشمسية المرنة (على عكس الألواح الصلبة ذات الخلايا المغلَّفة بالزجاج اللامع) لخسارة تتراوح بين ١٠٪ و٢٥٪ في إنتاج الطاقة بسبب ثلاثة عوامل مسببة: (١) تحجب بعض الأشجار والسحب جزئيًّا أشعة الشمس عن الألواح الشمسية وتُظِلُّها، ما يؤدي إلى انخفاض غير متناسب في إنتاج سلاسل الخلايا المتصلة على التوالي؛ (٢) تفقد الألواح المائلة أكثر من ١٥ درجة عن اتجاه أشعة الشمس المباشرة نحو ١٨٪ (في المتوسط) من كفاءتها (وفقًا لبيانات الاختبارات الميدانية التي أجرتها المختبرات الوطنية الأمريكية لإعادة التأهيل الطاقي NREL)؛ و(٣) مع ارتفاع درجة حرارة البيئة فوق ٢٥ درجة مئوية، ينخفض إنتاج الطاقة بنسبة ١٠٪ (أو أكثر) بسبب الأداء الضعيف لأشباه الموصلات بمعدل ٠٫٤٪ لكل درجة مئوية.

جميع المتغيرات المذكورة أعلاه تُبرز الحاجة إلى استراتيجيات مُخصَّصة لجمع الطاقة وفقًا لموقع النظام، وإلى تخزين بطاري تكميلي، وإلى إدارةٍ مدروسةٍ لأحمال الطاقة لتعظيم أداء كل نظام من أنظمة الألواح الشمسية.

تقييم جدوى شحن المركبات الكهربائية (EV): بدءًا من طاقة الأجهزة ذات الجهد ١٢ فولت وصولًا إلى الشحن بالتيار المتناوب من المستوى الأول (Level 1 AC)، مع مراعاة مقاييس زمن الشحن العملية.

لماذا لا تستخدم الألواح الشمسية القابلة للطي الزجاج التقليدي؟

تستخدم الألواح الشمسية القابلة للطي نوعًا من الزجاج يُستخدَم تقليديًّا في الألواح الشمسية، لكن هذا النوع يصبح هشًّا جدًّا وثقيل الوزن لدرجة تجعل استخدامه غير عملي في الألواح القابلة للطي. فزجاج الألواح الشمسية الرقيق يتشقَّق بسهولة بعد ٥٠–١٠٠ عملية طي، كما أن وزن الزجاج مع اللوح المُركَّب كاملاً يصبح ثقيلًا جدًّا، وبالتالي لا يمكن حمله بسهولة.

ما هو مادة الـETFE، ولماذا تُفضَّل في الألواح القابلة للطي؟

إي تي إف إي (ETFE) هو بوليمر أخف وزنًا بكثير من الزجاج، ويمكنه التحمل لأكثر من ١٠٠٠٠ طيّة. وهو مرن لدرجة أنه يبقى في الوضع المطوي مع السماح بنفاذ أكثر من ٩٠٪ من الأشعة فوق البنفسجية، ويظل أنظف من الزجاج عند التعرض للرمل والماء. هل يمكن للألواح الشمسية القابلة للطي أن تتحمل الظروف الخارجية السيئة؟

نعم، يمكن للألواح الشمسية القابلة للطي أن تتحمل درجات الحرارة القصوى وكذلك الغبار، وذلك بفضل دورة التشغيل العلاجية الخاصة بها والتصنيف الحماية IP67.

هل الألواح الشمسية القابلة للطي مناسبة لشحن المركبات الكهربائية (EV)؟

يمكن للألواح الشمسية القابلة للطي شحن الأجهزة الصغيرة ذات الجهد ١٢ فولت، لكنها لا تُنتج كمية كافية من الطاقة يوميًّا لشحن المركبات الكهربائية (EV) بشكل منتظم.