همه چیز درباره خودروهای خورشیدی؛ مروری بر تاریخچه، حال، آینده و موانع پیش رو

انرژی‌های نو و تجدیدپذیر این روزها در کانون توجه قرار گرفته و بهره‌برداری از آنها به یک ضرورت تبدیل شده است. در این راستا، برخی خودروسازان در زمینه خودروهای خورشیدی مشغول تحقیق و توسعه هستند و قصد دارند در آینده تمام یا بخشی از انرژی مورد نیاز محصولات خود را از نور خورشید تامین کنند.

خودروهای خورشیدی در حقیقت همان مدل‌های برقی هستند که از سلول‌های فتوولتاییک برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته استفاده می‌کنند. در این دسته از وسایل نقلیه، انرژی تبدیلی در باتری ذخیره شده و سپس برای راه‌اندازی پیشرانه به کار برده می‌شود. اگر روزی این خودروها در مقیاسی گسترده راهی بازار شوند، مسلما در کاهش آلودگی هوا و حذف صداهای مزاحم بسیار بسیار تاثیرگذار خواهند بود.

در حال حاضر تقریبا تمامی پروژه‌های مربوط به خودروهای خورشیدی در مراحل اولیه هستند و نمونه‌های تولیدی در حد پروتوتایپ به شمار می‌روند. برای گذر از این مرحله خودروسازان ایده اتومبیل‌های هیبریدی خورشیدی را دنبال می‎‌کنند. در خودروهای هیبریدی خورشیدی، بخشی از انرژی لازم برای شارژ باتری یا کارکرد سیستم‌های مختلف، از طریق پنل‌های نصب شده روی سقف تامین می‌شود.

با وجود مزایای متعدد، خودروهای خورشیدی از نظر طراحی و تکنولوژی با موانع بزرگی روبرو هستند. به منظور مهار بیشترین انرژی ممکن، بدنه این خودروها باید تا جایی که امکان دارد، با پنل‌های خورشیدی پوشانده شود، حال آنکه حتی در صورت پوشش کل بدنه، میزان انرژی دریافتی ناچیز خواهد بود. از این رو است که خودروهای خورشیدی ساخته شده تا به این تاریخ، فقط در مسابقات اتومبیلرانی شرکت کرده‌اند و هنوز نمی‌توانند با کاربردهای روزمره مطابقت داشته باشند.

Sunswift IV عنوان سریع‌ترین خودروی خورشیدی دنیا را در اختیار دارد. این اتومبیل سبز توسط جمعی از دانشجویان نیو ساوت ولز (New South Wales) برای مسابقات سولار طراحی و تولید شده و در آن ترکیبی از تکنولوژی‌های رایج در دوچرخه‌سازی، هوافضا و صنعت خودرو مورد استفاده قرار گرفته است.

هیچ یک از خودروهای خورشیدی طراحی شده تا به این تاریخ، نتوانسته‌ به طور کامل و صد در صدی به انرژی خورشیدی متکی باشد. از سوی دیگر، طراحی آنها به شکلی است که تطابقی با کاربری‌های روزانه ندارد. برای نمونه سقف این خودروها عمدتا گسترده و تخت طراحی می‌شود تا امکان نصب پنل‌های متعدد و جذب بیشترین انرژی ممکن فراهم باشد؛ همچنین به منظور کاهش وزن در ساخت آنها از مواد بسیار سبک وزن استفاده می‌شود که آن هم ایمنی پایین و احتمال مرگ در تصادفات جزئی را در پی دارد. در کنار این‌ها، خودروهای خورشیدی نمی‌توانند بیش از یک نفر را با خود حمل کنند.

خودروهای خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟

پنل‌های خورشیدی به فوتون‌ها اجازه می‌دهند الکترون‌ها را تحریک کنند. جنب و جوش حاصل از این کار، پایه و اساس تولید جریان الکتریسیته است. به لحاظ ساختاری، این پنل‌ها از تعداد زیادی سلول فتوولتاییک که به هم متصل هستند، تشکیل یافته‌اند.

در تعریف ساده هر سلول فتوولتاییک را می‌توان ساندویچی از دو تکه که جنسی از مواد نیمه‌رسانا، مثل سیلیکن، دارند، توصیف کرد. سیلیکن موجود با مواد دیگری – معمولا فسفر و بور – ترکیب می‌‎شود تا هر تکه بار الکتریکی مثبت یا منفی پیدا کند. با چنین ساختاری یک میدان الکتریکی در نقطه اتصال دو لایه بوجود می‌آید.

هنگام برخورد فوتون‌ها به الکترون‌ها، میدان الکتریکی الکترون‌ها را به سمت بیرون از نقطه اتصال سیلیکن هدایت می‌کند. صفحات رسانای فلزی حاضر در طرفین سلول‌ها این الکترون‌ها را جمع‌آوری کرده و آنها را به سیم‌ها منتقل می‌کنند. در این لحظه الکترون‌ها همانند دیگر منابع الکتریسیته جریان می‌یابند.

خودروهای خورشیدی دارای چند مزیت هستند که مهم‌ترین آنها عبارتند از:

• صرفه اقتصادی بیشتر به خاطر عدم وابستگی به سوخت
• پایداری و سازگاری با محیط زیست
• عدم تولید آلودگی صوتی و گازهای آلاینده
• نداشتن هزینه اضافی جز تعویض باتری
• توسعه خودروهای هیدروژنی الان در چه مرحله‌ای قرار دارد؟

یکی از اولین خودروهای خورشیدی دنیا توسط جنرال موتورز ساخته شده و در سال 1955 در شیکاگو به نمایش درآمد. این پروتوتایپ 38 سانتی‌متری «سان موبیل» (Sunmobile) نام داشت و نیروی محرکه آن توسط یک موتور برقی کوچک و 12 سلول فوتوولتاییک سلنیومی تامین می‌شد. اگر چه سان موبیل عنوان نخستین خودروی خورشیدی را در اختیار دارد، ولی با توجه به ابعاد بسیار کوچک امکان رانندگی با آن هرگز میسر نبود.

دیگر خودروی خورشیدی جالب، مدلی به نام Sion است که توسط شرکت Sono Motors تولید شده؛ این شرکت ادعا می‌کند Sion اولین اتومبیل هیبریدی خورشیدی در سطح تجاری بوده و قادر است تا 255 مایل (410 کیلومتر) را پشت سر بگذارد. انرژی این خودرو از طریق 248 سلول خورشیدی یکپارچه با بدنه تامین می‌شود.

بطور میانگین باتری Sion در عرض 30 دقیقه تا 80 درصد شارژ می‌شود. این اتومبیل 28,500 دلاری از پنل‌های خورشیدی به عنوان یک منبع کمکی برای شارژ باتری استفاده می‌کند و اینطور نیست که تمام ظرفیت باتری به وسیله آنها پر شود.

تویوتا و هیوندای جزو خودروسازانی هستند که جدی‌تر از بقیه ایده خودروهای خورشیدی را دنبال می‌کنند. این دو کمپانی با معرفی سوناتا و پریوس مجهز به پنل خورشیدی، بخشی از تلاش‌های خود را در این زمینه به نمایش گذاشته‌اند.

پروتوتایپ معرفی شده از تویوتا پریوس در هر ساعت می‌تواند  180 وات الکتریسیته تولید کند و با 24 ساعت قرار گرفتن در معرض نور خورشید، انرژی لازم برای پیمایش 6.1 کیلومتر مسافت را در باتری خود ذخیره می‌سازد. البته بعدها نسخه ارتقا یافته از این پروتوتایپ به رکورد تولید 860 وات الکتریسیته در هر ساعت دست پیدا کرده است. این نسخه با 24 ساعت شارژ، مسافت 44.5 کیلومتری را می‌پیماید. در صورت نیاز به سفرهای طولانی‌تر با پریوس هیبریدی خورشیدی، باید آن را با کابل برق شارژ کرد.

در کنار خودروسازان، برخی دانشگاه‌ها و استارتاپ‌ها نیز به دنبال بهره‌برداری از انرژی خورشیدی در حوزه حمل و نقل هستند. دانشگاه استنفورد با ایجاد یک پروژه دانشجویی از سال 1989 در این حوزه مشغول تحقیق و توسعه است. استارتاپ هلندی Lightyear هم از پروتوتایپ یک اتومبیل برقی خورشیدی رونمایی کرده که می‌تواند تا 724 کیلومتر مسافت را با شارژ کامل طی کند. این خودرو Lightyear One نام دارد و نسخه تولید انبوه آن با قیمت 150 هزار یورو راهی بازار خواهد شد.

مشکلات پیش روی خودروهای خورشیدی چیست و چرا آنها فراگیر نشده‌اند؟

اینکه چرا هنوز پیشرفته‌ترین خودروسازان جهان به سمت اتومبیل‌‎های خورشیدی نرفته‌اند، چند دلیل عمده دارد. راندمان پایین پنل‌های خورشیدی فعلی یکی از اصلی‌ترین دلایل به شمار می‌رود. در حال حاضر این پنل‌ها در بهترین حالت راندمانی بین 20 الی 30 درصد دارند و اگر قرار باشد یک خودرو صرفا با اتکا به نور خورشید حرکت کند، باید فضای بسیار گسترده‌تری برای تعبیه پنل‌ها فراهم شود. این امر هم به نوبه خود دو مشکل وزن و هزینه را در پی دارد.

پنل‌های خورشیدی گران‌قیمت بوده و دارای وزن معینی هستند. تجهیز کل سطح بدنه یک خودرو به این پنل‌ها، به معنای اضافه کردن وزن و هزینه خواهد بود. شاید بگویید برای مقابله با مشکل وزن، می‌توان به جای پنل از فیلم‌های جدید که بسیار سبک‌تر هستند، استفاده کرد. در پاسخ باید گفت این فیلم‌ها راندمان کمتری داشته و انرژی کمتری را ذخیره می‌کنند. با احتساب وزن باتری که معمولا زیاد است، به نظر می‌رسد ایده خودروهای خورشیدی حداقل در زمان کنونی قابل تحقق در دنیای واقعی نیست.

مساله دیگر اینکه در یک روز آفتابی، هر متر مربع از سطح زمین تقریبا 1 کیلووات انرژی خورشیدی دریافت می‌کند. با یک محاسبه ساده معلوم می‌شود چنانچه همه سطوح بدنه خودرویی با بهترین پنل‌ها پوشانده شده و تمام طول روز را در معرض تابش نور آفتاب قرار گیرد، انرژی لازم برای پیمایش تنها 40 کیلومتر مسافت در آن ذخیره خواهد شد. البته این ایده‌آل‌‌ترین شرایط است، چرا که علاوه‌بر عدم مهار تمامی انرژی دریافتی، عوامل دیگری مثل تغییرات جوی، شرایط رانندگی، محل نصب پنل و کثیف شدن آنها می‌تواند از عدد مذکور بکاهد.

برخلاف باور عموم خودروهای خورشیدی بطور کامل با محیط زیست سازگار نیستند. هر چند این خودروها حین حرکت گاز آلاینده‌ای تولید نمی‌کنند، اما اگر چگونگی تولید باتری و پنل‌های خورشیدی – به‌ویژه نحوه استخراج و استفاده مواد معدنی مورد نیاز – را مطالعه کنید، خواهید دید ساخت چنین مدل‌هایی با تاثیر منفی بر محیط زیست و افزایش آلودگی کربنی همراه است.

علی‌رغم وجود برخی عوامل بازدارنده، تحقق ایده خودروهای خورشیدی غیرممکن نیست. در حال حاضر تحقیقات زیادی در زمینه کاهش وزن باتری‌ها و بهره‌گیری از سلول‌های فتوولتاییک بسیار بهینه انجام می‌شود. شاید تلاش‌های محققان، روزی در قالب خودروهای خورشیدی واقعا کاربردی به بار بنشیند.