DOI: https://doi.org/10.1051/epjpv/2025026
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: R. Moruno وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات تحسين أنظمة الطاقة الشمسية
نظرة عامة
يتناول قسم ورقة البحث أداء أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة في المركبات (VIPV) في السيارات الكهربائية، مع تسليط الضوء على إمكانياتها في تعزيز مدى القيادة، وتقليل متطلبات الشحن، وتخفيف الضغط على الشبكة. على عكس أنظمة الطاقة الشمسية التقليدية، تواجه وحدات VIPV تحديات بسبب عدم تجانس الإشعاع وظروف الظل الديناميكية. تقيّم الدراسة بشكل خاص وحدات الخلايا المتداخلة تحت سيناريوهات الظل الحضري الواقعي، باستخدام بيانات مستندة إلى الصور والمحاكاة الكهربائية لتحليل تكوينات مختلفة.
تم اختبار ثمانية تكوينات، تضم اتجاهين للخلايا (أفقي ورأسي)، ونوعين من التوصيلات (سلسلة وموصولة عبر الكل، TCT)، وتخطيطين (وحدة كبيرة واحدة وست وحدات صغيرة). تقدم البحث طريقة تصنيف لبيئات القيادة وملفات الظل. تشير النتائج الرئيسية إلى أنه بينما يتم توزيع الظلال بشكل موحد على سقف السيارة أثناء الحركة المطولة (حوالي 17 دقيقة)، فإن اتجاه الخلايا له تأثير ضئيل على الأداء، باستثناء تأثيره على عدد الصمامات المتجاوزة. من الجدير بالذكر أن استخدام استراتيجية الوحدة الموزعة يعزز من مرونة نظام الطاقة الشمسية ضد الظل الجزئي، مما يؤدي إلى تحسين الأداء العام.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الاندماج المتزايد للسيارات الكهربائية (EVs) في مشهد السيارات العالمي والتحديات المرتبطة بذلك، مثل زيادة الطلب على الشبكة الكهربائية والحاجة إلى تحسين دورة حياة البطارية. تعتبر أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة في المركبات (VIPV) حلاً واعدًا، حيث تستخدم سطح السيارة لتوليد الكهرباء من خلال وحدات الطاقة الشمسية. يُبلغ عن أن تقنية VIPV تمد مدى القيادة حتى 30 كم، وتعزز من عمر البطارية بنسبة 19%، وتقلل من تكرار الشحن بنسبة 16%، مما يخفف الضغط على الشبكات الكهربائية. تشير التوقعات المتفائلة إلى أن السيارات التقليدية المزودة بتقنية VIPV يمكن أن تخفض الطلب الإجمالي على الطاقة بنسبة 35-50%، خاصة في المناطق المشمسة.
ومع ذلك، فإن دمج تقنية الطاقة الشمسية في المركبات يقدم تحديات فريدة، بما في ذلك الانحناءات ثلاثية الأبعاد المعقدة لأسطح المركبات التي تؤدي إلى عدم تجانس الإشعاع وانخفاض إنتاج الطاقة. أظهرت الدراسات التي استخدمت أجهزة قياس الإشعاع اختلافات كبيرة في الإشعاع على الطرق بسبب العوامل البيئية، حيث تسهم البيئات الحضرية في تعقيدات الظل التي تؤثر على إنتاج الطاقة. تسلط الورقة الضوء على أهمية طرق التوصيل المتقدمة، مثل تصميمات الخلايا المتداخلة، التي يمكن أن تحسن الكفاءة وإنتاج الطاقة تحت ظروف الظل الجزئي. تهدف الدراسة إلى استكشاف استراتيجيات مختلفة لتحسين أداء VIPV، مع التركيز على اتجاه الخلايا، وتوبولوجيا التوصيل، والفوائد المحتملة لهياكل الوحدات الموزعة، باستخدام أنماط الظل الحضري الواقعي للمحاكاة. ستفصل الأقسام التالية المنهجية والنتائج والاستنتاجات للدراسة.
الطرق
يتبع المنهج الموضح في هذه الدراسة إطار عمل موثق ويتكون من عدة خطوات مترابطة تهدف إلى تحليل تأثير الظلال الديناميكية على أداء المركبة. تتضمن الخطوة الأولى تصنيف البيئة، حيث يتم تصنيف محيط السيارة بناءً على خصائص مثل الأشجار والمباني. يلي ذلك الحصول على صور عالية التردد، والتي تلتقط الظلال الديناميكية على سقف السيارة أثناء القيادة الحضرية في ظروف العالم الحقيقي.
بعد ذلك، يتم استخدام تقنيات معالجة الصور المتقدمة لاستخراج ملفات الظل الدقيقة من الصور الملتقطة. تُستخدم هذه الملفات بعد ذلك في المحاكاة الكهربائية لتقييم أداء وحدة الطاقة الشمسية المدمجة في سقف السيارة. كما تقيم الدراسة سلوك خوارزمية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) لتقدير إنتاج الطاقة لمحول DC/DC مثالي بدون خسائر أثناء ظروف القيادة الحضرية المحاكية. أخيرًا، يتم تصنيف ملفات الظل بناءً على أشكالها، مما يساهم في فهم شامل لكيفية تأثير العوامل البيئية على أداء الطاقة للمركبة.
النتائج
في هذا القسم، تحقق الدراسة في ظروف الظل على طول مسار محدد من خلال تصنيف البيئات المحيطة بناءً على خصائصها الفيزيائية. تم استخدام نموذج ظل ثابت ثنائي الأبعاد مبسط، باستخدام ارتفاعات العقبات وعرض الطرق النموذجية لتوفير رؤى حول ظروف الظل المتوقعة عبر مناطق مختلفة. بعد هذا التحليل، تم تقييم ثمانية سيناريوهات للطاقة الشمسية (PV)، تضم اتجاهات خلايا مختلفة (رأسي/أفقي)، وتخطيطات (وحدة طبقة واحدة (SLM)/6 وحدات متعددة (6MM))، وطرق توصيل (سلسلة/TCT).
قامت الدراسة بتحديد الحد الأقصى للطاقة المتاحة لكل سيناريو وأجرت مسحًا ثنائي المعلمات لحجم الخطوة وفترة خوارزمية الاضطراب والمراقبة (P&O) لتحديد الإعدادات المثلى لاستخراج الطاقة. تم تصنيف ملفات الظل إلى إضاءة كاملة، وظل جزئي، وظل كلي، مع تصنيف الظل الجزئي إلى أربع أنماط بناءً على استمرارية المناطق المظللة. قامت الدراسة بتقييم صلة هذه الفئات الظلية بإمكانات جمع الطاقة على المسار من خلال مقارنة مدتها مع الإشعاع الساقط على الوحدات. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل متوسط عامل الظل (SF) ونطاقه بين الوحدات الصغيرة لكل فئة فرعية، مما يكشف عن أنماط الظل المميزة المرتبطة بظروف الظل المختلفة.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة تصنيف بيئات المسار باستخدام إطار عمل منطقة المناخ المحلي (LCZ)، الذي يتضمن تحليلات نوعية وكمية لأنماط المباني وتغطية الأراضي. تم إجراء تحليل ظل ثابت ثنائي الأبعاد مبسط لتقييم اختلافات الظل على المركبات في LCZs المختلفة، مع تحديد ثلاث حالات ظل: ظل كامل، ظل جزئي، وإضاءة كاملة. استخدمت التحليل معلمات مثل ارتفاعات الكائنات والمسافات من الطريق، مع اشتقاق معادلات لإسقاطات الظل بناءً على زوايا الشمس. تم إجراء الحصول على صور عالية التردد باستخدام كاميرا DJI Osmo Action 4 المثبتة على مركبة، تلتقط أنماط الظل أثناء مسار بطول 5.6 كم تحت ظروف سماء صافية، مما سهل التمييز بين المناطق المظللة وغير المظللة.
تم استخدام تقنيات معالجة الصور المتقدمة لاستخراج ملفات الظل من إطارات الفيديو، مما يسمح بمحاكاة أنماط الإشعاع على وحدات الطاقة الشمسية (PV). قامت الدراسة بتقييم تكوينات مختلفة من وحدات الطاقة الشمسية، بما في ذلك وحدات كبيرة واحدة ووحدات صغيرة، تحت ظروف ظل مختلفة. تم تقييم فعالية خوارزمية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) من نوع الاضطراب والمراقبة (P&O)، مما يكشف أن تقنيات MPPT الموزعة يمكن أن تخفف من خسائر عدم التطابق بشكل فعال. كما صنف التحليل ملفات الظل بناءً على تأثيرها على أداء الوحدة، مما يوفر رؤى حول إمكانات إنتاج الطاقة لتكوينات مختلفة تحت سيناريوهات ظل متنوعة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن التوصيل من نوع TCT يعزز الأداء تحت الظل الجزئي، مع تحقيق الاتجاه الرأسي للخلايا لمخرجات طاقة أعلى مقارنة بالتكوينات الأفقية.
DOI: https://doi.org/10.1051/epjpv/2025026
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): R. Moruno et al.
Primary Topic: Photovoltaic System Optimization Techniques
Overview
The research paper section discusses the performance of Vehicle Integrated Photovoltaics (VIPV) in electric vehicles, highlighting their potential to enhance driving range, reduce charging requirements, and alleviate grid demand. Unlike traditional photovoltaic systems, VIPV modules face challenges due to nonuniform irradiance and dynamic shading conditions. The study specifically evaluates shingled-cell modules under real urban shading scenarios, employing image-based data and electrical simulations to analyze various configurations.
Eight configurations were tested, incorporating two cell orientations (horizontal and vertical), two interconnection types (series and total-cross-tied, TCT), and two layouts (single large module and six mini-modules). The research introduces a classification method for driving environments and shading profiles. Key findings indicate that while shadows are uniformly distributed over the vehicle’s roof during prolonged motion (approximately 17 minutes), the orientation of the cells has minimal impact on performance, aside from its influence on the number of bypass diodes. Notably, the use of a distributed module strategy enhances the PV system’s resilience to partial shading, leading to improved overall performance.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the increasing integration of electric vehicles (EVs) into the global automotive landscape and the associated challenges, such as heightened electric grid demand and the need for battery life cycle optimization. A promising solution is Vehicle Integrated Photovoltaics (VIPV), which utilizes the vehicle’s surface to generate electricity through photovoltaic modules. VIPV technology is reported to extend driving ranges by up to 30 km, enhance battery lifespan by 19%, and reduce charging frequency by 16%, thereby alleviating pressure on power grids. Optimistic projections suggest that conventional vehicles with VIPV could lower overall energy demand by 35-50%, particularly in sunnier regions.
However, integrating PV technology into vehicles presents unique challenges, including the complex three-dimensional curvatures of vehicle surfaces that lead to non-uniform irradiance and reduced power output. Studies employing pyranometers have shown significant variations in on-road irradiance due to environmental factors, with urban settings contributing to shading complexities that affect energy yield. The paper highlights the importance of advanced interconnection methods, such as shingled cell designs, which can improve efficiency and energy output under partial shading conditions. The research aims to explore various strategies to optimize VIPV performance, focusing on cell orientation, interconnection topology, and the potential benefits of distributed module architectures, using real urban shading patterns for simulations. The subsequent sections will detail the methodology, results, and conclusions of the study.
Methods
The methodology outlined in this study follows a validated framework and comprises several interconnected steps aimed at analyzing the impact of dynamic shadows on vehicle performance. The first step involves environment classification, where the vehicle’s surroundings are categorized based on characteristics such as trees and buildings. This is followed by high-frequency image acquisition, which captures the dynamic shadows on the vehicle’s roof during urban driving under real-world conditions.
Subsequently, advanced image processing techniques are employed to extract precise shading profiles from the acquired images. These profiles are then used in electrical simulations to assess the performance of a solar module integrated into the vehicle’s roof. The study also evaluates the behavior of a Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm to estimate the power output of an ideal lossless DC/DC converter during simulated urban driving conditions. Finally, the shading profiles are classified based on their shapes, contributing to a comprehensive understanding of how environmental factors influence vehicle energy performance.
Results
In this section, the study investigates the shading conditions along a specified route by classifying the surrounding environments based on their physical characteristics. A simplified two-dimensional static shading model was employed, utilizing typical obstacle heights and road widths to provide insights into the expected shading conditions across various zones. Following this analysis, eight photovoltaic (PV) scenarios were evaluated, incorporating different cell orientations (vertical/horizontal), layouts (Single Layer Module (SLM)/6 Multi-Module (6MM)), and interconnection methods (series/TCT).
The research quantified the maximum available energy for each scenario and conducted a bi-parametric sweep of the Perturb and Observe (P&O) algorithm’s step size and period to determine optimal settings for energy extraction. Shading profiles were categorized into full illumination, partial shading, and total shading, with partial shading further classified into four typologies based on the continuity of shaded areas. The study assessed the relevance of these shading categories to the route’s energy-harvesting potential by comparing their durations with the irradiance incident on the modules. Additionally, the average shading factor (SF) and its range among mini-modules were analyzed for each subcategory, revealing characteristic shadow patterns associated with different shading conditions.
Discussion
In this section, the research discusses the classification of route environments using the Local Climate Zone (LCZ) framework, which incorporates both qualitative and quantitative analyses of building and land cover typologies. A simplified 2D static shading analysis was conducted to assess shading variations over vehicles in different LCZs, identifying three shading conditions: full shading, partial shading, and total illumination. The analysis utilized parameters such as object heights and distances from the road, with equations derived for shadow projections based on solar angles. High-frequency image acquisition was performed using a DJI Osmo Action 4 camera mounted on a vehicle, capturing shadow patterns during a 5.6 km route under clear sky conditions, which facilitated the differentiation between shaded and unshaded areas.
Advanced image processing techniques were employed to extract shadow profiles from video frames, allowing for the simulation of irradiance patterns on photovoltaic (PV) modules. The study evaluated various configurations of PV modules, including single large modules and mini-modules, under different shading conditions. The effectiveness of a perturb and observe (P&O) Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm was assessed, revealing that distributed MPPT techniques could mitigate mismatch losses effectively. The analysis also classified shading profiles based on their impact on module performance, providing insights into the energy yield potential of different configurations under varying shading scenarios. Overall, the findings indicate that the TCT interconnection enhances performance under partial shading, with vertical cell orientation yielding higher energy outputs compared to horizontal arrangements.