GiPV: أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني مع وحدات شمسية شبه شفافة

يشير مصطلح الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) إلى مواد كهروضوئية تحل محل مواد البناء التقليدية في أجزاء من غلاف المبنى، مثل السقف أو المناور أو الواجهة. ويجري دمجها بشكل متزايد في المباني الجديدة كمصدر طاقة أساسي أو ثانوي، كما يمكن تحديث المباني القائمة بتقنيات مماثلة. وتكمن ميزة الخلايا الكهروضوئية المدمجة على الأنظمة التقليدية غير المدمجة في إمكانية تعويض التكاليف الأولية من خلال تقليل الإنفاق على مواد البناء والعمالة اللازمة عادةً لتشييد الجزء الذي تحل محله وحدات BIPV. علاوة على ذلك، تتيح BIPV قبولًا أوسع لتركيبات الطاقة الشمسية عندما يكون المظهر الجمالي للمبنى عاملًا مهمًا، حيث أن الألواح الشمسية التقليدية المثبتة على رفوف قد تُشوه المظهر المطلوب.

يُستخدم مصطلح BAPV (الخلايا الكهروضوئية المُدمجة في المباني) أحيانًا للإشارة إلى أنظمة الخلايا الكهروضوئية التي تُضاف إلى المباني القائمة. ومعظم الأنظمة المُدمجة في المباني هي في الواقع أنظمة BAPV. ويُفرّق بعض المُصنّعين والمُطوّرين بين أنظمة BIPV وBAPV في المباني الجديدة.

ظهرت تطبيقات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) في سبعينيات القرن الماضي. حيث كانت تُركّب وحدات كهروضوئية ذات إطارات ألومنيوم على المباني، التي كانت تقع عادةً في مناطق نائية لا تصلها شبكة الكهرباء. وفي ثمانينيات القرن الماضي، بدأ تركيب أنظمة الخلايا الكهروضوئية على أسطح المباني. وكانت هذه الأنظمة تُركّب عمومًا على مبانٍ متصلة بشبكة الكهرباء وتقع في مناطق بها محطات توليد طاقة مركزية. وفي تسعينيات القرن الماضي، أصبحت منتجات BIPV المصممة خصيصًا للدمج في غلاف المبنى متاحة تجاريًا. وفي عام 1998، افترضت باترينا إيفرت في أطروحة دكتوراه بعنوان "تقييم اقتصادي لـ BIPV" أن هناك قيمة اقتصادية في تداول أرصدة الطاقة المتجددة (RECs) في المستقبل. ويشير تقييم اقتصادي وتاريخ موجز لـ BIPV أجراه المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة في عام 2011 إلى أن تحديات تقنية كبيرة لا تزال قائمة قبل أن تتمكن تكاليف تركيب BIPV من منافسة تكاليف أنظمة الخلايا الكهروضوئية. مع ذلك، يتزايد الإجماع على أن أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني، من خلال انتشارها التجاري الواسع، ستشكل الركيزة الأساسية لهدف المباني الأوروبية ذات الطاقة الصفرية بحلول عام 2020. وعلى الرغم من الإمكانيات التقنية الواعدة، فقد تم تحديد عوائق اجتماعية أمام تبنيها على نطاق واسع، مثل ثقافة قطاع البناء المحافظة ودمجها في التخطيط الحضري عالي الكثافة. ويشير الباحثون إلى أن التبني طويل الأجل يعتمد على الأرجح على القرارات السياسية الفعالة بقدر اعتماده على التطور التكنولوجي.

تُتيح الوحدات الشمسية شبه الشفافة طريقةً مبتكرةً لدمج أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني ضمن الهندسة المعمارية والتخطيط العمراني. ومن المرجح أن يُصبح هذا النوع الجديد من توليد الطاقة الشمسية عنصرًا هامًا في إنتاج الكهرباء العالمي مستقبلًا.

يُعدّ دمج الألواح الشمسية شبه الشفافة في المباني خيارًا جذابًا لبناء مبانٍ موفرة للطاقة. إذ تُسهم هذه التقنية في خفض تكاليف الطاقة مع تحسين المظهر الخارجي للمبنى في الوقت نفسه.

علاوة على ذلك، يمكن استخدام الألواح الشمسية شبه الشفافة لتوجيه ضوء النهار إلى داخل المبنى. وهذا لا يوفر الطاقة فحسب، بل يقلل أيضًا من تكلفة الإضاءة الاصطناعية.

باختصار، تُعدّ الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) شكلاً عالي الكفاءة ومتعدد الاستخدامات من أشكال الطاقة المتجددة. ولديها القدرة على تحسين إمدادات الطاقة للمباني بشكل مستدام.

وحدات شمسية مصنوعة من السيليكون البلوري لمحطات الطاقة الأرضية ومحطات الطاقة المثبتة على أسطح المنازل.

وحدات الخلايا الكهروضوئية الشمسية ذات الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون البلوري غير المتبلور، والتي يمكن أن تكون مجوفة وخفيفة الوزن وحمراء وزرقاء وصفراء، وتستخدم كواجهة زجاجية وفتحة سقف شفافة.

خلايا رقيقة من نوع CIGS (سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم) على وحدات مرنة يتم تغليفها على عنصر غلاف المبنى، أو يتم تركيب خلايا CIGS مباشرة على ركيزة غلاف المبنى.

وحدات شمسية ذات زجاج مزدوج تحتوي على خلايا مربعة في الداخل.

أسطح مسطحة

الحل الأكثر شيوعًا حتى الآن هو خلية شمسية رقيقة غير متبلورة مدمجة في وحدة بوليمرية مرنة، تُثبّت بواسطة غشاء لاصق بين الغطاء الخلفي للوحدة الشمسية وغشاء السقف. وباستخدام تقنية سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS)، حققت شركة أمريكية كفاءة خلوية بلغت 17% للوحدات المدمجة في المباني في أغشية TPO أحادية الطبقة.

الأسقف المائلة

بلاط السقف الشمسي هو بلاط أسقف (سيراميكي) مزود بوحدات شمسية مدمجة. وقد طورت شركة هولندية بلاط السقف الشمسي السيراميكي وحصلت على براءة اختراعه في عام 2013.

وحدات مصممة على شكل عدة بلاطات سقف.

الألواح الشمسية هي وحدات تشبه الألواح العادية في الشكل والوظيفة، ولكنها تحتوي على خلية رقيقة مرنة.

تساهم هذه الأنظمة في إطالة العمر الافتراضي للأسقف من خلال حماية العزل والأغشية من الأشعة فوق البنفسجية وأضرار المياه. كما أنها تمنع التكثف عن طريق الحفاظ على نقطة الندى أعلى من غشاء السقف.

يتم الآن تجهيز الأسقف المعدنية المائلة (الهيكلية والمعمارية) بوظائف الخلايا الكهروضوئية، إما عن طريق ربط وحدة مرنة قائمة بذاتها أو عن طريق إحكام غلق خلايا CIGS بالحرارة والفراغ مباشرة على الركيزة.

واجهة

يمكن تركيب الواجهات على المباني القائمة، مما يمنحها مظهراً جديداً كلياً. تُثبّت هذه الوحدات على واجهة المبنى فوق الهيكل القائم، مما يزيد من جاذبية المبنى وقيمته عند إعادة بيعه.

تزجيج

النوافذ الكهروضوئية عبارة عن وحدات (شبه) شفافة يمكنها استبدال العديد من العناصر المعمارية المصنوعة عادةً من الزجاج أو مواد مشابهة، مثل النوافذ والمناور. فهي لا تولد الطاقة الكهربائية فحسب، بل يمكنها أيضًا تحقيق وفورات إضافية في الطاقة بفضل خصائصها الممتازة في العزل الحراري وقدرتها على التحكم في الإشعاع الشمسي.

النوافذ الزجاجية الكهروضوئية: أدى دمج تقنيات توليد الطاقة في المباني السكنية والتجارية إلى فتح آفاق بحثية جديدة تُولي اهتمامًا أكبر للجماليات العامة للمنتج النهائي. وبينما يبقى الهدف الأساسي هو تحقيق كفاءة عالية، فإن التطورات الحديثة في النوافذ الكهروضوئية تهدف أيضًا إلى تزويد المستهلكين بمستوى مثالي من شفافية الزجاج، أو خيار الاختيار من بين مجموعة متنوعة من الألوان. ويمكن تصميم الألواح الشمسية ذات الألوان المختلفة لامتصاص نطاقات محددة من الأطوال الموجية من الطيف الأوسع على النحو الأمثل. وقد تم تطوير الزجاج الكهروضوئي الملون بنجاح باستخدام خلايا شمسية شبه شفافة، وخلايا بيروفسكايت، وخلايا شمسية حساسة للأصباغ.

• طُوّرت خلايا شمسية بلازمونية تمتص وتعكس الضوء الملون باستخدام تقنية فابري-بيرو-إيتالون. تتكون هذه الخلايا من طبقتين معدنيتين عاكستين متوازيتين، بينهما طبقة عازلة. يُصنع القطبين من الفضة (Ag)، بينما تُصنع الطبقة العازلة بينهما من أكسيد الأنتيمون (Sb₂O₃). بتغيير سُمك الطبقة العازلة ومعامل انكسارها، يتغير الطول الموجي الأمثل للامتصاص. يُحسّن اختيار لون طبقة الزجاج الماصة ليتناسب مع الجزء المحدد من الطيف الذي يُناسب سُمك الخلية ومعامل انكسارها، من مظهر الخلية من خلال تعزيز لونها وتقليل فقد التيار الضوئي. حققت الأجهزة التي تعمل بالضوء الأحمر والأزرق نفاذية بلغت 34.7% و24.6% على التوالي. تستطيع الأجهزة الزرقاء تحويل 13.3% من الضوء الممتص إلى كهرباء، مما يجعلها الأكثر كفاءة بين جميع الأجهزة الملونة التي طُوّرت واختُبرت.
• يمكن ضبط تقنية الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت لتناسب أطوال الموجات الحمراء والخضراء والزرقاء عن طريق تغيير سمك الأسلاك النانوية المعدنية إلى 8 و20 و45 نانومتر على التوالي. وقد تحققت أعلى كفاءة طاقة بلغت 10.12% و8.17% و7.72% من خلال ضبط انعكاس الزجاج وفقًا لطول الموجة الأنسب لكل خلية.
• تستخدم الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة محاليل إلكتروليتية سائلة لالتقاط الضوء وتحويله إلى طاقة قابلة للاستخدام، تمامًا كما تُمكّن الأصباغ الطبيعية عملية التمثيل الضوئي في النباتات. وبينما يُعد الكلوروفيل الصبغة المسؤولة عن اللون الأخضر في الأوراق، تُنتج أصباغ طبيعية أخرى، مثل الكاروتينات والأنثوسيانين، درجات مختلفة من اللون البرتقالي والأرجواني. وقد أثبت باحثون في جامعة كونسبسيون جدوى الخلايا الشمسية الملونة الحساسة للصبغة، والتي تتميز بمظهرها النابض بالحياة وقدرتها على امتصاص أطوال موجية محددة من الضوء بشكل انتقائي. يعتمد هذا الحل منخفض التكلفة على استخدام أصباغ طبيعية مُستخلصة من ثمار الماكي، والآس الأسود، والسبانخ كمواد مُحسِّسة. تُوضع هذه المواد المُحسِّسة الطبيعية بين طبقتين من الزجاج الشفاف. ورغم أن كفاءة هذه الخلايا منخفضة التكلفة لا تزال غير واضحة، فقد حققت أبحاث سابقة في مجال الخلايا الشمسية العضوية الحساسة للصبغة "كفاءة عالية في تحويل الطاقة بلغت 9.8%".

تستخدم الخلايا الشمسية الشفافة طبقة من أكسيد القصدير على السطح الداخلي للألواح الزجاجية لتوصيل الكهرباء من الخلية. تحتوي الخلية على أكسيد التيتانيوم المغطى بصبغة كهروضوئية.

تستخدم معظم الخلايا الشمسية التقليدية الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء لتوليد الكهرباء. في المقابل، تستخدم هذه الخلية الشمسية المبتكرة الجديدة الأشعة فوق البنفسجية أيضًا. إذا استُخدمت كبديل للزجاج التقليدي للنوافذ أو وُضعت فوق الزجاج الموجود، فقد تكون مساحة التركيب كبيرة، مما يفتح المجال لتطبيقات تجمع بين توليد الطاقة والإضاءة والتحكم في درجة الحرارة.

يُطلق على الخلايا الكهروضوئية الشفافة أيضاً اسم "الخلايا الكهروضوئية شبه الشفافة" (إذ تسمح بمرور نصف الضوء الساقط فقط). ومثل الخلايا الكهروضوئية غير العضوية، يمكن أن تكون الخلايا الكهروضوئية العضوية شبه شفافة أيضاً.

غير انتقائي للطول الموجي

تحقق بعض أنظمة الخلايا الكهروضوئية غير الانتقائية للطول الموجي شبه الشفافية من خلال التجزئة المكانية للخلايا الشمسية المعتمة. تستخدم هذه الطريقة أي نوع من الخلايا الشمسية المعتمة وتوزع عدة خلايا صغيرة على ركيزة شفافة. تقلل هذه التجزئة بشكل كبير من كفاءة تحويل الطاقة وتزيد من نفاذية الضوء.

يستخدم فرع آخر من الخلايا الكهروضوئية غير الانتقائية للطول الموجي أشباه موصلات رقيقة تمتص الضوء المرئي، ذات سماكات صغيرة أو فجوات طاقة كبيرة بما يكفي للسماح بمرور الضوء. ينتج عن ذلك خلايا كهروضوئية شبه شفافة ذات توازن مباشر مماثل بين الكفاءة والنفاذية كما هو الحال في الخلايا الشمسية المعتمة المجزأة مكانيًا.

يستخدم فرع آخر من الخلايا الكهروضوئية غير الانتقائية للطول الموجي أشباه موصلات رقيقة تمتص الضوء المرئي، ذات سماكة منخفضة أو فجوات طاقة كبيرة بما يكفي للسماح بمرور الضوء. وينتج عن ذلك خلايا كهروضوئية شبه شفافة ذات توازن مباشر مماثل بين الكفاءة والنفاذية كما هو الحال في الخلايا الشمسية المعتمة المجزأة مكانيًا.

الخلايا الكهروضوئية الانتقائية للطول الموجي

تُحقق الخلايا الكهروضوئية الانتقائية للطول الموجي (WSPV) الشفافية باستخدام مواد تمتص الأشعة فوق البنفسجية و/أو الأشعة تحت الحمراء القريبة فقط، وقد طُرحت لأول مرة عام 2011. ورغم ارتفاع نفاذيتها، فإن كفاءة تحويل الطاقة منخفضة بسبب عدد من المشاكل، منها قصر مسافات انتشار الإكسيتون، وصعوبة تصغير حجم الأقطاب الكهربائية الشفافة دون التأثير على الكفاءة، وقصر عمرها الافتراضي نتيجة عدم استقرار المواد العضوية المستخدمة فيها.

ابتكارات في مجال الخلايا الكهروضوئية الشفافة وشبه الشفافة

حققت المحاولات المبكرة لتطوير خلايا ضوئية عضوية شبه شفافة غير انتقائية للطول الموجي، ذات طبقات فعالة رقيقة جدًا تمتص الضوء المرئي، كفاءة أقل من 1%. مع ذلك، في عام 2011، أظهرت خلايا ضوئية عضوية شفافة، تستخدم مانحًا من فثالوسيانين الكلوروألومنيوم العضوي (ClAlPc) ومستقبلًا من الفوليرين، امتصاصًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بكفاءة تقارب 1.3% ونفاذية للضوء المرئي تتجاوز 65%. وفي عام 2017، طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) طريقة ناجحة لترسيب أقطاب كهربائية من الجرافين الشفاف على الخلايا الشمسية العضوية، مما أدى إلى نفاذية للضوء المرئي بنسبة 61% وكفاءة محسّنة تتراوح بين 2.8% و4.1%.

أثبتت الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت، والتي تحظى بشعبية واسعة كجيل جديد من الخلايا الكهروضوئية بكفاءة تتجاوز 25%، أنها واعدة أيضاً في مجال الخلايا الكهروضوئية الشفافة. ففي عام 2015، حققت خلية شمسية شبه شفافة مصنوعة من البيروفسكايت، تتكون من بيروفسكايت ثلاثي يوديد الرصاص ميثيل أمونيوم وقطب كهربائي علوي من شبكة أسلاك نانوية فضية، نفاذية ضوئية بلغت 79% عند طول موجي 800 نانومتر، وكفاءة تقارب 12.7%.