GiPV: الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني مع وحدات الطاقة الشمسية الشفافة جزئيًا - الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني

الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني - GiPV (الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني - BIPV) هي مواد كهروضوئية تحل محل مواد البناء التقليدية في أجزاء من غلاف المبنى مثل السقف أو المناور أو الواجهة. ويتم دمجها بشكل متزايد في تشييد المباني الجديدة كمصدر رئيسي أو ثانوي للكهرباء، على الرغم من أنه يمكن أيضًا تحديث المباني القائمة باستخدام تكنولوجيا مماثلة. تتمثل ميزة الخلايا الكهروضوئية المتكاملة على الأنظمة غير المتكاملة المعتادة في إمكانية تعويض التكاليف الأولية عن طريق تقليل الإنفاق على مواد البناء والعمالة التي عادة ما تكون مطلوبة لبناء الجزء من المبنى الذي تحل محله وحدات BIPV. بالإضافة إلى ذلك، يتيح نظام BIPV اعتماد تركيبات الطاقة الشمسية على نطاق أوسع عندما تكون جماليات المبنى مثيرة للقلق، وقد تؤدي الألواح الشمسية التقليدية المثبتة على حامل إلى تعطيل المظهر المقصود للمبنى.

يُستخدم أحيانًا مصطلح BAPV (الخلايا الكهروضوئية المطبقة في البناء) للخلايا الكهروضوئية المدمجة في المبنى للإشارة إلى الأنظمة الكهروضوئية التي يتم دمجها لاحقًا في المبنى. معظم أنظمة البناء المتكاملة هي في الواقع BAPV. يفرق بعض المصنعين والبنائين بين BIPV وBAPV للمباني الجديدة.

ظهرت التطبيقات الكهروضوئية للمباني في السبعينيات. تم توصيل الألواح الكهروضوئية ذات الإطارات المصنوعة من الألومنيوم أو تركيبها على المباني، والتي تقع عادة في المناطق النائية دون الوصول إلى الشبكة الكهربائية. وفي الثمانينيات، بدأ تركيب الوحدات الكهروضوئية على الأسطح. تم تركيب هذه الأنظمة الكهروضوئية عادةً على المباني المتصلة بالشبكة الكهربائية وتقع في مناطق بها محطات طاقة مركزية. في التسعينيات، أصبحت منتجات البناء BIPV المصممة خصيصًا ليتم دمجها في غلاف المبنى متاحة تجاريًا. افترضت أطروحة الدكتوراه التي أعدتها باترينا إيفرت عام 1998، بعنوان التقييم الاقتصادي لـ BIPV، أنه سيكون هناك ذات يوم قيمة اقتصادية لتداول أرصدة الطاقة المتجددة (RECs). ويشير التقييم الاقتصادي لعام 2011 والمراجعة الموجزة لتاريخ BIPV من قبل المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة إلى أنه لا تزال هناك تحديات تقنية كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن تتمكن تكاليف تركيب BIPV من التنافس مع تكاليف الأنظمة الكهروضوئية. ومع ذلك، هناك إجماع متزايد على أن أنظمة BIPV، من خلال تسويقها على نطاق واسع، ستشكل العمود الفقري لهدف بناء الطاقة الصفرية (ZEB) في أوروبا بحلول عام 2020. وعلى الرغم من الإمكانيات التقنية الواعدة، فقد تم أيضًا تحديد العوائق الاجتماعية التي تحول دون الاستخدام على نطاق واسع، مثل الثقافة المحافظة لصناعة البناء والتشييد والاندماج في التخطيط الحضري عالي الكثافة. ويشير المؤلفون إلى أن الاستخدام على المدى الطويل من المرجح أن يعتمد على قرارات السياسة الفعالة بقدر ما يعتمد على التطوير التقني.

توفر الوحدات الشمسية الشفافة جزئيًا فرصة مثيرة للاهتمام لدمج الخلايا الكهروضوئية المدمجة في البناء (BIPV) في الهندسة المعمارية والتخطيط الحضري. من المرجح أن يكون هذا النوع الجديد من توليد الطاقة الشمسية جزءًا مهمًا من إنتاج الكهرباء في جميع أنحاء العالم في المستقبل.

تعد الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني مع وحدات الطاقة الشمسية الشفافة جزئيًا خيارًا جذابًا لتشييد المباني الموفرة للطاقة. يمكن أن تساعد هذه التقنية في تقليل تكاليف إمدادات الطاقة مع تحسين المظهر الخارجي للمبنى.

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

باختصار، يمكن القول أن الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني هي نوع من الطاقة المتجددة فعال للغاية ومتعدد الاستخدامات. لديها القدرة على تحسين إمدادات الطاقة في المباني بشكل مستدام.

وحدات الطاقة الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري لمحطات الطاقة المثبتة على الأرض وعلى الأسطح.

وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة من السيليكون البلوري غير المتبلور، والتي يمكن أن تكون مجوفة وخفيفة وحمراء وزرقاء وصفراء، كواجهة زجاجية ومنور شفاف.

خلايا الأغشية الرقيقة المعتمدة على CIGS (النحاس والإنديوم والجاليوم وسيلينيد) على وحدات مرنة يتم تصفيحها على عنصر غلاف المبنى، أو يتم تركيب خلايا CIGS مباشرة على ركيزة غلاف المبنى.

ألواح شمسية زجاجية مزدوجة مع خلايا مربعة بالداخل.

السقوف المسطحة

الحل الأكثر استخدامًا على نطاق واسع حتى الآن هو خلية شمسية رقيقة غير متبلورة مدمجة في وحدة بوليمر مرنة، والتي يتم تأمينها بغشاء لاصق بين الغشاء الخلفي لوحدة الطاقة الشمسية والعزل المائي للسقف. باستخدام تقنية سيلينيد النحاس والإنديوم الغاليوم (CIGS)، يمكن لشركة أمريكية تحقيق كفاءة خلايا بنسبة 17% لبناء وحدات متكاملة في أغشية TPO أحادية الطبقة.

أسقف مائلة

بلاط السقف الشمسي عبارة عن بلاط سقف (سيراميك) مزود بوحدات شمسية متكاملة. تم تطوير بلاط السقف الشمسي الخزفي وحصل على براءة اختراع من قبل شركة هولندية في عام 2013.

وحدات على شكل عدة بلاط السقف.

الألواح الشمسية عبارة عن ألواح تبدو وتعمل مثل الألواح العادية ولكنها تحتوي على خلية رقيقة مرنة.

إنها تعمل على إطالة العمر الافتراضي للأسطح عن طريق حماية العزل والأغشية من الأشعة فوق البنفسجية والأضرار الناجمة عن المياه. يتم أيضًا منع التكثيف حيث يتم الاحتفاظ بنقطة الندى فوق غشاء السقف.

يتم الآن تجهيز الأسطح المعدنية (الهيكلية والمعمارية) بقدرات كهروضوئية، إما عن طريق ربط وحدة مرنة قائمة بذاتها أو عن طريق الحرارة والفراغ لإغلاق خلايا CIGS مباشرة على الركيزة.

مظهر زائف

يمكن لصق الواجهات على المباني القائمة وإضفاء مظهر جديد تمامًا على المباني القديمة. يتم ربط هذه الوحدات بواجهة المبنى فوق الهيكل الحالي، مما يمكن أن يزيد من جاذبية المبنى وقيمته عند إعادة البيع.

تزجيج

النوافذ الكهروضوئية هي وحدات (شبه) شفافة يمكن أن تحل محل عدد من العناصر المعمارية المصنوعة عادة من الزجاج أو مواد مماثلة، مثل: ب. النوافذ والمناور. فهي لا تولد الطاقة الكهربائية فحسب، بل يمكنها توفير المزيد من الطاقة بسبب خصائص العزل الحراري الممتازة والتحكم في الإشعاع الشمسي.

النوافذ الزجاجية الكهروضوئية: أدى دمج تقنيات توليد الطاقة في المباني السكنية والتجارية إلى فتح مجالات بحث إضافية تولي اهتمامًا أكبر للجماليات الشاملة للمنتج النهائي. وفي حين يظل الهدف هو تحقيق كفاءة عالية، فإن التطورات الجديدة في النوافذ الكهروضوئية تهدف أيضًا إلى تزويد المستهلكين بمستوى مثالي من شفافية الزجاج و/أو القدرة على الاختيار من بين مجموعة من الألوان. يمكن تصميم الألواح الشمسية الملونة المختلفة لتمتص على النحو الأمثل نطاقات معينة من الأطوال الموجية من الطيف الأوسع. تم تطوير الزجاج الكهروضوئي الملون بنجاح باستخدام الخلايا الشمسية شبه الشفافة والبيروفسكايت والحساسة للصبغ.

• تم تطوير الخلايا الشمسية البلازمونية، التي تمتص وتعكس الضوء الملون، باستخدام تقنية Fabry-Pérot-Etalon. وتتكون هذه الخلايا من “فيلمين معدنيين عاكسين ومتوازيين، وفيلم تجويف عازل بينهما”. القطبان مصنوعان من Ag والتجويف بينهما مصنوع من Sb2O3. يؤدي تغيير سمك ومعامل الانكسار للتجويف العازل إلى تغيير الطول الموجي الذي يتم امتصاصه بشكل أفضل. إن مطابقة لون زجاج طبقة الامتصاص مع الجزء المحدد من الطيف الذي يتناسب معه سمك الخلية ومعامل الانكسار بشكل أفضل يعمل على تحسين جماليات الخلية من خلال تكثيف لونها وتقليل خسائر التيار الضوئي. بالنسبة لأجهزة الضوء الأحمر والأزرق، تم تحقيق نفاذية قدرها 34.7% و24.6% على التوالي. يمكن للأجهزة الزرقاء تحويل 13.3% من الضوء الممتص إلى كهرباء، مما يجعلها الأكثر كفاءة من بين جميع الأجهزة الملونة التي تم تطويرها واختبارها.
• يمكن ضبط تكنولوجيا الخلايا الشمسية البيروفسكايت على اللون الأحمر والأخضر والأزرق عن طريق تغيير سمك الأسلاك المعدنية إلى 8 و 20 و 45 نانومتر، على التوالي. تم تحقيق أقصى قدر من كفاءة الطاقة بنسبة 10.12% و8.17% و7.72% من خلال ضبط انعكاس الزجاج على الطول الموجي الذي يناسب كل خلية بشكل أفضل.
• تستخدم الخلايا الشمسية الصبغية إلكتروليتات سائلة لالتقاط الضوء وتحويله إلى طاقة قابلة للاستخدام؛ يحدث هذا بطريقة مشابهة لكيفية تمكين الأصباغ الطبيعية لعملية التمثيل الضوئي في النباتات. في حين أن الكلوروفيل هو الصباغ المحدد المسؤول عن اللون الأخضر في الأوراق، فإن الأصباغ الأخرى التي تحدث بشكل طبيعي مثل الكاروتينات والأنثوسيانين تنتج اختلافات في الألوان البرتقالية والأرجوانية. أثبت الباحثون في جامعة كونسيبسيون جدوى الخلايا الشمسية الملونة الحساسة للصبغ والتي تظهر وتمتص بشكل انتقائي أطوال موجية معينة من الضوء. يستخدم هذا الحل الفعال من حيث التكلفة أصباغًا طبيعية من فاكهة الماكي والآس الأسود والسبانخ كمواد محسسة. ثم يتم وضع هذه المحسسات الطبيعية بين طبقتين من الزجاج الشفاف. وفي حين أن كفاءة هذه الخلايا منخفضة التكلفة بشكل خاص لا تزال غير واضحة، فقد تمكنت الأبحاث السابقة في مجال الخلايا الصبغية العضوية من تحقيق "كفاءة تحويل طاقة عالية بنسبة 9.8%".

تستخدم الخلايا الشمسية الشفافة طبقة من أكسيد القصدير داخل الألواح الزجاجية لتوصيل الكهرباء إلى خارج الخلية. تحتوي الخلية على أكسيد التيتانيوم المطلي بصبغة كهروضوئية.

تستخدم معظم الخلايا الشمسية التقليدية الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء لتوليد الكهرباء. وفي المقابل، تستخدم الخلية الشمسية الجديدة المبتكرة أيضًا الأشعة فوق البنفسجية. عند استخدامها كبديل لزجاج النوافذ التقليدي أو وضعها فوق الزجاج، يمكن أن تكون مساحة التثبيت كبيرة، مما يؤدي إلى تطبيقات محتملة تستخدم الوظائف المشتركة لتوليد الطاقة والإضاءة والتحكم في درجة الحرارة.

اسم آخر للخلايا الكهروضوئية الشفافة هو "الخلايا الكهروضوئية الشفافة" (فهي تسمح فقط بمرور نصف الضوء الساقط عليها). على غرار الخلايا الكهروضوئية غير العضوية، يمكن أن تكون الخلايا الكهروضوئية العضوية شفافة أيضًا.

ليس الطول الموجي انتقائي

تحقق بعض الأنظمة الكهروضوئية غير الانتقائية للطول الموجي شبه الشفافية من خلال التقسيم المكاني للخلايا الشمسية المعتمة. تستخدم هذه الطريقة أي خلايا شمسية غير شفافة وتوزع عدة خلايا صغيرة على ركيزة شفافة. هذا التقسيم يقلل بشكل كبير من كفاءة تحويل الطاقة ويزيد من نقلها.

يستخدم فرع آخر من الخلايا الكهروضوئية غير الانتقائية للطول الموجي أشباه الموصلات ذات الأغشية الرقيقة الممتصة بشكل واضح ذات سماكة صغيرة أو فجوات شريطية كبيرة بما يكفي تسمح للضوء بالمرور. ينتج عن هذه الخلايا الكهروضوئية شبه الشفافة مع مقايضة مباشرة مماثلة بين الكفاءة والنقل مثل الخلايا الشمسية المعتمة المجزأة مكانيًا.

يستخدم فرع آخر من الخلايا الكهروضوئية غير الانتقائية للطول الموجي أشباه الموصلات ذات الأغشية الرقيقة الممتصة بشكل واضح ذات سماكة صغيرة أو فجوات نطاقية كبيرة بما يكفي تسمح للضوء بالمرور. وهذا يؤدي إلى الخلايا الكهروضوئية شبه الشفافة مع حل وسط مباشر مماثل بين الكفاءة والنقل مثل الخلايا الشمسية المعتمة المجزأة مكانيًا.

الخلايا الكهروضوئية ذات الطول الموجي الانتقائي

تحقق الخلايا الكهروضوئية الانتقائية للطول الموجي الشفافية من خلال استخدام المواد التي تمتص فقط الأشعة فوق البنفسجية و/أو ضوء NIR وتم تقديمها لأول مرة في عام 2011. على الرغم من النفاذية العالية، فإن كفاءة تحويل الطاقة تكون أقل بسبب عدد من المشاكل. وتشمل هذه أطوال انتشار الإكسيتون الصغيرة، وقياس الأقطاب الكهربائية الشفافة دون المساس بالكفاءة، والعمر الإجمالي بسبب عدم استقرار المواد العضوية المستخدمة في أجهزة TPVs بشكل عام.

الابتكارات في مجال الخلايا الكهروضوئية الشفافة والشفافة

المحاولات المبكرة لتطوير الخلايا الكهروضوئية العضوية شبه الشفافة غير الانتقائية للطول الموجي مع طبقات نشطة رقيقة جدًا تمتص الطيف المرئي كانت قادرة فقط على تحقيق كفاءات أقل من 1٪. ومع ذلك، في عام 2011، أظهرت الخلايا الكهروضوئية العضوية الشفافة مع متبرع فثالوسيانين كلورو ألومنيوم عضوي (ClAlPc) ومستقبل الفوليرين امتصاصًا في طيف الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بكفاءة تبلغ حوالي 1.3% ونفاذية ضوء مرئي تزيد عن 65%. في عام 2017، طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة لإيداع أقطاب الجرافين الشفافة بنجاح على الخلايا الشمسية العضوية، مما أدى إلى نفاذية الضوء المرئي بنسبة 61% وتحسين الكفاءة بنسبة 2.8-4.1%.

كما أظهرت خلايا البيروفسكايت الشمسية، والتي تحظى بشعبية كبيرة كجيل جديد من الخلايا الكهروضوئية بكفاءة تتجاوز 25٪، نتائج واعدة في مجال الخلايا الكهروضوئية الشفافة. في عام 2015، أظهرت خلية بيروفسكايت شمسية شبه شفافة تستخدم بيروفسكايت ثلاثي يوديد الرصاص ميثيل أمونيوم وقطب كهربائي علوي من شبكة أسلاك فضية متناهية الصغر نفاذية بنسبة 79% عند طول موجة 800 نانومتر وكفاءة تبلغ حوالي 12.7%.