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

الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) هي مواد كهروضوئية تحل محل مواد البناء التقليدية في أجزاء من غلاف المبنى، مثل السقف، والنوافذ السقفية، والواجهات. ويتزايد استخدامها في تشييد المباني الجديدة كمصدر رئيسي أو ثانوي للطاقة، كما يمكن تزويد المباني القائمة بتقنيات مماثلة. وتكمن ميزة الخلايا الكهروضوئية المدمجة، مقارنةً بالأنظمة التقليدية غير المدمجة، في إمكانية تعويض التكاليف الأولية بتقليل نفقات مواد البناء والعمالة اللازمة عادةً لبناء الجزء الذي تحل محله وحدات BIPV. علاوة على ذلك، تُمكّن BIPV من توسيع نطاق استخدام أنظمة الطاقة الشمسية عندما يكون المظهر الجمالي للمباني محل اهتمام، وعندما تُفسد وحدات الطاقة الشمسية التقليدية المثبتة على رفوف المظهر المقصود للبناء.

يُستخدم مصطلح BAPV (الأنظمة الكهروضوئية المُطبّقة في المباني) أحيانًا للإشارة إلى الأنظمة الكهروضوئية المُركّبة في المباني. معظم الأنظمة المُدمجة في المباني هي بالفعل BAPV. يُفرّق بعض المُصنّعين والمُطوّرين بين BIPV وBAPV في الإنشاءات الجديدة.

ظهرت تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية للمباني في سبعينيات القرن الماضي. رُكّبت أو رُكّبت وحدات كهروضوئية بإطارات من الألومنيوم على المباني، التي كانت تقع عادةً في مناطق نائية لا تصلها شبكة الكهرباء. في ثمانينيات القرن الماضي، بدأ تركيب وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية على أسطح المنازل. رُكّبت هذه الأنظمة الكهروضوئية عادةً على المباني المتصلة بالشبكة الكهربائية والموجودة في المناطق التي تحتوي على محطات طاقة مركزية. في تسعينيات القرن الماضي، أصبحت منتجات الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة للمباني، المصممة خصيصًا للدمج في غلاف المبنى، متاحة تجاريًا. افترضت أطروحة دكتوراه عام 1998 لباترينا إيفرت، بعنوان "تقييم اقتصادي للطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة للمباني"، أنه ستكون هناك قيمة اقتصادية في يوم من الأيام في تداول اعتمادات الطاقة المتجددة (RECs). يشير تقييم اقتصادي وتاريخ موجز للطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة للمباني أجراه المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة عام 2011 إلى وجود تحديات تقنية كبيرة لا تزال قائمة قبل أن تتمكن تكاليف تركيب الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة للمباني من منافسة تكاليف أنظمة الطاقة الكهروضوئية. مع ذلك، هناك إجماع متزايد على أن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة (BIPV)، من خلال تسويقها على نطاق واسع، ستشكل العمود الفقري لهدف أوروبا المتمثل في بناء مباني خالية من الطاقة (ZEB) بحلول عام 2020. ورغم الإمكانيات التقنية الواعدة، فقد تم تحديد عوائق اجتماعية تحول دون نشرها على نطاق واسع، مثل الثقافة المحافظة السائدة في قطاع البناء، ودمجها في التخطيط الحضري عالي الكثافة. ويشير المؤلفون إلى أن النشر طويل الأمد يعتمد على الأرجح على قرارات سياسية فعّالة بقدر اعتماده على التطوير التقني.

تُقدم وحدات الطاقة الشمسية شبه الشفافة طريقةً مُبتكرةً لدمج الخلايا الكهروضوئية المُدمجة في المباني (BIPV) في الهندسة المعمارية وتخطيط المدن. ومن المُرجّح أن يُصبح هذا النوع المُبتكر من توليد الطاقة الشمسية مُكوّنًا هامًا في إنتاج الكهرباء العالمي مُستقبلًا.

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.

علاوة على ذلك، يمكن استخدام الألواح الشمسية شبه الشفافة لتوجيه ضوء النهار إلى داخل المبنى. هذا 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 في المباني بشكل مستدام.

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

وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون البلوري غير المتبلور ذات الأغشية الرقيقة، والتي يمكن أن تكون مجوفة وخفيفة الوزن، باللون الأحمر والأزرق والأصفر، وتستخدم كواجهة زجاجية وفتحة سقف شفافة.

خلايا غشائية رقيقة تعتمد على CIGS (سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم) على وحدات مرنة مغلفة على عنصر غلاف المبنى، أو يتم تركيب خلايا CIGS مباشرة على ركيزة غلاف المبنى.

وحدات الطاقة الشمسية ذات الزجاج المزدوج مع خلايا مربعة في الداخل.

أسطح مسطحة

الحل الأكثر شيوعًا حتى الآن هو خلية شمسية رقيقة غير متبلورة مدمجة في وحدة بوليمر مرنة، مثبتة بغشاء لاصق بين الطبقة الخلفية للوحدة وغشاء السقف. باستخدام تقنية سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS)، حققت شركة أمريكية كفاءة خلايا بنسبة 17% للوحدات المدمجة في المباني في أغشية TPO أحادية الطبقة.

أسقف مائلة

بلاط السقف الشمسي هو بلاط سقف (سيراميكي) مُدمج بوحدات شمسية. طُوِّر هذا البلاط وحصل على براءة اختراعه شركة هولندية عام ٢٠١٣.

وحدات على شكل عدة بلاط سقف.

تُعد ألواح الطاقة الشمسية وحدات تبدو وتعمل مثل ألواح الطاقة الشمسية العادية، ولكنها تحتوي على خلية رقيقة مرنة.

تُطيل هذه المواد عمر الأسقف الطبيعي بحماية العوازل والأغشية من الأشعة فوق البنفسجية وأضرار المياه. كما تمنع التكثف بالحفاظ على نقطة الندى فوق غشاء السقف.

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

واجهة

يمكن تركيب الواجهات على المباني القائمة، مما يمنحها مظهرًا جديدًا كليًا. تُركّب هذه الوحدات على واجهة المبنى فوق الهيكل القائم، مما يزيد من جاذبية المبنى وقيمته عند إعادة بيعه.

تزجيج

النوافذ الكهروضوئية هي وحدات شفافة (أو شبه شفافة) يمكن أن تحل محل عدد من العناصر المعمارية المصنوعة عادةً من الزجاج أو مواد مشابهة، مثل النوافذ والفتحات السقفية. فهي لا تُولّد الطاقة الكهربائية فحسب، بل تُحقق أيضًا وفورات أكبر في الطاقة بفضل خصائصها العازلة الحرارية الممتازة وقدرتها على التحكم في الإشعاع الشمسي.

نوافذ الزجاج الكهروضوئي: أتاح دمج تقنيات توليد الطاقة في المباني السكنية والتجارية مجالات بحثية إضافية تُركز بشكل أكبر على الجماليات العامة للمنتج النهائي. وبينما يبقى الهدف هو تحقيق كفاءة عالية، تهدف التطورات الجديدة في نوافذ الزجاج الكهروضوئي أيضًا إلى توفير مستوى مثالي من شفافية الزجاج للمستهلكين و/أو إمكانية الاختيار من بين مجموعة متنوعة من الألوان. ويمكن تصميم ألواح شمسية بألوان مختلفة لامتصاص نطاقات أطوال موجية محددة من الطيف الأوسع على النحو الأمثل. وقد طُوّر الزجاج الكهروضوئي الملون بنجاح باستخدام خلايا شمسية شبه شفافة، وبيروفسكايت، وخلايا شمسية مصبوغة حساسة.

• طُوّرت خلايا شمسية بلازمونية تمتص الضوء الملون وتعكسه باستخدام تقنية فابري-بيرو-إيتالون. تتكون هذه الخلايا من غشاءين معدنيين عاكسين متوازيين، بينهما غشاء تجويف عازل. القطبان مصنوعان من الفضة (Ag)، والتجويف بينهما مصنوع من الأنتيمون (Sb₂O₃). بتغيير سمك ومعامل انكسار التجويف العازل، يتغير الطول الموجي الأمثل امتصاصًا. إن مطابقة لون زجاج طبقة الامتصاص مع الجزء المحدد من الطيف الذي يناسب سمك ومعامل انكسار الخلية، يُحسّن من جمالية الخلية من خلال تكثيف لونها وتقليل خسائر التيار الضوئي. حققت أجهزة الضوء الأحمر والأزرق نفاذية 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 خلايا البيروفسكايت الشمسية لتتوافق مع أطوال الموجات الحمراء والخضراء والزرقاء بتغيير سُمك الأسلاك النانوية المعدنية إلى 8 و20 و45 نانومترًا على التوالي. وقد تم تحقيق أقصى كفاءة طاقة بلغت 10.12% و8.17% و7.72% بضبط انعكاس الزجاج على الطول الموجي الأنسب للخلية المعنية.
• تستخدم الخلايا الشمسية المصبوغة بالحساسية إلكتروليتات سائلة لالتقاط الضوء وتحويله إلى طاقة قابلة للاستخدام، تمامًا كما تفعل الصبغات الطبيعية في عملية التمثيل الضوئي في النباتات. في حين أن الكلوروفيل هو الصبغة المحددة المسؤولة عن اللون الأخضر في الأوراق، فإن الصبغات الطبيعية الأخرى، مثل الكاروتينات والأنثوسيانين، تنتج تنوعات من درجات اللون البرتقالي والأرجواني. وقد أثبت باحثون في جامعة كونسيبسيون جدوى الخلايا الشمسية الملونة المصبوغة بالحساسية، والتي تبدو نابضة بالحياة وتمتص بشكل انتقائي أطوال موجية محددة من الضوء. يستخدم هذا الحل منخفض التكلفة أصباغًا طبيعية مشتقة من فاكهة الماكي والآس الأسود والسبانخ كمحسسات. ثم توضع هذه المحسسات الطبيعية بين طبقتين من الزجاج الشفاف. في حين أن كفاءة هذه الخلايا منخفضة التكلفة لا تزال غير واضحة، فقد حققت الأبحاث السابقة في الخلايا الشمسية العضوية المصبوغة بالحساسية "كفاءة تحويل طاقة عالية تبلغ 9.8٪".

تستخدم الخلايا الشمسية الشفافة طبقة من أكسيد القصدير على الجانب الداخلي من ألواح الزجاج لتوصيل الكهرباء منها. تحتوي الخلية على أكسيد التيتانيوم المغطى بصبغة ضوئية كهربائية.

تستخدم معظم الخلايا الشمسية التقليدية الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء لتوليد الكهرباء. في المقابل، تستخدم هذه الخلية الشمسية المبتكرة أيضًا الأشعة فوق البنفسجية. عند استخدامها كبديل لزجاج النوافذ التقليدي أو تركيبها فوق زجاج موجود، قد تكون مساحة التركيب كبيرة، مما يفتح المجال لتطبيقات محتملة تجمع بين توليد الطاقة والإضاءة والتحكم في درجة الحرارة.

هناك مصطلح آخر للخلايا الكهروضوئية الشفافة وهو "الخلايا الكهروضوئية الشفافة" (فهي تسمح بمرور نصف الضوء الساقط فقط). ومثل الخلايا الكهروضوئية غير العضوية، يمكن أن تكون الخلايا الكهروضوئية العضوية شفافة أيضًا.

انتقائية غير طول الموجة

تحقق بعض أنظمة الطاقة الكهروضوئية غير الانتقائية للطول الموجي شفافية شبه كاملة من خلال التجزئة المكانية للخلايا الشمسية المعتمة. تستخدم هذه الطريقة أي نوع من الخلايا الشمسية المعتمة، وتوزع عدة خلايا صغيرة على ركيزة شفافة. يُقلل هذا التجزئة بشكل كبير من كفاءة تحويل الطاقة ويزيد من انتقالها.

هناك فرع آخر من الخلايا الكهروضوئية غير الانتقائية للأطوال الموجية، يستخدم أشباه موصلات رقيقة ماصة للضوء، ذات سُمك صغير أو فجوات نطاقية كبيرة تسمح بمرور الضوء. ينتج عن ذلك خلايا كهروضوئية شبه شفافة، تُعادل كفاءة نقل الضوء مباشرةً كفاءة الخلايا الشمسية المعتمة المُجزأة مكانيًا.

هناك فرع آخر من الخلايا الكهروضوئية غير الانتقائية للأطوال الموجية، يستخدم أشباه موصلات رقيقة غشائية ماصة للضوء، ذات سُمك منخفض أو فجوات نطاقية واسعة تسمح بمرور الضوء. ينتج عن ذلك خلايا كهروضوئية شبه شفافة، تُقارن مباشرةً بين الكفاءة والنفاذية، تمامًا مثل الخلايا الشمسية المعتمة المُجزأة مكانيًا.

الخلايا الكهروضوئية الانتقائية للطول الموجي

تحقق الخلايا الكهروضوئية الانتقائية للطول الموجي (WSPV) الشفافية من خلال استخدام مواد تمتص الأشعة فوق البنفسجية و/أو الأشعة تحت الحمراء القريبة فقط، وقد طُرح هذا النظام لأول مرة عام ٢٠١١. على الرغم من ارتفاع نفاذيتها، إلا أن كفاءة تحويل الطاقة منخفضة بسبب عدد من المشاكل. تشمل هذه المشاكل قصر أطوال انتشار الإكسيتون، وتدرج الأقطاب الشفافة دون المساس بالكفاءة، وطول عمرها الافتراضي الناتج عن عدم استقرار المواد العضوية المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية الانتقائية للطول الموجي.

الابتكارات في مجال الطاقة الكهروضوئية الشفافة والشفافة

حققت المحاولات المبكرة لتطوير خلايا كهروضوئية عضوية شبه شفافة غير انتقائية الطول الموجي، ذات طبقات نشطة رقيقة جدًا تمتص الضوء في الطيف المرئي، كفاءات أقل من 1%. ومع ذلك، في عام 2011، أظهرت خلايا كهروضوئية عضوية شفافة، باستخدام مادة عضوية مانحة للكلورو ألومنيوم فثالوسيانين (ClAlPc) ومستقبلة فوليرين، امتصاصًا في طيف الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، بكفاءة بلغت حوالي 1.3%، ونفاذية للضوء المرئي تتجاوز 65%. في عام 2017، طور باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) طريقةً ناجحةً لترسيب أقطاب الجرافين الشفافة على الخلايا الشمسية العضوية، مما أدى إلى نفاذية للضوء المرئي بنسبة 61%، وتحسين الكفاءة بنسبة تتراوح بين 2.8% و4.1%.

أثبتت خلايا البيروفسكايت الشمسية، التي تحظى بشعبية كبيرة كخلايا كهروضوئية من الجيل التالي بكفاءات تتجاوز 25%، فعاليتها الواعدة في مجال الخلايا الكهروضوئية الشفافة. في عام 2015، أظهرت خلية شمسية شبه شفافة من البيروفسكايت، مزودة ببيروفسكايت ثلاثي يوديد الرصاص من ميثيل أمونيوم وقطب شبكي نانوي من الفضة، نفاذية بنسبة 79% عند طول موجي 800 نانومتر، وكفاءة تقارب 12.7%.