ستحل محل زجاج النوافذ العادي لتوليد الكهرباء.. النوافذ الشمسية “نقلة ثورية” لتوفير الكهرباء في المباني الزجاجية

السعي لتطوير النوافذ الشمسية ليس أمرًا مستحدثًا، لكن تحسين كفاءتها وإطالة عمرها هو الشغل الشاغل للكثير من العلماء والباحثين.

ويبدو أن حلم تحويل النوافذ إلى مولدات كهرباء فاعلة بات قريبًا من تحقيقه، مع ابتكار مجموعة من الباحثين الأستراليين بجامعة موناش بولاية فيكتوريا وهيئة البحوث الأسترالية، خلية شمسية شبه شفافة تسمح بمرور المزيد من الضوء المرئي، حسبما نشر موقع إنترستينغ إنجينيرينغ (Interesting Engineering).

وطوّر الفريق خلايا بيروفسكايت شمسية بكفاءة تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء تبلغ 15.5%، مع السماح بمرور أكثر من 20% من الضوء المرئي.

وشهدت الخلايا الشمسية شبه الشفافة -التي يمكن أن تحلّ محلّ زجاج النوافذ وتصبح مولدات للكهرباء- تقدمًا سريعًا في السنوات الأخيرة، ويزيد ذلك من قدرة العديد من المباني، وخاصة ذات الوجهات الزجاجية، على تحقيق الاكتفاء الذاتي من الكهرباء، وفق ما رصدته منصة الطاقة المتخصصة.

تطوير النوافذ الشمسية

سبق أن طوّر الفريق خلايا شمسية شبه شفافة من البيروفسكايت تتمتع بكفاءة تحويل بنسبة 17%، ويمكنها السماح بمرور 10% من الضوء المرئي.

مع العلم أن خلايا السليكون غير الشفافة الموجودة على الأسطح تعمل بكفاءة تقارب 20%.

وعكف الفريق، بقيادة الأستاذ جاسيك جاسينياك من قسم علوم وهندسة المواد بجامعة موناش، على تطوير تركيبات جديدة للخلايا باستخدام مزيج من السيزيوم والفورماميدينيوم في تكوين خلايا البيروفسكايت الأولية، وبلغت كفاءة التحويل 15.5% و4.1%، في حين بلغت نسبة النفاذية المرئية 20.7% و52.4% على التوالي.

ورغم ان كفاءة تحويل الكهرباء كانت أقلّ من النتائج السابقة، فإن هذه المواد الجديدة تسمح بمرور الضوء المرئي بنسبة كبيرة؛ ما يزيد من إمكان استخدامها وتطبيقها عمليًا.

زيادة الكفاءة

قال الأستاذ الجامعي جاسيك جاسينياك، إن النتائج الجديدة ستكون بمثابة خطوة مهمة تضمن زيادة كفاءة هذه الخلايا وانتشارها بصفتها نوافذ شمسية.

كما وجد الباحثون أن مزيج السيزيوم والفورمامدينيوم في التركيبة الأولية للبيروفسكايت قدَّم أداءً أفضل خلال فجوات النطاق المختلفة.

وفي الخلايا الشمسية، فجوة النطاق هي الحدّ الأدنى من الطاقة المستغلة لتوفير الكهرباء من الشمس، وفق ما رصدته منصة الطاقة المتخصصة.

كما أظهرت الخلايا الشمسية من السيزيوم والفورماميدينيوم ثباتًا فائقًا على المدى الطويل، عند تعرّضها للإضاءة والتدفئة باستمرار، والتي تحاكي الظروف التي قد تواجهها عند الاستخدام الفعلي.

ووفقًا للنتائج، احتفظت الخلايا الشمسية من السيزيوم والفورماميدينيوم بـ85% من كفاءة تحويل الكهرباء بعد 1000 ساعة تحت الإضاءة المستمرة، وهذا يجعلها مرشحة لتصنيع تقنيات قابلة للتطوير.

ثورة في المباني

رغم أن تطبيق التزجيج الشمسي في الواقع ما يزال في مراحله المبكرة، لكن يتزايد إقبال الكثير من المطورين على دراسته.

وأعلنت شركة الهندسة المعمارية “كينون” -مؤخرًا- خططًا لتغطية مبنى مكون من 8 طوابق في غرب ملبورن بمواد مرنة شفافة قادرة على توليد الكهرباء اللازمة للمبنى عند تعرّضها لأشعة الشمس.

كما وقّع مطوّر الزجاج الشمسي بغرب أستراليا “كليرفو” صفقة لتثبيت الزجاج الشمسي الشفاف في مبنى مكتبي بمدينة أتلانتا عاصمة ولاية جورجيا الأميركية.

وسيستخدم المشروع 250 مترًا مربعًا من الزجاج الشمسي، ومن المتوقع بدء البناء خلال الربع الرابع من العام الجاري (2022).

وترى الشركة الأسترالية أن الزجاج لم يعد مجرد عنصر للبناء، لكنه أصبح مصدرًا للطاقة المتجددة وعنصرًا فعالًا في جهود إزالة الكربون من أعمال البناء.

الطاقة الشمسية الشفافة

يمكن تحويل أيّ سطح شفاف إلى لوحة شمسية، ويمكن تركيب الألواح الشمسية الشفافة في أيّ مكان، سواء على النوافذ أو الهواتف الذكية.

وتستطيع الخلايا الشمسية الشفافة تجميع واستخدام الطاقة الضوئية من خلال النوافذ أو أيّ سطح زجاجي، ولديها القدرة على تغيير قواعد اللعبة وتوسيع نطاق استخدام الطاقة الشمسية.

وسبق للباحثين تطوير طرق عديدة لتقنيات الطاقة الشمسية الشفافة، ومع ذلك، يعمل أغلبها مركزات شمسية شفافة، أي إنها مصممة لالتقاط أطوال موجية محددة من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء غير المرئية بالعين المجردة، وتحويلها إلى طاقة قادره على تشغيل الإلكترونيات.

وتُعرف هذه التقنية -أيضًا- باسم الزجاج الكهروضوئي، الذي اكتُشِف خلال البحث عن بدائل للألواح الشمسية الحالية، ويتخذ أشكالًا مختلفة، بداية من نوافذ المكاتب والمنازل وفتحة سقف السيارة، إلى الهواتف الذكية وبلاط الأسقف.

وتتميز به مدرسة كوبنهاغن الدولية، التي يتكون هيكلها من 12 ألف لوحة شمسية ملونة قادرة على توليد 200 ميغاواط/الساعة/سنة، أي أكثر من نصف الكهرباء التي تستهلكها.

اقرأ أيضًا: توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية ليلًا وفي المطر.. 3 تقنيات جديدة

لا أحد ينكر الدور المهم الذي يؤديه توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية بالنسبة إلى الدول الفقيرة، قبل البلدان المتقدمة، في الوقت نفسه، لا يوجد من يُجزِم إمكان الاعتماد على ضوء الشمس باعتباره مصدرًا موثوقًا للإمدادات، نظرًا لطبيعته المتقطعة، مثل طاقة الرياح.

وأمام ذلك، طوّر علماء الألواحَ الشمسية التي يمكن أن تعمل ليلًا وبواسطة المطر أيضًا، ويمكن لهذه الابتكارات أن تحول الطاقة الشمسية إلى مصدر كهرباء يعمل على مدار اليوم؛ ما يساعد في تحقيق العالم للحياد الكربوني بحلول 2050.

ومع انخفاض أسعار الألواح الشمسية بنسبة 80% خلال العقد الماضي، وبعدما أصبحت ذات جدوى اقتصادية للدول الفقيرة، التي لا تزال تعاني نقص الكهرباء، خاصة في أفريقيا، يمكن أن تساعد 3 ابتكارات في جعل توليد الكهرباء من طاقة الشمس مصدرًا موثوقًا على نطاق واسع، وفق تقرير حديث صادر عن منتدى الاقتصاد العالمي، واطلعت عليه وحدة أبحاث الطاقة.

توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية ليلًا

في ابتكار واعد للطاقة المتجددة الموثوقة على مدار الساعات الـ24، اختبر العلماء الألواح التي تستمر في إنتاج الكهرباء حتى عندما تغرب الشمس.

كما يعرف الجميع أن الألواح الشمسية التقليدية تعمل في ضوء النهار فقط؛ لذلك هناك حاجة إلى بطاريات تخزين باهظة الثمن لتمكين استخدام الكهرباء المنتجة من الطاقة الشمسية في الليل.

وفي هذا الصدد، اختبر فريق في جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة الألواحَ الشمسية التي تحافظ على توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية على مدار الساعة.

ويُبنى هذا الابتكار على حقيقة أن الألواح الشمسية تبرد في الليل، ويمكن توليد الكهرباء من اختلاف درجات الحرارة بين هذه الألواح الباردة والهواء المحيط الذي لا يزال دافئًا، ويُجرى ذلك باستخدام مولد كهربائي حراري ينتج الكهرباء مع مرور الحرارة من خلاله.

ويقول باحثو جامعة ستانفورد إنه يمكن تصنيع مثل هذه الألواح باستخدام مكونات متاحة بسهولة، مع إمكان تحديث الألواح الحالية، لتكون قادرة على توفير مصدر كهرباء موثوق لنحو 750 مليون شخص حول العالم يفتقرون إلى الكهرباء في الليل، بحسب التقرير.

تشغيل الألواح الشمسية خلال المطر

يختلف حجم الكهرباء المولّدة من الألواح الشمسية التقليدية باختلاف شدة ضوء الشمس، وليس غروب الشمس فقط، كما أن الغيوم والأمطار يمكن أن تجعل توليد الكهرباء أقل فاعلية.

وأمام ذلك، يرى علماء من جامعة سوشو في الصين أن الاحتكاك الناتج عن سقوط قطرات الأمطار الغزيرة على الألواح، يمكن استغلاله في تعزيز توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية.

ويأتي ذلك من خلال استخدام مولد كهربائي فوق لوح شمسي تقليدي، والذي يحوّل الحركة، التي تكون في هذه الحالة تأثير قطرات المطر- إلى كهرباء.

وإضافة إلى زيادة توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية في الأيام الممطرة، يمكن للألواح التي تعمل بالاحتكاك استمرار التوليد خلال الليل، حال هطول المطر، بحسب التقرير الذي اطلعت عليه وحدة أبحاث الطاقة.

روبوتات تنظيف الألواح الشمسية

يمكن للغبار أن يحجب الضوء عن الألواح الشمسية؛ إذ تشير الأبحاث إلى أن الأشياء المتراكمة على السطح يمكن أن تقلل من إنتاج الألواح الشمسية بنسبة تصل إلى 85%، وفقًا للتقرير.

ويستغرق تنظيف منشأة كبيرة للطاقة الشمسية وقتًا طويلًا ومكلفًا؛ إذ يُكلف الغسيل اليدوي بفرشاة وماء نحو مليوني دولار على مدى 10 سنوات، وفقًا لتقديرات إحدى الدراسات لمحطة الطاقة الشمسية على نطاق المرافق.

وفي حالة عدم القيام بذلك بانتظام؛ فإن هذه الأوساخ تلتصق في نهاية المطاف بالألواح الشمسية؛ ما يقلل من توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية، ولمواجهة هذه المشكلة؛ فإنه يمكن استخدام روبوتات التنظيف الجاف المستقلة.

وتعمل هذه الروبوتات ليلًا للحد من تعطيل الألواح في أثناء توليد الكهرباء نهارًا، وباستخدام أقمشة من الألياف الدقيقة ونفاثات من الهواء، أدى استخدامها لمدة عام واحد إلى توفير ما يكفي من المياه لتلبية احتياجات 220.800 ألف شخص.

وفي الوقت الحالي، تُستخدم روبوتات التنظيف في ملايين الألواح الشمسية في 30 مشروعًا كبيرًا، من تشيلي إلى الهند، بحسب منتدى الاقتصادي العالمي.

المصدر: مواقع إلكترونية