هل حان الوقت أخيرًا لأخذ نوافذ الطاقة الشمسية على محمل الجد؟

منذ ظهور الألواح الشمسية الكهروضوئية، كان العلماء ورواد الأعمال يحاولون جعلها شفافة بما يكفي لاستخدامها في النوافذ والتطبيقات الأخرى المتكاملة مع المباني (BIPV). من السيليكون فائق الرقة إلى البيروفسكايت، تم اختبار العديد من المواد للألواح الشمسية الشفافة، ولكن مع نجاح تجاري محدود. الحل لمشكلة الشفافية يكمن خارج نطاق ما نعتبره الخلية الشمسية التقليدية. بدلًا من ذلك، يتجه الباحثون إلى استخدام أشباه الموصلات العضوية.

نوافذ شمسية من Ubiquitous Energy

أشباه الموصلات العضوية هي ذرات تعتمد على الكربون والهيدروجين وتعتبر عوازل كهربائية طبيعية دون الحاجة إلى السيليكون أو الكادميوم أو الرصاص. تُنتج أشباه الموصلات العضوية الطاقة أو “تُشحن” عندما يتم تعريضها لأشعة الشمس أو عند دمجها بأقطاب كهربائية مناسبة. أشباه الموصلات العضوية الأكثر شهرة هي الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLED)، والتي تُستخدم في أحدث نماذج التلفزيونات. يمكن إذابة أشباه الموصلات العضوية وطباعتها كالحبر ونشرها بطبقة رقيقة على ركيزة زجاجية لتبدو أكثر شفافية من الخلية السيليكونية الصلبة، مما يجعل الألواح الشمسية العضوية منتجًا مناسبًا للنوافذ الشمسية.

هذه الألواح ليست مولدة ضخمة للطاقة — تقدر Ubiquitous Energy أن نافذة بحجم 3 أقدام في 5 أقدام مزودة بطلاء شفاف للطاقة الشمسية يمكن أن تنتج ما يصل إلى 200 واط ساعي من الكهرباء يوميًا — ولكن تحويل منتج بناء غير مستغل إلى مصدر للطاقة هو الفوز الحقيقي. بالنظر إلى أن المباني الشاهقة في المدن لديها مساحة محدودة للألواح الشمسية التقليدية على الأسطح ولكن لديها آلاف النوافذ، فإن أي قدر من الطاقة المتولدة أفضل من لا شيء.

تحدثت مجلة Solar Power World مع شركتين تعملان في مجال الألواح الشمسية الشفافة باستخدام أشباه الموصلات العضوية في عدد من المشاريع التجريبية الناجحة، مما يشير إلى أن السنوات القليلة القادمة ستكون نقطة الانطلاق لنوافذ الطاقة الشمسية.

في أوائل عام 2023، أعلنت شركة الملابس الخارجية Patagonia عن تركيب نوافذ شمسية في مقرها الرئيسي في فينتورا، كاليفورنيا، مما يعزز التزام الشركة بالاستدامة. تم تصنيع وتركيب النوافذ من قبل Walters & Wolf، وهي شركة نوافذ تجارية كبيرة تعمل في غرب الولايات المتحدة، باستخدام طلاء شفاف للطاقة الشمسية من NEXT Energy Technologies. تم دمج طلاء NEXT في 22 نافذة على الواجهة الجنوبية لحرم Patagonia، ويتم استخدام الطاقة الناتجة لشحن الهواتف والأجهزة الأخرى في مساحات المجتمع الخاصة بالموظفين.

قال Corey Hoven، الرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في NEXT: “الشيء الرائع في الألواح الشمسية على المباني التجارية هو أنك توفر الطاقة عندما تكون هناك حاجة إليها، وأينما تكون هناك حاجة. أنت تقلل الحمل على الشبكة بدلًا من زيادته.”

يعتبر تركيب Patagonia هذا أول مشروع تجريبي كبير لـ NEXT، التي انبثقت من أبحاث أشباه الموصلات العضوية في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا. قال Hoven إن الشركة ترى معظم إمكاناتها في سوق المباني التجارية. العمل مع مصنعي ومركبي النوافذ مثل Walters & Wolf سيكون المفتاح لإدخال تقنية الألواح الشمسية الشفافة في المزيد من المشاريع.

قال: “نحاول اختراق سوق دون تعطيل سلسلة التوريد. هناك مصنعون للزجاج المسطح يصنعون الزجاج ويبيعونه لمصنعي النوافذ. مصنعو النوافذ، الذين نتعاون معهم، يقطعون قطع الزجاج ويبيعونها لمركبي النوافذ الذين يقومون بعد ذلك بتثبيت الإطار عليها وتركيبها. نموذج عملنا هو السماح للمصنعين الحاليين للنوافذ بتصنيع هذا بأنفسهم. ثم يمكن للناس شراء النوافذ من مصنعي النوافذ الموثوقين، ولا داعي لإعادة اختراع سلسلة التوريد من الصفر.”

تتكون تقنية NEXT من طلاء كهروضوئي شفاف مطبوع على الزجاج، يتم إغلاقه بقطعة زجاج أخرى ودمجه في نظام تقليدي لتثبيت النوافذ. باستخدام أشباه الموصلات العضوية، تستطيع NEXT امتصاص طاقة الأشعة تحت الحمراء أكثر من الألواح الشمسية التقليدية، مما يعني الحاجة إلى كمية أقل من أشباه الموصلات لتوليد الطاقة، مما يسمح للطلاء بأن يكون شفافًا.

قال Hoven: “لن تلاحظ وجود الخلايا، فهي غير مرئية تقريبًا. عند حواف الزجاج توجد بعض القضبان الناقلة. النوافذ في المباني التجارية لديها بالفعل نظام إطار جيد لحمل الأسلاك. يمكنك استخدام قواطع سريعة مع محسنات الطاقة في النوافذ. يمكنك توصيلها مع محولات سلسلة أو محولات صغيرة. إنها مثل التركيب الشمسي العادي، ولكن الكثير من الاختلاف يكمن في الإطار الذي يحمل تلك الأسلاك.”

تحتوي النوافذ التجارية الأحدث على خصائص كهروكرومية، لذلك فإن مركبي النوافذ معتادون بالفعل على توصيل الأسلاك. يعتبر مهندسو المباني التجارية ومركبو النوافذ العملاء المثاليين لمنتج نوافذ NEXT الشمسية، ولكن Hoven قال إنه قد تكون هناك فرص مستقبلية لمركبي الألواح الشمسية التقليدية.

قال: “هناك فرص هائلة في هذا السوق. الآن نحن نقوم بذلك بالطريقة الأكثر شيوعًا للنوافذ، ولكن هناك المزيد من الفرص، مثل الواجهة الكاملة للمبنى.”

ستواصل NEXT Energy Technologies البحث عن شركاء من شركات النوافذ والعمل على مشاريع تجريبية إضافية في عام 2023. لم تدخل تقنية الألواح الشمسية الشفافة مرحلة الإنتاج الكامل بعد، ولكن Hoven قال إن المناخ السياسي الحالي حول كفاءة الطاقة مشجع.

قال: “للقانون الأمريكي لخفض التضخم (IRA) تأثير كبير على هذا. الآن، يمكن اعتبار واجهة المبنى خلية شمسية. هذا أمر ضخم. لقد تجاوز الناس التفكير في حقول الألواح الشمسية أو الألواح الشمسية على الأسطح. دعنا ننتقل إلى المرحلة التالية ونصنع طاقة شمسية جميلة.”

Ubiquitous Energy — بدء التصنيع الكبير بحلول 2025

شركة أخرى انبثقت من الجامعة، Ubiquitous Energy، بدأت عملها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) قبل 11 عامًا عندما كان الباحثون يستكشفون طرقًا لجعل الطاقة الشمسية أخف وزنًا وأكثر مرونة. من خلال اكتشاف هندسة الطيف والألواح الشمسية العضوية، طورت Ubiquitous طلاءً رقيقًا تمام الشفافية دون أي لون. بينما تعترف بإمكانية نوافذ الطاقة الشمسية في سوق المباني التجارية، وقعت Ubiquitous مؤخرًا اتفاقية تصنيع مع صانع النوافذ السكنية الرائد Andersen لتقنية UE Power الخاصة بها.

قال Veeral Hardev، نائب رئيس الاستراتيجية في Ubiquitous Energy: “عندما تنظر إلى سوق النوافذ، فإنه يتكون تقريبًا من نصف سكني ونصف تجاري. أردنا حقًا أن تكون هذه التقنية في كل مكان.”

تقوم Ubiquitous حاليًا بصنع نوافذ شمسية في خط إنتاجها التجريبي للبحث والتطوير في كاليفورنيا، حيث تم تركيب نوافذ شمسية تعمل على واجهة خارجية توفر الطاقة لإضاءة LED العلوية. تم أيضًا تركيب نوافذ UE Power الشمسية في جامعة ولاية ميشيغان، ومبنى تجاري في بولدر، كولورادو، ومنشأة تطوير الزجاج NSG Pilkington في أوهايو، وفي جميع أنحاء آسيا. قال Hardev إن العلاقة مع Andersen ستسمح لـ Ubiquitous بالوصول إلى العملاء السكنيين من خلال علامة تجارية معروفة للنوافذ.

قال: “نعتقد أن هذا يضع ختمًا قويًا على مصداقية وصحة ما نقوم به، بالعمل مع شخص يتمتع بهذه السمعة العالية والمكانة في السوق. المرحلة التالية ستكون ترخيص التقنية للمصنعين في جميع أنحاء العالم. نعتقد أن هذا سيكون أسرع طريقة لنشر هذه التقنية عالميًا.”

قال Hardev إنه تم إطلاق العديد من المنتجات الكهروضوئية شبه الشفافة على مر السنين، ولكن منتج Ubiquitous Energy هو “زجاج رؤية” يرغب الناس في النظر من خلاله بالفعل.

قال: “أريد أن أنظر إلى الخارج وأرى لا لون ولا عوائق. نريد أن يعمل المستهلك بها تمامًا مثل النافذة التقليدية. لن تعرف حتى أن تقنيتنا مدمجة فيها، ولكنها تمنحك كل هذه الفوائد.”

في المنازل، يمكن استخدام الطاقة محليًا لميزات النوافذ النشطة أو توصيلها مرة أخرى إلى إعدادات الطاقة في المنزل الذكي. تحتوي المباني التجارية على مساحة نوافذ أكبر، مما يجعل من المنطقي إعادة تغذية تلك الطاقة إلى الشبكة للقياس الصافي. من الواضح أن نوافذ UE Power لن تنتج طاقة بقدر الألواح الشمسية التقليدية، ولكن مع زيادة المناطق التي تفرض تركيب طاقة متجددة على المباني التجارية الجديدة، يمكن أن توفر النوافذ الشمسية بديلًا مهمًا للمساحات الصغيرة على الأسطح.

قال Hardev: “لقد حصلنا على شهادة تصل إلى 10% كفاءة تحويل للطاقة. هذه مقارنة مباشرة للكفاءة مع الألواح الشمسية التقليدية. الشيء الجميل في تقنيتنا، يشبه إلى حد كبير كيفية عمل تقنيات الألواح الشمسية الرقيقة، أنها تعمل بشكل جيد في الضوء غير المباشر أو المنتشر. لا تحتاج حقًا إلى الوصول إلى ضوء الشمس المباشر للعمل.”

تواصل Ubiquitous Energy جمع الأموال لبدء خط إنتاج مخصص. قال Hardev إن الشركة تأمل في بدء العمل على الخط بحلول نهاية هذا العام، مع توفر المنتج لكل من المساحات السكنية والتجارية في النصف الثاني من عام 2025.

قال: “لم نخترع أو نطور أي طريقة أو عملية جديدة تتطلب تطوير معدات جديدة. نحن نستخدم ما تقوم به صناعة طلاء النوافذ بالفعل كجزء من عملياتها اليومية. هدفنا هو عدم تعطيل التدفق الكامل، وعدم خلق تحديات غير ضرورية. نريد أن يكون شيئًا يمكن للناس استخدامه وتركيبه بسهولة.”