الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة
تم تغطية برج CIS في مانشستر ، إنجلترا ، بألواح الطاقة الشمسية بتكلفة 5.5 مليون جنيه إسترليني. وبدأ البرج بتزويد الشبكة الوطنية بالكهرباء في نوفمبر 2005.
المقر الرئيسي لشركة آبل في كاليفورنيا. السطح مغطى بألواح شمسية.

تُعدّ الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني ( BIPV ) مواد كهروضوئية تُستخدم لاستبدال مواد البناء التقليدية في أجزاء من غلاف المبنى ، مثل السقف والمناور والواجهات. [ 1 ] ويجري دمجها بشكل متزايد في تشييد المباني الجديدة كمصدر رئيسي أو ثانوي للطاقة الكهربائية، مع إمكانية تحديث المباني القائمة بتقنيات مماثلة. وتكمن ميزة الخلايا الكهروضوئية المدمجة، مقارنةً بالأنظمة غير المدمجة الأكثر شيوعًا، في إمكانية تعويض التكلفة الأولية من خلال تقليل الإنفاق على مواد البناء والعمالة التي تُستخدم عادةً في بناء الجزء الذي تحل محله وحدات BIPV. إضافةً إلى ذلك، تُتيح BIPV استخدامًا أوسع للطاقة الشمسية عندما يكون المظهر الجمالي للمبنى مهمًا، حيث أن الألواح الشمسية التقليدية المثبتة على حوامل قد تُشوّه المظهر المطلوب للمبنى.

يُستخدم مصطلح "الخلايا الكهروضوئية المُدمجة في المباني " ( BAPV ) أحيانًا للإشارة إلى الخلايا الكهروضوئية التي يتم تركيبها لاحقًا - أي دمجها في المبنى بعد اكتمال بنائه. معظم تركيبات الخلايا الكهروضوئية المُدمجة في المباني هي في الواقع BAPV. بعض المصنّعين والمقاولين يُفرّقون بين تركيبات الخلايا الكهروضوئية المُدمجة في المباني الجديدة (BIPV) وتركيبات BAPV. [ 2 ]

تاريخ

بدأت تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية في المباني بالظهور في سبعينيات القرن الماضي. حيث تم توصيل وحدات كهروضوئية ذات إطارات ألومنيوم، أو تركيبها على المباني، التي كانت تقع عادةً في مناطق نائية تفتقر إلى شبكة الكهرباء. وفي ثمانينيات القرن الماضي، بدأ عرض نماذج لوحدات كهروضوئية إضافية تُركّب على أسطح المباني. وكانت هذه الأنظمة الكهروضوئية تُركّب عادةً على المباني المتصلة بشبكة الكهرباء في المناطق التي تضم محطات توليد طاقة مركزية. وفي تسعينيات القرن الماضي، أصبحت منتجات البناء الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV)، المصممة خصيصًا لدمجها في غلاف المبنى، متاحة تجاريًا. [ 3 ] افترضت أطروحة الدكتوراه التي قدمتها باترينا إيفرت عام 1998، بعنوان "تقييم اقتصادي لأنظمة BIPV" ، أنه سيكون هناك يومًا ما قيمة اقتصادية لتداول أرصدة الطاقة المتجددة (RECs). [ 4 ] ويشير تقييم اقتصادي ونظرة عامة موجزة على تاريخ أنظمة BIPV أجراها المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة عام 2011 إلى أنه قد تكون هناك تحديات تقنية كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن تصبح تكلفة تركيب أنظمة BIPV منافسة لتكلفة الألواح الكهروضوئية. [ 5 ] مع ذلك، يتزايد الإجماع على أن أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني، من خلال انتشارها التجاري الواسع، ستصبح الركيزة الأساسية لهدف المباني الصفرية الطاقة (ZEB) الأوروبي لعام 2020. [ 6 ] على الرغم من الإمكانيات التقنية الواعدة، فقد تم تحديد عوائق اجتماعية أمام استخدامها على نطاق واسع، مثل ثقافة قطاع البناء المحافظة، والتكامل مع التصميم الحضري عالي الكثافة. ويشير هؤلاء الباحثون إلى أن تمكين الاستخدام طويل الأمد يعتمد على قرارات السياسة العامة الفعالة بقدر اعتماده على التطور التكنولوجي. [ 7 ]

جدار كهروضوئي بالقرب من برشلونة، إسبانيا
مظلة موقف سيارات تعمل بالطاقة الشمسية الكهروضوئية، جامعة مدريد المستقلة، إسبانيا

النماذج

نظام CoolPly الكهروضوئي المدمج في المباني بقدرة 525 كيلوواط، الحائز على جائزة مشروع الطاقة لعام 2009، من إنتاج شركة SolarFrameWorks، في مجمع باتريوت بليس المجاور لملعب جيليت في فوكسبورو، ماساتشوستس. تم تركيب النظام على غشاء تسقيف أحادي الطبقة على سطح مستوٍ دون أي اختراقات في السقف.
واجهة شمسية بتقنية BAPV على مبنى بلدي يقع في مدريد ( إسبانيا ).
ألواح شمسية مدمجة في المباني من نوع United Solar Ovonic ذات الأغشية الرقيقة الكهروضوئية

تستخدم غالبية منتجات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني إحدى تقنيتين رئيسيتين: الخلايا الشمسية البلورية (c-SI) أو الخلايا الشمسية الرقيقة. تتكون تقنيات الخلايا الشمسية البلورية من رقائق سيليكون بلورية أحادية الخلية، والتي تعمل عمومًا بكفاءة أعلى من الخلايا الرقيقة، ولكنها أغلى تكلفةً في الإنتاج. [ 8 ] يمكن تصنيف تطبيقات هاتين التقنيتين إلى خمسة أنواع رئيسية من منتجات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني: [ 8 ]

  1. أنظمة قياسية مثبتة في السقف. وتتخذ هذه الأنظمة عموماً شكل شرائح مناسبة من الخلايا الكهروضوئية.
  2. أنظمة شبه شفافة. تُستخدم هذه المنتجات عادةً في البيوت الزجاجية أو التطبيقات في الطقس البارد حيث يجب التقاط الطاقة الشمسية والسماح لها بالدخول إلى المبنى في نفس الوقت.
  3. أنظمة التكسية. هناك مجموعة واسعة من هذه الأنظمة؛ والقاسم المشترك بينها هو تطبيقها الرأسي على واجهة المبنى.
  4. بلاط وألواح الطاقة الشمسية. هذه هي أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني الأكثر شيوعًا، حيث يمكن استبدالها بسهولة بتشطيبات أسطح القرميد التقليدية.
  5. الصفائح المرنة. يتم الحصول عليها عادة على شكل صفائح رقيقة، ويمكن لصق هذه المنتجات على مجموعة متنوعة من الأشكال، وخاصة أشكال الأسقف.

باستثناء الصفائح المرنة، يمكن لكل فئة من الفئات المذكورة أعلاه استخدام تقنيات c-SI أو الأغشية الرقيقة، مع كون تقنيات الأغشية الرقيقة قابلة للتطبيق فقط على الصفائح المرنة - وهذا يجعل منتجات BIPV ذات الأغشية الرقيقة مثالية لتطبيقات التصميم المتقدمة التي لها جانب حركي.

تُصنّف منتجات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) ضمن الفئات الخمس، ويمكن استخدامها في سيناريوهات متنوعة: الأسطح المائلة، والأسطح المسطحة، والأسطح المنحنية، والواجهات شبه الشفافة، والمناور، وأنظمة التظليل، والجدران الخارجية، والجدران الستائرية، مع كون الأسطح المسطحة والمائلة هي الأنسب لالتقاط الطاقة الشمسية. [ 8 ] تُستخدم منتجات BIPV الخاصة بأنظمة التسقيف والتظليل بشكل شائع في التطبيقات السكنية، بينما تُستخدم أنظمة الجدران والتكسية بشكل شائع في المنشآت التجارية. [ 9 ] عمومًا، تستحوذ أنظمة BIPV الخاصة بالأسقف حاليًا على حصة أكبر من السوق، وهي أكثر كفاءة بشكل عام من أنظمة BIPV الخاصة بالواجهات والتكسية نظرًا لتوجيهها نحو الشمس. [ 9 ]

تتوفر وحدات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني بأشكال متعددة:

  • الأسطح المسطحة
    • أكثر أنواع الخلايا الشمسية انتشارًا حتى الآن هي الخلايا الشمسية الرقيقة غير المتبلورة المدمجة في وحدة بوليمرية مرنة ، والتي تُثبّت بدورها على غشاء السقف باستخدام لاصق بين الطبقة الخلفية للوحدة الشمسية وغشاء السقف. وقد وصلت كفاءة خلايا سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS) إلى 17%، وفقًا لإحدى الشركات الأمريكية [ 10 ] ، كما حققت شركة بريطانية كفاءة مماثلة في الوحدات المدمجة في المباني باستخدام أغشية TPO أحادية الطبقة، وذلك من خلال دمج هذه الخلايا. [ 11 ]
  • الأسقف المائلة
    • بلاط الأسقف الشمسي هو بلاط أسقف ( سيراميكي ) مزود بوحدات شمسية مدمجة. وقد طورت شركة هولندية هذا النوع من بلاط الأسقف وحصلت على براءة اختراعه [ 12 ] في عام 2013.
    • وحدات مصممة على شكل بلاطات سقف متعددة.
    • ألواح الطاقة الشمسية عبارة عن وحدات مصممة لتبدو وتعمل مثل ألواح الأسقف العادية، مع دمج خلية رقيقة مرنة.
    • يُطيل هذا النظام عمر السقف الطبيعي بحماية العزل والأغشية من الأشعة فوق البنفسجية والتلف الناتج عن الماء. ويتحقق ذلك من خلال منع التكثف لأن نقطة الندى تبقى أعلى من غشاء السقف. [ 13 ]
  • يتم الآن دمج الأسقف المعدنية المائلة (الهيكلية والمعمارية) مع وظائف الخلايا الكهروضوئية إما عن طريق ربط وحدة مرنة قائمة بذاتها [ 15 ] أو عن طريق اللحام الحراري والفراغي لخلايا CIGS مباشرة على الركيزة [ 16 ].
  • الواجهة
    • يمكن تركيب واجهات على المباني القائمة، مما يمنح المباني القديمة مظهراً جديداً كلياً. تُركّب هذه الوحدات على واجهة المبنى، فوق الهيكل القائم، مما قد يزيد من جاذبية المبنى وقيمته عند إعادة بيعه. [ 17 ]
  • تزجيج
    • النوافذ الكهروضوئية عبارة عن وحدات (شبه) شفافة يمكن استخدامها كبديل للعديد من العناصر المعمارية المصنوعة عادةً من الزجاج أو مواد مشابهة، مثل النوافذ والمناور. إضافةً إلى إنتاج الطاقة الكهربائية، تُسهم هذه النوافذ في توفير المزيد من الطاقة بفضل خصائصها الفائقة في العزل الحراري والتحكم في الإشعاع الشمسي.
  • الزجاج الملون الكهروضوئي : أدى دمج تقنيات حصاد الطاقة في المنازل والمباني التجارية إلى فتح آفاق بحثية جديدة تُولي اهتمامًا أكبر للجماليات العامة للمنتج النهائي. وبينما يظل الهدف هو الحفاظ على مستويات عالية من الكفاءة، فإن التطورات الجديدة في النوافذ الكهروضوئية تهدف أيضًا إلى تزويد المستهلكين بمستويات مثالية من شفافية الزجاج و/أو إتاحة الفرصة لهم للاختيار من بين مجموعة متنوعة من الألوان. ويمكن تصميم ألواح الطاقة الشمسية الملونة "الزجاج الملون" بشكل مثالي لامتصاص نطاقات محددة من الأطوال الموجية من الطيف الأوسع. وقد تم تطوير الزجاج الكهروضوئي الملون بنجاح باستخدام خلايا شمسية شبه شفافة، وخلايا بيروفسكايت، وخلايا حساسة للأصباغ.
    • تم ابتكار خلايا شمسية بلازمونية تمتص وتعكس الضوء الملون باستخدام تقنية إيتالون فابري-بيرو. تتكون هذه الخلايا من طبقتين معدنيتين عاكستين متوازيتين، بينهما طبقة عازلة. [ 18 ] يُصنع القطبين من الفضة، بينما تُصنع الطبقة العازلة بينهما من أكسيد الأنتيمون (Sb₂O₃ ) . يؤدي تغيير سمك الطبقة العازلة ومعامل انكسارها إلى تغيير الطول الموجي الأمثل للامتصاص. كما أن مطابقة لون طبقة الزجاج الماصة مع الجزء المحدد من الطيف الذي يُضبط فيه سمك الخلية ومعامل انكسارها على النحو الأمثل لنقل الضوء، يُحسّن من مظهر الخلية من خلال تعزيز لونها، ويساعد على تقليل فقد التيار الضوئي. وقد تم تحقيق نفاذية ضوئية بنسبة 34.7% و24.6% في أجهزة الضوء الأحمر والأزرق على التوالي. تستطيع أجهزة الضوء الأزرق تحويل 13.3% من الضوء الممتص إلى طاقة، مما يجعلها الأكثر كفاءة بين جميع أجهزة الضوء الملون التي تم تطويرها واختبارها.
    • يمكن ضبط تقنية الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت لإنتاج ألوان الأحمر والأخضر والأزرق عن طريق تغيير سمك الأسلاك النانوية المعدنية إلى 8 و20 و45 نانومتر على التوالي. [ 19 ] وقد تحققت أعلى كفاءة طاقة بلغت 10.12% و8.17% و7.72% من خلال مطابقة انعكاس الزجاج مع الطول الموجي الذي صُممت الخلية المحددة لنقله على النحو الأمثل.
    • تستخدم الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة محاليل إلكتروليتية سائلة لالتقاط الضوء وتحويله إلى طاقة قابلة للاستخدام؛ ويتحقق ذلك بطريقة مشابهة لكيفية تسهيل الأصباغ الطبيعية لعملية التمثيل الضوئي في النباتات. في حين أن الكلوروفيل هو الصباغ المسؤول عن إنتاج اللون الأخضر في الأوراق، فإن أصباغًا أخرى موجودة في الطبيعة، مثل الكاروتينات والأنثوسيانين، تُنتج درجات مختلفة من اللون البرتقالي والأرجواني. [ 20 ] وقد أثبت باحثون من جامعة كونسبسيون جدوى الخلايا الشمسية الملونة الحساسة للصبغة، والتي تُظهر أطوالًا موجية محددة من الضوء وتمتصها بشكل انتقائي. [ 21 ] يعتمد هذا الحل منخفض التكلفة على استخلاص أصباغ طبيعية من ثمار الماكي، والآس الأسود، والسبانخ كمحسسات. ثم توضع هذه المحسسات الطبيعية بين طبقتين من الزجاج الشفاف. في حين أن مستويات كفاءة هذه الخلايا منخفضة التكلفة لا تزال غير واضحة، فقد تمكنت الأبحاث السابقة في خلايا الصبغة العضوية من تحقيق "كفاءة عالية في تحويل الطاقة تصل إلى 9.8%". [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

الخلايا الكهروضوئية الشفافة وشبه الشفافة

تستخدم الألواح الشمسية الشفافة طبقة من أكسيد القصدير على السطح الداخلي للألواح الزجاجية لتوصيل التيار الكهربائي خارج الخلية. تحتوي الخلية على أكسيد التيتانيوم المغطى بصبغة كهروضوئية . [ 25 ]

تستخدم معظم الخلايا الشمسية التقليدية الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء لتوليد الكهرباء. في المقابل، تستخدم الخلية الشمسية الجديدة المبتكرة الأشعة فوق البنفسجية أيضًا. عند استخدامها كبديل لزجاج النوافذ التقليدي، أو تركيبها فوقه، يمكن أن تكون مساحة سطح التركيب كبيرة، مما يفتح آفاقًا لاستخدامات تستفيد من الوظائف المدمجة لتوليد الطاقة والإضاءة والتحكم في درجة الحرارة.

يُطلق على الخلايا الكهروضوئية الشفافة اسم "الخلايا الكهروضوئية شبه الشفافة" (فهي تسمح بمرور نصف الضوء الساقط عليها). ومثل الخلايا الكهروضوئية غير العضوية، تتميز الخلايا الكهروضوئية العضوية أيضاً بخاصية الشفافية.

أنواع الخلايا الكهروضوئية الشفافة وشبه الشفافة

غير انتقائي للطول الموجي

تُحقق بعض الخلايا الكهروضوئية غير الانتقائية للطول الموجي شبه الشفافية من خلال التجزئة المكانية للخلايا الشمسية المعتمة. تستخدم هذه الطريقة أي نوع من الخلايا الكهروضوئية المعتمة، وتُوزع عدة خلايا صغيرة على ركيزة شفافة. يؤدي توزيعها بهذه الطريقة إلى تقليل كفاءة تحويل الطاقة بشكل كبير، مع زيادة النفاذية. [ 26 ]

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. وينتج عن ذلك خلايا كهروضوئية شبه شفافة ذات توازن مباشر مماثل بين الكفاءة والنفاذية كما هو الحال في الخلايا الشمسية المعتمة المجزأة مكانيًا. [ 26 ]

انتقائي للطول الموجي

تحقق الخلايا الكهروضوئية الانتقائية للطول الموجي الشفافية باستخدام مواد تمتص الأشعة فوق البنفسجية و/أو الأشعة تحت الحمراء القريبة فقط، وقد تم عرضها لأول مرة في عام 2011. [ 27 ] على الرغم من نفاذيتها العالية، إلا أن كفاءة تحويل الطاقة انخفضت نتيجةً لمجموعة متنوعة من التحديات. تشمل هذه التحديات قصر أطوال انتشار الإكسيتون، وتصغير حجم الأقطاب الكهربائية الشفافة دون المساس بالكفاءة، والعمر الافتراضي العام بسبب تطاير المواد العضوية المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية الحرارية بشكل عام. [ 26 ]

ابتكارات في مجال الخلايا الكهروضوئية الشفافة وشبه الشفافة

لم تتمكن المحاولات المبكرة لتطوير خلايا ضوئية عضوية شبه شفافة غير انتقائية للطول الموجي، باستخدام طبقات فعالة رقيقة جدًا تمتص الضوء المرئي، إلا من تحقيق كفاءات أقل من 1%. [ 28 ] مع ذلك، في عام 2011، أظهرت خلايا ضوئية عضوية شفافة، تستخدم مانحًا من فثالوسيانين كلورو ألومنيوم عضوي (ClAlPc) ومستقبلًا من الفوليرين، امتصاصًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بكفاءة تقارب 1.3% ونفاذية للضوء المرئي تتجاوز 65%. [ 27 ] في عام 2017، طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عملية ناجحة لترسيب أقطاب كهربائية من الجرافين الشفاف على الخلايا الشمسية العضوية، مما أدى إلى نفاذية للضوء المرئي بنسبة 61% وكفاءات محسنة تتراوح بين 2.8% و4.1%. [ 29 ]

تُعدّ خلايا البيروفسكايت الشمسية ، التي تحظى بشعبية واسعة نظرًا لإمكاناتها الواعدة كجيل جديد من الخلايا الكهروضوئية بكفاءة تتجاوز 25%، واعدةً أيضًا كخلايا كهروضوئية شفافة. ففي عام 2015، حققت خلية شمسية شبه شفافة من البيروفسكايت، تستخدم بيروفسكايت ثلاثي يوديد الرصاص ميثيل الأمونيوم وقطبًا علويًا من شبكة أسلاك نانوية فضية، نفاذية ضوئية بلغت 79% عند  طول موجي 800 نانومتر وكفاءة تقارب 12.7%. [ 30 ]

الإعانات الحكومية

في بعض الدول، تُقدَّم حوافز أو إعانات إضافية لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المدمجة في المباني، بالإضافة إلى تعريفات التغذية الحالية لأنظمة الطاقة الشمسية المستقلة. ومنذ يوليو/تموز 2006، قدّمت فرنسا أعلى حافز لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المدمجة في المباني، يعادل علاوة إضافية قدرها 0.25 يورو/كيلوواط ساعة تُدفع بالإضافة إلى 30 سنتًا يورو لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] تُقدَّم هذه الحوافز على شكل سعر يُدفع مقابل الكهرباء المُغذَّاة إلى الشبكة.

أوروبا

  • فرنسا 0.25 يورو/كيلوواط ساعة [ 32 ]
  • انتهت صلاحية مكافأة واجهة المباني في ألمانيا البالغة 0.05 يورو/كيلوواط ساعة في عام 2009
  • إيطاليا 0.04 - 0.09 يورو/كيلوواط ساعة
  • المملكة المتحدة 4.18 بنس/كيلوواط ساعة [ 34 ]
  • إسبانيا، مقارنةً بمنشأة غير تابعة للمباني تتلقى 0.28 يورو/كيلوواط ساعة (RD 1578/2008):
    • ≤20  كيلوواط: 0.34 يورو/كيلوواط ساعة
    • أكثر من 20  كيلوواط: 0.31 يورو/كيلوواط ساعة

الولايات المتحدة

  • الولايات المتحدة - يختلف الأمر باختلاف الولاية. راجع قاعدة بيانات حوافز الولايات للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة لمزيد من التفاصيل. [ 35 ]

الصين

بعد الإعلان عن برنامج دعم مشاريع الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) في مارس 2009، والذي يقدم 20 يوانًا صينيًا لكل واط لأنظمة BIPV و15 يوانًا صينيًا لكل واط لأنظمة الأسطح، كشفت الحكومة الصينية مؤخرًا عن برنامج دعم الطاقة الكهروضوئية "مشروع الشمس الذهبية التجريبي". يهدف برنامج الدعم إلى دعم تطوير مشاريع توليد الكهرباء الكهروضوئية وتسويق تكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية. وقد أعلنت وزارة المالية ووزارة العلوم والتكنولوجيا والمكتب الوطني للطاقة بشكل مشترك عن تفاصيل البرنامج في يوليو 2009. [ 36 ] يحق لمشاريع توليد الكهرباء الكهروضوئية المتصلة بالشبكة والمؤهلة، بما في ذلك أنظمة الأسطح وأنظمة BIPV والأنظمة الأرضية، الحصول على دعم يعادل 50% من إجمالي استثمار كل مشروع، بما في ذلك البنية التحتية لنقل الطاقة المرتبطة به. أما المشاريع المستقلة غير المتصلة بالشبكة في المناطق النائية، فستكون مؤهلة للحصول على دعم يصل إلى 70% من إجمالي الاستثمار. [ 37 ] في منتصف نوفمبر، اختارت وزارة المالية الصينية 294 مشروعًا بإجمالي قدرة 642 ميغاواط، بتكلفة تقارب 20 مليار يوان صيني (3 مليارات دولار أمريكي)، ضمن خطة الدعم التي تهدف إلى تعزيز إنتاج الطاقة الشمسية في البلاد بشكل كبير. [ 38 ]

أنواع أخرى من الخلايا الكهروضوئية المتكاملة

تُعدّ أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المركبات (ViPV) مماثلةً لتلك المستخدمة في المركبات. [ 39 ] يمكن دمج الخلايا الشمسية في ألواح مُعرّضة لأشعة الشمس، مثل غطاء المحرك والسقف، وربما صندوق السيارة، وذلك بحسب تصميم السيارة. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

التحديات

أداء

نظرًا لأن أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) تولد الطاقة في الموقع وتُدمج في غلاف المبنى، فإن قدرة خرج النظام وخصائصه الحرارية هما المؤشران الرئيسيان للأداء. تتميز أنظمة BIPV التقليدية بقدرة أقل على تبديد الحرارة مقارنةً بالخلايا الكهروضوئية المثبتة على رفوف، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة تشغيل وحدات BIPV. قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تدهور المواد شبه الموصلة في الوحدة، مما يقلل من كفاءة الخرج ويؤدي إلى تعطلها المبكر. [ 44 ] بالإضافة إلى ذلك، تتأثر كفاءة أنظمة BIPV بالظروف الجوية، وقد يؤدي استخدام أنظمة BIPV غير مناسبة إلى تقليل كفاءة خرج الطاقة. [ 44 ] أما فيما يتعلق بالأداء الحراري، فيمكن لنوافذ BIPV أن تقلل من حمل التبريد مقارنةً بالنوافذ الزجاجية الشفافة التقليدية، ولكنها قد تزيد من حمل التدفئة للمبنى. [ 45 ]

تُعدّ الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) تقنيات طاقة شمسية تُدمج في نظام المبنى، لتحل محل مواد البناء التقليدية كالأسقف والنوافذ والواجهات. تُولّد هذه الخلايا الكهرباء وتُساهم في الوظائف الهيكلية والجمالية للمبنى. يُتيح هذا الدمج إنتاج الطاقة في البيئات الحضرية حيث تكون المساحة المتاحة لتركيب الألواح الشمسية التقليدية محدودة، مما يُقدّم حلاً مبتكراً للتنمية الحضرية المستدامة [ 46 ] .

يعتمد أداء أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني على عوامل متعددة، منها الموقع والاتجاه ونوع المواد الكهروضوئية المستخدمة. إلا أن التحدي الأكبر يكمن في ضمان توفير النظام لأقصى إنتاجية للطاقة مع الحفاظ على المظهر الجمالي والتكامل المعماري للمبنى [ 47 ] . وقد أظهرت الدراسات أن أداء هذه الأنظمة قد يختلف باختلاف المواد المستخدمة (مثل السيليكون البلوري، أو الأغشية الرقيقة، أو الخلايا الكهروضوئية العضوية)، حيث تتميز الوحدات المصنوعة من السيليكون عمومًا بكفاءة أعلى.

يُعدّ التدهور طويل الأمد مصدر قلق بالغ لأنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV). فمع مرور الوقت، قد تنخفض كفاءة هذه الأنظمة نتيجةً لعوامل بيئية مختلفة، مثل تقلبات درجات الحرارة والرطوبة والتعرض للملوثات أو حتى المواد العضوية المتحللة أو المركبات العضوية [ 48 ] . وتشير الأبحاث إلى أن أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في واجهات المباني أكثر عرضةً للعوامل الجوية، مما قد يؤدي إلى انخفاض أدائها مقارنةً بالأنظمة التقليدية المثبتة على أسطح المباني. وتتأكد هذه النتائج تدريجيًا مع ازدياد سهولة الوصول إلى أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني عبر منصات التجارة الإلكترونية مثل أمازون وعلي بابا، مما يُتيح استخدامها على نطاق أوسع في مختلف المناطق. وتتميز مواد مثل الخلايا الكهروضوئية العضوية بمرونة أكبر، ولكنها قد تواجه معدلات تدهور أعلى وعمرًا أقصر، مما يحدّ من انتشار استخدامها في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني.

تُشكّل عمليات تنظيف وصيانة أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني تحديات فريدة. فدمج هذه المواد في أسطح المباني يُعقّد عملية التنظيف في كثير من الأحيان. فعلى سبيل المثال، قد لا تكون طرق التنظيف التقليدية أو المواد الكيميائية المستخدمة في تنظيف الألواح الشمسية التقليدية [ 49 ] مناسبةً نظرًا لطبيعة أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة. إضافةً إلى ذلك، يُمكن أن يُؤدي تراكم الأوساخ والغبار والشوائب الأخرى إلى انخفاض كبير في كفاءة الطاقة للنظام. وفي المناطق الحضرية، حيث ينتشر تلوث الهواء والجسيمات الدقيقة، قد تزداد وتيرة التنظيف، مما يُؤدي إلى ارتفاع تكاليف الصيانة. ولضمان الأداء الأمثل، يُعدّ الرصد المنتظم وبروتوكولات التنظيف المُخصصة أمرًا ضروريًا [ 50 ] . ويجري حاليًا استكشاف التطورات في تقنيات التنظيف الذاتي وتطوير الطلاءات الطاردة للأوساخ للتخفيف من هذه المشكلات.

يكلف

يُعدّ ارتفاع تكلفة الاستثمار الأولي في أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) أحد أكبر عوائق التنفيذ. [ 44 ] فبالإضافة إلى التكلفة الأولية لشراء مكونات هذه الأنظمة، فإنّ طبيعتها المتكاملة للغاية تزيد من تعقيد تصميم المبنى، مما يؤدي بدوره إلى ارتفاع تكاليف التصميم والإنشاء. [ 44 ] كما أنّ نقص الكوادر المتخصصة وقلة خبرتها يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التوظيف في مشاريع تطوير هذه الأنظمة. [ 44 ]

السياسات واللوائح

على الرغم من وجود سياسات دعم لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في العديد من الدول، إلا أن معظمها لا يقدم مزايا إضافية لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المدمجة في المباني. [ 44 ] وعادةً ما تتطلب هذه الأنظمة الامتثال لمعايير البناء ومعايير صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، مما يفرض متطلبات أعلى على تنفيذها. إضافةً إلى ذلك، فإن سياسات الحكومات الرامية إلى خفض أسعار الطاقة التقليدية ستؤدي إلى انخفاض فوائد أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المدمجة في المباني، وهو ما يتضح جلياً في الدول التي تكون فيها أسعار الكهرباء التقليدية منخفضة للغاية أو مدعومة من الحكومات، كما هو الحال في دول مجلس التعاون الخليجي. [ 44 ] [ 51 ]

الفهم العام

تشير الدراسات إلى أن الوعي العام بتقنية الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني محدود، وأن تكلفتها تُعتبر مرتفعة للغاية بشكل عام. ومن المرجح أن يُسهم تعزيز فهم الجمهور لهذه التقنية من خلال قنوات عامة متنوعة (مثل السياسات، والمشاركة المجتمعية، والمباني النموذجية) في تطويرها على المدى الطويل. [ 44 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سترونغ، ستيفن (9 يونيو 2010). "الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV)" . wbdg.org . دليل تصميم المباني المتكاملة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يوليو 2011 .
  2. ↑ "الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني: سوق ناشئة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أغسطس 2012 .
  3. ↑ إيفرت، باترينا؛ كيس، غريغوري ج. (2000). تصاميم الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني للمنشآت التجارية والمؤسسية: كتاب مرجعي للمهندس المعماري . ديان. ص 59. ISBN  978-1-4289-1804-7.
  4. ↑ إيفرت، باترينا (1998). تقييم اقتصادي للخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني . كلية أكسفورد بروكس للهندسة المعمارية.{{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  5. ↑ جيمس، تيد؛ جودريتش، أ.؛ وودهاوس، م.؛ مارغوليس، ر.؛ أونغ، س. (نوفمبر 2011). " الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) في القطاع السكني: تحليل لأسعار أنظمة الأسطح المركبة ." NREL/TR-6A20-53103.
  6. ↑ كيليلي، أنجيليكي؛ فوكايدس، باريس أ. (2014). "دراسة إمكانات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني لتحقيق هدف المباني الصفرية الطاقة". أنجيليكي كيليلي، باريس أ. فوكايدس . 23 (1): 92-106 . Bibcode : 2014InBEn..23...92K . doi : 10.1177/1420326X13509392 . S2CID 110970142 . 
  7. ↑ تيمبي، أوين؛ كابسيس، كونستانتينوس؛ بيرتون، هاريس؛ روزنبلوم، دانيال؛ جيبسون، جيفري؛ أثينيتيس، أندرياس؛ ميدوكروفت، جيمس (2014). "الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني: تطوير الطاقة الموزعة من أجل الاستدامة الحضرية". البيئة: العلم والسياسة من أجل التنمية المستدامة . 56 (6): 4-17 . Bibcode : 2014ESPSD..56f...4T . doi : 10.1080/00139157.2014.964092 . S2CID 110745105 . 
  8. 1 2 3 تريباثي، م.؛ سادو، ب.ك.؛ باندا، س.ك. (2016-08-01). "مراجعة نقدية لمنتجات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني وتطبيقاتها" . مجلة مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة . 61 : 451-465 . Bibcode : 2016RSERv..61..451T . doi : 10.1016/j.rser.2016.04.008 . ISSN 1364-0321 . 
  9. 1 2 كون، تيلمان إي.؛ إربان، كريستوف؛ هاينريش، مارتن؛ آيزنلوهر، يوهانس؛ إنسلين، فرانك؛ نويهاوس، ديرك هولجر (15 يناير 2021). "مراجعة لخيارات التصميم التكنولوجي للخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV)" . الطاقة والمباني . 231 110381. Bibcode : 2021EneBu.23110381K . doi : 10.1016/j.enbuild.2020.110381 . ISSN 0378-7788 . S2CID 225225301 .  
  10. ↑ موقع MiaSolé الإلكتروني
  11. ↑ ورقة البيانات الفنية لشركة BIPVco
  12. ↑ ZEP BV
  13. ↑ إيفرت، باترينا (2000). تصاميم الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني للهياكل التجارية والمؤسسية: كتاب مرجعي للمهندس المعماري (PDF) . الصفحات 60-61 . 
  14. ↑ "الألواح الشمسية مقابل الرقائق الرقيقة: التكاليف والمزايا والعيوب وأفضل العلامات التجارية" . 19 يناير 2022.
  15. ↑ ورقة البيانات الفنية لوحدة مرنة قائمة بذاتها
  16. ↑ ورقة البيانات الفنية لخلية CIGS محكمة الإغلاق بالحرارة والفراغ
  17. ↑ هينمان، أندرياس (29-11-2008). "الطاقة الشمسية المدمجة في المباني". مجلة التركيز على الطاقة المتجددة . 9 (6): 14، 16-19 . رمز Bibcode : 2008REneF...9...14H . doi : 10.1016/S1471-0846(08)70179-3 .
  18. ↑ ريم يو، هاي (2020). "جمالية وألوان زاهية: خلايا شمسية بوليمرية ثنائية اللون باستخدام أقطاب فابري-بيرو إيتالون عالية الأداء مع تجويف فريد من نوعه من Sb₂O₃ " . نانو إنرجي . 77 ( 6) 105146. doi : 10.1016/j.nanoen.2020.105146 . S2CID 225502407 . 
  19. ↑ لي، ك. ت. (2017-09-06). "خلايا شمسية من البيروفسكايت الملونة عالية الكفاءة مدمجة مع رنانات نانوية بلازمونية فائقة الرقة ذات أبعاد دون الطول الموجي" . التقارير العلمية . 7 (1) 10640. رمز Bibcode : 2017NatSR...710640L . doi : 10.1038/s41598-017-10937-3 . PMC 5587539. PMID 28878362 .  
  20. ↑ "حيوية اللون الطبيعي" .
  21. ↑ سيردا، بايرون (2016). "الأصباغ الطبيعية كمحسسات لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية الحساسة" . مجلة الفيزياء . 720 (1) 012030. Bibcode : 2016JPhCS.720a2030C . doi : 10.1088/1742-6596/720/1/012030 . S2CID 99322759 . 
  22. ↑ كوشواها، رينا (4 نوفمبر 2013). "أصباغ طبيعية من النباتات تُستخدم كمحسسات للخلايا الشمسية الحساسة للأصباغ القائمة على ثاني أكسيد التيتانيوم" . مجلة الطاقة . 2013 : 1-8 . Bibcode : 2013JEner201354953K . doi : 10.1155/2013/654953 .
  23. ↑ فاسيليف، ميخائيل؛ وآخرون (2016)، "الهياكل الميكروية الضوئية للزجاج الشفاف المولد للطاقة والمباني ذات الطاقة الصافية الصفرية"، التقارير العلمية ، 6 (8): 4313-4316 ، Bibcode : 2016NatSR...631831V ، doi : 10.1038/srep31831 ، PMC 4994116 ، PMID 27550827   
  24. ↑ ديفي، إن سي؛ وآخرون (2017)، "خلايا شمسية عضوية قريبة من الأشعة فوق البنفسجية مقترنة بنوافذ كهروكرومية لإدارة ذكية للطيف الشمسي"، نيتشر إنرجي ، 2 (8): 17104، doi : 10.1038/nenergy.2017.104 ، PMC 17104  
  25. ↑ ويست، مايك (نوفمبر 1992). "لوحة كهروضوئية شفافة" (ملف PDF) . أخبار كفاءة الطاقة والبيئة . تم الاطلاع عليه في 5 أكتوبر 2011 .
  26. 1 2 3 ترافيرس، كريستوفر جيه؛ باندي، ريتشا؛ بار، مايلز سي؛ لونت، ريتشارد آر. (23 أكتوبر 2017). "ظهور الخلايا الكهروضوئية عالية الشفافية للتطبيقات الموزعة". مجلة نيتشر للطاقة . 2 (11): 849-860 . رمز Bibcode : 2017NatEn...2..849T . doi : 10.1038/s41560-017-0016-9 . ISSN 2058-7546 . S2CID 116518194 .  
  27. 1 2 لونت، ريتشارد ر.؛ بولوفيتش، فلاديمير (14 مارس 2011). "خلايا شمسية كهروضوئية عضوية شفافة تعمل بالأشعة تحت الحمراء القريبة لتطبيقات النوافذ وتجميع الطاقة" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 98 (11): 113305. Bibcode : 2011ApPhL..98k3305L . doi : 10.1063/1.3567516 . hdl : 1721.1/71948 . ISSN 0003-6951 . 
  28. ↑ بيلي-سالزمان، روندا ف.؛ راند، باري ب.؛ فورست، ستيفن ر. (5 يونيو 2006). "الخلايا الكهروضوئية العضوية شبه الشفافة". رسائل الفيزياء التطبيقية . 88 (23): 233502. Bibcode : 2006ApPhL..88w3502B . doi : 10.1063/1.2209176 . hdl : 2027.42/87783 . ISSN 0003-6951 . 
  29. ↑ "خلايا شمسية شفافة ومرنة تجمع بين المواد العضوية وأقطاب الجرافين" . الرئيسية . 15 يونيو 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 نوفمبر 2019 .
  30. ↑ بيلي، كولين د.؛ كريستوفورو، م. غريسون؛ مايلوا، جوناثان ب.؛ بورينغ، أندريا ر.؛ أونغر، إيفا ل.؛ نغوين، ويليام هـ.؛ بورشكا، جوليان؛ بيليه، نورمان؛ لي، جونغوو ز.؛ غراتزل، مايكل؛ نوفى، روميل (2015-03-05). "خلايا شمسية من البيروفسكايت شبه شفافة للتركيبات الترادفية مع السيليكون وCIGS" . مجلة الطاقة والعلوم البيئية . 8 (3): 956-963 . Bibcode : 2015EnEnS...8..956B . doi : 10.1039/C4EE03322A . ISSN 1754-5706 . OSTI 1237896 .  
  31. ↑ "الإعانات: فرنسا تتقدم، وهولندا تتراجع" . يوجين ستاندرد. 2006. مؤرشف من الأصل في 4 أكتوبر 2006. تم الاطلاع عليه في 26 أكتوبر 2008. 30 سنتًا يورو لكل كيلوواط ساعة (40 سنتًا يورو لكورسيكا) لمدة عشرين عامًا، مع علاوة إضافية قدرها 25 سنتًا يورو/كيلوواط ساعة للألواح الكهروضوئية المدمجة في الأسطح أو الجدران أو النوافذ. علاوة على ذلك، يمكن للأسر الحصول على إعفاء ضريبي بنسبة 50% على استثماراتها في الألواح الكهروضوئية.
  32. 1 2 "CLER - لجنة الاتصال بالطاقات المتجددة" . كلير . 2008-06-03. مؤرشف من الأصل بتاريخ 18-04-2009 . تم الاسترجاع 2008-10-26 . 30 إلى 55* ج€/كيلوواط ساعة في فرنسا القارية
  33. ↑ دعم الطاقة الشمسية الكهروضوئية: فرنسا في ازدياد، وهولندا في تناقص | ليوناردو للطاقة ، مؤرشف في 3 فبراير 2008، على موقع Wayback Machine
  34. ↑ "تعريفات التغذية" .
  35. ↑ "DSIRE Home" . dsireusa.org . 2011. تم الاطلاع عليه في 5 أكتوبر 2011 .
  36. ↑ «الصين تطلق برنامج "الشمس الذهبية" لدعم مشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية بقدرة 500 ميغاواط بحلول عام 2012» . snec.org.cn. SNEC PV. 2011. مؤرشف من الأصل في 7 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 5 أكتوبر 2011. أطلقت الصين برنامجها المرتقب "الشمس الذهبية" للحوافز، والذي يهدف إلى دعم نشر مشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية واسعة النطاق بقدرة 500 ميغاواط في جميع أنحاء البلاد، في 21 يوليو .
  37. ↑ "الشمس الذهبية للصين" . pvgroup.org . مجموعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. 2011. مؤرشف من الأصل في 5 فبراير 2010. تم الاطلاع عليه في 5 أكتوبر 2011 .
  38. ↑ وانغ، أوسيليا (16 نوفمبر 2009). "ها هي مشاريع الصين "الشمس الذهبية" بقيمة 3 مليارات دولار" . غرينتك ميديا . تم الاطلاع عليه في 5 أكتوبر 2011 .
  39. ↑ تصفح منشورات المؤتمر > المركبات الصديقة للبيئة والطاقة المتجددة ... مساعدة في العمل مع الملخصات العودة إلى النتائج أنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المركبات: إنتاج الطاقة، ما يعادل الديزل، فترة الاسترداد؛ تقييم مبدئي للشاحنات والحافلات
  40. ↑ من الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني إلى الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المركبات
  41. ↑ فرص دمج الخلايا الكهروضوئية في المركبات
  42. ↑ حصاد الطاقة الشمسية الكهروضوئية والأشعة تحت الحمراء
  43. ↑ المركبات الشمسية
  44. 1 2 3 4 5 6 7 8 يانغ، ريبيكا جينغ؛ زو، باتريك إكس دبليو (2016-01-02). "الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV): التكاليف والفوائد والمخاطر والمعوقات واستراتيجية التحسين". المجلة الدولية لإدارة الإنشاءات . 16 (1): 39-53 . doi : 10.1080/15623599.2015.1117709 . ISSN 1562-3599 . S2CID 112302779 .  
  45. ↑ تشين، ليوتاو؛ يانغ، جياتشوان؛ لي، بييوان (15 يناير 2022). "نمذجة تأثير نوافذ الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني على البيئة المبنية: عدم اليقين والحساسية" . مجلة البناء والبيئة . 208 108605. رمز Bibcode : 2022BuEnv.20808605C . doi : 10.1016/j.buildenv.2021.108605 . ISSN 0360-1323 . S2CID 244502729 .  
  46. ↑ "التحديات والفرص المتعلقة بتقنيات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني" . وزارة الطاقة الأمريكية . 30 سبتمبر 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 يوليو 2026 .
  47. ^ بارمان، أنيرودا؛ منان، معز؛ أحمد، شريف؛ ميشو، أوما ماريوم؛ حسين بويان، محمد بلال؛ إسلام مهيمنول (٥ ديسمبر ٢٠٢١). “تحليل أداء المباني الكهروضوئية المتكاملة للمباني الشاهقة في المناطق الحضرية”. 2021 IEEE PES تقنيات الشبكة الذكية المبتكرة - آسيا (ISGT Asia) . IEEE: 1– 5. بيب كود : 2021isga.conf..112B . دوى : 10.1109/ISGTAsia49270.2021.9715591 . رقم ISBN 978-1-6654-3339-6.
  48. ↑ محمد، شروق عبد القادر؛ يوسف، حسنين؛ جوني، جلال العابدين؛ خوخار، محمد قدامة؛ رحمن، رافي أور؛ عايدة، مها نور؛ بارك، سانغهيون؛ يي، جونسين (مايو 2025). "أداء الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني ومعالجة تحديات اللون والسلامة وتكامل الصمام الثنائي الباعث للضوء". Physica Status Solidi (A) . 222 (10) 2400834. Bibcode : 2025PSSAR.22200834M . doi : 10.1002/pssa.202400834 .
  49. ↑ سون، جي وو؛ جانغ، هونغجون؛ كيم، يونغ سو؛ كيم، دونغهوان؛ هوانغ، سونغهو؛ كانغ، يونموك (أبريل 2025). "مقارنة أداء وحدة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) ذات الزجاج المزخرف في المناخ الكوري" . مجلة تطورات مصادر الطاقة . 32 100169. doi : 10.1016/j.powera.2025.100169 .
  50. ↑ شي، شاوهانغ؛ تشو، نينغ (13 نوفمبر 2023). "تحديات وتحسين نوافذ الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني: مراجعة" . الاستدامة . 15 (22) 15876. Bibcode : 2023Sust...1515876S . doi : 10.3390/su152215876 .
  51. ↑ شاربلز، ستيف؛ راضي، حسن (1 يوليو 2013). "تقييم الأداء التقني والاقتصادي للخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني وقيمتها لمجتمع دول مجلس التعاون الخليجي" . الطاقة المتجددة . 55 : 150-159 . Bibcode : 2013REne...55..150S . doi : 10.1016/j.renene.2012.11.034 . ISSN 0960-1481 . 

للمزيد من القراءة