بدأ استخدام واجهات الزجاج الشمسية المتكاملة مع المباني (BIPV) كزينة جذابة في البداية عندما دخلت السوق في التسعينيات، لكنها الآن أصبحت أنظمة طاقة جادة. في البداية، استخدم المهندسون المعماريون تلك الخلايا الشمسية كعناصر زخرفية على المباني بدلًا من الاعتماد عليها لتوليد الطاقة الفعلي. لكن الأمور تغيرت حقًا حوالي عام 2015. ففي ذلك الوقت، سمح التحسن في التكنولوجيا لوحدات BIPV الزجاجية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بمعدلات تتراوح بين 12 إلى 16 بالمائة، مع السماح بمرور نحو 30 إلى 50 بالمائة من الضوء المرئي وفقًا لدراسة حديثة نشرها موقع Frontiers in Sustainable Cities. في الواقع، تحل الآن الأجيال الأحدث من هذه الأنظمة محل الجدران الستارية التقليدية في العديد من المباني. وتُظهر بعض المشاريع المتميزة في أوروبا أن هذه التركيبات الحديثة تولد حوالي 120 كيلوواط ساعة لكل متر مربع سنويًا في المباني المكتبية. ولوضع هذا الرقم في سياقه، يمكن لهذا الكم من الطاقة أن يغطي نحو 35 بالمائة من احتياجات معظم المباني من التدفئة وتكييف الهواء والتهوية.
يوفر الزجاج الكهروضوئي الحديث مزايا ثلاثية الأبعاد:
: 2025 مراجعات الطاقة المتجددة أظهرت التحليلات أن تعديلات أنظمة الألواح الشمسية المدمجة في المباني (BIPV) في المكاتب الحضرية تحقق عائد استثمار أسرع بنسبة 19٪ مقارنةً بالصفائف الشمسية المنفصلة، وذلك بفضل فوائد استبدال المواد. كما تساهم هذه التكنولوجيا في تخفيف تأثير جزيرة الحرارة الحضرية، حيث أظهرت واجهات مدمجة بالخلايا الشمسية خفضًا في درجة حرارة السطح تتراوح بين 3 إلى 5 درجات مئوية مقارنةً بالزجاج التقليدي في ظروف الصيف.
تتضمن واجهات الزجاج الكهربائي شبه الشفافة (BIPV) إما خلايا شمسية متباعدة أو طبقات رقيقة من الفيلم، مما يسمح بعبور ما يقارب 15 إلى 40 بالمئة من الضوء المرئي مع الاستمرار في إنتاج الكهرباء. تحل هذه الميزة ما يواجهه العديد من المهندسين المعماريين من تحديات أثناء تصميم المكاتب، ألا وهو كيفية الحفاظ على كمية كافية من الإضاءة الطبيعية دون السماح بارتفاع درجة الحرارة داخل المبنى. نشرت دراسة العام الماضي في مجلة علوم المواد حول هذه الوحدات (STPV) مع زجاج عازل هواءً، ووجدت أن معامل اكتساب الحرارة الشمسية (SHGC) يتراوح بين 0.28 و 0.35، وهو ما يمثل تحسنًا بنسبة 42 بالمئة مقارنةً بنوافذ الزجاج المزدوج العادية. وفي الوقت نفسه، تستطيع هذه الواجهات إنتاج ما بين 80 إلى 120 واط لكل متر مربع. عندما يُجري المهندسون المعماريون تعديلًا على كثافة الخلايا في أجزاء مختلفة من الغلاف الخارجي للمبنى، يمكنهم إنشاء أنماط إضاءة مثيرة للاهتمام تلبي متطلبات المعيار EN 17037 لإضاءة النهار في المناطق القريبة من حواف المباني، تمتد حتى ستة أمتار من الجدران الخارجية.
تُحقق أنظمة STPV الحديثة التوازن الأمثل من خلال ثلاثة معايير رئيسية:
تُظهر أنظمة STPV المُعدَّلة ذات الطبقات الوسيطة كهروكرومية تقليلًا بنسبة 68% في استخدام الستائر مقارنةً بالحلول الثابتة، وفقًا لتجربة ميدانية أوروبية استمرت 12 شهرًا في 15 مبنى مكتبي.
تتضمن مؤشرات الأداء لأنظمة واجهات STPV الآن الجمع بين إنتاج الطاقة مع مؤشرات تركز على راحة المستخدمين:
| المتر | معيار المقارنة | أداة القياس |
|---|---|---|
| الاستقلالية بالضوء النهاري (DA) | ≥50% في 75% من مساحة الأرضية | محاكاة تعتمد على الإشعاع |
| نسبة التوحيد | 0.4–0.7 | عدادات لوكس على ارتفاع 0.8 متر |
| استقرار إخراج الألواح الشمسية | <15% تباين عبر الفصول | ميكرو إنفرترات ممكّنة من إنترنت الأشياء |
دراسة عام 2024 بحث في طاقة البناء ورقة بحثية توضح كيف تحقق واجهات المباني المكتبية المزودة بواجهات STPV مُحسَّنة أكثر من 32٪ في استقلالية الإضاءة الطبيعية مقارنة بالزجاج التقليدي، مع الحفاظ على 85٪ من قدرة توليد الطاقة الخاصة بالواجهات شبه الشفافة (BIPV) من خلال تعديل ذكي لنسبة النوافذ إلى الجدران (WWR).
عند الحديث عن واجهات الزجاج الكهروضوئية المتكاملة مع المباني (BIPV)، فإن كفاءة تحويل الطاقة الشمسية فيها تصل عادةً إلى ما بين 12 و18 بالمائة عند تركيبها بشكل عمودي، وهذه نسبة أقل مقارنة بأنظمة الألواح الشمسية على الأسطح التي تتراوح كفاءتها عادةً بين 15 و22 بالمائة. لماذا هذا الفرق؟ يعود ذلك بشكل أساسي إلى أن الأسطح الرأسية لا تتلقى ضوء الشمس بنفس الزاوية التي تتلقاها الأسطح الأفقية. لكن هناك أمل! إذ يمكن لوحدات الألواح الشمسية ثنائية الوجه (Bifacial) أن تستعيد ما يقارب 19 بالمائة من الكفاءة المفقودة عبر التقاطها للضوء المنعكس عن المباني المحيطة. والأمر يتحسن أكثر في الآونة الأخيرة بفضل التطورات في تقنية الأغشية الرقيقة من تيلوريد الكادميوم. هذه التطورات الجديدة تعني أن التركيبات الرأسية تنتج الآن حوالي 84 بالمائة مما تنتجه الألواح المركّنة بزاوية مثالية في البيئات الحضرية. إنها تقدّم ملحوظة للغاية مقارنة بما كنا عليه قبل بضع سنوات فقط.
تُنتج واجهات BIPV التي تواجه الجنوب عادةً حوالي 14% أكثر من الطاقة سنويًا مقارنةً بتلك المُوجَّهة شرقًا أو غربًا في أوروبا الوسطى. ومع ذلك، فإن العديد من المباني الحديثة تدمج الآن الألواح في عدة اتجاهات لتساعد في تسوية تقلبات إنتاج الطاقة اليومية. من المهم جدًا أيضًا التخطيط الجيد للتظليل منذ البداية، إذ يمكن أن يؤدي التخطيط السيء إلى خسارة ما يقارب 30% من الإنتاج المحتمل. فكّر في الأمر بهذه الطريقة: قد تقلل المباني المجاورة وحدها من إنتاج الطاقة الشمسية بنسبة تتراوح بين 18 إلى 24% في المناطق الحضرية المزدحمة. وفيما يتعلق بتحمل ظروف الطقس المختلفة، فإن زجاج BIPV يتميز أيضًا. تستمر هذه الألواح في العمل بكفاءة تصل إلى 80% حتى عندما تنخفض الشمس إلى 200 واط لكل متر مربع، وهو ما يتفوق على الألواح السليكونية العادية التي تتراوح كفاءتها عادةً بين 65 و70% في ظروف الإضاءة المنخفضة المشابهة.
أظهرت أبحاث أجريت في عام 2024 شملت 47 مبنى مكتبي في أوروبا مزودة بواجهات BIPV أن هذه المباني تولّدت ما معدله حوالي 120 كيلوواط ساعة لكل متر مربع سنويًا. ومع ذلك، تفاوتت الأرقام بشكل ملحوظ - فالمباني في شمال سكاندينافيا لم تحقق سوى حوالي 85 كيلوواط ساعة/م²، بينما وصلت المباني في جنوب البحر الأبيض المتوسط إلى نحو 158 كيلوواط ساعة/م². وفي حرم هايتكن بمقاطعة آيندهوفن، حقق المهندسون أيضًا نتائج مذهلة، حيث ولّدت تركيبتهم 1,630 كيلوواط ساعة من الطاقة التيار المتردد من مجرد 44 وحدة واجهة خلال خمسة أشهر فقط. ويُظهر هذا النجاح السبب وراء الفرق الكبير الذي تحدثه التهوية المناسبة بين الوحدات من أجل إنتاج طاقة مستقر. وبحسب الاتجاهات الحالية، فإن ما يقارب 38% من جميع التركيبات الجديدة تستخدم الآن وحدات ثنائية الوجه. ويُعد موقع الاختبار في روسكيلدي، الدنمارك، دليلاً ملموسًا على هذه الفائدة. فقد سجلت أنظمة BIPV ذات التهوية نسب أداء بلغت 0.92 مقابل 0.85 فقط لأنظمة مشابهة بدون تهوية.
يواجه المهندسون المعماريون تحديًا حقيقيًا في تصميم واجهات الزجاج المُنتِجة للطاقة في المباني، حيث يسعون لتحقيق التوازن الأمثل بين السماح بدخول كمية كافية من الإضاءة الطبيعية وتوليد كهرباء كافية. وفقًا للبحث المنشور في مجلة Nature السنة الماضية، فإن المباني التي تتميز بنسبة شفافية أعلى تتراوح بين 30 إلى 50 بالمئة في المساحات المكتبية، تحصل بالتأكيد على إضاءة طبيعية أفضل لكنها تفقد حوالي 15 إلى 25 بالمئة من كفاءة الألواح الشمسية مقارنة بالألواح الصلبة التقليدية. ومع ذلك، ظهرت بعض النتائج المثيرة من دراسة نموذجية مُعدَّلة نُشرت في 2023. اكتشف الباحثون أن تعديل تصميم الواجهات يمكن أن يقلل فجوة الكفاءة هذه بنسبة تصل إلى 27 بالمئة تقريبًا. توصلوا إلى ذلك من خلال ترتيب الألواح بشكل استراتيجي يأخذ في الاعتبار كيفية تغير ضوء الشمس عبر الفصول المختلفة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على إضاءة موحدة داخل المساحات الداخلية.
تدمج الحلول الناشئة زجاجًا كهروكروميًا مع خلايا فوتوفولطية دقيقة قابلة للتتبع تُعدّل درجة الشفافية (نطاق 10–70%) وزاوية الميل (±15°) استجابةً لأنماط الطقس والاحتلال في الوقت الفعلي. وبحسب اختبارات نموذج أولي في بيئات مكتبية نوردية، تحافظ هذه الأنظمة على 80% من إنتاج الطاقة الأساسي، بينما تضاعف استقلالية الإضاءة الطبيعية في المناخات الغائمة.
بينما تُنتج واجهات المكاتب الأوروبية ذات الشفافية 40% ما معدله 120 كيلوواط ساعة/م²/سنة - وهو ما يغطي 30–35% من متطلبات الطاقة للمبنى - تُنتج الوحدات غير الشفافة بالكامل 190 كيلوواط ساعة/م²/سنة. ومع ذلك، تسمح الطلاءات البصرية المتقدمة الآن للوحدات ذات الشفافية 60% بتحقيق 85% من إنتاج الألواح غير الشفافة، مما يقلص الفجوة بين الطموحات الجمالية والأهداف الصفرية للطاقة.
عندما تُدمج واجهات الزجاج الشمسية الكهروضوئية مع أنظمة الواجهات المزدوجة، فإنها تشكل شراكة تُحسّن فعلاً كمية الطاقة المنتجة وكيفية تعامل المباني مع الحرارة والضوء. يعمل الفراغ الموجود بين الطبقةين الزجاجيتين في هذه الواجهات المزدوجة كعازل، ويقلل من تراكم الحرارة في الألواح الشمسية بنسبة تتراوح بين 6 إلى 25 في المئة، اعتماداً على موقع المبنى. تعني الألواح الأقل سخونة إنتاجاً كهربائياً أفضل أيضاً، حيث يمكن أن يزيد كل انخفاض بمقدار 10 درجات مئوية في درجة الحرارة من الكفاءة بنسبة 1 إلى 2 في المئة. وجدت دراسة حديثة أُجريت في عام 2024 حول أداء المواد أنه في المناخات المعتدلة، تنتج المباني التي تحتوي على هذا النظام المدمج طاقة تزيد بنسبة 12 إلى 18 في المئة على مدار السنة مقارنة بأنظمة BIPV التقليدية وحدها. بالنسبة للمصممين الراغبين في الحفاظ على مظهر المباني الحديث والنقي، فإن هذا الترتيب يمنحهم أيضاً مساحة إضافية خلف الزجاج تُسهّل الصيانة وتُساعِد في التحكم بتدفق الهواء داخل المبنى.
تستخدم أنظمة BIPV-DSF الحديثة استراتيجيات تهوية هجينة قابلة للتكيف لتحقيق التوازن بين اكتساب الحرارة الشمسية والراحة الداخلية. كشف تحليل أجري في عام 2023 على أبراج المكاتب في مدينة هويفي بالصين أن إدارة تدفق الهواء الديناميكية في أنظمة BIPV-DSF خفضت متطلبات التبريد بنسبة 52.2% سنويًا مقارنة بالبدائل ذات الجلد الواحد. من بين الابتكارات الرئيسية:
تُظهر الدراسات أن هذه الأنظمة تقلل شدة استهلاك الطاقة (EUI) بحوالي 28 إلى 34 كيلوواط ساعة لكل متر مربع سنويًا في مباني المكاتب متوسطة الارتفاع وفقًا لمعايير المباني الذكية في الاتحاد الأوروبي لعام 2025. لا تزال هناك بعض التحديات المتعلقة بتحقيق معدلات تهوية مناسبة لمختلف درجات حرارة الألواح. لكن الظروف تتحسن بفضل خوارزميات التحكم التنبؤية الجديدة التي تتيح للمباني إجراء تعديلات فورية. مما يعني راحة أفضل للأشخاص الموجودين داخل المبنى، وفي نفس الوقت تحقيق أقصى إنتاج ممكن للطاقة.
تُستخدم واجهات الزجاج الكهربائي BIPV لأغراض جمالية وأيضًا لتوليد الطاقة في المباني. فهي تدمج خلايا الطاقة الشمسية الكهروضوئية في مواد البناء، حيث توفر الكهرباء مع الحفاظ على تصميم جذاب بصريًا.
عادةً ما تتميز واجهات الأنظمة الكهروضوئية المتكاملة مع المباني (BIPV) بكفاءة تحويل شمسي تتراوح بين 12 إلى 16 بالمائة عند تركيبها بشكل عمودي، وهي نسبة أقل من كفاءة الألواح الشمسية التقليدية المركبة على الأسطح. ومع ذلك، ساهمت التطورات مثل الوحدات ثنائية الوجه والمواد المحسّنة بشكل كبير في تحسين كفاءتها.
تساهم واجهات الأنظمة الكهروضوئية المتكاملة مع المباني (BIPV) في الاستدامة الحضرية من خلال تقليل الاعتماد على شبكات الطاقة، وتقليل الانبعاثات الكربونية، وتوفير تنظيم حراري أفضل. كما أنها تخفف من تأثيرات جزيرة الحرارة الحضرية وتوفر عائدًا أسرع على الاستثمار مقارنة بالمصفوفات الشمسية المنفصلة.
تحسّن الوحدات شبه الشفافة لأنظمة BIPV من استغلال الإضاءة الطبيعية من خلال السماح بمرور نسبة معينة من الضوء المرئي في حين تولّد الكهرباء. من خلال ضبط كثافة الخلايا الشمسية، يمكن للمهندسين المعماريين تحقيق توازن مثالي بين الإضاءة الطبيعية والراحة البصرية داخل المباني.
نعم، تتأثر واجهات BIPV بالتغيرات الجوية، مما قد يؤثر على إنتاجها من الطاقة. وعلى الرغم من ذلك، فإنها عادة ما تؤدي أداءً أفضل من الألواح السليكونية التقليدية في ظروف الإضاءة المنخفضة.
Hot News2025-02-25
2024-11-27
2024-12-17
EN
