ما الميزات التي تضمن كفاءة تحويل عالية لزجاج الألواح الشمسية للاستخدام في الهواء الطلق؟

الوضوح البصري والسلامة الإنشائية: زجاج الألواح الشمسية المُقَسَّى منخفض الحديد

كيف يحسِّن الزجاج منخفض الحديد انتقال الضوء (٩١–٩٤٪)

يُصنَع الزجاج المستخدم في الألواح الشمسية القياسية باستخدام أكاسيد الحديد، ما يمنح الزجاج لونًا أخضرَ ويؤدي إلى امتصاص جزء من أشعة الشمس. ويبلغ مقدار الضوء المرئي الذي يمتصه هذا الزجاج نحو ١٥٪. أما عند استخدام الزجاج المنخفض الحديد، فيتم خفض محتوى الحديد فيه إلى أقل من ٠٫٠١٪، فيتحسَّن امتصاص الضوء المرئي ليصل إلى ٩١–٩٤٪. وهذه القفزة البالغة من ٦ إلى ٩٪ تُعدُّ ذات أهمية كبيرة في إنتاج الطاقة. وقد أثبتت الدراسات أن الألواح قادرة على إنتاج طاقة إضافية تتراوح بين ٠٫٥ و٠٫٨٪ لكل ١٪ تحسُّن في نفاذية الضوء. فما الذي يجعل هذه الألواح أكثر وضوحًا؟ إن رمل الكوارتز المستخدم في التصنيع يخضع لمعالجة خاصة لإزالة الشوائب التي تسبِّب ظهور ألوان قوس قزح (ديسكو)، والتي قد تؤثر سلبًا في كفاءة الألواح. وتتميَّز ألواح الزجاج المنخفض الحديد والعالي النفاذية بمزايا أداء واضحة، حيث تلتقط كل فوتون متاح. ولذلك يرى العديد من الخبراء أن الزجاج المنخفض الحديد شرطٌ أساسي لتحقيق الأداء الأمثل.

مزايا الزجاج المقسَّى: مقاومة الصدمات، الاستقرار الحراري، والسلامة

يتم إنتاج زجاج الألواح الشمسية المُعالَج حراريًّا عبر عملية تشمل تسخين الزجاج إلى درجة حرارة تبلغ حوالي ٦٢٠ درجة مئوية، ثم تبريده بطريقة خاضعة للرقابة. وتؤدي هذه العملية إلى توليد ضغط على سطح الزجاج، ما يجعله أقوى بحوالي أربعة أضعاف، ويسمح له بتحمل تأثير حبات البرد التي تصل سرعتها إلى ٩٠ كم/ساعة، مما يفوق المتطلبات المحددة في معايير الآي إي سي ٦١٢١٥. وفي اختبار ميداني أُجري العام الماضي، أظهرت الألواح المصنوعة من الزجاج المقسّى انخفاضًا بنسبة ٧٨٪ في عدد الألواح المكسورة مقارنةً بالألواح المصنوعة من الزجاج القياسي. كما ثبت أن الزجاج المقسّى قادرٌ على التحمّل في درجات الحرارة القصوى التي تتراوح بين -٤٠ و+٨٥ درجة مئوية، دون ظهور شقوق ناتجة عن الإجهاد الحراري. ويوفر هذا الزجاج أيضًا نتيجة أكثر أمانًا في حالة الكسر؛ ففي الحالة المؤسفة لكسر الزجاج، لا يتكوّن عند كسر الزجاج المقسّى شظايا حادة ومدببة كالزجاج العادي، بل يتحطّم إلى عدد كبير من القطع الصغيرة الأقل خطورةً على العمال الذين يقومون بتركيب الزجاج أو صيانته. ويُعد الزجاج المقسّى خيارًا ممتازًا للألواح الشمسية المعرّضة لظروف جوية قاسية ومتطرفة لفترات طويلة.

هندسة السطوح المتقدمة: طلاءات ذاتية التنظيف ومضادة للانعكاس لزجاج الألواح الشمسية

طلاءات مضادة للانعكاس مبنية على النانو: نفاذية تزيد عن ٩٦٪ لجميع أطوال الموجات في الطيف الضوئي الكهروضوئي

الطلاءات المضادة للانعكاس هي ظاهرة تتعلق باستخدام طبقة مضادة للانعكاس (AR) لتقليل الانعكاسات الاستثنائية الناتجة عن زجاج الألواح الشمسية، وتستند هذه الظاهرة إلى مبدأ التداخل الهدّام. وقد صُمِّمت هياكل هذه الطبقات المضادة للانعكاس النانوية على شكل بلورات ضوئية أو زجاج نانوي لتوجيه وزيادة كمية الإشعاع الشمسي الواصلة إلى الخلايا الكهروضوئية الموجودة على الجانب الخلفي من الغطاء الزجاجي، ولزيادة كمية الإشعاع الشمسي التي تمر عبر الزجاج. ويمتد نطاق الإشعاع الشمسي ذي الأهمية في عملية التحويل الطاقي بواسطة الخلايا الكهروضوئية من ٣٠٠ إلى ١٢٠٠ نانومتر. ويُنعكس ما نسبته حوالي ٨٪ من الإشعاع الشمسي الساقط على الزجاج غير المعالَج، بينما ينعكس أقل من ٢٪ من الإشعاع الشمسي الساقط على الزجاج المُغطى بطبقات مضادة للانعكاس. كما تؤدي هذه الطبقات أيضًا إلى تحسينات ملحوظة في الأداء خلال فترات اليوم التي يكون فيها ارتفاع الألواح الشمسية منخفضًا عند الأفق، وذلك بسبب سقوط الإشعاع الشمسي بزاوية مائلة. الطلاءات الهجينة المكوَّنة من ثاني أكسيد التيتانيوم الضوئي التحفيزي (TiO₂) والمواد المحبة للماء تقلل خسائر التلوث (التراكم الغباري) بنسبة تتراوح بين ١٥٪ و٣٠٪.

تُصنع الأسطح ذاتية التنظيف عن طريق مزج ثاني أكسيد التيتانيوم الضوئي الحفّازي (TiO₂) مع طبقات تغليف شديدة الانجذاب للماء. وتسمح طبقات التغليف الشديدة الانجذاب للماء بانتشار الماء بالتساوي على السطح، وتحت تأثير ضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV)، يحفّز TiO₂ تحلل الملوثات العضوية. وتؤدي الآثار المتضافرة لهاتين الخاصيتين السطحيتين معًا إلى إزالة الملوثات. وتدعم دراسات صناعية أُجريت في عام 2023 أن هذا الطلاء ذا التأثير المزدوج يقلل من فقدان الكفاءة الناجم عن التراب بنسبة تتراوح بين ١٥٪ و٣٠٪ سنويًّا.

نوع الطلاء / الوظيفة / المكاسب في الأداء

مضاد للانعكاس / يقلل انعكاس الضوء إلى الحد الأدنى / نفاذية تزيد عن ٩٦٪

TiO₂ شديد الانجذاب للماء / يفكّك الرواسب ويُمكّن الغسل / خفض فقدان الكفاءة الناجم عن التراب بنسبة ١٥–٣٠٪

متانة الزجاج المستخدم في الألواح الشمسية تجاه الأشعة فوق البنفسجية ومقاومته للعوامل البيئية

أثناء عمر الألواح الشمسية التشغيلي، يحمي الزجاج الخلايا الشمسية من الإشعاع فوق البنفسجي ودرجات الحرارة القصوى والعوامل البيئية. أما الزجاج الذي لم يُصمَّم خصيصًا للاستخدام في الألواح الشمسية، فيصبح معتمًا بسبب التعرُّض للإشعاع فوق البنفسجي. كما يؤدي هذا التعرُّض إلى ظهور شقوق دقيقة في الزجاج. وتؤدي هذه الشقوق الدقيقة كل عام إلى خفض نفاذية الضوء عبر الزجاج بنسبة تقارب ٠٫٥٪. وقد أصبحت حديثًا منتجات الزجاج المقسّى المطورة ذات المحتوى المنخفض من الحديد والمُعطَّرة بأكسيد السيريوم موزَّعة بالكامل داخل الزجاج متاحةً في الأسواق. ويحافظ هذا النوع من الزجاج على نفاذية ضوئية تبلغ نحو ٩٢٪ طوال عمر اللوح الشمسي (٢٥ سنة). كما تعمل الطبقات الواقية في اللوح الشمسي بكفاءة قصوى طوال العمر التشغيلي للوح الشمسي.

تشمل مقاومة وحدات الزجاج للعوامل البيئية ميزات تتجاوز الحماية من الأشعة فوق البنفسجية، ومنها:

المقاومة للصدمات الحرارية: تتحمل المقاومة للصدمات الحرارية التغيرات في درجة الحرارة من -40 إلى +120 درجة مئوية دون أن تتشكل شقوق دقيقة.

حاجز الرطوبة: معدل انتقال بخار الماء (WVTR) أقل من 0.01 غرام/م²/يوم، مما يمنع حدوث التآكل الغلفاني للسبائك المدمجة داخل الزجاج.

التأثير الناتج عن حبات البرد: وحدات الزجاج معتمدة وفق معيار IEC 61215 لتحمل حبات البرد بقطر ٢٥ مم عند ارتطامها بالزجاج بسرعة ٢٣ م/ث

يضمن تصميم الوحدات أن تكون نسبة فقدان القدرة أقل من 0.3% سنويًّا. وبالتالي، فإن من المعروف أنه بعد مرور 30 عامًا، ستظل غالبية الوحدات (حتى تلك المُركَّبة في أكثر المواقع صعوبة، مثل الصحاري أو المناطق القريبة من مياه البحر المالحة أو المدن الساحلية) تعمل بكفاءة، وستحتفظ بما لا يقل عن 85% من إنتاجها الابتدائي للطاقة. وما كان يُشار إليه سابقًا من قِبل المصنِّعين باسم «حماية الزجاج» قد تطور اليوم ليشمل ميزات أكثر تقدمًا في وحدات الطاقة الشمسية، مثل تحسين أداء النظام وزيادة عمره الافتراضي.

أسئلة شائعة

ما أهمية الزجاج منخفض الحديد في الألواح الشمسية؟

لأن الزجاج منخفض الحديد يمتلك نسبة أعلى لانتقال الضوء المرئي، فضلاً عن كفاءة أعلى في إنتاج الطاقة الشمسية مقارنةً بالزجاج العادي.

ما هي المزايا التي يوفّرها الزجاج المقسّى في الألواح الشمسية؟

لأن الزجاج المقسّى أقوى بكثير من الزجاج العادي، فإن مقاومته للحرارة والصدمات ومقاومة التكسّر تُوفّر درجة أعلى من السلامة وتمديد فترة استخدام الألواح الشمسية. ما الغرض من الطلاء المانع للانعكاس على الألواح الشمسية؟
الغرض من الطلاء المانع للانعكاس هو زيادة كفاءة الألواح الشمسية عبر تقليل كمية ضوء الشمس المنعكسة بعيداً عن الخلايا الكهروضوئية.

ما الغرض الذي يحققه ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) في الألواح الشمسية؟
يُقال إن ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) يتمتّع بخاصية التنظيف الذاتي، وهي ميزة مفيدة في الحد من الخسائر الناجمة عن التلوّث، وذلك بسبب تحلّل المواد العضوية التي تساعد في عملية تنظيف السطح بالماء.