كيف يعمل زجاج TPV في المباني الحقيقية؟ فهم تقنية الخلايا الكهروضوئية الشفافة للتطبيقات اليومية

الزجاج الكهروضوئي الشفاف (TPV) مادة بناء تولد الكهرباء مع السماح بمرور الضوء الطبيعي. على عكس الألواح الشمسية التقليدية التي تتطلب مساحة تركيب مخصصة وتحجب الرؤية، يعمل الزجاج الكهروضوئي الشفاف كعنصر زجاجي هيكلي ومولد للطاقة في آن واحد . هذا يعني أن النوافذ والواجهات والمناور يمكنها إنتاج الطاقة دون المساس بمظهر المبنى أو راحة سكانه. تحل هذه التقنية مشكلة قائمة منذ اختراع الألواح الشمسية: كيفية استغلال الطاقة الشمسية على الأسطح التي ينظر الناس من خلالها ويعيشون خلفها.

تكمن أهمية الزجاج الكهروضوئي الحراري (TPV) اليوم في بساطة الأمر ، فالمباني الحضرية تمتلك مساحة سطحية زجاجية رأسية أكبر بكثير من مساحة الأسطح المتاحة . في المدن المكتظة حيث تعج الأسطح بمعدات التكييف والتهوية أو يتشاركها العديد من المستأجرين، تصبح الواجهة الموقع الوحيد المناسب لدمج الطاقة الشمسية. يتيح الزجاج الكهروضوئي الحراري ذلك دون تحويل المباني إلى صناديق مظلمة.

كفاءة توليد الطاقة الشمسية باستخدام زجاج TPV - الأداء المتوقع ومتى يكون كافياً

نطاق الكفاءة الواقعي مقارنة بالألواح الشمسية التقليدية

يحوّل الزجاج الكهروضوئي الحراري عادةً ما بين 6% و12% من الطاقة الشمسية إلى كهرباء، وهي نسبة أقل بكثير من كفاءة الألواح الشمسية التقليدية المثبتة على أسطح المباني، والتي تتراوح بين 18% و22%. إلا أن هذا الفارق في الكفاءة لا يمنع استخدام الزجاج الكهروضوئي الحراري في التطبيقات العملية، لأن المساحة السطحية المتاحة على واجهات المباني ونوافذها غالبًا ما تتجاوز مساحة أسطح المباني بعدة أضعاف، لا سيما في المباني التجارية متعددة الطوابق أو الأبراج الشاهقة. فعلى سبيل المثال، قد لا تتجاوز مساحة السطح القابلة للاستخدام في برج مكاتب مكون من 20 طابقًا 1000 متر مربع، بينما تتجاوز مساحة الزجاج المواجه للجنوب 8000 متر مربع. وحتى مع انخفاض الكفاءة إلى النصف، يمكن أن يتجاوز إجمالي الطاقة المنتجة ما توفره منظومة الألواح الشمسية المثبتة على السطح.

العوامل التي تحدد أداء زجاج TPV في التطبيقات الحقيقية

تتحكم ثلاثة عوامل مادية وبيئية في كمية الطاقة التي ينتجها زجاج TPV فعليًا بعد تركيبه. أولها المفاضلة بين الشفافية والشفافية : فزجاج TPV ذو نسبة نفاذية للضوء المرئي تبلغ 40% يُنتج كهرباء أقل من الزجاج ذي نسبة نفاذية 10%، لأن عددًا أكبر من الفوتونات يمر عبره بدلًا من امتصاصه. يتراوح النطاق النموذجي لنسبة نفاذية الضوء المرئي بين 10% و40%، ويتعين على المهندسين المعماريين الاختيار بناءً على ما إذا كانت الإضاءة الطبيعية أو إنتاج الطاقة هما الأولوية لكل سطح.

ثانيًا، اتجاه الواجهة وزاوية التركيب . تتلقى الواجهات الرأسية إشعاعًا شمسيًا مباشرًا أقل من الألواح الشمسية المائلة على أسطح المباني، لا سيما في خطوط العرض العليا. فعلى سبيل المثال، ستكون أداء الواجهة المواجهة للجنوب في برلين أقل مقارنةً بنفس الزجاج المثبت بزاوية ميل 30 درجة، بينما في المناطق الاستوائية، يكون أداء الأسطح الرأسية أقرب بكثير إلى الأسطح المائلة. وهذا ما يجعل الموقع الجغرافي عاملًا حاسمًا في عملية التصميم.

ثالثًا، الانتقائية الطيفية ، وهي قدرة زجاج TPV على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء مع نفاذ الضوء المرئي. يعمل زجاج TPV عالي الأداء على زيادة امتصاص الطاقة في نطاقات الطيف غير المرئي، مما يتيح استخدام نطاق الضوء المرئي للإضاءة الطبيعية. ويعكس رقم الكفاءة المذكور في ورقة المواصفات مدى كفاءة المادة في تحقيق هذا الفصل.

عندما تكون كفاءة زجاج TPV "جيدة بما فيه الكفاية"

يُعدّ الزجاج الكهروضوئي الحراري خيارًا مناسبًا عندما تتجاوز مساحة سطح المبنى المساحة المتاحة على السطح، وعندما لا يمكن التضحية بالإضاءة الطبيعية والجماليات، وعندما تتطلب أهداف صافي الطاقة الصفرية الاستفادة القصوى من جميع أسطح توليد الطاقة المتاحة، أو عندما تُلزم قوانين البناء المحلية بدمج مصادر الطاقة المتجددة دون التأثير على المنظر العام. في هذه الحالات، تُعتبر الكفاءة المتوسطة على مساحات واسعة أفضل وظيفيًا من الكفاءة العالية في مساحات محدودة .

لا يُعد زجاج TPV كافيًا عندما تكون كثافة الطاقة القصوى لكل متر مربع أمرًا بالغ الأهمية - كما هو الحال في التركيبات البعيدة ذات المساحة السطحية المحدودة - أو عندما تكون التكلفة لكل واط هي عامل القرار الأساسي، حيث أن زجاج TPV يحمل حاليًا تكلفة أولية أعلى من الألواح الكهروضوئية التقليدية.

الاستقرار والتكامل المعماري - كيف يعمل زجاج TPV كمكون هيكلي للمبنى

زجاج TPV ليس مجرد طبقة رقيقة تُضاف إلى النوافذ الموجودة؛ بل هو منتج زجاجي مُرقّق مُصمّم ليُلبي نفس معايير السلامة والخصائص الهيكلية والحرارية للزجاج المعماري التقليدي . تُدمج الطبقة الكهروضوئية بين ألواح الزجاج أثناء التصنيع، مما يعني أنه يجب أن يجتاز اختبارات مقاومة الصدمات، وحسابات أحمال الرياح، وشهادات دورات التبريد والتدفئة قبل اعتماده للاستخدام في أغلفة المباني.

تشمل خصائص المواد المهمة للتكامل المعماري: السماكة (عادةً من 6 إلى 12 مم لكل لوح في الوحدات المعزولة)، والوزن (مماثل للوحدات ذات الزجاج المزدوج، حوالي 25-30 كجم للمتر المربع)، والأداء الحراري (قيم U تتراوح بين 1.0 و1.4 واط/م²ك، اعتمادًا على الطلاء وحشو الغاز). تحدد هذه المواصفات ما إذا كان زجاج TPV يمكن أن يحل محل زجاج الجدران الستائرية القياسي مباشرةً أم يتطلب تعديلًا هيكليًا. في معظم الحالات، يمكن لأنظمة إطارات الألمنيوم الحالية استيعاب زجاج TPV دون إعادة تصميم، طالما أن قدرة تحمل الأحمال تتناسب مع الزيادة في الوزن.

يكمن التحدي العملي في دمج زجاج TPV في تصميم المباني في التنسيق الكهربائي. إذ يُولّد كل لوح زجاجي طاقة تيار مستمر يجب إدارتها عبر محولات كهربائية وتوصيلها بالنظام الكهربائي للمبنى. ويتطلب ذلك تنسيقًا مبكرًا بين المهندسين المعماريين ومهندسي الكهرباء ومقاولي الواجهات، ويفضل أن يكون ذلك خلال مرحلة التصميم التخطيطي، وليس خلال مرحلة إعداد وثائق البناء. غالبًا ما تواجه المشاريع التي تتعامل مع زجاج TPV كمكون "إضافي" في المراحل المتأخرة من التصميم تكاليف إعادة عمل باهظة عندما تتعارض مسارات المواسير ومواقع المحولات مع الأنظمة الإنشائية أو الميكانيكية والكهربائية والصحية.

بالنسبة للفرق التي تواجه تحديات التنسيق هذه، توفر منصات مثل Foundite سير عمل لإدارة المشاريع مصمم خصيصًا لتكامل التخصصات المتعددة، مما يساعد الفرق على مواءمة جداول أعمال الواجهات والكهرباء والهيكل قبل ظهور أي تعارضات. عمليًا، تم اعتماد هذا النوع من أدوات العمل في المباني الزجاجية الكهروضوئية الشفافة واسعة النطاق، حيث أن أي تأخير في التنسيق قد يؤدي إلى تمديد الجداول الزمنية لأشهر.

كيف تبدو تطبيقات زجاج TPV اليوم

تندرج تطبيقات الزجاج الكهروضوئي الحراري الحالية ضمن ثلاث فئات: واجهات المكاتب التجارية، والباحات الداخلية للمؤسسات، وبنية النقل التحتية . تستخدم أبراج المكاتب الزجاج الكهروضوئي الحراري في الألواح الجدارية والزجاج الشفاف حيث يكون توليد الطاقة أهم من الإضاءة الطبيعية. أما الباحات الداخلية وأنظمة المناور فتستخدم زجاجًا عالي النفاذية الضوئية للحفاظ على الإضاءة الداخلية مع الاستفادة من الطاقة الشمسية الساقطة. وتُركّب مراكز النقل - كالمطارات ومحطات القطارات - الزجاج الكهروضوئي الحراري على أسطحها الواسعة حيث تبرر وظيفتها المزدوجة المتمثلة في الحماية من العوامل الجوية وتوليد الطاقة تكلفة المواد.

لا تزال هذه التقنية غير شائعة في مجال البناء السكني، ويعود ذلك أساسًا إلى حساسية التكلفة وانخفاض المساحة الإجمالية لكل مبنى. فنادرًا ما تحتوي المنازل العائلية على مساحة زجاجية رأسية كافية لتبرير الاستثمار، كما أن فترة استرداد التكلفة تتجاوز ما يعتبره معظم أصحاب المنازل مقبولًا.

يُعتبر استخدام الطاقة الشمسية على أسطح المباني خيارًا اقتصاديًا مناسبًا عادةً عندما تتجاوز مساحة الزجاج في المشروع 2000 متر مربع، ويهدف إلى تحقيق صافي انبعاثات صفرية أو الحصول على شهادة LEED البلاتينية، ويكون المالك على استعداد لقبول فترة استرداد تتراوح بين 12 و15 عامًا. أما إذا كانت المساحة أقل من ذلك، فإن استخدام الطاقة الشمسية التقليدية على أسطح المباني مع الزجاج القياسي يظل الخيار الأكثر اقتصادية.

باختصار: يُعدّ الزجاج الكهروضوئي الحراري (TPV) الخيار الأمثل عندما تكون أسطح المباني وفيرة، والجماليات والإضاءة الطبيعية من الأولويات الأساسية، وتتطلب أهداف الطاقة استغلال كل متر مربع متاح. إنه ليس بديلاً عن الطاقة الشمسية على أسطح المباني، بل استراتيجية مكملة لها، خاصةً في المباني التي لا تكفي أسطحها وحدها لتلبية احتياجاتها.