الطاقة الشمسية

أبنية – خاص

إن الجمع بين توليد الطاقة الشمسية ومواد البناء سيمكن من تحقيق الاكتفاء الذاتي من الطاقة للمباني واسعة النطاق، وهو اتجاه تنموي واعد للمستقبل. تسعى العديد من التجارب والرؤى البحثية إلى تطبيق هذا المفهوم بأفضل شكل ممكن. تعتبر الطاقة الشمسية ثروة ضخمة، خاصة في بلادنا العربية. وعندما تنجح الهندسة والتصميمات ومجالات البناء في استثمارها، سيتم تحقيق خطوات كبيرة نحو استدامة الطاقة وحماية البيئة من التغيرات المناخية والاحتباس الحراري، بالإضافة إلى تقليل الانبعاثات الكربونية.

مفهوم الطاقة الشمسية

بحسب تعريف الهيئة العامة للأمم المتحدة لـ”الطاقة المتجددة”، تعتبر الطاقة الشمسية أكثر مصادر الطاقة وفرة، ويمكن حتى توليدها في الطقس الغائم. يفوق معدل استقبال الأرض للطاقة الشمسية بحوالي 10.000 مرة معدل استهلاك البشر للطاقة.

تستطيع تكنولوجيات الطاقة الشمسية توفير الحرارة، والتبريد، والإضاءة الطبيعية، والكهرباء، والوقود لمجموعة متنوعة من التطبيقات. وتعتمد هذه التكنولوجيا على تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية، إما من خلال الألواح الكهروضوئية، أو بواسطة المرايا التي تركز الإشعاع الشمسي.

 فوائد الطاقة الشمسية داخل الأبنية والمنازل

• تخفيض قيمة فواتير الكهرباء الشهرية: ستساهم الطاقة الشمسية في تقليل تكاليف استهلاك الطاقة المنزلية.
• زيادة قيمة عقارك: يضيف وجود نظام الطاقة الشمسية قيمة إضافية إلى ممتلكاتك، مما يجعله استثمارًا جيدًا.
• توفير بيئة خالية من التلوث: الطاقة الشمسية تُعتبر مصدر طاقة نظيف يساعد في تقليل انبعاثات الكربون والتلوث البيئي.
• تدفئة وتبريد المنازل: يمكن استخدام الطاقة الشمسية في أنظمة التدفئة والتبريد، مما يزيد من راحة الساكنين.
• استبدال مصادر الطاقة غير المتجددة بمصدر طاقة متجدد وآمن: توفر الطاقة الشمسية بديلاً مستدامًا وآمنًا لمصادر الطاقة التقليدية.
• عدم الحاجة لصيانة متكررة وتكاليف صيانة مرتفعة: أنظمة الطاقة الشمسية تتطلب صيانة بسيطة، مما يقلل من التكاليف المرتبطة بها.
• تحضير طعام أكثر صحة: تتيح لك الأفران ومواقد الطهي التي تعمل بالطاقة الشمسية تحضير طعام صحي باستخدام تقنيات أكثر أمانًا.

تطبيقات تقليدية لاستغلال الطاقة الشمسية

السخانات الشمسية

تُعتبر السخانات الشمسية من أقدم تقنيات استخدام الطاقة الشمسية، حيث تم استخدامها قبل انتشار الأنظمة الشمسية الكهروضوئية. وقد زادت شعبيتها بشكل كبير نتيجة لارتفاع أسعار الألواح الشمسية في الماضي. تعتمد هذه السخانات على مبدأ استخدام الطاقة الشمسية لتسخين المياه للاستخدامات المنزلية. ويتم تسخين الماء من خلال الحرارة التي تلتقطها الأنابيب أو المجمع الحراري.

تتكون السخانات الشمسية من جزأين أساسيين: المجمع أو الأنابيب والخزان. تقوم الأنابيب أو المجمع بتسخين المياه، وبعد ذلك تُخزّن في خزان معزول جيدًا لمنع تسرب الحرارة.

الألواح الشمسية التقليدية

تنقسم ألواح الطاقة الشمسية إلى ثلاثة أنواع رئيسية بناءً على طريقة تصنيع الخلايا الشمسية المكونة للوحة. أولاً، الألواح الشمسية أحادية البلورة (Monocrystalline) التي تتميز بأعلى كفاءة في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية تصل إلى 22%، وأفضل أداء في ظروف الإضاءة المنخفضة، بالإضافة إلى أنها تدوم لفترة أطول وتحتاج إلى مساحة أقل لتركيب نفس المقدار من الطاقة. ومع ذلك، تعتبر الأعلى تكلفة بين الأنواع الأخرى وتكون أكثر حساسية للتظليل.

ثانيًا، الألواح الشمسية متعددة البلورات (Polycrystalline) تتمتع بتكلفة أقل مقارنة بالألواح أحادية البلورة، وتقدم أداءً جيدًا في معظم ظروف الإضاءة، وهي متوفرة على نطاق واسع. ومع ذلك، تصل كفاءتها إلى 18%، مما يتطلب مساحة أكبر لتركيب نفس المقدار من الطاقة، وهي أيضًا حساسة للتظليل.

أما النوع الثالث، الألواح الشمسية الرقيقة (Thin Film)، فهي أخف وزنًا وأكثر مرونة، وتعتبر أرخص تكلفة في التركيب. تعمل هذه الألواح بشكل جيد في درجات الحرارة العالية وأقل تأثرًا بالتظليل، لكن كفاءتها تصل إلى 13%، وتمتلك عمرًا افتراضيًا أقصر وتحتاج إلى مساحة أكبر لتركيب نفس المقدار من الطاقة.

تفعيل تطبيقات الطاقة الشمسية “حديثًا”

• مبنى سلبي للطاقة الشمسية

تتضمن الاعتبارات التصميمية الهندسية الأساسية عند إنشاء مبنى سلبي للطاقة الشمسية تصميم النوافذ والجدران والأرضيات بطريقة تسمح بجمع وتخزين وتوزيع الطاقة الشمسية على هيئة حرارة خلال فصل الشتاء، بالإضافة إلى منع دخول حرارة الشمس في فصل الصيف. يُعرف هذا الأسلوب باسم التصميم الشمسي السلبي أو التصميم المناخي، حيث يعتمد على الاستفادة من الظروف البيئية المحيطة دون الحاجة لاستخدام أجهزة ميكانيكية أو كهربائية.

يكمن السر في تصميم مبنى سلبي للطاقة الشمسية في الاستفادة القصوى من المناخ المحلي المحيط بالمبنى. يمكن تطبيق تقنيات التصميم السلبي للطاقة الشمسية بسهولة على معظم المباني الجديدة، مما يعزز كفاءتها في استخدام الطاقة ويقلل من الاعتماد على المصادر التقليدية للطاقة. هذا النهج يسهم في تحقيق استدامة أكبر ويعزز راحة السكان داخل المبنى.

• تطوير الخلايا الشمسية شبه شفافة

تم تطوير خلايا شمسية شبه شفافة مصنوعة من البيروفسكايت، حيث بلغت كفاءة التحويل 17% مع السماح بمرور 10% من الضوء المرئي. بالمقارنة، تعمل خلايا السيليكون غير الشفافة الموجودة على الأسطح بكفاءة تقارب 20%. كما عمل الفريق على تطوير تركيبات جديدة باستخدام مزيج من السيزيوم والفورماميدينيوم، مما أدى إلى تحقيق كفاءة تحويل قدرها 15.5% و4.1%، مع نفاذية مرئية بلغت 20.7% و52.4% على التوالي. ورغم أن كفاءة تحويل الكهرباء لهذه المواد الجديدة كانت أقل من النتائج السابقة، إلا أن السماح بمرور نسبة كبيرة من الضوء المرئي يعزز من إمكان استخدامها وتطبيقها بشكل عملي.

• الطاقة الشمسية الشفافة

يمكن تحويل أي سطح شفاف إلى لوحة شمسية، مما يتيح تركيب الألواح الشمسية الشفافة في مجموعة متنوعة من الأماكن، بما في ذلك النوافذ والهواتف الذكية. تتمكن هذه الخلايا الشمسية من تجميع واستخدام الطاقة الضوئية عبر الأسطح الزجاجية، مما يفتح آفاقًا جديدة في استغلال الطاقة الشمسية.

قام الباحثون بتطوير تقنيات متعددة للطاقة الشمسية الشفافة، حيث يعتمد معظمها على استخدام مركزات شمسية شفافة مصممة لالتقاط أطوال موجية محددة من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء غير المرئية، وتحويلها إلى طاقة يمكن استخدامها لتشغيل الأجهزة الإلكترونية. تُعرف هذه التقنية أيضًا بالزجاج الكهروضوئي، التي تم اكتشافها أثناء البحث عن بدائل للألواح الشمسية التقليدية.

تأتي هذه التقنية بأشكال متنوعة، بدءًا من نوافذ المكاتب والمنازل، وفتحات سقف السيارات، وصولاً إلى الهواتف الذكية وبلاط الأسقف.

ختامًا، يبقى تعميم الطاقة الشمسية داخل الأبنية حُلمًا عالميًا، تُبذَل من أجله الجهود العلمية والتجريبية؛ لتحقيق استدامة في بناء لأجيال مستقبلية تواكب التقنية بمفهوم يساير الطب

أبنية – خاص

تعد الألواح الشمسية المتكاملة (BIPV) تقنية مبتكرة تدمج الخلايا الشمسية في مواد البناء، مثل الأسقف أو الواجهات، لتحويلها إلى مصدر طاقة متجددة، وتوفر هذه التقنية حلولًا جمالية وعملية دمج الطاقة الشمسية في المباني، مما يساهم في خفض فواتير الطاقة وتعزيز الاستدامة البيئية.

من الاختراع إلى المنازل

منذ اختراع أول لوح يعمل بالطاقة الشمسية عام 1954 على يد العلماء داريل تشابن وكالفن فيولر وجيرالد بيرسون، بدأت رحلة ثورية لتغيير مفهوم توليد الطاقة واستخدامها، فقد تمكنوا من صنع لوح كهروضوئي يحول طاقة الشمس النظيفة إلى طاقة كهربائية، ليُصبح قادرًا على تشغيل جهاز كهربائي لعدة ساعات خلال النهار.

ولم تقتصر ثورة الطاقة الشمسية على المختبرات، بل امتدت لتشمل المنازل. ففي عام 1973، بنت جامعة ديلاوير الأميركية أول منزل يعمل بالطاقة الشمسية، أطلق عليه اسم “سولار وان” (Solar One). ومنذ ذلك الحين، بدأت حقبة جديدة لاستخدام الطاقة الشمسية في المنازل، حيث تطورت الألواح الشمسية بشكل ملحوظ من حيث الكفاءة وأصبحت أرخص ثمنًا، مما مكّن العديد من العائلات من الاستفادة منها في إنارة منازلهم وتشغيل أدواتهم الكهربائية.

مزايا الألواح الشمسية

تدمج الألواح الشمسية المتكاملة بسلاسة في تصميم المبنى، مما يخلق مظهرًا متماسكًا وجذابًا، على عكس الألواح الشمسية التقليدية التي قد تعتبر غير مرغوبة من الناحية الجمالية. كما تقلل تكلفة تركيب نظام الطاقة الشمسية، حيث تدمج الوحدات مع مواد البناء الموجودة، مما يُلغي الحاجة إلى تركيبات إضافية. بالإضافة إلى ذلك، تسهم الألواح الشمسية في تقليل الانبعاثات الكربونية وتحسين جودة الهواء من خلال توليد طاقة نظيفة ومتجددة. وتتمتع الألواح الشمسية المتكاملة بعمر افتراضي طويل ومقاومة عالية للعوامل الجوية، مما يضمن أداءً موثوقًا على المدى الطويل، علاوة على ذلك تستخدم الألواح الشمسية في مختلف أنواع المباني، بما في ذلك المنازل السكنية والتجارية والمؤسسات التعليمية والمرافق الصناعية.

أنواع الألواح الشمسية

في مقدمة عصر جديد من الاستدامة والكفاءة، تشهد تطبيقات الطاقة الشمسية في المباني نقلة نوعية لم تعد تقتصر وظيفتها على توليد الطاقة من خلال الألواح المثبتة على الأسطح، بل باتت تدمج بسلاسة في مختلف مكونات المبنى، من السقف والواجهات إلى النوافذ، لتصبح عنصرًا معماريًا فاعلًا يُضفي جمالية فريدة على المبنى مع تعزيز وظائفه.

وتقدم الألواح الشمسية المتكاملة حلولًا مبتكرة لدمج الطاقة الشمسية في المباني، مما يتيح استغلال مساحات إضافية لتوليد الكهرباء من أشعة الشمس. كما تتميز هذه الألواح بتنوعها، حيث تتوفر بتصاميم وألوان مختلفة تتناسب مع مختلف أنماط العمارة، مما يُضفي لمسة جمالية على المبنى ويعزز من جاذبيته، وليس هذا فحسب، بل تسهم الألواح الشمسية الشفافة في إدخال الإضاءة الطبيعية إلى داخل المبنى، مما يقلل من الاعتماد على الإضاءة الاصطناعية ويوفر في استهلاك الطاقة. وعلى صعيد الاستدامة، تعدّ الألواح الشمسية المتكاملة عنصرًا هامًا في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، ممّا يُسهم في خفض الانبعاثات الكربونية وحماية البيئة. وبشكل عام، تقدم تطبيقات الألواح الشمسية المتكاملة في المباني فوائد جمة، تشمل الاستدامة البيئية، والكفاءة الطاقية، والجماليات، والإضاءة الطبيعية. فمن خلال الاستدامة البيئية يتم تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وحماية البيئة، وتساعد الكفاءة الطاقية في خفض فواتير الكهرباء وتحقيق وفورات اقتصادية، كما تعزز الجماليات المظهر الجمالي للمبنى وتوافقه مع مختلف أنماط العمارة.

التحديات والتكاليف

قد تكون تكلفة تركيب الألواح الشمسية المتكاملة أعلى من الألواح الشمسية التقليدية، لكنها توفر وفورات على المدى الطويل من خلال خفض فواتير الطاقة، بالإضافة إلى ذلك قد تكون كفاءة الألواح الشمسية المتكاملة أقل من الألواح الشمسية التقليدية، خاصة في ظل ظروف الإضاءة المنخفضة أو زوايا السقوط غير المثالية. كما يتطلب تصميم وتركيب الألواح الشمسية المتكاملة خبرة فنية متخصصة لضمان الأداء الأمثل والسلامة.

مستقبل الألواح الشمسية

مع تزايد الوعي بأهمية الاستدامة البيئية وتطوير تقنيات جديدة لخفض تكلفة الألواح الشمسية، تتوقع إمكانيات نمو هائلة لتقنية BIPV في المستقبل. وتعد الألواح الشمسية المتكاملة حلًا واعدًا لدمج الطاقة الشمسية في المباني الحديثة، مما يسهم في خلق بيئة أكثر استدامة وكفاءة في استخدام الطاقة.

أبنية – دبي

شهد سمو الشيخ أحمد بن سعيد آل مكتوم، رئيس المجلس الأعلى للطاقة في دبي، بحضور معالي سعيد محمد الطاير، العضو المنتدب الرئيس التنفيذي لهيئة كهرباء ومياه دبي، انجازاً جديداً للإمارة في مجال الطاقة النظيفة والمتجددة برفع وتركيب المُستقبِل الشمسي على أعلى برج شمسي في العالم، بارتفاع 262.44 متراً، في أكبر مشروع للطاقة الشمسية المركّزة على مستوى العالم ضمن المرحلة الرابعة من مجمع محمد بن راشد آل مكتوم للطاقة الشمسية، بقدرة 950 ميجاوات، وباستثمارات تصل إلى 15.78 مليار درهم وفق نظام المنتج المُستقِل.

وتفقّد سمو الشيخ أحمد بن سعيد آل مكتوم، يرافقه معالي سعيد محمد الطاير، تقدم سير الأعمال الإنشائية للمرحلة الرابعة، وذلك بحضور سعادة/ أحمد بطي المحيربي، الأمين العام للمجلس الأعلى للطاقة في دبي، والنواب التنفيذيين للرئيس في هيئة كهرباء ومياه دبي، وعدد من مسؤوليها.
واطلع سموه على تقدم الأعمال في المشروع من عبد الحميد سليمان المهيدب، المدير العام التنفيذي لشركة نور للطاقة -1 التي تضم كل من هيئة كهرباء ومياه دبي، وصندوق طريق الحرير المملوك للحكومة الصينية، وشركة “أكوا باور” السعودية.
وفي هذه المناسبة قال معالي سعيد محمد الطاير : ” نبارك لسيدي صاحب السمو الشيخ محمد بن راشد آل مكتوم، نائب رئيس الدولة رئيس مجلس الوزراء حاكم دبي، رعاه الله، هذا الإنجاز التاريخي لدبي والمتمثل برفع المستقبل الشمسي لأعلى برج شمسي في العالم، حيث وصل ارتفاع البرج إلى 262.44 متراً، ونسعى إلى زيادة هذا الإرتفاع ، وذلك في أكبر مشروع طاقة شمسية مركّزة في العالم، ضمن المرحلة الرابعة من مجمع محمد بن راشد آل مكتوم للطاقة الشمسية، وباستثمارات تصل إلى 15.78 مليار درهم ” .
وأضاف معاليه: “نعاهد صاحب السمو الشيخ محمد بن راشد آل مكتوم على مواصلة تنفيذ مشروعات الطاقة المتجددة والنظيفة؛ مسترشدين برؤية سموه وتوجيهاته السديدة لتحقيق أهداف استراتيجية دبي للطاقة النظيفة 2050 للوصول إلى إنتاج 75% من طاقة دبي من مصادر الطاقة النظيفة بحلول عام 2050”.
وأعرب معالي الطاير عن جزيل الشكر والعرفان لسمو الشيخ أحمد بن سعيد آل مكتوم لدعمه لهذا الإنجاز التاريخي الذي يأتي ضمن مشروع ضخم يعزز ريادة دولة الإمارات العربية المتحدة في مجال استخدام الطاقة النظيفة والمتجددة، ويؤكد مكانتها بين مصاف الدول ذات البصمة الإيجابية الواضحة في صنع مُستقبَل العالم بحلول ومبادرات صديقة للبيئة تدعم التنمية المستدامة.

وأكد العضو المنتدب الرئيس التنفيذي لهيئة كهرباء ومياه دبي على انسيابية واستمرارية الأعمال الإنشائية خلال الفترة الماضية لهذا المشروع الاستراتيجي وذلك على الرغم من الأوضاع الاستثنائية الراهنة الناجمة عن تفشي وباء كورونا المستجد عالمياً، حيث وصلت نسبة إنجاز وحدة برج الطاقة الشمسية المركّزة لنحو 60%، وتمت دون أي إصابات خلال فترة 18 شهراً. وجرى الانتهاء من الجزء الخرساني للبرج الشمسي على ارتفاع 222 متراً. وفي نفس الوقت تم إنشاء وتجميع المُستقبِل الشمسي لتجري عملية رفعه وتثبيته على رأس البرج في عملية إنشائية نوعية اكتملت اليوم.
من جهته، قال محمد أبونيان، رئيس مجلس إدارة “أكوا باور”: ” تفخر “أكوا باور” بالشراكة مع هيئة كهرباء ومياه دبي وصندوق طريق الحرير لدعم جهود تحويل استراتيجية دبي للطاقة النظيفة 2050 إلى واقع، حيث احتفلنا اليوم بإنجاز تاريخي جديد في مشروع نور للطاقة 1، أكبر مشروع للطاقة الشمسية المركزة في العالم. ولله الحمد تم رفع المستقبل الشمسي على البرج بتوقيت قياسي في عملية معمارية فريدة مع المحافظة على أعلى معاير الصحة والسلامة بالرغم من التحديات العديدة في مواجهة جائحة فيروس كورونا المستجد، وهذا يدل على التزام أكوا باور في مجال الطاقة الشمسية والجهود المبذولة في المنطقة للوصول إلى مستقبل طاقة نظيفة”.
يعتبر المستقبل الشمسي قلب المحطة وأهم جزء فيها حيث يتم فيه استقبال أشعة الشمس وتحويلها الى طاقة حرارية. فيما تم إنجاز ما نسبته 50% من الأعمال الكاملة للمرحلة الأولى للمشروع والمتضمنة لوحدة برج الطاقة الشمسية ووحدة عاكسات القطع المكافئ ووحدة الخلايا الكهروضوئية.
يشار إلى أن المرحلة الرابعة من مجمع محمد بن راشد آل مكتوم للطاقة الشمسية تُعد أكبر مشروع استثماري في موقع واحد على مستوى العالم يجمع بين تقنيتي الطاقة الشمسية المركّزة والطاقة الشمسية الكهروضوئية وفق نظام المُنتِج المستقل، وبقدرة تصل إلى 950 ميجاوات. وستعتمد هذه المرحلة على الطاقة الشمسية المركزة بقدرة 700 ميجاوات باستخدام منظومة عاكسات القطع المكافئ بقدرة 600 ميجاوات، وتقنية برج الطاقة الشمسية المركّزة بقدرة 100 ميجاوات؛ والطاقة الشمسية الكهروضوئية بقدرة 250 ميجاوات. وعند اكتماله سيكون من أكبر مشاريع تخزين الطاقة الشمسية على مستوى العالم لمدة 15 ساعة، ما يسمح بتوافر الطاقة على مدار 24 ساعة. وستوفر هذه المرحلة الطاقة النظيفة لنحو 320,000 مسكن، وستسهم في خفض 1.6 مليون طن من الانبعاثات الكربونية سنوياً.
ويتميز هذا المشروع، الذي يمتد على مساحة تصل إلى 44 كيلومتراً مربعاً، بعدة أرقام قياسية عالمية منها أدنى سعر للطاقة الشمسية المركزة بقيمة 7.3 سنت أميركي للكيلووات ساعة، وأدنى سعر للكيلووات ساعة بتقنية الألواح الشمسية الكهروضوئية بقيمة 2.4 سنت للكيلووات ساعة.
ويُعد مجمع محمد بن راشد آل مكتوم للطاقة الشمسية أكبر مشروع استراتيجي لتوليد الطاقة المتجددة في موقع واحد في العالم، وفق نظام المنتج المستقل، وستصل قدرته الإنتاجية إلى 5000 ميجاوات بحلول عام 2030 باستثمارات تبلغ 50 مليار درهم. وبدأت المرحلة الأولى من المشروع بقدرة 13 ميجاوات في العام 2013 باستخدام تقنية الألواح الكهروضوئية، وتم افتتاح المرحلة الثانية بقدرة 200 ميجاوات من الكهرباء بتقنية الألواح الكهروضوئية في مارس 2017. وتبلغ القدرة الانتاجية للمرحلة الثالثة بتقنية الألواح الكهروضوئية 800 ميجاوات. كما تم توقيع عقد شراء الطاقة لمشروع المرحلة الخامسة من المجمع (بقدرة 900 ميجاوات) وبتقنية الألواح الشمسية الكهروضوئية ووفق نظام المنتج المستقل خلال مارس 2020، على أن يتم تشغيلها على مراحل بدءاً من الربع الثالث من عام 2021.