الهيئة العامة للأمم المتحدة

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