المنزل ذو طاقة إيجابية.. تسخير الطاقة من واجهات المباني لتوليد الحرارة والكهرباء من الأسطح الخارجية

النوافذ الشمسية الشفافة لإنتاج الكهربا لتقليل امتصاص الضوء المرئي

يذهب الباحثون إلى ما هو أبعد من الألواح الشمسية التقليدية في محاولة لتوليد الحرارة والكهرباء من الأسطح الخارجية الأخرى للمباني.

في السكن الاجتماعي على مشارف مدينة أيندهوفن بجنوب هولندا، كانت رينسكي كرون سعيدة بتجربة أجريت في عام 2022 شملت شقتها: كانت مجهزة بألواح تنتج الطاقة من الشمس.

لكن معداتها الجديدة كانت مختلفة بشكل واضح عن الألواح الشمسية – المعروفة أيضًا باسم الوحدات الكهروضوئية – التي يمكن رؤيتها على عدد لا يحصى من أسطح المنازل في أوروبا وأماكن أخرى.

وبدلاً من إنتاج الكهرباء، كما تفعل الوحدات الكهروضوئية، قامت ألواح كرون بتزويد الطاقة الحرارية وتم تركيبها على واجهة المبنى.

التشويق الحراري

تبلغ مساحة الألواح الرمادية المطلية بالألمنيوم والتي تشبه الأرضيات الخشبية 15 مترًا مربعًا، ونتيجة للاختبار، تم تسخين منزل كرون والمياه بالطاقة المتجددة بدلاً من تلويث الغاز الطبيعي – حتى في الأيام الملبدة بالغيوم – وانخفضت فواتير الطاقة.

وقالت كرون، التي انتقلت منذ ذلك الحين إلى منزل آخر: “المنزل ذو طاقة إيجابية، وخالي من الغاز، وفاتورة الطاقة صافية صفر”، “من لا يريد ذلك؟”

انبثقت تكنولوجيا الطاقة الجديدة من مشروع بحثي للاستفادة من الأسطح الخارجية للمباني كافة بدلاً من الأسطح فقط لتوليد الطاقة، أُطلق على المشروع اسم Envision ، واستمر لمدة خمس سنوات حتى سبتمبر 2022.

وتأتي هذه المبادرة ضمن محاولات الاتحاد الأوروبي للحد من انبعاثات الغازات الدفيئة من المباني كجزء من مكافحة تغير المناخ، تمثل المباني حوالي 36% من الانبعاثات في أوروبا، وهي جزء من موجة تجديد الاتحاد الأوروبي ، وما يقرب من نصف واجهات المباني غير مستخدمة.

فرقة الأشعة تحت الحمراء

تشمل نطاقات الإشعاع التي تصل إلى سطح الأرض من الشمس الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.

في حين أن الألواح الشمسية العادية تستخدم الضوء المرئي، فإن تلك الموجودة في منزل كرون تعتمد على طيف الأشعة تحت الحمراء ولا تتطلب توجيه الجدار الخارجي في أي اتجاه معين. يشكل الضوء المرئي ما يقرب من 43% من الإشعاع الشمسي بينما تمثل الأشعة تحت الحمراء 50%.

تحديث أي جدران خارجية

إعادة تأهيل المنازل بحيث تستخدم كلاً من الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء يعد بإحراز تقدم كبير في تسخير الطاقة من الشمس، يمكن تحديث أي جدران خارجية باستخدام تقنية Envision.

وقال بارت إريك، الباحث المشارك في الفيزياء التطبيقية بجامعة أيندهوفن للتكنولوجيا: “مع وجود الألواح والخلايا الكهروضوئية الموجودة على السطح، يمكنك الحصول على طاقة كافية لجعل المنزل موجبًا للطاقة”.

وقال أحد قادة شركة Envision، إن المساحة الإجمالية لواجهات المباني في أوروبا تعادل تقريبًا مساحة الأسطح.

تقدم ملموس

إن استخدام الواجهات لامتصاص الطاقة من الشمس من شأنه أن يعزز صناعة الطاقة الشمسية الحرارية المتوسعة بالفعل في أوروبا، والتي نمت بنسبة 12٪ في عام 2022.

تقترن الألواح الحرارية بمضخة حرارية، في حالة الإسكان الاجتماعي، حيث تكون المساحة محدودة نسبيًا، فإن توفير مساحة للمضخة الحرارية يمكن أن يتضمن بناء سقيفة بالخارج – كما كان الحال بالنسبة لكرون.

ومع إضافة بطارية تحتفظ بالحرارة، يمكن تخزين الطاقة الحرارية عندما يكون هناك فائض.

تتراوح أسعار هذه الواجهات من 150 إلى 500 يورو للمتر المربع، اعتمادًا على النوع، وفقًا لإريك، الذي قال إن العمر الافتراضي عادة هو 30 عامًا والعائد على الاستثمار من 7 إلى 10 سنوات.

أثناء مشروع Envision، أجرى الباحثون أبحاثًا معملية، وقاموا ببناء موقع في جامعة أيندهوفن للتكنولوجيا لاختبار الفكرة وأجروا عروضًا توضيحية في المنازل بما في ذلك منزل كرون.

وفي عام 2022، وصل الفريق إلى المرحلة النهائية في فئة الابتكار لجوائز الطاقة المستدامة الأوروبية، والتي تكرم المشاريع والأشخاص الذين يعملون على تعزيز التحول إلى الطاقة النظيفة.

منذ انتهاء Envision، اكتسبت التكنولوجيا زخمًا، إريك هو الرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في شركة فرعية تدعى كالوسول تقوم بتسويق الألواح.

DIY على طراز ايكيا

ويهدف كالوسول في النهاية إلى بناء 1200 متر مربع من الألواح، وهي قفزة من 250 مترًا مربعًا تم إنتاجها خلال Envision في شقة كرون، كانت المساحة البالغة 15 مترًا مربعًا كافية لتلبية جميع احتياجات التدفئة على مدار العام، وفقًا لإريك.

وقال: “في المجمل، تنتج الألواح نفس كمية الطاقة التي يستخدمها المنزل فعليًا، أو أكثر بقليل منها”.

ونظرًا لأن وضع هذه الألواح في مكانها يعد حاليًا مهمة معقدة، فإن الأبحاث الحالية تسعى أيضًا إلى جعل هذه الخطوة أسهل كثيرًا، الهدف النهائي هو جعل التثبيت مشابهًا لأثاث ايكيا، وفقًا لإريك.

وقال: “هذا هو ما نحن فيه – مازلنا نكافح من أجل إيصال التركيبات إلى النقطة التي يمكن للجميع تركيبها فيها”.

نوافذ شمسية

ولمساعدة المباني على استخلاص كل جزء ممكن من الطاقة من الشمس، يستكشف باحثون آخرون خيار النوافذ الشمسية الشفافة لإنتاج الكهرباء.

بدأ هذا المشروع، المسمى CITYSOLAR ، في ديسمبر 2020 ومن المقرر أن يستمر حتى أبريل 2024.

يهدف CITYSOLAR إلى نشر التقنيات الكهروضوئية التي تمتص الإشعاع في كل من طيف الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.

يحاول الباحثون تقليل امتصاص الضوء المرئي لأن النوافذ تحتاج إلى نقله إلى داخل المبنى، ويؤدي الضوء المرئي إلى تغير لون الألواح.

ولكن نظرًا لأن الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية أقل كفاءة في توليد الطاقة الكهربائية، فإن درجة من الضوء المرئي تكون مفيدة حتى بالنسبة للنوافذ الشمسية، الحيلة التي يواجهها باحثو CITYSOLAR هي العثور على المزيج الصحيح من الكفاءة والشفافية والألوان.

يستشهد ألدو دي كارلو، أستاذ الإلكترونيات النانوية في جامعة روما تور فيرغاتا الذي يقود المشروع، بالدفيئة كمثال على المكان الذي يمكن أن تكون فيه التكنولوجيا مفيدة بشكل خاص.

تحتاج النباتات بشكل أساسي إلى الضوء المرئي في الجزء الأحمر من طيف الألوان لتنمو، لكنها تستطيع الاستغناء عن معظم الألوان الأخرى.

ونتيجة لذلك، يمكن للخلايا الكهروضوئية شبه الشفافة ذات المسحة الحمراء أن تمتص الطاقة من الشمس بينما تسمح للضوء المرئي الأحمر بالمرور حتى تزدهر النباتات.

أبعد من المختبر

وحتى الآن، تم اختبار هذه التكنولوجيا في المختبر فقط، ومن المقرر إنشاء نموذج أولي في أوائل عام 2024 في جامعة جنوب الدنمارك.

سيلعب النموذج الأولي دورًا مركزيًا في اختبار التكنولوجيا لمزيد من التطوير في الطريق إلى التسويق التجاري المحتمل في نهاية المطاف.

على المدى الطويل، يريد الباحثون في CITYSOLAR جعل المباني الخالية من الطاقة حقيقة واقعة قدر الإمكان، ويتطلب ذلك إعادة تأهيل واسعة النطاق للأسطح الشفافة أو شبه الشفافة مع التكنولوجيا التي يجري تطويرها.

بالنسبة للمباني السكنية، سيكون التحدي الآخر هو معرفة النسبة الصحيحة للكفاءة إلى الشفافية، وهي مهمة ستتطلب المزيد من البحث.

وقال دي كارلو: “نحن بحاجة إلى استخدام أفضل ما لدينا من العلوم لمكافحة تغير المناخ، وهذا يعني البحث عن تقنيات مثل الخلايا الشمسية الشفافة”.