وتتزايد استكشاف المناطق الحضرية لسبل مبتكرة لتسخير الطاقة المتجددة لتقليل آثار الكربون فيها، ومن بين هذه الابتكارات، بدأت النوافذ الشمسية والتكنولوجيات الشمسية المدمجة في البناء تظهر كحلول واعدة، وتهدف هذه التكنولوجيات إلى تحويل أسطح المباني إلى أصول مولدة للطاقة، وتختلط بها القدرة على الاستمرار، حيث تنمو المدن الكثافة وترتفع الطلب على الطاقة، تصبح القدرة على توليد الطاقة مباشرة من البيئة المبنية غير مرغوبة فحسب بل ضرورية.

ما هي "الصاروخ الشمسية" و "التقنيات الشمسية المدمجة؟

والنوافذ الشمسية مصممة خصيصاً من الزجاج المحتوي على خلايا فولتية ضوئية تحول ضوء الشمس إلى كهرباء، وعلى عكس الألواح الشمسية التقليدية، يمكن تركيبها على أسطح النوافذ القائمة، مما يتيح للمباني توليد الطاقة دون وجود حيز إضافي أو حل وسط اصطناعي، وتدمج نظم الطاقة الشمسية المدمجة في المباني عناصر شمسية مباشرة في مواد البناء مثل الأكاديم والأسطح والأجهزة المظلة، التي تدمج إنتاج الطاقة دون هوادة.

وتعتمد التكنولوجيا التي خلف النوافذ الشمسية على نهجين رئيسيين هما: الفولطية الضوئية شبه الشفافة والمركّزات الشمسية المتذبذبة، والخلايا شبه الشفافة التي كثيرا ما تكون مصنوعة من مواد مثل السيليكون الأموري أو من مادة الكادميوم، وتتيح الضوء الواضح أن يمر خلاله بينما تستخدم فيها أجهزة محصولة ذات تردد عال وموجات الموجات فوق البنفسج.

أنواع التكنولوجيات الشمسية المتكاملة للبناء

ويشمل المشروع مجموعة واسعة من المنتجات التي تحل محل مواد البناء التقليدية وتشمل الأنواع المشتركة ما يلي:

  • Solar Roof Tiles:] Designed to mimic traditional roofing materials like slate or clay, solar tiles integrate photovoltaic cells within the tile structure. Companies like Tesla and SunTegra have popularized this approach, offering roofs that generate electricity while maintaining a uniform appearance.
  • Solar Facades:] These are curtain wall systems or cladding panels that incorporate PV cells. they can be opaque or semi-transparent, allowing architects to create dynamic, energy-producing surfaces. Examples include the CIS Tower in Manchester, UK, which was retrofitted with PV panels across its entire facade.
  • Solar Shading Devices:] Louvers, blinds, and overhangs fitted with PV cells provide dual functionity: shading interior spaces and generating electricity. These are especially effective in climates with high solar exposure, reducing cooling loads while producing power.
  • Solar Glazing:] Advanced insulating glass units with built-in photovoltaic layers, these can be used in skylights, atria, and curtain walls. The technology is evolved to improve light transmission and efficiency, with some products achieving over 10% efficiency while appearing similar to standard tinted glass.

ويساهم كل نوع في تحقيق الهدف الأوسع المتمثل في تحويل المباني من المستهلكين السلبيين إلى منتجين نشطين للطاقة، والفرق الرئيسي من عناصر الطاقة الشمسية التقليدية التي تعمل بالسطح هو أن عناصر البنفسجية تعمل كجزء من مظروف البناء، مع الاضطلاع بمهام هيكلية وقاية من الطقس.

ألف - مزايا التكنولوجيات الشمسية الحضرية

الكفاءة الفضائية

البيئات الحضرية تتسم بحيز أفقي محدود، والحواسيب الأرضية غالباً ما تكون صغيرة أو مظللة أو محتلة من معدات HVAC، والنوافذ الشمسية ونظم بي.

التكامل الجمالي

فالألواح الشمسية التقليدية غالبا ما ينظر إليها على أنها عينان على المباني التاريخية أو الحساسة من الناحية المعمارية، وترمي نظم البنفسجية إلى الدمج، وتوفر للمهندسين المعماريين قلعة من الألوان، والمنسوجات، ومستويات الشفافية، على سبيل المثال، يمكن تكييف بعض المنتجات الزجاجية الشمسية بحيث تضاهي المبانى الحالية، مما يجعل القدرة على توليد الطاقة غير مرئية للمراقب، وهذه المرونة الاصطناعية مهمة بوجه خاص في المدن التي لها رموز محمية الصارمة.

وفورات الطاقة

ويمكن أن تؤدي هذه النظم، بتوليد الكهرباء في الموقع، والنوافذ الشمسية ونظم بي.ب.ب.ف، إلى خفض الاعتماد على الطاقة الكهربائية، مما يؤدي إلى انخفاض فواتير الكهرباء بمرور الوقت، كما يمكن أن تسهم في بناء كفاءة الطاقة بتقليل المكاسب الحرارية، وكثيرا ما تتضمن النوافذ الشمسية المعاطف المنخفضة القدرة على الحركة التي تحجب الحرارة تحت الحمراء، وتخفض معدلات التبريد في الصيف.

الأثر البيئي

(أ) إن إدماج التكنولوجيات الشمسية في المباني يؤدي إلى خفض مباشرة في البصمة الكربونية للبيئة المبنيّة، ويمكن للمبنى التجاري النموذجي المزود بمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أن يمنع عدة أطنان من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سنوياً، وعلاوة على ذلك، يجري تصميم مواد BIPV لإعادة التدوير، حيث يقدم بعض الصانعين برامج استرجاع لأجهزة توليد الطاقة الهالكة، كما أن التحول نحو توليد موزع يقلل من خسائر الانتقال المرتبطة بمصانع الطاقة المركزية.

التحديات والتوقعات المستقبلية

التكاليف الأولية

ومن أهم الحواجز التي تحول دون انتشار النوافذ الشمسية وتراكم الطاقة الأحيائية ارتفاع التكلفة الأولية مقارنة بمواد البناء التقليدية أو بالأشعة الشمسية الموحدة، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يزيد زجاج النافذة الشمسية من الضعفاء القياسيين إلى ثلاثة أضعاف، غير أن التكاليف آخذة في الانخفاض مع ارتفاع مستويات التصنيع وتحسن التكنولوجيا، كما أن الحوافز مثل الائتمانات الضريبية، والتعريفات التغذوية، وشهادة البناء الأخضر يمكن أن تساعد على تعويض هذه النفقات.

حدود الكفاءة

وتعاني تكنولوجيات النوافذ الشمسية الحالية من انخفاض كفاءة التحويل مقارنة بالألواح الشمسية التقليدية، وفي حين تحقق الألواح الأحادية الكبريتية كفاءة تتراوح بين 20 و 22 في المائة، فإن معظم النوافذ الشمسية شبه الشفافة تتراوح بين 5 و 12 في المائة، وهذا يرجع جزئيا إلى أن بعض الضوء يجب أن ينتقل من خلال الزجاج المحتوي على التضليل، ويعزى ذلك جزئيا إلى أن المواد الفولتاتية المستخدمة أقل كفاءة، ومع ذلك، تظهر المواد الناشئة مثل أجهزة التبشير ذات الكفاءة العالية في استخدام

النضج التكنولوجي

ولا يزال العديد من منتجات البتروجين في المراحل المبكرة من الاستغلال التجاري مقارنة بلوحات المواد الكيميائية التقليدية، وهذا يعني بيانات ميدانية أقل عن مدى القابلية للاستمرارية الطويلة الأجل، وشروط الضمان، ومتطلبات الصيانة، وقد يكون ملاك المباني مترددين في الاستثمار في التكنولوجيات غير المنقوصة، ويجري ببطء وضع المعايير والتصديقات، حيث تقوم منظمات مثل اللجنة الدولية للكهرباء بتطوير أساليب اختبار محددة لنموذج البناء المتكامل.

الحواجز التنظيمية والأسواق

ويمكن أن تعوق مدونات البناء ولوائح تقسيم المناطق اعتماد برنامج بناء القدرات الحيوية، فعلى سبيل المثال، توجد لدى بعض البلديات قيود على الارتفاع أو قواعد السلامة من الحرائق تحد من استخدام بعض المواد الشمسية، وبالإضافة إلى ذلك، فإن صناعة البناء درجت على المحافظة، حيث يفضل المهندسون المعماريون والمتعاقدون إيجاد حلول مظروف مثبتة للبناء، ويلزم أيضاً وضع مشاريع للتعليم والبيان العملي لبناء الثقة، كما يجب تبسيط سياسات الربط بين العقم للسماح بإدماج نظم البناء في الشبكة دون هوادة.

الابتكارات الناشئة والتوجيهات البحثية

خلايا بيروفسكيت سولار

وقد حظيت مواد بيروفسكيت باهتمام كبير بسبب ارتفاع كفاءتها وانخفاض تكاليف الإنتاج، حيث يقوم الباحثون بتطوير خلايا شمسية شبه شفافة يمكن استخدامها في النوافذ، وفي عام 2023، قام العلماء في جامعة أوكسفورد بتثبيت نافذة شمسية ذات كفاءة تبلغ 8.3 في المائة، بينما كان بإمكانهم أيضاً تحويل 40 في المائة من عمليات التصنيع المرنة باستخدام مبان مرئية.

Quantum Dot Solar Cells

ويمكن ملاحظة النقاط الكمية - الجسيمات شبه الموصلات ذات الحجم الملموس - لاستيعاب خطوط الضوء الموجية المحددة، مما يتيح الشفافية واللون اللذين يمكن تكييفهما، ويمكن إدماج هذه الخلايا في الزجاج دون تغيير ملحوظ في مظهرها، وقد دفعت التطورات الأخيرة كفاءة الخلايا الشمسية من حيث الكمية إلى ما يزيد على 16 في المائة في البيئات المختبرية.

مراكز الطاقة الشمسية المتفرقة

وتستخدم هذه الأجهزة الفوسفور العضوي أو غير العضوي لاستيعاب الضوء فوق البنفسجي والضوء شبه المأخوذ من تحت الحمراء وإعادة تشغيله كضوء مرئي يسترشد به في الخلايا الشمسية الصغيرة عند الحواف، ويمكن أن تحقق التكنولوجيا الشفافية التقريبية عن طريق تكريس الفوسفورات إلى النشوء في الطيف غير القابل للتلف، وقد قام فريق من جامعة ولاية ميتشيغان باستحداث جهاز تحويل بصري يتسم بالشفافية ويجعله واعدة

البناية المتكاملة للعجلات الشمسية وشنغلس

ما عدا الزجاج، الشركات تطوّر البلاط الشمسي الذي يُقلّص نسيج ولون مواد السقف التقليدية، و(تيسلا) هي الأكثر انتشاراً، لكن صناعات أخرى مثل (سيتد) و(لوما سولار) تعرض منتجات تدمج بتصميمات سطحية عادية، وهذه البلاط عادة أكثر استدامة من الألواح التقليدية ويمكن أن تصمد أمام كبح ورياح عالية، كما أنها تأتي بفائدة معززة مناً مناً.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

مدرسة كوبنهاغن الدولية، الدانمرك

هذه المدرسة تُميز موكب مُذهل مُغطّى بـ 12 ألف لوح شمسي ملون في نمط موزائي، ويستخدم المبنى 812 5 متراً مربعاً من الألواح الشمسية، ويُولّد أكثر من 300 ميغاه سنوياً لتغطية نصف احتياجات المدرسة من الكهرباء، وتُدمج اللوحات في نظام الجدار العازل، وتُصمم بواسطة شركة الهندسة المُعمارية (C.F.

The Edge, Amsterdam, Netherlands

غالبا ما يُستشهد به كأحد أخضر المباني في العالم، يستخدم الـ(إدج) مزيجا من الألواح الشمسية السطحية وعناصر الـ (بي آي بي) عبر واجهة جنوبية، نظام إدارة الطاقة في المبنى، مقترنا بالإضاءة الذكية و(هيف سي) يسمح له بإنتاج طاقة أكبر مما يستهلكه (صافي صفر)

Solar Skin, New York City, USA

في عام 2021، قام مركز فراونهوفر لنظم الطاقة المستدامة بنشر نموذج أولي "السكينة الشمسية" - وهو خليط كهربي ضعيف الوزن الضوء مطبق على سطح مبنى في مانهاتن، وصممت المواد خصيصاً لمطابقة لون ونسيج الموكب، مما يجعله غير مرئي تقريباً من مستوى الشارع، وأظهر الرصد المبكر أن التركيب قد وليد طاقة كافية للمناطق المشتركة في المبنى.

Co-operative Bank Headquarters, Manchester, UK

وقد تم تجديد برج رابطة الدول المستقلة في مانشيستر في عام 2006 بواجهة شمسية تبلغ مساحتها 000 7 متر مربع، وهي واحدة من أكبر المعالم في ذلك الوقت، وعلى الرغم من أن الألواح غير مكتملة، فإن المشروع أثبت جدوى التكامل بين المشروع المتكامل في الهياكل القائمة، ويولد النظام حوالي 390 مليون دولار سنوياً، وهو بمثابة دليل على مفهوم المشاريع المماثلة في جميع أنحاء أوروبا.

الطريق نحو التكامل الحضري للطاقة الشمسية

ومن أجل تحقيق الإمكانات الكاملة للنوافذ الشمسية وتكنولوجيات البنفسج، يلزم التعاون بين قطاعات متعددة، وينبغي لصانعي السياسات تحديث مدونات البناء للاعتراف بـ " بي إن " كمواد بناء موحدة وتقديم حوافز مالية للمعتمدين المبكرين، ويمكن للمخططين الحضريين أن يشجعوا أو يكلفوا تصميمات جاهزة للشمس للتطورات الجديدة، على غرار الأحكام القائمة المتعلقة بالشمس السطحية، ويجب على المجتمع المعماري أن يعتن برنامج " بي إنبليو " (BIPV) كمواد كمواد يمكن أن يعزز التصميم بدلا من التصميم بدلا من أن يقوي.

وسيستمر البحث والتطوير في خفض التكاليف وتحسين الكفاءة، ومن المرجح أن تدخل المواد الناشئة مثل المزخرفات وكميات النباتات السوق في غضون العقد المقبل، مما يوفر أداء أعلى ومرونة أكبر في التصميم، وفي الوقت نفسه، ستمكن مراكز التوحيد الشفافة وتكنولوجيات النيف من إعادة تشكيل مخزون المباني الحالي، وهو أمر أساسي بالنسبة للمدن التي تبنى فيها بالفعل أغلبية الهياكل.

كما أن التعليم والتدريب على القوة العاملة أمران بالغا الأهمية، إذ يتعين تدريب المصممين على إدماج نظم الفلطام المزودة بتشييد مظروف البناء، كما يحتاج المصممون إلى فهم الآثار الكهربائية والهيكلية، كما أن مشاريع التخزين - مثل مشاريع كوبنهاغن ومؤسسة أمستردام - سير هي مختبرات حية تثبت أعمال التكنولوجيا وتلهمها.

وأخيرا، يجب على ملاك المباني أن يعترفوا بالقيمة الطويلة الأجل للمبادرة: تخفيض تكاليف الطاقة، وزيادة قيمة الممتلكات، والإسهام في تحقيق أهداف الاستدامة، ومع ارتفاع أسعار الطاقة وتشديد أنظمة الكربون، فإن حالة الأعمال المتعلقة بالنوافذ الشمسية والشمس المدمجة في المباني لن تعزز فحسب، ولن تكون مدن المستقبل مجرد مستهلكين للطاقة النظيفة؛ بل ستكون مولدات كهربائية، مع كل واجهة زجاجية وعجلة سقفية تؤدي دورا في التحول.