The Science of Light Management in Solar Windows

وتمثل النوافذ الشمسية انطلاقة في الفولطية الضوئية المدمجة في المباني، مما يتيح للسطح الزجاجي العادي توليد الكهرباء مع الحفاظ على ضوء النهار الطبيعي، ويكمن التحدي في التحكم في الطيف الشمسي: فالضوء الواضح )٤٠٠-٧٠٠ نانو متر( يجب أن يمر من خلال التصوير، بينما يتم امتصاص المواد ذات الترددات العالية والتردد فوق العالي التي لا تسهم إلا في إحداث تحلل حراري.

تكنولوجيات التكويج الرئيسية

التكتلات المضادة للانبعاثات

وتخفض المعاطف المضادة للتضخم الانعكاسات السطحية، مما يسمح بدخول المزيد من الضوء إلى النافذة، وهذا يعني بالنسبة للنوافذ الشمسية ارتفاعاً ملحوظاً في الإرسال وزيادة تدفق الصور الفوتوغرافية إلى طبقة الفوفولتاتية، وتستخدم الطيفات القياسية لطيف الأرز طبقات التدخل ذات الموجات الفصلية من المواد مثل نيتريكون أو فلوريد المغنزيوم، وتستخدم هذه التطورات الأخيرة أنماطاً معززة من المعاطف ذات النطاق الترددي.

التكليف الانتقائي

وترمي المعاطف الانتقائية الانتقائية على نحو انتقائي إلى نقل الضوء المرئي مع عكس أو امتصاص الإشعاع بالأشعة فوق البنفسجية والفوقية، ويتم ذلك باستخدام أكوام متعددة من الرشاقة التي تعمل كمرشحات بصرية، مثل أكوام الديكل الديائية التي تستخدم طبقات فضية أو نحاسية مثبتة بين أكسدة شفافة مثل القصدير في القاع

منخفض الجواز (Low-E)

وتشترك المعاطف المنخفضة الدخل بالفعل في نوافذ فعالة من حيث الطاقة للعزل الحراري، وفي النوافذ الشمسية، تؤدي هذه المعاطف دورا مزدوجا: الحد من النقل الحراري الإشعاعي بين المناطق الداخلية والخارجية، وإدارة معامل المكسب الحراري للطاقة الشمسية، وتوضع طبقات الطاقة المنخفضة الكثافة، التي عادة ما تكون فضية، عن طريق التلعثم ويمكن أن تُستخدم لتعكس الموجات الطويلة من الموجات الحرارية، مع السماح في الوقت نفسه بإرسالها من الغلاف الجوي.

التكتل الفولطائي

وتحوّل المعاطف الفوتوفولطية ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء على سطح النافذة، وترتكز هذه المعاطف عادة على تكنولوجيات الرشاقة مثل السيليكون المناعي، أو قوس قزمي، أو مناديل غاليوم واعدة في الغاليوم، بينما تشمل الحلول الناشئة مواد كيميائية ذات طابع عضوي، وشبه مجهزة بمعاطف شمسية

الابتكارات الأخيرة في مجال التكافل الإنمائي

تصميمات متعددة المقاتلات

وقد مكّن علم النانو من إنشاء طلاءات متعددة الطوابق ذات سميكات متحكم بها بدقة (10-200 نانو متر) تتلاعب بالضوء من خلال تدخل بنّاء وتدميري، وباستخدام تركيبات الطبقات الذرية أو التلعثم المغناطيسي، يمكن للباحثين أن يتجمعوا بين عشرات الطبقات لتحقيق استجابات متطورة، وعلى سبيل المثال، فإن المعاطف التي تتكون من متغيرات في طبقة التي - 2 وطبقات البصر - S-NIRBO2 يمكن أن تعمل

التكليف الذاتي

ويقلل النمو في الدوافع والتربة والبيولوجي من أداء النوافذ الشمسية بمرور الوقت، وتعالج المعاطف ذاتية التنظيف هذه باستخدام التحلل الضوئي أو الطفولة السطحية، وتخفض المعاطف التي تيتانيوم (تيو2) مثلاً التراب العضوي تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية وتتسبب في انتشار الماء بصورة متساوية، وتغسل الحطام.

التخدير الحراري والتلوث الكهربائي

وتشكل المعاطف التصحيحية التي تستجيب لدرجات الحرارة أو المهابط الكهربائية مجالا نشطا من مجالات البحث، إذ يمكن أن تؤدي المعاطف الحرارية، مثل تلك التي تستند إلى ثاني أكسيد الفاناديوم (VO2)، إلى التحول من الشفافية إلى التخدير أو التأمل عندما تصل درجة حرارة العتبة، إلى سدّ هذه الحرارة أثناء فترات ساخنة، مع السماح بإحداث ضوء واضح.

التحديات في مجال التكافل

الموازنة بين الكفاءة والشفافية

وهناك مبادلات أساسية بين الكفاءة الفلكية والشفافية الظاهرة، ولإيجاد الكهرباء، يجب أن يستوعب التصفيات الفلكية الصورية، التي تقلل بطبيعتها من الإرسال، ويظل تحقيق توازن أمثل مع الإرسال الواضح بين 20 في المائة و50 في المائة، وينطوي قدر معقول من الكفاءة على هندسة دقيقة لسمك الامتصاص، وقطع الطرق، ورسم المظلات الخفيفة.

الدوام والمقاومة الجوية

ويجب أن تصمد النوافذ الشمسية لسنوات التعرض للإشعاع فوق البنفسج، ودوافع الحرارة، والرطوبة، والإجهاد الميكانيكي، وتصبح طلاءات اللثام قابلة للنزع والأكسدة والعدام الرطب، ولا يزال الباحثون يستكشفون استراتيجيات العزل، وطبقات الحاجز، والاختتام الرئوي لمد العمر.

الاصطناعية وقبول الأسواق

أما بالنسبة للتكامل المعماري، فيجب أن تكون المعاطف متماثلة بصرياً، ومحايدة اللون (أو مجاملة ذات طابع ثاقب) ومتحررة من الاستنكاف أو الانحراف، ويمكن أن تنتج أكوام متعددة الطوابق ألوان تدخل قد تكون غير مرغوب فيها، فسمك طبقة التجميل لتحقيق نبرة محايدة أو لون معين يشكل تحدياً مستمراً في كثير من الأحيان يقوم مالكو المباني والمصممون بتبنيون بإعطاء الأولوية للأداءات.

تكاليف التصنيع وقابلية التصعيد

وكثيرا ما تعتمد المعاطف العالية الأداء على تقنيات التحلل المكنسي (القطع، التبخر، التهرب، الجرعة المميتة) التي تكون باهظة التكلفة ومحدودة في المنضدة، ويجري تطوير تجهيزات من العجلات، ورسمات الحمّام الكيميائي، وطباعة القاحلة للحد من التكاليف، فعلى سبيل المثال، ثبتت المعاطفة من طبقات حرارة البروفسكيت على مواضع الزجاجية بسرعة متوافقة مع إنتاج العوامة الكبيرة.

الاتجاهات المستقبلية

التدوينات المتعددة الوظائف

والهدف النهائي هو دمج جميع المهام المطلوبة - إدارة الضوء، وتوليد الطاقة، والسيطرة الحرارية، والتنظيف الذاتي، والتخثرات - في كومة واحدة من المعاطف - وتتجه البحوث نحو تصميمات " كل واحدة " تجمع بين مرشح انتقائي مكثف، وخلية من طبقة المسافات المتينة شبه الشفافة، وطبقة مضادة للارتطام، ورقم مركب متقن مصمم للصوت.

التكامل مع نظم الطاقة في مجال بناء الطاقة

ومن المرجح أن تكون النوافذ الشمسية المقبلة جزءا من نظم إدارة الطاقة في المباني الذكية، ويمكن للمستشعرات المحتوية على أجهزة التحكم بالمايكروكروميكية أن تعدل المعاطف الكهربائية القائمة على ضوء الكمي والشغل والطلب على الشبكات، كما أن الكهرباء التي تولدها يمكن أن تتحول مباشرة إلى الكهرباء الكهربائية، وأن تخلق نوافذا ذاتية التنظيم، وبالإضافة إلى ذلك، فإن معايير الاعتماد المستندية - المدمجة في الباب 24 من أجل التنمية الأوروبية تشجع على اعتمادها.

المواد والمفاهيم الناشئة

وقد تستغل الجيل القادم من المعاطف النانوية النقاط الكميّة، والجسيمات النانوية البلازمية، والبلور الضوئية للتلاعب بالضوء في مقياس تحت الماء، وعلى سبيل المثال، فإن دمج الشواذ الفضية في مصفوفة الديليكتري يمكن أن يخلق مواطف مرنة حساسة للتعرّض للض للأشعة تحت الحمراء مع الحفاظ على الشفافية الواضحة.

خاتمة

(ب) إن المعاطف المتقدمة هي حجر الأساس لجعل النوافذ الشمسية عنصراً عملياً وجذاباً في المباني المستدامة، ومن خلال إدارة الطيف الشمسي بعناية، فإن هذه المعاطف تتيح توليد الطاقة، والراحة الحرارية، والإضاءة النهارية الطبيعية في منتج واحد مُحدَّد، وفي حين أن التحديات التي تواجه القدرة على إحداث تغيرات في مستويات الطاقة، والتكلفة، والجماليات، والتقدم السريع في مجال التكنولوجيا النانوية، والمواد التكيّية، وعمليات التصنيع تشير إلى وجود نوافذ الشمسية في المستقبل.

For further reading, see reviews on semi-transparent perovskite photovoltaics and nanophotonic coatings for smart windows.