نوافذ شمسية: فيلم شفاف للمدن الذكية من الجيل التالي

كشف باحثون من جامعة نانجينغ عن طريقة جديدة لتزويد مدن المستقبل المستدامة بالطاقة. ويمكن وضع غشائهم الكهروضوئي الشفاف مباشرة على النوافذ أثناء التصنيع أو بعده، لتحويل الزجاج العادي إلى مصدر فعّال للكهرباء.

الألواح الشمسية التقليدية وقيودها

تتطلب مواجهة التلوث الناتج عن التوسع الحضري والصناعة الجمع بين عدة حلول، ومن أكثرها شيوعاً استخدام الألواح الشمسية.
تحول الخلايا الكهروضوئية ضوء الشمس إلى كهرباء، وتشمل أشهر تقنياتها السيليكون غير المتبلور والخلايا العضوية وزرنيخيد الغاليوم والخلايا المحسسة بالصبغة والبيروفسكايت.

مشكلات الخلايا الكهروضوئية

يمكن للطاقة الكهروضوئية أن تحد من بعض مشكلات الطاقة والتلوث، لكنها ليست بلا قيود. فالألواح هشة وقد يجعلها شرخ صغير غير صالحة للعمل، كما أن تصنيعها مكلف ويجب تركيبها في موقع يتلقى ضوء الشمس المباشر.

يضع ذلك كثيراً من مالكي العقارات أمام خيار صعب: الاستمرار في دفع فواتير كهرباء مرتفعة أم التضحية بالمظهر الجمالي بتركيب عدد كبير من الألواح على السطح أو في المساحات المجاورة؟

المركزات الشمسية

لتقليل الأثر البصري للألواح، طور المهندسون مركزات تستخدم طلاءً بنانوهياكل يوجه الضوء نحو حواف الزجاج، حيث تلتقطه خلايا كهروضوئية مدمجة.
توجه النانوهياكل الموجات الضوئية من دون إحداث انكسار مرئي مفرط، ما يسمح بصنع ألواح بأشكال مختلفة تلبي احتياجات المستخدم وتحافظ على مظهر المبنى.

مشكلات المركزات

واجه استخدام المركزات لجمع ضوء الشمس تحديات تقنية كبيرة. إذ يجب وضع الخلايا الكهروضوئية حول حواف الزجاج المعماري، ما يزيد التكلفة وتعقيد التصنيع.

كما يصعب توسيع الإنتاج. فالعملية المعقدة والحاجة إلى تركيب النظام في المراحل الأولى من التصنيع ترفع التكلفة وتحد من الكفاءة والمرونة.

كذلك تتمتع المركزات اللمعية والمشتتة بكفاءة أقل من الألواح التقليدية، ويرجع ذلك جزئياً إلى الفاقد الناتج عن توجيه الموجات في جميع الاتجاهات.

عندما يسقط الضوء على المركز بزاوية تتجاوز الزاوية الحرجة للانعكاس الداخلي، لا يصل إلى الخلايا. وقد لا تنعكس بعض نطاقات الضوء الفلوري جيداً أو قد تسبب ضبابية على الزجاج، فيصبح غير مناسب للتطبيقات المعمارية.

دراسة الغشاء الكهروضوئي الشفاف

تقدم الدراسة Colorless and unidirectional diffractive-type solar concentrators compatible with existing windows¹ تصميماً محسناً يجمع غشاءً جديداً مع مركز لزيادة الكفاءة.
يمكن وضع الطلاء الشمسي كغشاء على أي نافذة وتحويلها إلى مولد للطاقة النظيفة، من دون التأثير في شفافية الزجاج أو صفائه، ما يجعله مناسباً لمباني المستقبل.

التقاط فعّال للطاقة الشمسية

لجمع الطاقة بكفاءة، أنشأ الفريق مركزات شفافة عديمة اللون تستفيد من الضوء أحادي الاتجاه وتعمل عبر زوايا انكسار واسعة جداً. ويندمج الحل بسلاسة مع الحفاظ على المعايير الجمالية.

البلور السائل الكوليستيري (CLC)

يعتمد النظام على غشاء من البلور السائل الكوليستيري (CLC)، وهو بلور فوتوني كيرالي أحادي البعد ينتقي الضوء المستقطب دائرياً. ثم ينكسر الضوء عبر عدة طبقات ذات دوريات جانبية دون الميكرون.
تستخدم المادة المحاذاة الضوئية والبلمرة، فيما توجه مستويات براغ المائلة الضوء. ولا يتجاوز سمك الغشاء 7.5 ميكرومتر ويمكن وضعه على أي سطح زجاجي.

مركز شمسي حيودي

بعد وضعه على النافذة، يوجه المركز ضوء الشمس المستقطب إلى الحواف حيث تجمعه الخلايا الشمسية. ويوفر حيوداً انتقائياً عريض النطاق وتوجيهاً للموجات من دون تقليل صفاء الزجاج.
يخفض دمجه في الزجاج المعماري عدد الخلايا المطلوبة بنسبة 75%. كما تستخدم كل طبقة CLC خطوة لولبية مختلفة لتوسيع نطاقات الضوء الملتقطة.

الزجاج المعماري

الزجاج المعماري هو المستخدم في المباني، من ناطحات السحاب إلى المنازل. وأهم خصائصه الشفافية وسهولة التركيب.

اختبار النموذج الأولي والنتائج

خلال الاختبار، صنع الفريق نموذجاً أولياً بقطر بوصة واحدة (2.54 سم) مع غشاء فوتوني كيرالي أحادي البعد، ثم وصله بمروحة صغيرة بقدرة 10 ميلي واط.

أجري الاختبار بعد ظهر يوم مشمس في يونيو وقاس عوامل مهمة، منها الكفاءة البصرية وكفاءة تحويل الطاقة. وتمكن الجهاز من تشغيل المروحة من دون مشكلة.

أظهرت الاختبارات أيضاً أن ميل مستويات براغ يتحكم في الحافة التي ينكسر الضوء نحوها. وبتوجيه مزيد من الضوء إلى الخلايا، حقق المهندسون متوسط نفاذية للضوء المرئي بلغ 64.2%.

قاس الفريق تغير العتامة بمؤشر تجسيد اللون، وسجل الجهاز 91.3، ما يعني احتفاظه بمعظم شفافيته. وتتيح الطريقة جمع ما يصل إلى 38.1% من طاقة الضوء الأخضر الساقط عند حواف ألواح الزجاج.

فوائد الغشاء الكهروضوئي الشفاف

اسحب للتمرير ←

تقدم الدراسة فوائد عديدة. فالطلب على الطاقة المستدامة مرتفع، وتمثل هذه الاستراتيجية خطوة أولى نحو الدمج السلس على نطاق واسع. ومن المنازل إلى ناطحات السحاب، تفتح إمكانات جديدة لجمع الطاقة الشمسية وتوليد الكهرباء النظيفة.

شفاف

من أهم المزايا جمع الطاقة الشمسية بصورة غير مرئية. وبذلك يستطيع المعماريون تصميم مبانٍ مستدامة من دون التضحية بالمظهر بسبب الألواح التقليدية.

الفوائد الاقتصادية

إلى جانب توفير الطاقة، توجد فوائد اقتصادية مهمة. ففي الماضي كان صنع المركزات المدمجة في النوافذ مكلفاً وبطيئاً.
يخفض الحل الجديد التكلفة بدرجة كبيرة ويسمح بالتركيب بعد التصنيع، لذلك فهو عملي واقتصادي ومتوافق مع المتطلبات الجمالية.

الغشاء الشفاف يزيد الكفاءة

تعد زيادة الكفاءة مهمة. فعلى خلاف الحلول السابقة، تلتقط هذه الخلايا ضوءاً عديم اللون وأحادي الاتجاه عبر زاوية واسعة. وتجمع طبقات CLC المتراكبة خطوات لولبية محسنة ومحاذاة جانبية دون الميكرون لتوجيه الطاقة من دون أجزاء متحركة.

قابلية التوسع

يمكن لقابلية التوسع أن تسرع الوصول إلى السوق. فبعد أن كانت المركزات معقدة ومكلفة للغاية، تتيح الطريقة الجديدة دمج التقنية في منشآت ضخمة.

تطبيقات الغشاء الكهروضوئي الشفاف وجدوله الزمني

للغشاء الكهروضوئي الشفاف تطبيقات كثيرة، تبدأ بالمدن الذكية المستقبلية. ويتطلب الوصول إلى صافي انبعاثات صفري ممارسات مستدامة، فيما يجمع هذا الحل بين الوظيفة والمظهر.

تحديث حضري مستدام

يمكن تركيب غشاء CLC أيضاً على النوافذ الحالية، ما يتيح تحديثها على نطاق واسع لتقليل استهلاك الطاقة. ويبقى مستقراً على المدى الطويل ويلائم النوافذ بمختلف أحجامها وأشكالها تقريباً.

الزراعة الحضرية

قد تنتج البيوت الزجاجية مستقبلاً الطاقة اللازمة لزراعة النباتات بنفسها. وهذا يتيح إنتاج الغذاء في أي مكان تقريباً ويساعد على مواجهة الجوع وتحديات الاستدامة عالمياً.

الجدول الزمني للطرح التجاري

قد يصل الغشاء إلى السوق خلال خمس إلى سبع سنوات. وقد أثبت الفريق قابليته للتوسع، وسيسعى الآن إلى شركاء تصنيع لخفض التكلفة وتسريع اعتماده.

فريق البحث والتمويل

أجرت جامعة نانجينغ الدراسة بالتعاون مع National Laboratory of Solid State Microstructures وKey Laboratory of Intelligent Optical Sensing and Manipulation وCollege of Engineering and Applied Sciences. والمؤلفون هم Dewei Zhang وZhenghao Guo وChun-Ting Xu وJianqing Li وYan-Qing Lu وWei Hu.
موّلت العمل جهات منها National Key Research and Development Program of China وNational Natural Science Foundation of China وNatural Science Foundation of Jiangsu Province.

مستقبل الغشاء الكهروضوئي الشفاف

يبدو مستقبل الغشاء واعداً. وسيعمل العلماء على رفع كفاءة النطاق العريض وتحسين التحكم في الاستقطاب، ويهدفون خلال العقد المقبل إلى استخدامه لتزويد بيوت زجاجية من الجيل الجديد وغيرها بالطاقة.

الاستثمار في تصنيع الألواح الشمسية

تعمل شركات عديدة في قطاع الطاقة الشمسية وتستثمر باستمرار في البحث والتطوير لتقديم حلول أكثر كفاءة وسهولة. وتشتهر الشركة التالية بالابتكار ودفع خيارات الطاقة المستدامة.

NextEra Energy

شركة NextEra Energy (NEE ) تأسست عام 1925 باسم Florida Power & Light Company (FPL) لتوفير الطاقة لسكان فلوريدا. وكانت تدير محطات كهرباء ومنشآت لمعالجة المياه وشبكات لتخزين الغاز.

في عام 1997 أصبح اسم الشركة FPL Energy ضمن خطة للتوسع خارج فلوريدا، ثم تغير إلى NextEra Energy عام 2009 ليعكس تركيزها الجديد على الطاقة المستدامة.
تعد اليوم أكبر منتج لطاقة الرياح والطاقة الشمسية في الولايات المتحدة ولا تزال من رواد القطاع. ويمكن للمستثمرين الباحثين عن سهم راسخ مرتبط بالطاقة الشمسية دراسة NextEra Energy بمزيد من التفصيل.

آخر أخبار وأداء سهم NextEra Energy (NEE)

الغشاء الكهروضوئي الشفاف | الخلاصة

من السهل فهم كيف يمكن لهذا الغشاء أن يغير بناء المناطق الحضرية الكبيرة. فالطاقة الشمسية من أفضل وسائل دعم الطلب على الطاقة، والطريقة الجديدة تطور المحاولات السابقة لدمجها في المباني اليومية. ويستحق الفريق التقدير على هذا النهج المبتكر.

تعرف على مشاريع استدامة أخرى هنا.

المراجع:

^{1. Zhang, D., Guo, Z., Xu, C., Li, J., Lu, Y., & Hu, W. (2025). Colorless and unidirectional diffractive-type solar concentrators compatible with existing windows. PhotoniX, 6(1), 1-12. https://doi.org/10.1186/s43074-025-00178-3}