مقدمة

في ظل تطور الطاقة الشمسية اليوم، تهيمن الطاقة الشمسية الكهروضوئية المثبتة على الأسطح والألواح الشمسية الكهروضوئية الأرضية. ولكن الكثافة الحضرية المتزايدة، ومحدودية مساحة الأسطح، والدفع نحو استخدام الخلايا الكهروضوئية المتكاملة في المباني (BIPV) تحول التركيز نحو الطاقة الشمسية الرأسية أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية - ألواح مثبتة على الجدران أو أسطح الواجهات. تستكشف هذه المقالة كيف توفر الألواح الشمسية الكهروضوئية الرأسية (وتسمى أيضًا الألواح الشمسية الكهروضوئية المثبتة على الجدران أو أنظمة الواجهات الشمسية) حدودًا جديدة في نشر الطاقة الشمسية. سنغطي فوائد الأداء، والاعتبارات الهندسية، واتجاهات السوق، وكيف يمكن لشركة Sunpal الاستفادة من هذه الإمكانات غير المستغلة.

لماذا تكتسب الطاقة الشمسية الكهروضوئية الرأسية زخماً كبيراً

• يدفع التوسع الحضري وأهداف الطاقة المتجددة إلى البحث عن بدائل أخرى غير الأسطح.
• تتيح التركيبات العمودية استخدام أسطح المباني (الواجهات الشرقية / الغربية / الشمالية / الجنوبية) لتوليد الكهرباء حيث تكون المساحة على الأسطح محدودة.
• التقدم المحرز في الألواح الشمسية ثنائية الوجه، ووحدات السيليكون من النوع n، وتقنيات الخلايا ذات الكفاءة العالية تحسين العائد من التركيبات المثبتة على الحائط.
• يدمج المهندسون المعماريون والمطورون بشكل متزايد أنظمة الواجهات الشمسية في متطلبات التصميم للمباني الخضراء أو المباني الصافية الصفرية.

تتضافر هذه العوامل لتضع الطاقة الشمسية الكهروضوئية الرأسية كاستراتيجية تكميلية بدلاً من مجرد استراتيجية احتياطية “أقل كفاءة” لمصفوفات الأسطح القياسية. فهي تتيح فرصًا للطاقة الشمسية على الجدران الشاهقة والجراجات وحواجز الصوت والواجهات الصناعية.

الأداء والفوائد التقنية

مثال على الكسب العمودي / ثنائي الوجهين

أظهرت دراسة حديثة حول الطاقة الكهروضوئية الرأسية ثنائية الوجه (VBPV) متوسط مكاسب موسمية في الطاقة تبلغ +11.41 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت في الربيع، و+8.11 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت في الصيف، و+10.91 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت في الخريف، و+12.51 تيرابايت 3 تيرابايت في الشتاء مقارنةً بالنظام الكهروضوئي الرأسي الأحادي الوجه التقليدي.

في الصباح الباكر / في وقت متأخر من بعد الظهر، وصلت المكاسب مقابل الوحدات التقليدية ذات الإمالة الثابتة إلى أكثر من 201 تيرابايت 3 تيرابايت.

الرسم البياني 1: المكاسب النسبية الموسمية للطاقة المكتسبة من الطاقة الرأسية ثنائية الوجه مقابل أحادية الوجه

تشمل المزايا التقنية الأخرى ما يلي:

• أداء أفضل في فصل الشتاء والضوء المنتشر - يمكن للألواح التي تواجه زوايا عمودية التقاط أشعة الشمس في الصباح/المساء أو الضوء المنخفض الزاوية، مما يعطي توليدًا أكثر استقرارًا خلال الفصول.
• انخفاض الاتساخ وتراكم الغبار - الأسطح العمودية أقل عرضة لتراكم الغبار ويمكن أن تستفيد من الغسيل المطري.
• السلوك الحراري: تُظهر بعض الأبحاث (على سبيل المثال دراسة هولندية) أن المصفوفات الرأسية تعمل بشكل أكثر برودة من نظيراتها الأفقية، مما يؤدي إلى زيادة الجهد والأداء بشكل طفيف في ظل نفس الإشعاع.
• كسب البيدو/الكسب الانعكاسي: يمكن للوحدات ثنائية الوجه المركبة عموديًا الاستفادة من الضوء المنعكس من الأسطح المجاورة (الأرض والجدران)، مما يزيد من العائد الفعال (غالبًا ما يتراوح الكسب ثنائي الوجه من حوالي 5% إلى 30% اعتمادًا على الإعداد).

ومع ذلك، فإن نمذجة الطاقة الشمسية العمودية أكثر تعقيدًا: تميل الانحرافات في التنبؤ بالإشعاع للأنظمة العمودية إلى أن تكون أعلى من الأنظمة ذات الميل الثابت، خاصة في خطوط العرض الأعلى.

اعتبارات التصميم والتركيب

التكامل الهيكلي والمعماري

• تتطلب الألواح الكهروضوئية المثبتة على الحائط أنظمة تأطير أو تركيب واجهة مخصصة. يجب مراعاة قدرة التحميل، وحمل الرياح، وتصريف الأمطار، وقانون الحرائق.
• يجب أن يدمج التصميم المعماري الطاقة الشمسية الكهروضوئية من الناحية الجمالية - قد تكون هناك حاجة إلى تركيب الألواح الشمسية الكهروضوئية أو الألواح الزجاجية الكهروضوئية أو تكسية الواجهة الشمسية.

التصميم الكهربائي والنظام الكهربائي

• الاتجاه مهم: توفر المصفوفات الرأسية المواجهة للشرق والغرب قمتين (صباحًا/مساءً) بدلاً من قمة واحدة في منتصف النهار.
• يجب أن تتوافق المحولات والأسلاك والسلامة الكهربائية (مثل تصنيف الحرائق والعزل عن غلاف المبنى) مع المعايير المحلية.
• يجب محاكاة التظليل من المباني المجاورة أو الأشجار أو التظليل الذاتي الداخلي لوحدات الواجهة (على سبيل المثال عن طريق PVsyst أو أدوات أخرى) لتحسين الإنتاجية.

التنظيم والامتثال

• قد تحدد قوانين البناء الحمولة القصوى للرياح أو الثلوج على الواجهات، وتتطلب أنظمة تكسية مقاومة للحريق، وتفرض إمكانية الوصول إلى الصيانة.
• شهادات مثل نظام الريادة في الطاقة والتصميم البيئي (LEED) / ويل / معايير صافي الصفر الصافي للمباني نتوقع على نحو متزايد حلول الطاقة المتجددة المتكاملة؛ يمكن أن تساهم الطاقة الشمسية العمودية كجزء من اعتمادات أداء الواجهة.

حالات الاستخدام والتطبيقات

تناسب الطاقة الشمسية الكهروضوئية العمودية العديد من الإعدادات:

• المباني التجارية أو السكنية الشاهقة - الواجهات التي تحصل على أشعة الشمس على الجانب الشرقي أو الغربي.
• المستودعات الصناعية والمصانع - قد تستقبل الجدران الجانبية الطويلة ساعات من ضوء النهار حيث يكون السقف مظللاً أو صغيراً.
• البنية التحتية وحواجز الضوضاء - يمكن أن تتضاعف ألواح الجدران الضوضائية على الطرق السريعة أو السكك الحديدية كمولدات للطاقة.
• تكامل حاجز الصوت أو السياج في المناطق الحضرية/الطرق السريعة.

الرسم البياني 2: مقارنة بين حالات الاستخدام النموذجي

تُظهر حالات الاستخدام هذه أن الأنظمة الرأسية يمكن أن تعوض جزئياً الأحمال الكهربائية للمبنى دون الحاجة إلى مساحة أرض إضافية أو ترقيات للأسطح.

فرص السوق واقتصاديات السوق

• من المتوقع أن ينمو سوق الخلايا الكهروضوئية المتكاملة للمباني (BIPV) العالمي بقوة حيث تهدف المباني إلى الوصول إلى حالة صافي الصفر، مما يخلق خلفية مواتية للطاقة الشمسية الرأسية/ الواجهة.
• الحوافز أو تعريفات التغذية في العديد من الأسواق تكافئ أو تدعم دمج الطاقة المتجددة في المباني؛ ويمكن أن تكون الطاقة الشمسية العمودية مؤهلة في إطار مخططات الواجهات أو المباني الخضراء.
• قد يكون ناتج الطاقة الشمسية العمودية أقل قليلاً من الطاقة السنوية مقارنةً بالطاقة الشمسية الكهروضوئية المائلة على السطح بشكل مثالي، ولكن يمكن أن يؤدي توافقها مع أهداف البيئة والمياه والبيئة والحوكمة والتكامل المعماري وأقساط البناء ذات الاستخدام المزدوج إلى تحسين تحليل التكلفة والعائد.
• في العديد من المشاريع الحضرية، يمكن أن توفر الطاقة الشمسية المثبتة على الجدران قيمة أعلى لكل متر مربع من واجهة المبنى القابلة للاستخدام مقارنة بألواح السطح (خاصة عندما تكون مساحة السطح مشبعة أو غير قابلة للاستخدام بسبب التدفئة والتهوية وتكييف الهواء أو غيرها من المعدات).

التحديات والعوائق

على الرغم من مزاياها، تواجه الطاقة الشمسية الكهروضوئية الرأسية بعض العقبات:

• إنتاجية مطلقة أقل مقارنةً بمصفوفات الأسطح ذات الإمالة المثلى - بعض التركيبات تبلغ عن إنتاجية أقل بمقدار 30 % أو أكثر اعتمادًا على السمت أو التظليل أو المناخ المحلي.
• تكلفة تركيب ومواد أعلى للتركيب المخصص، وتكامل الواجهات، والتشطيبات المعمارية.
• محدودية الوعي بين مالكي المباني والمطورين بأن الطاقة الكهروضوئية الرأسية قابلة للتطبيق وفعالة من حيث التكلفة.
• حالات عدم اليقين في المحاكاة: كما لوحظ، قد يكون لنمذجة الإشعاع الكهروضوئي الرأسي (خاصةً للأنظمة ثنائية الوجه) هوامش خطأ أعلى، مما يجعل الموافقة على التمويل أكثر صعوبة.
• الثغرات التنظيمية: قد لا تحدد قوانين البناء أو اللوائح المحلية صراحةً معايير خاصة بالألواح الكهروضوئية المثبتة على الحائط، أو تتطلب مراجعة/تصاريح خاصة.

الاتجاهات وتوقعات الابتكار

وبالنظر إلى المستقبل، يمكن للعديد من فرص الابتكار توسيع نطاق اعتماد الطاقة الشمسية العمودية:

• واجهات شمسية جمالية: وحدات تكسية كهروضوئية ملونة أو مزخرفة تمتزج مع المواد المعمارية.
• التكامل الذكي: إقران الطاقة الكهروضوئية الرأسية مع تخزين الطاقة في الموقع، أو إدارة الطاقة القائمة على إنترنت الأشياء، أو أنظمة الاستجابة للطلب.
• الجيل التالي من المواد الكهروضوئية: على سبيل المثال الوحدات الكهروضوئية الترادفية أو الوحدات ثنائية الوجه المحسّنة بالبيروفسكايت التي توفر كفاءة أعلى حتى في ظل الاتجاه المنتشر أو الرأسي.
• المدينة الذكية/النظم الإيكولوجية للمدن الذكية/المباني الصافية الصفرية: الطاقة الشمسية العمودية كعنصر قياسي في إرشادات تصميم الواجهات، والمساهمة في توازن طاقة الواجهات، ووظائف تظليل/تبريد الواجهات، وتوليد الطاقة الشمسية.

كما بدأت البرامج التجريبية في مجال الخلايا الكهروضوئية الزراعية أو التطبيقات ذات الاستخدام المزدوج (على سبيل المثال الجدران الرأسية ثنائية الجانب في الهند أو الحاجز الكهروضوئي الحاجز للصوت في ممرات النقل) في استكشاف كيف يمكن أن تخدم الخلايا الكهروضوئية الرأسية وظائف متعددة (الطاقة + التظليل / الموئل / الهيكل).

الخاتمة

تمثل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية العمودية قطاعاً سريع الظهور في تصميم الطاقة الشمسية - تحويل الجدران العادية إلى أسطح منتجة للطاقة. وعلى الرغم من أن الأداء قد لا يتطابق دائماً مع الأنظمة المثالية المائلة على الأسطح، إلا أن توافقها في المناطق الحضرية وإمكانية تكاملها ومزايا أدائها الموسمي يمنحها جاذبية قوية لمشاريع المباني المستدامة.

تتمتع شركة Sunpal بمكانة جيدة للاستفادة من هذه الإمكانات غير المستغلة من خلال تقديم حلول الطاقة الشمسية المثبتة على الجدران التي تتماشى مع جماليات الهندسة المعمارية والمتطلبات التنظيمية وأهداف الطاقة المتجددة.

هل أنت مستعد لاستكشاف الطاقة الشمسية العمودية لمشروعك القادم؟

قم بزيارة www.sunpalpv.com أو تواصل مع خبرائنا اليوم لمناقشة حلول الطاقة الشمسية الكهروضوئية المصممة خصيصاً لتناسب أهدافك المعمارية وأهدافك في مجال الطاقة.