آینده انرژی ساختمان‌ها در دست شیشه‌های خورشیدی

در چشم‌انداز شهرهای آینده، عناصر معماری همچون پنجره‌ها، درها، سقف‌ها و نماها فقط اجزای ایستا و تزئینی نخواهند بود؛ آن‌ها به سطوح هوشمندی تبدیل می‌شوند که می‌توانند انرژی تولید کنند؛ سطوحی که برای چشم نامرئی، اما برای گذار انرژی در شهرهای پایدار حیاتی هستند. فناوری فتوولتائیک شفاف، به‌ویژه در قالب سیستم‌های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان (BIPV)، در مرکز این تحول قرار دارد.

برخلاف رویکرد سنتی که در آن پنل‌های خورشیدی به‌صورت الحاقی روی بام یا نما نصب می‌شوند، فناوری فتوولتائیک شفاف به‌دنبال ادغام تولید انرژی در ساختار اصلی ساختمان است. در این مدل، پنجره‌ها و سطوح شیشه‌ای به‌صورت بی‌صدا، بی‌نشان، اما مؤثر به مولدهای برق تبدیل می‌شوند. این تحول نه‌تنها بهره‌وری انرژی را افزایش می‌دهد، بلکه زیبایی‌شناسی و عملکرد معماری را نیز حفظ می‌کند.

از آزمایشگاه تا نسل جدید شیشه‌های فتوولتائیک

نخستین نمونه‌های عملی این فناوری به سال ۲۰۱۴ بازمی‌گردد، زمانی که پژوهشگران دانشگاه ایالتی میشیگان موفق به ساخت نخستین پنل فتوولتائیک شفاف شدند. این فناوری بر پایه مولکول‌های آلی طراحی شده بود که طول‌موج‌های نامرئی همچون فرابنفش (UV) و فروسرخ نزدیک (NIR) را جذب می‌کردند، در حالی‌که نور مرئی از آن عبور می‌کرد. انرژی جذب‌شده به لبه‌های پنل منتقل می‌شد و در آنجا سلول‌های نازک سیلیکونی آن را به برق تبدیل می‌کردند.

بازدهی این پنل‌ها در مراحل اولیه بسیار پایین و در حد ۱ درصد بود، اما در حال حاضر با پیشرفت‌های علمی، نسل جدید این پنل‌ها به راندمان‌هایی تا ۱۰ درصد دست پیدا کرده‌اند. هرچند این رقم هنوز با پنل‌های سیلیکونی سنتی قابل مقایسه نیست، اما برای استفاده در سطوح وسیع شیشه‌ای همچون نمای برج‌ها مناسب و قابل‌قبول است.

یکی از نوآوری‌های چشمگیر در این حوزه از کره جنوبی آمده است؛ گروهی از پژوهشگران کره‌ای موفق به توسعه شیشه قالب‌گیری‌شده ویژه کاربردهای BIPV شدند. این شیشه با ضخامت پنج میلی‌متر و طراحی سطحی ویژه، به‌گونه‌ای ساخته شده است که با جهت‌گیری عمودی به سمت جنوب، محدودیت‌های رایج پنل‌های شفاف را پشت سر می‌گذارد. در آزمایش مقایسه‌ای با شیشه معمولی ۳.۲ میلی‌متری، با وجود افت جزئی راندمان (۰.۵ درصد به‌دلیل کاهش ولتاژ مدار باز)، عملکرد کلی شیشه قالبی بسیار مطلوب بوده و بدون آسیب به زیبایی نما، گزینه‌ای ایده‌آل برای استفاده در فتوولتائیک‌های عمودی یکپارچه معرفی شده است.

فتوولتائیک شفاف چگونه کار می‌کند؟

پنل‌های فتوولتائیک شفاف با هدف تلفیق تولید انرژی و حفظ شفافیت بصری طراحی شده‌اند. این پنل‌ها به‌گونه‌ای عمل می‌کنند که نور مرئی را از خود عبور می‌دهند، در حالی‌که پرتوهای فرابنفش (UV) و فروسرخ (IR) را جذب و آن‌ها را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این ویژگی موجب می‌شود که پنجره‌ها و نماهای شیشه‌ای، بدون تغییر در ظاهر یا کاهش دید، به منابع تولید برق تبدیل شوند که تحولی بنیادین در معماری پایدار شهری به‌شمار می‌رود.

از نظر ساختار، پنل‌های فتوولتائیک شفاف در دو نوع اصلی عرضه می‌شوند. نوع اول، ساختار شیشه-شیشه یا به‌اصطلاح «ساندویچی» است که در آن سلول‌های فتوولتائیک بین دو لایه شیشه قرار می‌گیرند. این نوع طراحی بیشتر به پنل‌های سنتی شباهت دارد، با این تفاوت که شفافیت نسبی آن امکان استفاده در فضاهای معماری را فراهم می‌سازد. نوع دوم که از نظر فناوری پیشرفته‌تر و جذاب‌تر است، «شیشه فعال خورشیدی» نام دارد. در این مدل، خود ماده شیشه‌ای دارای خاصیت تولید انرژی است و نیازی به سلول‌های مجزا ندارد. این ویژگی، امکان طراحی‌های یکپارچه‌تر و ظریف‌تر را فراهم می‌کند.

شیشه‌های فعال خورشیدی در قالب‌های مختلفی توسعه پیدا کرده‌اند. یکی از انواع رایج، شیشه‌هایی است که بر پایه ژل سیلیکونی ساخته شده‌اند و توان تولیدی آن‌ها تا حدود ۱۰۰ وات در هر متر مربع می‌رسد. نوع دیگر، شیشه‌های مبتنی بر مواد آلی هستند که عملکرد بهتری دارند و می‌توانند تا ۳۰۰ وات در هر متر مربع انرژی تولید کنند. افزون بر این‌ها، شیشه‌های مبتنی بر گرافن نیز در حال توسعه هستند.

گرافن یک ماده فوق‌العاده نازک، سبک و در عین حال بسیار مقاوم (حدود ۲۰۰ برابر قوی‌تر از فولاد) است که از یک لایه تک‌اتمی از اتم‌های کربن تشکیل شده است و این اتم‌ها به‌صورت شبکه‌ای شش‌ضلعی (مانند کندوی زنبور) کنار هم قرار گرفته‌اند. این ساختار دوبعدی، گرافن را به یکی از شگفت‌انگیزترین مواد شناخته‌شده در علم مواد تبدیل کرده است. گرافن می‌تواند خم شود بدون اینکه بشکند و در عین حال تا ۹۷ درصد نور را از خود عبور می‌دهد. فناوری شیشه‌های مبتنی بر گرافن، به‌دلیل خواص الکتریکی و نوری منحصربه‌فرد گرافن، بسیار نویدبخش است اما هنوز در مرحله تحقیق و آزمایش قرار دارد و به‌طور گسترده وارد بازار نشده است.

اگرچه راندمان تبدیل انرژی در پنل‌های شفاف هنوز به سطح پنل‌های سیلیکونی سنتی نرسیده و در حدود ۱۰ درصد باقی مانده است، اما مزیت اصلی این فناوری در قابلیت استفاده از سطوحی نهفته است که پیش‌تر برای تولید انرژی قابل بهره‌برداری نبودند. نماهای شیشه‌ای بلندمرتبه، پنجره‌های وسیع و حتی سقف‌های شفاف اکنون می‌توانند به‌عنوان منابع انرژی عمل کنند. به‌طور بالقوه، تمام سطوح شیشه‌ای یک آسمان‌خراش می‌توانند به مولدهای برق تبدیل شوند، بدون آن‌که تغییری در ظاهر یا عملکرد معماری ساختمان ایجاد شود. این ویژگی، فتوولتائیک شفاف را به یکی از کلیدی‌ترین فناوری‌ها در مسیر تحقق شهرهای خودکفا و پایدار تبدیل کرده است.

ایستگاه تاکاناوا گیت‌وی؛ آزمایشگاه زنده فتوولتائیک شفاف در قلب توکیو

با وجود نوپا بودن این فناوری، نخستین کاربردهای واقعی آن در حال اجرا و آزمایش هستند. ایستگاه قطار تاکاناوا گیت‌وی در توکیو، یکی از نخستین نمونه‌های عملی استفاده از فناوری فتوولتائیک شفاف در مقیاس واقعی شهری به‌شمار می‌رود. این ایستگاه ساختمانی پرتردد با نمایی تمام‌شیشه‌ای است که بستر مناسبی برای آزمایش و ارزیابی فتوولتائیک شفاف فراهم کرده است.

هدف از پروژه جایگزینی شیشه‌های سنتی با شیشه‌های فتوولتائیک، بررسی امکان‌پذیری تولید انرژی از سطوح شیشه‌ای بدون ایجاد تغییرات ظاهری در معماری ساختمان است. در این پروژه، از پوشش شفاف و نامرئی نانوفوتونیک استفاده شده که بدون تغییر در ظاهر ساختمان، قادر است انرژی خورشیدی را جذب و به برق تبدیل کند. این فناوری در حال توسعه، امکان بررسی عملکرد، دوام و تأثیر بصری پنل‌ها را در شرایط واقعی فراهم کرده است و گامی مهم در مسیر تجاری‌سازی آن محسوب می‌شود.

پوشش‌های شفاف نانوفوتونیک به‌صورت لایه‌ای نازک و نامرئی روی سطح شیشه‌ها اعمال می‌شوند. این پوشش‌ها می‌توانند پرتوهای فرابنفش و فروسرخ را جذب و آن‌ها را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این فناوری به‌گونه‌ای طراحی شده است که هیچ‌گونه تغییر رنگ، انعکاس یا کدری در ظاهر شیشه ایجاد نمی‌کند و از نظر زیبایی‌شناسی به‌طور کامل با طراحی معاصر ایستگاه هماهنگ است.

پنل‌های به‌کاررفته در این پروژه دارای راندمان اولیه حدود ۵ تا ۷ درصد هستند که با توجه به سطح وسیع شیشه‌ای ایستگاه، می‌توانند مقدار قابل‌توجهی انرژی تولید کنند. این انرژی به‌طور عمده برای تأمین روشنایی داخلی، سیستم‌های اطلاعاتی و تهویه موضعی ایستگاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیستم مدیریت انرژی ساختمان به‌گونه‌ای طراحی شده است که داده‌های تولید و مصرف برق را به‌صورت لحظه‌ای ثبت و تحلیل می‌کند تا عملکرد واقعی پنل‌ها در شرایط آب‌وهوایی مختلف بررسی شود.

این پوشش‌ها در کنار تولید انرژی، نقش مهمی در کاهش بار حرارتی ساختمان نیز ایفا می‌کنند. با فیلتر کردن پرتوهای فرابنفش و و فروسرخ، میزان جذب گرما توسط شیشه‌ها کاهش پیدا می‌کند. این امر به کاهش نیاز به سرمایش در فصل‌های گرم کمک می‌کند و مصرف انرژی سیستم‌های تهویه مطبوع را به‌طور محسوسی کاهش می‌دهد.

این پروژه همچنین به‌عنوان پایلوتی برای ارزیابی دوام و پایداری فناوری در برابر شرایط محیطی همچون باران، گردوغبار، تغییرات دما و تابش مستقیم خورشید در طول سال در نظر گرفته شده است. داده‌های جمع‌آوری‌شده از این ایستگاه، به توسعه نسل‌های بعدی پنل‌های شفاف و بهینه‌سازی فرآیندهای تولید و نصب آن‌ها کمک خواهد کرد.

ایستگاه تاکاناوا گیت‌وی از یک نقطه حمل‌ونقل شهری به آزمایشگاهی زنده برای فناوری‌های نوین انرژی تبدیل شده است. این پروژه نشان می‌دهد که فتوولتائیک شفاف می‌تواند بدون فدا کردن زیبایی معماری، به‌عنوان بخشی از زیرساخت انرژی شهری عمل کند و گامی مؤثر در مسیر تحقق شهرهای هوشمند و پایدار باشد.

چالش‌ها و چشم‌اندازهای یک انقلاب نامرئی

فتوولتائیک شفاف را می‌توان یکی از چشمگیرترین دستاوردهای نوین در عرصه معماری پایدار دانست. این فناوری با حفظ شفافیت بصری و زیبایی‌شناسی بنا، سطوحی که پیش‌تر فقط نقش حفاظتی یا تزئینی داشتند را به منابع تولید انرژی تبدیل می‌کند. این پنل‌ها ضمن کاهش بار حرارتی ساختمان، نیاز به مصرف انرژی برای تهویه مطبوع را کاهش می‌دهند. به این ترتیب نه‌تنها بهره‌وری انرژی افزایش پیدا می‌کند، بلکه ارزش اقتصادی ملک و رتبه‌بندی انرژی آن نیز به‌طور محسوسی بالا می‌رود.

با این حال، مسیر توسعه این فناوری خالی از چالش نیست؛ راندمان تبدیل انرژی در پنل‌های شفاف هنوز به سطح پنل‌های سیلیکونی سنتی نرسیده است و در بعضی موارد، تا سه برابر هزینه‌برتر از نمونه‌های رایج هستند. افزون بر این، دوام بلندمدت این فناوری‌ها در برابر عوامل محیطی همچون رطوبت، تابش مستقیم خورشید و تغییرات دمایی هنوز به‌طور کامل اثبات نشده و نیازمند آزمایش‌های گسترده و طولانی‌مدت است. از سوی دیگر، ادغام این فناوری با زیرساخت‌های انرژی شهری و شبکه‌های هوشمند، مستلزم بازنگری در ساختارهای فنی، مدیریتی و حتی قانونی موجود است.

با وجود این موانع، شواهد علمی و نمونه‌های عملی نشان می‌دهند که این تحول نه‌تنها ممکن، بلکه در حال وقوع است. با رشد روزافزون ساختمان‌های نزدیک به صفر انرژی (NZEB) و توسعه شبکه‌های هوشمند شهری، نقش پنجره‌ها و نماها از یک مرز فیزیکی صرف، به یک عنصر فعال در تولید انرژی تغییر خواهد کرد. این سطوح شفاف و بی‌صدا، به مولدهایی نامرئی بدل می‌شوند که در دل شهرهای آینده، نقشی حیاتی در خودکفایی، تاب‌آوری و پایداری ایفا خواهند کرد.