وحدات الطاقة الشمسية ثنائية الوجه ذات الموجة المزدوجة: التطور التكنولوجي وسوق جديدة

تشهد صناعة الطاقة الكهروضوئية ثورةً في الكفاءة والموثوقية، تقودها وحدات الطاقة الشمسية ثنائية الوجه ثنائية الموجة (المعروفة عادةً بوحدات الزجاج المزدوج ثنائية الوجه). تُعيد هذه التقنية تشكيل المسار التقني ونمط التطبيق في سوق الطاقة الكهروضوئية العالمي، من خلال توليد الكهرباء عن طريق امتصاص الطاقة الضوئية من جانبي المكونات، ودمجها مع مزايا المتانة الكبيرة التي توفرها العبوات الزجاجية. ستُجري هذه المقالة تحليلاً مُعمّقاً للخصائص الأساسية، وقيمة التطبيقات العملية، بالإضافة إلى الفرص والتحديات التي ستواجهها في مستقبل وحدات الزجاج المزدوج ثنائية الوجه، كاشفةً كيف تُسهم في دفع صناعة الطاقة الكهروضوئية نحو كفاءة أعلى، وتكلفة أقل للكيلوواط/ساعة، وقدرة أكبر على التكيف مع مختلف السيناريوهات.

الميزات التقنية الأساسية: قفزة مزدوجة في الكفاءة والموثوقية

تكمن روعة الوحدة الزجاجية المزدوجة ثنائية الوجه في قدرتها المذهلة على توليد الطاقة. فعلى عكس الوحدات التقليدية أحادية الوجه، يمكن لظهرها التقاط الضوء المنعكس من الأرض بفعالية (مثل الرمال والثلج والأسطح ذات الألوان الفاتحة أو الأرضيات الأسمنتية)، مما يوفر زيادة كبيرة في توليد الطاقة. يُعرف هذا في الصناعة باسم "الكسب ثنائي الوجه". في الوقت الحالي، تصل نسبة ثنائية الوجه (نسبة كفاءة توليد الطاقة في الخلف إلى الأمام) للمنتجات الرئيسية عمومًا إلى 85% إلى 90%. على سبيل المثال، في البيئات عالية الانعكاس مثل الصحاري، يمكن أن يؤدي الكسب الخلفي للمكونات إلى زيادة بنسبة 10% إلى 30% في إجمالي توليد الطاقة. وفي الوقت نفسه، يعمل هذا النوع من المكونات بشكل أفضل في ظروف الإشعاع المنخفض (مثل الأيام الممطرة أو الصباح الباكر وأواخر المساء)، مع زيادة في الطاقة تزيد عن 2%.

يُعدّ الابتكار في المواد والهياكل أساسًا لدعم توليد الطاقة بكفاءة. تُسهم تقنيات البطاريات المتقدمة (مثل بطاريات TOPCon من النوع N) في تعزيز قوة المكونات، وقد دخلت المنتجات الرئيسية نطاق 670-720 واط. لتقليل فاقد التظليل الأمامي وتحسين كفاءة تجميع التيار، قدّمت الصناعة تصاميم بدون حبيبات رئيسية (مثل هيكل 20BB) وتقنيات طباعة مُحسّنة (مثل طباعة الشاشة الفولاذية). على مستوى التغليف، يُوفّر الهيكل الزجاجي المزدوج (مع زجاج في كلٍّ من الأمام والخلف) حمايةً فائقة، حيث يُحافظ على معدل التوهين في السنة الأولى للمكون ضمن 1% ومتوسط معدل التوهين السنوي أقل من 0.4%، وهو ما يفوق بكثير المكونات الزجاجية المفردة التقليدية. ولمواجهة تحدي الوزن الكبير لوحدات الزجاج المزدوج (خاصةً كبيرة الحجم)، ظهر حلٌّ خفيف الوزن من الطبقة الخلفية الشفافة، مما يُمكّن من تقليل وزن وحدات بحجم 210 إلى أقل من 25 كيلوغرامًا، مما يُخفّف بشكل كبير من صعوبات التركيب.

تُعد القدرة على التكيف مع الظروف البيئية ميزة رئيسية أخرى للوحدة الزجاجية المزدوجة ذات الوجهين. يمنحها هيكلها الزجاجي المزدوج المتين مقاومة ممتازة للعوامل الجوية، ومقاومة فعالة للتوهين الناتج عن الجهد الكهربائي (PID)، والأشعة فوق البنفسجية القوية، وتأثيرات البَرَد، والرطوبة العالية، والتآكل الناتج عن رذاذ الملح، والاختلافات الحادة في درجات الحرارة. ومن خلال إنشاء محطات طاقة تجريبية في مناطق مناخية مختلفة حول العالم (مثل المناطق شديدة البرودة، والرياح القوية، ودرجات الحرارة والرطوبة العالية)، يُؤكد مصنعو المكونات باستمرار على قدرة تشغيلهم المستقرة على المدى الطويل في البيئات القاسية.

مزايا التطبيق: تعزيز التحسين الاقتصادي لمشاريع الطاقة الكهروضوئية

تنعكس قيمة وحدات الزجاج المزدوج ذات الجانبين في نهاية المطاف في الجدوى الاقتصادية طوال دورة حياة المشروع بأكملها، وخاصة في سيناريوهات التطبيق المحددة:

محطات الطاقة الأرضية واسعة النطاق: مضاعف الإيرادات في المناطق عالية الانعكاس: في المناطق الصحراوية أو الثلجية أو ذات الأسطح الفاتحة، يمكن أن يُخفّض الكسب الخلفي مباشرةً تكلفة الكهرباء المُستوية للمشروع. على سبيل المثال، في أحد أكبر مشاريع الطاقة الكهروضوئية في أمريكا اللاتينية - محطة "سيرادو سولار" للطاقة الشمسية في البرازيل، بقدرة 766 ميجاوات، لا يُؤدي استخدام وحدات زجاجية مزدوجة الوجهين إلى زيادة كبيرة في توليد الطاقة فحسب، بل يُتوقع أيضًا أن يُخفّض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 134,000 طن سنويًا. يُظهر تحليل النموذج الاقتصادي أنه في مناطق مثل المملكة العربية السعودية، يُمكن أن يُخفّض اعتماد الوحدات ثنائية الوجهين المُتطورة تكلفة الكهرباء المُستوية بحوالي 5% مُقارنةً بالتقنيات التقليدية، مع توفير تكاليف توازن النظام.

الطاقة الكهروضوئية الموزعة: الاستفادة من إمكانات أسطح المباني والتضاريس الخاصة: على أسطح المباني الصناعية والتجارية، تعني كثافة الطاقة العالية تركيب أنظمة ذات سعة أكبر ضمن مساحة محدودة، مما يقلل من تكلفة تركيب الوحدة. تُظهر الحسابات أنه في مشاريع الأسقف واسعة النطاق، يُمكن أن يُقلل استخدام وحدات ثنائية الوجه عالية الكفاءة بشكل كبير من تكلفة المقاولات الهندسية العامة (EPC) ويزيد من صافي ربح المشروع. بالإضافة إلى ذلك، في المناطق ذات التضاريس المعقدة، مثل مواقع الأسمنت والارتفاعات العالية، فإن مقاومة الأحمال الميكانيكية الممتازة ومقاومة فروق درجات الحرارة التي تتميز بها وحدات الزجاج المزدوج تجعلها خيارًا موثوقًا. وقد أطلق بعض المصنّعين بالفعل منتجات وحلول تركيب مُخصصة لبيئات خاصة، مثل الارتفاعات العالية.

مواكبة سوق الطاقة الجديد: تحسين إيرادات أسعار الكهرباء: مع تزايد شيوع آلية تسعير الكهرباء حسب وقت الاستخدام، قد ينخفض سعر الكهرباء المُقابل لذروة توليد الطاقة الكهروضوئية التقليدية في منتصف النهار. بفضل نسبة الطاقة العالية وقدرة الاستجابة الممتازة للضوء الخافت، تُنتج الوحدات ثنائية الوجه المزيد من الكهرباء خلال الصباح والمساء عندما تكون أسعار الكهرباء مرتفعة، مما يُمكّن منحنى توليد الطاقة من مواكبة فترة ذروة أسعار الكهرباء بشكل أفضل، وبالتالي تعزيز الإيرادات الإجمالية. 

حالة التطبيق: اختراق عالمي وزراعة مشهد متعمق

تتوسع خريطة تطبيق وحدات الزجاج المزدوج ذات الجانبين بسرعة في جميع أنحاء العالم:

أصبح التطبيق الإقليمي واسع النطاق شائعًا: في المناطق عالية الإشعاع والانعكاس، مثل صحراء الشرق الأوسط، وصحراء جوبي غرب الصين، وهضبة أمريكا اللاتينية، أصبحت الوحدات الزجاجية المزدوجة ثنائية الوجه الخيار الأمثل لبناء محطات طاقة أرضية جديدة واسعة النطاق. وفي الوقت نفسه، في المناطق الثلجية، مثل شمال أوروبا، تُستغل ميزة الكسب العالي للمكونات التي تنعكس من خلفها الثلوج (حتى 25%) على أكمل وجه.

تظهر حلول مُخصصة لسيناريوهات مُحددة: يُظهر القطاع توجهًا نحو التخصيص المُتعمق لبيئات تطبيقية مُحددة. على سبيل المثال، استجابةً لمشكلة الرمال والغبار في محطات الطاقة الصحراوية، صُممت بعض المكونات بهياكل سطحية خاصة لتقليل تراكم الغبار، وتقليل وتيرة التنظيف، وتقليل تكاليف التشغيل والصيانة. في المشروع التكميلي للطاقة الكهروضوئية الزراعية، تُستخدم وحدة ثنائية الجوانب لنقل الضوء على سطح الدفيئة لتحقيق التكامل بين توليد الطاقة والإنتاج الزراعي. وللبيئات البحرية أو الساحلية القاسية، طُوّرت مكونات زجاجية مزدوجة ذات مقاومة أكبر للتآكل.

نظرة مستقبلية: الابتكار المستمر ومعالجة التحديات

إن التطوير المستقبلي لوحدات الزجاج المزدوج ذات الجانبين مليء بالحيوية، لكنه يحتاج أيضًا إلى مواجهة التحديات بشكل مباشر:

تستمر الكفاءة في الارتفاع: تُعدّ تقنيات النوع N، التي تُمثلها تقنية TOPCon، حاليًا العامل الرئيسي في تعزيز كفاءة الوحدات ثنائية الوجه. وقد أظهرت تقنية الخلية الترادفية المُصنّعة من البيروفسكايت/السيليكون البلوري، والتي تُعدّ الأكثر ابتكارًا، كفاءة تحويل تتجاوز 34% في المختبر، ومن المتوقع أن تُصبح مفتاحًا لقفزة كفاءة الجيل القادم من الوحدات ثنائية الوجه. وفي الوقت نفسه، فإن تجاوز نسبة الخلايا ثنائية الوجه 90% سيُعزز مساهمة توليد الطاقة في الجانب الآخر.

التعديل الديناميكي لنمط السوق: تشهد الحصة السوقية الحالية للوحدات ثنائية الوجه ارتفاعًا مستمرًا، ولكنها قد تواجه تغييرات هيكلية في المستقبل. مع تطور الوحدات أحادية الزجاج في تقنيات خفيفة الوزن وفعّالة التكلفة (مثل عمليات LECO لتحسين مقاومة الماء واستخدام مواد تغليف أكثر فعالية من حيث التكلفة)، من المتوقع أن تزداد حصتها في سوق الأسقف الموزعة. ستواصل الوحدات ثنائية الوجه مزدوجة الزجاج ترسيخ مكانتها الرائدة في محطات الطاقة الأرضية، وخاصةً في سيناريوهات الانعكاس العالي.

التحديات الأساسية التي يتعين حلها:

التوازن بين الوزن والتكلفة: تُعدّ زيادة الوزن الناتجة عن هيكل الزجاج المزدوج (حوالي 30%) العائق الرئيسي أمام تطبيقه على نطاق واسع في الأسقف. تتمتع الألواح الخلفية الشفافة بآفاق واسعة كبديل خفيف الوزن، إلا أن مقاومتها للعوامل الجوية والأشعة فوق البنفسجية والماء على المدى الطويل (أكثر من 25 عامًا) لا تزال بحاجة إلى مزيد من البيانات التجريبية الخارجية للتحقق منها.

قابلية التكيف للنظام: يتطلب ترويج المكونات كبيرة الحجم وعالية الطاقة الترقية المتزامنة للمعدات الداعمة مثل أنظمة الأقواس والعاكسات، مما يزيد من تعقيد تصميم النظام وتكلفة الاستثمار الأولية، ويتطلب التحسين التعاوني في جميع أنحاء السلسلة الصناعية.