إدماج الخلايا الشمسية باللجوءات المرنة للمنسوجات الذكية ذات الطاقة الذاتية

وتمثل المنسوجات الذكية قفزة تحولية في التكنولوجيا القابلة للارتداء، تتعدى أجهزة الاستشعار النسيجية البسيطة إلى نظم إلكترونية متكاملة تماماً يمكنها رصد الصحة وتعزيز الاتصال والتكيف مع الظروف البيئية، غير أن أحد القيود المستمرة هو الاعتماد على البطاريات الخارجية، التي تضيف السوائب، وتستلزم كثرة التعبئة، وتخلق تحديات في التخلص.

مفهوم المنسوجات الذكية ذاتية الدفع

ويضم نظام النسيج الذكي ذو القوى الذاتية ثلاث طبقات وظيفية أساسية: طبقة جمع الطاقة، وطبقة تخزين الطاقة وإدارتها، وطبقة الاستشعار والاتصال، وعادة ما تكون طبقة جمع الطاقة ذات الصبغة الشمسية ذات المرونة الميكانيكية، ويمكن أن تُغذى أو تُشَدَّد في النسيج، وتتحول الخلايا النور إلى تيارات الكهربائية، التي تُقيَّد من خلال أجهزة التنفُّس التي تستخدم في كهرباء

أنواع الخلايا الشمسية المستخدمة في المنسوجات

إن اختيار التكنولوجيا الفولتية الضوئية أمر حاسم لتحقيق الكفاءة العالية والتوافق الميكانيكي مع المنسوجات، وقد ظهرت ثلاثة أنواع رئيسية من الخلايا الشمسية كمرشحين رئيسيين لكل منهما مزايا متميزة وتحديات بحثية مستمرة.

خلايا الشمس العضوية

وتتم اختلاق خلايا التلقيح الضوئي العضوية التي تحتوي على البوليمرات شبه المحتوية على الكربون والجزئات الصغيرة، وتتوفر فيها ميزة أولية تتمثل في المرونة الميكانيكية - ويمكن أن تكون الأفلام التي تستخدم الفولطية المطوية محجوبة، بل تمتد إلى درجة ما دون الفشل الكارث، كما أنها تُستخدم في تركيبات النسيج ذات المستويات المنخفضة من التخدير، والتي تُستخدم فيها أجهزة تصنيع الفول المُصَع ذات النطاقات الجاهزة.

خلايا بيروفسكيت سولار

وتستعمل الخلايا الشمسية الخالية من النسيج المختلط، كما أن النسيجات المميزة التي تُستخدم في دورة النسيج غير المرئية، أو مواد النسيج المحتوية على النسيج غير المرئية، أو التي تُستخدم في النسيج الحساس، أو التي تُستخدم في النسيج النسيجي غير المرئي، أو التي تُعد حواجز ذات سمية، أو في شكل نسيج متجانس.

خلايا الشمس المشعرة بالحساسية

وتستعمل الخلايا الشمسية المشعرة بالدي في شكل صمامات حساسية، وتحتوي على صبغة كهربية مضللة في كثير من الأحيان على مقياس كهربي متجانس، وتحتوي على نسيج متطور على نسيج متطور، وتنتج فيه أيضاً مواد ذات صبغة بلاستيكية متطورة ذات مقياس كهربي.

التحديات في مجال التكامل والحلول

ويطرح تحويل الخلايا الشمسية العالية الكفاءة إلى منسوجات قوية ومرتدية مجموعة من التحديات الهندسية التي تشمل علوم المواد وتصميم الميكانيكية وزيادة حجم التصنيع.

القابلية للغسل والاستمرارية

ويجب أن تصمد المنسوجات الذكية في دورات الغسيل المتكررة - وهي عادة 50 إلى 100 غسالة - دون تدهور في الأداء الكهربائي أو إزالة المكونات، مما يفرض متطلبات صارمة على الكبس، وتشمل الحلول دمج الخلايا الشمسية في شطيرة متعددة الكوادر الرخامية (مثلا، وحدة التموين أو نظام إدارة الغسل) التي تقاوم الازدحام في المياه باستخدام أجهزة الربط الإلكترونية المصممة للماء.

المرونة والراحة

الخلايا المتوازية متانة، وحتى أجهزة الألياف الرقيقة لها نطاق ضيق، وللإبقاء على النسيج، يجب توزيع الخلايا الشمسية على الجزر الصغيرة (مثلاً، 5-10 مم) التي ترتبط بأثر من الألياف القابلة للتحلل، مثل لوح من الطلاءات المطبوعة المرنة، ويجب أن يحتفظ النسيج نفسه بقابليته للتنفس، ورطوبة النسيج، وخصائص الضوئية.

كفاءة تحويل الطاقة في الإضاءة المُنَقَّلة

وعلى عكس الألواح الشمسية السطحية، كثيرا ما تكون المنسوجات الذكية مظللة جزئيا أو منحنية أو موجهة نحو الزوايا البالية إلى الشمس، وهذا يقلل بدرجة كبيرة من الطاقة المتاحة، ويمكن إدماج أجهزة تتبع الطاقة القصوى في عمليات استخراج الطاقة على النحو الأمثل، ولكن بتكلفة التعقيد الإضافي واستهلاك الطاقة، وتستخدم بعض التصميمات مجموعة من الخلايا الأصغر حجما المرتبطة بالأخطار الموازية لتخفيف حدة الخسائر في أماكن الصيد غير الساحلية.

التصنيع

ويستلزم إنتاج المنسوجات المدمجة بالطاقة الشمسية على نطاق واسع دمج نظامين إيكولوجيين صناعيين مختلفين اختلافا كبيرا: اختلاقات شبه الموصلات ونسيج النسيج، كما أن طباعة الخلايا الشمسية إلى نتاج للأفلام المرنة تتوافق مع هيمنة المنسوجات، ولكن يظل التواؤم والتنقيب يمثل تحديات، ولا تزال تكلفة الخلايا الشمسية المرنة (خاصة المفترقبة) أعلى من وحدات النسيج، على الرغم من المتوقع أن تؤدي إلى إحداث وفورات الحجم.

السلامة والسمية

ويثير وجود الرصاص في خلايا البروفسكيات وإمكانية التسرب بالكهرباء في المراكز الفرعية لأجهزة الأمن الغذائي في المناطق الجافة شواغل تتعلق بالسلامة بالنسبة للأصناف السائلة التي تُستخدم الجلد، ويجب أن يحول الكبسولة دون إطلاق أي مواد خطرة أثناء الاستخدام أو بعد التخلص منها، كما أن المزلاجات الخالية من الرصاص والكهرباء في الديموقراطيات ذات الصلصة الصلبة هي مجالات بحث نشطة، علاوة على ذلك، ينبغي ألا يولد النظام الإلكتروني درجة حرارة مفرطة أو يسبب التهيجية من الجلدية، مما يتطلب إدارة مصاحبة.

تطبيقات المنسوجات الذكية ذات الدفع الذاتي

القدرة على جمع الطاقة من ضوء الشمس مباشرة على الجسم تفتح مجموعة واسعة من التطبيقات التي كانت مقيدة من قبل بالبطارية

الأحذية الرياضية والثروة

Smart athletic clothing can monitor heart rate,عضلة activity, hydration, and body temperature without needing a separate charging cable. Solar panels on the shoulders or back can continuously power sensors and transmit data to a smartphone or train in real time. For runners, cyclists, or outdoor enthusiasts, this eliminates the worry of batrpletion during long sessions.

العنصر العسكري والتكتيكي

ويحمل الجنود في الميدان بطاريات ثقيلة من أجل الرؤية الليلية، والاتصالات، ومعدات الملاحة، ويمكن للزي الرسمي المدمج أن يقلل من هذا العبء عن طريق جمع الطاقة من ضوء الشمس أثناء الدوريات أو فترات التشغيل الثابتة، وقد أنشأ مختبر البحوث التابع للجيش الأمريكي ألواح شمسية مرنة يمكن أن تُوضع في أغطية التعبئة الخلفية والأغطية الخوذية، ويجب أن تُحدَّد هذه النظم من الكشف عن مخاطر التكسيد والارت البيئية في ظروف التشغيل المكثفة.

المنسوجات الطبية

وتستفيد المرضى الذين يحتاجون إلى رصد صحي مستمر - مثل الـ (ECG) أو الأكسجين أو الاستشعار من الغلوكوس - من الملابس التي لا تحتاج إلى تغيير في البطارية، ويمكن إدماج المنسوجات الذكية ذات الطاقة الشمسية في أغوام المستشفيات أو أكمام الضغط أو أجهزة رصد الرضع.

في الخارج وملابس العمل

ويمكن للعمال في المواقع النائية (مثل فنيي المزارع الشمسية، والبناء، والحراجة) ارتداء سترات تعمل بالطاقة الشمسية وتعيد شحنات إلكترونية محمولة مثل أجهزة اللاسلكي ذات الاتجاهين أو أجهزة الأمان، وبالمثل، يمكن للمتنزهين والمخيمين الاستفادة من الملابس ذاتية التشغيل التي تشحن أجهزة تحديد المواقع أو أجهزة تحديد مواقع الطوارئ.() وبعض المنتجات التجارية، مثل

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ويتقدم ميدان المنسوجات الذكية ذات الطاقة الذاتية بسرعة، ويتوقع أن تؤدي عدة مجالات رئيسية من مجالات الابتكار إلى تعزيز عملية التبني في السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

Enhanced Energy Storage

وتستلزم الطبيعة المتقطعة لضوء الشمس تخزين الطاقة في الضواحي، كما أن بطاريات الليثيوم والمركبات الخارقة هي المرشحات الرئيسية، وقد أنتجت البحوث الأخيرة ] [مكثفات خارقة ذاتية الشكل الحر يمكن أن تتحول إلى نسيج، وتخلق كثافة عالية للطاقة، وتضفي على نفسها بسرعة.

المواد المتقدمة من أجل الكفاءة العليا والاستمرارية

وقد حققت خلايا التوابل بين الفلفل والفاكهة في المصانع الفرعية المرنة أكثر من 30 في المائة من الكفاءة في المختبرات، وتكييفها مع المنسوجات هدف رئيسي، وفي الوقت نفسه، فإن المواد التحويلية التي تحول الضوء تحت الحمراء إلى الضوء المرئي يمكن أن تعزز الأداء في الظروف المظللة أو الداخلية، كما أن البوليمرات ذاتية الدفع والثبات السلوكية التي تصلح الرفوفات الدقيقة بعد الرك ستحسن من الموثوقية الطويلة الأجل.

التصنيع المستدام

وللانتقال من النماذج الأولية إلى الإنتاج الجماعي، يجب أن تعتمد صناعة المنسوجات لعوامل كهربية متطورة و] طباعة دينامية من الدوائر الإلكترونية.

Integration with Energy-Aware Electronics

وستتضمن المنسوجات الذكية في المستقبل مراكب صغيرة تعمل بالطاقة فوق طاقتها يمكنها أن تتحول ديناميا بين مصادر الطاقة )السول والبطارية والحركة المحص َّلة( وأن تعدل معدلات أخذ العينات المستشعرة استنادا إلى الطاقة المتاحة، كما أن عملية محايدة للطاقة - حيث يستهلك النظام الطاقة بالضبط ما يستهلكه من طاقة - هي الهدف النهائي، وهذا يتطلب تصميما مشتركا لصانعي الطاقة وتخزينها والإلكترونيات كنظام مختار واحد.

خاتمة

إن إدماج الخلايا الشمسية ذات الكترونيات مرنة هو إعادة تشكيل المشهد المائي للتكنولوجيا القابلة للارتداء، وتحويل النسيجات السلبية إلى نظم نشطة وممتازة بالطاقة، ودمج الطاقة العضوية ذاتية الرش، أو المظلة، أو جعل الخلايا الشمسية ذاتية الحساسية، إلى منسوجات، وربطها بمخزونات مرنة من الطاقة، وأجهزة إلكترونية ذكية، يتغلب الباحثون على التقارب الطويل الأمد في الاعتماد على البطاري.

[[FLT:]Further reading: For a deep technical overview on flexible photovoltaics, see the review by Li et al. in Nature Electronics (2022). On washable textile electronics, consult Yang et al.