الطاقة الشمسية للملابس: أقمشة مطورة يمكنها تحويل الضوء إلى كهرباء وتخزينه

مع طموح لتطوير أجهزة إلكترونية متعددة الاستخدامات يمكن ارتداؤها، أنشأ الباحثون في مختبر جونز هوبكنز للفيزياء التطبيقية (APL) في لوريل بولاية ماريلاند أساليب جديدة لتطوير الألياف التي تعمل بالبطاريات والطاقة الشمسية والتي يمكن توسيع نطاقها إلى أحجام مناسبة إنتاج الكتلة.

ويمكن نسج هذه التكنولوجيا في الملابس التي لديها القدرة على حصاد وتخزين الطاقة الكهربائية، وفقا لبيان صادر عن العلماء.

نظرًا لأن بطاريات الألياف العادية تعوقها قيود قابلية التوسع والأداء، فقد صمم العلماء بطاريات ألياف بتصميم مكدس مشابه لخلايا الحقيبة التقليدية.

يتضمن هذا النهج طبقات متدحرجة ومعالجة بالليزر لتصميم ألياف البطارية بعرض ضيق يصل إلى 650-700 ميكرومتر.

لاحظت Tech Xplore أن هذه الألياف يمكنها تشغيل الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء عالية الأداء والتي تتنفس وتتمدد وتغسل تمامًا مثل الأقمشة التقليدية.

تصفيح أقطاب البطارية التقليدية للأجهزة القابلة للارتداء

قال كونستانتينوس جيراسوبولوس، مساعد مدير برنامج الفيزياء والمواد والأجهزة الإلكترونية في APL والباحث الرئيسي في هذا المشروع: "مع تطور الطلب على المنسوجات الإلكترونية، هناك حاجة إلى مصادر طاقة أصغر قابلة لإعادة الاستخدام ومتينة وقابلة للتمدد".

" رؤيتنا هي تطوير ألياف حصاد الطاقة الشمسية، والتي يمكنها تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، وألياف تعمل بالبطاريات، والتي يمكنها تخزين الكهرباء المولدة في النسيج."

مفتاح هذا التقدم هو تطوير فواصل بولي (فلورايد فينيليدين - سداسي فلورو بروبيلين المشترك) (PVDF-HFP). وهذا يسمح بتدوير أقطاب البطارية التقليدية باستخدام مكبس أسطواني ساخن، كما هو مذكور في الدراسة.

مثال على تراكم الألياف

يتم بعد ذلك قطع الشرائط المصفحة بالليزر لتشكيل ألياف، والتي تم اختبارها بنجاح، مما يدل على أن كثافة الطاقة لبطاريات الألياف يمكن أن تخزن ما يصل إلى 0.61 مللي واط ساعة من الطاقة لكل سنتيمتر من طول الألياف.

تم تصميم بطاريات الألياف أيضًا لتكون مجهزة بطريقة لفة إلى لفة. ويمثل هذا خروجًا عن الأساليب السابقة، حيث يوفر النهج الجديد الاستخدام الأمثل للمواد النشطة، والمحتوى المنخفض للمواد غير النشطة، وقابلية التوسع والتوافق مع معدات صناعة البطاريات المستخدمة على نطاق واسع.

أشارت راشيل ألتماير، المؤلفة الرئيسية للدراسة: "لقد صممنا دائمًا مع وضع التوافق الشامل في الاعتبار".

"يجب أن نكون قادرين على تشغيل جميع عملياتنا بشكل مستمر، وإلا فإن ما نقوم بتطويره لن يكون ذا صلة. ويمكن إدراج هذه العملية في خط إنتاج موجود."

تم تصنيع معدات البطارية خصيصًا من ألياف رفيعة وقابلة للتطوير، باستخدام عملية لفة إلى لفة حيث تم تصفيح شرائح مسطحة من الأنود وأقطاب الكاثود بفاصل بوليمر في كومة. تم قطع كل شيء بالليزر إلى ألياف رقيقة.

معالجة 100 متر من الألياف في أكثر من خمس ساعات

وأوضح جيسون تيفاني، المهندس في APL والمؤلف المشارك في الورقة البحثية: "يمكننا معالجة 100 متر من إجمالي الألياف في ما يزيد قليلاً عن خمس ساعات". "من خلال عمليتنا، يمكننا أن نجعل الألياف أصغر وأكثر كثافة في استخدام الطاقة، مما قد يفتح المزيد من الفرص لتطبيقات النسيج."

ومع ذلك، فقد تم تكييف ألياف الطاقة الشمسية مع تكنولوجيا الخلايا الشمسية التقليدية من خلال تجميعها في دوائر مرنة. ثم تم تغليفها في بوليمر مما سمح لها بالاندماج في الأنسجة. على الرغم من الانحناء المكثف والتعرض للضوء، فقد ثبت أن هذه الطريقة توفر أداءً عاليًا ومتانة.

وأكد مايكل جين، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية عن الخلايا الشمسية، أن "التحدي الأكبر الذي تواجهه تكنولوجيا الخلايا الشمسية الحالية هو صلابتها". "يمكنك أن تتخيل أن تقليص الألواح الشمسية، مثل تلك الموجودة على أسطح المنازل، إلى ألياف شمسية صغيرة سيكون أمرًا صعبًا للغاية."

وأضاف جين: "لقد استخدمنا عمليات التصنيع القياسية الإلكترونية الدقيقة لتطوير نهج مبتكر يحول تكنولوجيا الخلايا الشمسية الصلبة الحالية إلى ألياف مرنة ومتينة".

"حتى بعد ثني الألياف 8000 مرة، لم نلاحظ أي تغيير في أدائها."

ويمكن للجهاز الجديد أن يتيح تطبيقات مختلفة، مثل مراقبة الصحة وتدفئة الملابس وتوفير الطاقة لمعدات الجنود.

تمثل هذه الدراسة الجديدة نقلة نوعية في تكنولوجيا بطاريات الألياف، مما يمهد الطريق لإنشاء إلكترونيات يمكن ارتداؤها ومنسوجات عالية الأداء، أو المنسوجات الإلكترونية. وفي إيطاليا تنشط جامعة بولونيا في هذا القطاع.

المقال الطاقة الشمسية للملابس: أقمشة متطورة يمكنها تحويل الضوء إلى كهرباء وتخزينها تأتي من السيناريوهات الاقتصادية .