الأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل بالطاقة الشمسية ستصبح قريبًا قابلة للتنفيذ بفضل الخلايا الضوئية العضوية فائقة الرقة التي تم تطويرها حديثًا

لقد تم إثبات قدرات الطاقة الشمسية الثورية بالفعل بلا شك. مع نجاحها المتزايد، إلى جانب الابتكارات التكنولوجية التي تغنيها كل يوم والطلب المتصاعد على الطاقة المتجددة، من المتوقع أن يتجاوز السوق العالمي للطاقة الشمسية الذكية surpass US$27 billion by 2028 from under US$13 billion in 2022.

تشير توقعات النمو إلى تضاعف السوق، مع مشاهدة ابتكارات متقدمة في مواد الخلايا الضوئية، وتخزين الطاقة، والشبكات الذكية، وأنظمة الطاقة الشمسية، وأكثر من ذلك. ومن الجدير بالذكر أن الطاقة الشمسية تترك بصمتها أيضًا في مجال الأجهزة القابلة للارتداء، حيث من المتوقع أن تقدم الأبحاث والتجارب قريبًا أجهزة قابلة للارتداء تعمل بالطاقة الشمسية.

الخلايا الضوئية العضوية فائقة المرونة كمصدر طاقة محتمل للإلكترونيات القابلة للارتداء

أظهرت أبحاث جديدة نُشرت في مجلة Nature Communications بعنوان ‘خلايا ضوئية عضوية مقاومة للماء وفائقة المرونة مع تحسين الالتصاق بين الواجهات’، أن الخلايا الضوئية العضوية فائقة المرونة تتميز بالتمدد وخفة الوزن، مما يجعلها مصدر طاقة قوي للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء. ومع ذلك، تشير الأبحاث إلى أن جعل هذه الحلول مقاومة للماء لا يزال تحديًا إذا تم الحفاظ على مرونتها الميكانيكية وقدرتها على التكيف.

أظهر البحث كيف يمكن معالجة هذا التحدي، مما يضع الخلايا الضوئية العضوية كحل متفوق. يتضمن الحل الاستفادة من النمو داخل الموقع لطبقة ناقلة للثقوب لتعزيز الالتصاق بين طبقة النشاط والأنود. وبشكل أكثر تحديدًا، يسمح الحل بترسيب قطب فضة فوق طبقات النشاط، يتبع ذلك عملية التقسية الحرارية.

وجدت الأبحاث أن طريقة النمو داخل الموقع تتفوق بكثير على الطريقة التقليدية، حيث أظهرت أن طبقة النقل للثقوب التي نمت داخل الموقع تمتلك خصائص التلاصق الحراري الفائقة بين الطبقات النشطة، مما يؤدي إلى تحسين خصائص مقاومة الماء.

في التجربة، احتفظت الخلايا الضوئية العضوية بسماكة ثلاثة ميكرومتر المصنوعة بهذه الطريقة بنسبة 89% و96% من أدائها الأصلي حتى بعد غمرها في الماء لمدة أربع ساعات وخضوعها لـ 300 دورة تمدد/إفراج عند إجهاد 30% تحت الماء، على التوالي.

بينما كانت هذه الأرقام شهادة على مرونتها وخصائصها المقاومة للماء، خضعت الأجهزة لاختبار الغسيل الآلي بسلاسة على الرغم من طبقة التغليف الرقيقة.

بشكل عام، أظهرت التجربة كيف يمكن أن تصبح الخلايا الشمسية مقاومة للماء ومناسبة للعمليات على نطاق واسع.

يمكن الآن دمج الخلايا الشمسية وظيفيًا في الملابس، مع الحفاظ على فعاليتها حتى بعد تعرضها للمطر أو خضوعها لدورة غسيل. لذا فإن هذه الابتكار مهم بشكل خاص لأنه قد يكون ذا قيمة في إنشاء أجهزة إلكترونية قابلة للارتداء يمكن تثبيتها على الملابس وتظل تعمل في جميع أنواع الظروف الجوية.

أثناء الحديث عن التجربة وتفصيل فائدتها المحتملة، قال كينجيرو فوكودا، أحد المؤلفين المراسلين للورقة:

“ما أنشأناه هو طريقة يمكن استخدامها بشكل أعمّ. بالنظر إلى المستقبل، من خلال تحسين استقرار الأجهزة في مجالات أخرى، مثل التعرض للهواء، الضوء القوي، والضغط الميكانيكي، نخطط لتطوير خلاينا الشمسية العضوية فائقة الرقة أكثر بحيث يمكن استخدامها في أجهزة قابلة للارتداء عملية حقًا.”

بينما يسعى الباحثون حول العالم لجعل الخلايا الشمسية أكثر قابلية للاستخدام وأهمية عملية، تستثمر بعض الشركات بشكل كبير في البحث والتطوير لتطوير حلول قابلة للتوسع تفيد عددًا أكبر من السكان.

انقر هنا لتتعرف على كل شيء حول الأقراط الحرارية.

#1. Garmin

قامت Garmin بتطوير مجموعة كاملة من الأجهزة الذكية القابلة للارتداء التي تعمل بالطاقة الشمسية وتدعي أنها تمد عمر البطارية إلى مستويات غير مسبوقة. تشمل المجموعة ثلاث ساعات ذكية: Fenix 7 PRO، Instinct 2، وForerunner 955 Solar. تم تصميم هذه المنتجات خصيصًا للاستخدام في الهواء الطلق.

يمكن لهذه الساعات الذكية استغلال الطاقة الشمسية حتى عندما يكون وجه الساعة محجوبًا جزئيًا. تتيح ميزة مدير الطاقة للمستخدم تخصيص واستخدام الطاقة وفقًا للاحتياجات.

لتقديم بيانات محددة، يمكن للساعة التعامل مع الرحلات الخارجية لمدة تصل إلى شهرين دون الحاجة إلى مصدر طاقة إضافي. علاوة على ذلك، فإن الحل صديق للبيئة حيث ينتج 59٪ أقل من انبعاثات الكربون مقارنةً بالساعات الأخرى.

على سبيل المثال، تستفيد Fenix 7 Pro من ألواح شمسية فائقة الشفافية. يتيح تصميمها الأنيق تحسين امتصاص ضوء الشمس. Instinct 2 هي ساعة ذكية GPS تعمل بالطاقة الشمسية. تم تصميم Forerunner 955 خصيصًا للجري.

حققت Garmin العديد من المعجزات التكنولوجية في بناء حلولها. على سبيل المثال، نظام الزجاج الطاقة الخاص بها غير جذريًا طريقة استخدام تقنية الألواح الشمسية. فقد استبدلت الألواح الشمسية التقليدية بعدسة زجاجية فائقة الشفافية تدمج خلايا شمسية دقيقة. لوحة الزجاج رقيقة جدًا، أقل من نصف مليمتر.

في عرض للبراعة التقنية، لا تقتصر قدرة اللوحة على التقاط الفوتوكهرباء بفعالية فحسب، بل تتضمن أيضًا تقنية عرض Memory-in-piece لإنشاء شاشة واضحة وقابلة للقراءة. توفر الوضوح العالي واستهلاك الطاقة المنخفض، حتى تحت ضوء الشمس المباشر، تجعلها الأفضل في فئتها.

في 21 فبراير 2024، أعلنت شركة Garmin® Ltd. عن نتائجها للربع الرابع المنتهي في 30 ديسمبر 2023. حققت الشركة إيرادات موحدة قدرها 5.23 مليار دولار، بزيادة 8٪ مقارنةً بالعام السابق.

سجلت هامش إجمالي قدره 57.5٪، مقارنةً بـ 57.7٪ في العام السابق، وهامش تشغيلي قدره 20.9٪، مقارنةً بـ 21.1٪ في العام السابق. كان الدخل التشغيلي 1.09 مليار دولار، بزيادة 6٪ مقارنةً بالعام السابق.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الطاقة الشمسية للاستثمار فيها.

#2. Tommy Hilfiger

بالنسبة لعلامة Tommy Hilfiger، العلامة العالمية المشهورة في مجال الأزياء والملابس، فإن الأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل بالطاقة الشمسية ليست جديدة، حيث قدمت خطًا من السترات الميدانية المزودة بألواح شمسية قبل ما يقرب من عقد من الزمن، في عام 2014. تم إنجاز ذلك بمساعدة شركة Pvillion، وهي شركة تصنيع شمسية. جاءت السترة بألواح شمسية مقاومة للماء تعمل كبطانات خلفية. صُممت هذه الألواح لشحن الأجهزة عبر كابلات مدمجة ومنافذ USB.

عند إطلاقها، كان سعر السترة 600 دولار أمريكي. كانت السترة التي صممتها Tommy Hilfiger بالتعاون مع ‘Pvilion’ مصدر إلهام. بعد سبع سنوات من الإطلاق، في عام 2021، توصل باحثو التصميم والفيزياء في جامعة ألتو بفنلندا إلى علامة تجارية للملابس تحتوي على ألواح شمسية مخفية.

أدى المشروع، المعروف باسم Sun-Powered Textiles، إلى تطوير منتج ذاتي الطاقة يمكنه شحن الأجهزة القابلة للارتداء – حساسات تقيس الرطوبة أو الحرارة – دون إفساد مظهر وشعور الملابس.

أثناء توضيح تفرد ابتكارهم، قالت الباحثة في التصميم بجامعة ألتو إيلينا إيلين:

“قمنا بإنشاء حالة عرض توضيحية، وهي سترة، حيث تُستخدم طاقة الضوء لتشغيل حساسات الرطوبة والحرارة المدمجة، مع التفكير في مستخدم ملابس العمل الذي يخرج ويدخل ويؤدي مهامًا بدنية يوميًا.”

هذه الابتكارات، من قبل Tommy Hilfiger وجامعة ألتو، هي أمثلة على كيفية إمكانية وجود ألواح شمسية في ملابسنا بطريقة مخفية وسهلة الاستخدام.

قامت شركة PVH Corp. (PVH ) ، الكيان المالكة لعلامة Tommy Hilfiger، بالإبلاغ عن إيرادات الربع الرابع والسنة الكاملة لعام 2023 في 1 أبريل 2024. ارتفعت إيرادات السنة الكاملة بنسبة 2٪ لتصل إلى 9.218 مليار دولار مقارنةً بالفترة السابقة، بينما كانت إيرادات الربع الرابع 2023 البالغة 2.490 مليار دولار ثابتة مقارنةً بالفترة السابقة.

انقر هنا لتعرف كيف يمكن للطاقة الشمسية أن تقدم أكثر من مجرد طاقة نظيفة.

#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

في أغسطس 2022، أطلقت علامة الساعات والمجوهرات المعروفة Skagen مجموعتها المستدامة، Grenen Solar. تضمن تصميمها حركة يابانية تعمل بالطاقة الشمسية بثلاثة عقارب لتوقيت دقيق. كما وعدت باحتياطي طاقة لمدة ستة أشهر. بفضل حركتها التي تعمل بالطاقة الشمسية، يمكن للشخص الذي يرتديها شحن الساعة في أي ضوء، طبيعي أو صناعي.

إحدى ميزات Grenen Solar كانت التزامها بالحفاظ على الاستدامة في صميم خبرتها الابتكارية. ولم تقتصر الاستدامة على استخدام الطاقة الشمسية فقط. كان إطلاق المنتج، في الواقع، متماشيًا مع رؤية الشركة والتزامها بأن تكون ساعاتها مستدامة بنسبة 100٪ في المستقبل القريب. لتحقيق ذلك، تم استخدام 50٪ من الفولاذ المستخدم في الساعة كفولاذ غير قابل للصدأ معاد تدويره. بالإضافة إلى ذلك، جاءت المجموعة الكاملة بخمسة أنماط بحجم علبة 37 مم بسعر تجزئة قدره 195 دولارًا أمريكيًا.

في يناير 2012، تم بيع Skagen إلى مجموعة Fossil في صفقة قيمتها 237 مليون دولار أمريكي. في 13 مارس 2024، نشرت مجموعة Fossil تقريرها السنوي للسنة المالية 2023. سجلت الشركة في عام 2023 مبيعات صافية تزيد عن 1.4 مليار دولار أمريكي، بانخفاض عن عام 2022 عندما سجلت مبيعات صافية قدرها 1.68 مليار دولار.

بشكل عام، توضح المنتجات والحلول المذكورة أعلاه بوضوح أن الأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل بالطاقة الشمسية ليست جديدة. ومع ذلك، كما أظهرنا في البداية، فإن الابتكار حولها مستمر بقوة. فهو يُظهر حيوية وقيمة مصادر الطاقة المتجددة وإمكاناتها المستدامة. هناك عدة ابتكارات أخرى مثيرة جارية، وسنستعرض بعضها للحصول على فكرة عن شكل المستقبل.

الأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل بالطاقة الشمسية: ما الذي يحمله المستقبل

في عام 2017، قدم الباحثون تصميمًا لسوار ذكي قابل للارتداء يستخدم ألواحًا ضوئية مرنة ذات فيلم رقيق وشكل صغير كمصدر للطاقة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في أنظمة جمع الطاقة الشمسية. هدف إلى تعظيم كفاءة تحويل الطاقة وتحقيق نظام قابل للارتداء لاسلكي مستدام ذاتيًا.

من خلال الاستفادة من فيلم البولي أميد للتكامل الكامل للنظام، أثبتت التقنية فائدتها في مراقبة المرضى أو كبار السن على المدى الطويل في تطبيقات الرعاية الصحية. كانت النتائج واعدة، حيث يمكن للوحة شمسية مرنة واحدة جمع ما يصل إلى 16 ميجاواط من الطاقة في الهواء الطلق و0.21 ميجاواط في الداخل. ومن المثير للإعجاب أن البيانات التي يجمعها الجهاز يمكن نقلها عبر البلوتوث.

البحث المستمر في الرعاية الصحية، أدى البحث المستمر إلى تطوير جهاز استشعار بيولوجي قابل للارتداء يعمل بالطاقة الشمسية ولا يحتاج إلى بطارية، يمكنه الاستفادة من الإمكانات غير المستغلة لمؤشرات العرق. كان ناتج البحث هو LumiStat، جهاز قابل للارتداء يعمل بالطاقة الشمسية ومتعدد الوظائف قادر على إجراء تحفيز عرق ذاتي، أخذ عينات عرق ميكروسيولة ديناميكي، مراقبة متعددة لمؤشرات العرق، ونقل البيانات لاسلكيًا، وهو إنجاز في تقنية المراقبة الصحية غير الغازية.

بفضل تشغيلها بالطاقة الشمسية، أصبحت قادرة على أداء مذهل، مما يتيح تشغيلًا مستمرًا لأكثر من 12 ساعة تحت ظروف إضاءة متنوعة. وضع الباحثون LumiStat تحت اختبار صارم، بما في ذلك مراقبة متعددة الأنشطة ومودالية لمؤشرات العرق على مدار يوم كامل. تمكن الحل من الأداء بثبات عبر بيئات إضاءة ونشاطات بدنية مختلفة، مع استهلاك طاقة يتكيف بذكاء مع الإضاءة المتاحة، مما يضمن قياسات مستمرة للمستشعر.

نشر تقرير بحثي من جامعة نوتنغام ترنت عن تطوير أقمشة مدمجة بأكثر من ألف خلية شمسية دقيقة. كانت هذه الخلايا الشمسية قادرة على شحن الساعات الذكية والهواتف المحمولة. معًا، يمكنها جمع 400 مليواط (واط) من الطاقة الكهربائية من الشمس.

كان النسيج مناسبًا للملابس اليومية ويمكن غسله في آلة غسيل عند 40°C مع الغسيل الآخر. بطول خمسة ملليمترات وعرض 1.5 ملليمتر فقط، تم دمج الخلايا الشمسية في راتنج بوليمر مقاوم للماء. حتى النساج لا يمكنه الشعور بها.

وفقًا للدكتور هيوز-رايلي من مجموعة أبحاث الأقمشة المتقدمة (ATRG) في الجامعة:

“يمنح هذا النموذج الأولي لمحة مثيرة عن الإمكانات المستقبلية للأقمشة الإلكترونية. حتى الآن، قلة قليلة من الناس فكروا في أن ملابسهم أو منتجاتهم النسيجية يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء. المادة التي طورناها تبدو وتتصرف كأي نسيج عادي، حيث يمكن طيها وغسلها في آلة الغسيل.”

المادة، التي قياسها 51 سم × 27 سم، كانت قابلة للتنفس ومستقرة كيميائيًا. احتوت على خلايا شمسية سيليكونية. مكنت هذه التكوين المادة من توليد طاقة قدرها 335.3 وات عند إضاءة شمسية 0.86، مع القدرة على توليد ما يصل إلى 394 وات عندما وصلت شدة الشمس إلى 1.0.

من الواضح أنه مع مرور كل يوم، يتوفر المزيد من الأبحاث للجمهور التي تُظهر إمكانات تكنولوجيا الأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل بالطاقة الشمسية. إنها تغير قواعد اللعبة، على أقل تقدير، وتُعيد تشكيل النماذج التقليدية. نظرًا لأن هذه الحلول مصممة لتظل ملتصقة بأجسامنا في جميع الأوقات، فإنها تغير طريقة تفاعلنا مع التكنولوجيا. فهي تُزيل الحاجة إلى وسطاء الطاقة مثل نقاط الشحن. وتزيد من حركتنا وقدرتنا على الاستكشاف مع القلق الأقل حول كيفية تشغيل أنظمتنا.