خلايا شمسية مطاطة عالية الكفاءة من السيليكون

علماء «كاوست» يبتكرون تقنيات لإنتاج الطاقة المتجددة

تركز الدكتورة نازك العَتاب في أبحاثها على تصميم وتصنيع الإلكترونيات المستقبلية
تركز الدكتورة نازك العَتاب في أبحاثها على تصميم وتصنيع الإلكترونيات المستقبلية
TT

خلايا شمسية مطاطة عالية الكفاءة من السيليكون

تركز الدكتورة نازك العَتاب في أبحاثها على تصميم وتصنيع الإلكترونيات المستقبلية
تركز الدكتورة نازك العَتاب في أبحاثها على تصميم وتصنيع الإلكترونيات المستقبلية

حسب الوكالة الدولية للطاقة المتجددة فإن العالم يواجه اليوم نقطة تحوُّل غير مسبوقة حيث يمثِّل تغيُّر المناخ تهديداً حقيقياً للرخاء الذي يتمتّع به. ومن هنا تكتسب أبحاث الطاقة المتجددة ومنها الطاقة الشمسية أهمية كبرى، فبالإضافة إلى مساهمتها في الحدّ من تغيُّر المناخ، تؤدّي تقنيات الطاقة المتجددة إلى خلق فرص العمل والحدّ من تلوّث الهواء، فضلاً عن الحاجة إلى كميات أقل من المياه، وحماية اقتصادات الدول من الصدمات الخارجية فيما يتعلّق بأمن الطاقة بحكم أنها تقتصر على استخدام الموارد المحلية.
في المنطقة العربية تبرز المملكة العربية السعودية كإحدى الدول الرائدة التي تولي اهتماماً كبيراً لتقنيات الطاقة المتجددة، وفي هذا الإطار ابتكر باحثون من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) أخيراً وسيلة لتحويل السيليكون الصلب إلى خلايا شمسية يمكن أن تتمدّد بنسبة مئوية غير مسبوقة تبلغ 95%، وتُحقق في الوقت ذاته كفاءة عالية في تجميع الطاقة الشمسية تبلغ 19%.
ورغم أنه يجري حالياً اختبار عديد من المواد الشمسية الجديدة، يظل السيليكون مادة مفضلة إلى حدٍّ بعيد في مجال الكهروضوئيات. وتقول الدكتورة نازك العَتاب، باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبرات البروفسور محمد مصطفى حسين، أستاذ الهندسة الكهربائية بـ«كاوست» والذي قاد البحث: «لا يزال السيليكون البلّوري الأحادي، المادة الأثيرة في مجال الكهروضوئيات نظراً لتكلفته المنخفضة وعدم سمّيته ودرجة ثباته الممتازة وحسن كفاءته ورسوخ إجراءات التصنيع».
غير أن أحد عيوب السيليكون، التي تظهر مع تطبيقات معيّنة، تتمثل في صلابته، وذلك على عكس بعض الخلايا الشمسية رقيقة الأغشية. ومع ذلك، فإن هذه الخلايا المرنة إما تتكون من مواد عضوية منخفضة التكلفة والكفاءة، وإما من مواد غير عضوية أكثر كفاءة ولكنها مكلّفة للغاية. وقطع حسين وفريقه خطوة مهمة في اتجاه التغلّب على هذا القيد، بتطوير خلايا شمسية مطاطة عالية الكفاءة على أساس السيليكون.
كانت الخطوة الأساسية تتمثّل في أخذ لوح من السيليكون الصلب المتوافر تجارياً، وتغطية الجزء الخلفي منه ببوليمر عالي المرونة وغير مكلّف ومتوافق حيوياً، يُعرف بـ«الإيكوفلكس»، ثم استخدم الفريق شعاعاً من الليزر لتقطيع الخلية الصلبة إلى قطع متعددة من السيليكون، جُمعت معاً بالبطانة البوليمرية المرنة. وظلت كل بقعة من بقع السيليكون متصلة كهربياً بجاراتها عبر نقاط تماس خلفية تمتد بطول الخلية الشمسية المرنة.
ويقول حسين إن الفريق صنع في البداية قطع سيليكون مستطيلة الشكل، أمكن مطّها بنسبة تصل إلى 54%. ويضيف: «فيما وراء هذه القيمة، أدّى إجهاد التمدّد إلى تشققات قطرية داخل قطع السيليكون الهشة». وقد جرّب الفريق تصميمات مختلفة لزيادة المرونة بدرجة أكبر، مع مراعاة أن كل شريحة من السيليكون أزالوها كانت تقلل المساحة المتاحة لالتقاط الضوء.
وجرَّب الفريق نمطاً معيَّن الشكل، قبل أن يستقر على المثلّثات. ويقول حسين: «باستخدام النمط المثلثي، حققنا مرونة وكفاءة قياسيتين عالميتين». ويضيف حسين: «يمكن أن تتمدّد الخلايا الشمسية التي توصّلنا إليها بشكل رئيسي في اتجاه واحد، بالتوازي مع شبكة نقاط التماس الخلفي المتشابكة. ونحن نعمل على تحسين القدرة على التمدد في اتجاهات متعددة».
هذا الابتكار جعل الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون البلّوري فعَّالة عند دمجها في إلكترونيات مطاطة قابلة للارتداء، أو في الجلد الصناعي للإنسان الآلي، وذلك بدرجة فاعليتها نفسها عند استخدامها كألواح صلبة على الأسطح. ويخطّط الفريق لدمج مادة السيليكون الشمسية المرنة لتزويد جلد صناعي متعدّد الحواس طوّره مختبر حسين بالطاقة.



لأول مرة: الذكاء الاصطناعي يصمم توربين رياح لتوليد الطاقة بين المباني

لأول مرة: الذكاء الاصطناعي يصمم توربين رياح لتوليد الطاقة بين المباني
TT

لأول مرة: الذكاء الاصطناعي يصمم توربين رياح لتوليد الطاقة بين المباني

لأول مرة: الذكاء الاصطناعي يصمم توربين رياح لتوليد الطاقة بين المباني

صمم نظام ذكاء اصطناعي جديد توربين رياح لأول مرة في التاريخ، وفقاً لمطوره.

نظام ذكاء هندسي ثوري

وأعلنت شركة «EvoPhase» البريطانية أن الذكاء الاصطناعي الخاص بها تخلى عن جميع القواعد الراسخة في هندسة مثل هذه الأجهزة. وبناءً على اختباراتها، فإن اختراعها أكثر كفاءة بسبع مرات من التصميمات الحالية.

تتكون «شفرة برمنغهام» The Birmingham Blade -كما تسمي الشركة التوربين- من ست أذرع موازية للأرض متصلة بمحور عمودي مركزي. وتحتوي كل ذراع على شفرة رأسية، وسطح به موجتان تغيران زاوية هجومهما عبر ارتفاعها وطولها.

لعمل مع سرعات رياح منخفضة

يتم تحسين توربينات الرياح التقليدية لسرعات رياح تبلغ نحو 33 قدماً في الثانية. في المقابل، تم تصميم «الشفرة» لسرعات الرياح المتوسطة المنخفضة النموذجية للمناطق الحضرية مثل برمنغهام، والتي تبلغ نحو 12 قدماً في الثانية. هذا يزيد قليلاً عن ثمانية أميال (13كلم تقريباً) في الساعة.

وتم تحسين التصميم للعمل بين المباني الشاهقة التي تنتج أنماط اضطراب تؤثر على فاعلية تصميمات التوربينات الحضرية الأخرى. وإذا ثبت أن هذا صحيح، فقد يفتح التصميم الباب أمام إنتاج كهرباء غير محدود في المباني المكتبية والسكنية بتكلفة تكاد تكون معدومة.

يقول ليونارد نيكوسان، كبير مسؤولي التكنولوجيا في الشركة، في بيان صحافي: «كان استخدام الذكاء الاصطناعي ضرورياً للتحرر من التحيزات طويلة الأمد التي أثرت على تصميمات التوربينات خلال القرن الماضي. سمح لنا الذكاء الاصطناعي باستكشاف إمكانيات التصميم خارج نطاق التجارب البشرية التقليدية».

وفقاً لنيكوسان، تمكن المصممون من «توليد واختبار وتحسين أكثر من 2000 تصميم لتوربينات الرياح في غضون أسابيع قليلة، ما أدى إلى تسريع عملية التطوير لدينا بشكل كبير وتحقيق ما كان يستغرق سنوات وملايين الجنيهات من خلال الطرق التقليدية».

سحر «التصميم التطوري»

«التصميم التطوري الموجه بالذكاء الاصطناعي» هو منهجية تقوم على نفس فكرة الانتقاء الطبيعي. تبدأ العملية بتوليد آلاف المتغيرات التصميمية التي يتم تقييمها وفقاً لوظيفة «البقاء للأفضل»، والتي تحدد مدى نجاح كل متغير في تلبية أهداف المشروع. ويختار الذكاء الاصطناعي أفضل البدائل لاستخدامها أساساً لتكرارات جديدة، وإعادة الجمع بين الميزات وتنويعها لتطوير إصدارات محسنة.

تتكرر هذه الخطوات حتى يصل الذكاء الاصطناعي إلى حل يحقق تحسين جميع العلامات المهمة مثل الكفاءة الديناميكية الهوائية، والاستقرار الهيكلي، والوزن، أو الاكتناز.

تقول الشركة إن عمليتها تتجنب التحيزات البشرية الموجودة في الهندسة التقليدية. بطبيعتها، تكون الهندسة التقليدية محدودة بالأفكار والمعرفة السابقة.

من ناحية أخرى، يستكشف الذكاء الاصطناعي مجموعة واسعة من الاحتمالات دون القيود في العقل البشري. عندما تجمع بين جيل الذكاء الاصطناعي والتكرار التطوري، يمكن أن يؤدي هذا إلى نتائج مبتكرة تتحدى غالباً الفطرة السليمة ولكنها لا تزال تعمل.

إن نهج التصميم التطوري هذا ليس جديداً تماماً، إذ استخدمت صناعة الطيران والفضاء برامج بهذه القدرات لسنوات. ومثلاً استخدمت شركة «إيرباص»، بالتعاون مع شركة «أوتوديسك»، عملية مماثلة لتصميم حاجز مقصورة خفيف الوزن للغاية لطائراتها من طراز A320وظهرت النتيجة مستوحاة من هياكل العظام الطبيعية، ما أدى إلى انخفاض الوزن بنسبة 45 في المائة مقارنة بالهياكل المماثلة المصممة بالطرق التقليدية.

كما طبقت شركة «جنرال إلكتريك» الخوارزميات التطورية في إعادة تصميم حامل محرك نفاث جديد، مما أدى إلى انخفاض وزن القطعة بنسبة 80 في المائة. وتستخدم وكالة «ناسا» أيضاً هذه التقنية منذ سنوات، ففي عام 2006 استخدمت الوكالة خوارزمية تطورية لتصميم «هوائي متطور».

نجاح توربين «برمنغهام بليد»

لقد طبق فريق المصممين بقيادة الدكتور كيت ويندوز - يول من جامعة برمنغهام هذه العملية التطورية لحل مشكلة تكافح العديد من تصميمات التوربينات لمعالجتها: كيفية العمل بكفاءة في البيئات الحضرية، حيث تكون الرياح أبطأ وأكثر اضطراباً بسبب المباني.

ويقول نيكوسان: «كنا بحاجة إلى توربين يمكنه التقاط سرعات الرياح المنخفضة نسبياً في برمنغهام مع إدارة الاضطرابات الناجمة عن المباني المحيطة. وكان لا بد أن يكون التصميم أيضاً مضغوطاً وخفيف الوزن ليناسب التركيبات على الأسطح».

* مجلة «فاست كومباني» خدمات «تريبيون ميديا»