V obdobju, ko so rešitve za obnovljivo energijo vse bolj ključne za izpolnjevanje globalnih podnebnih zavez, se je ekipa perujskih raziskovalcev obrnila na neverjeten vir navdiha: starodavno japonsko umetnost zgibanja papirja. Njihova inovacija-origami-fotovoltaični moduli-obljubljajo, da bodo rešili enega najbolj vztrajnih izzivov, s katerimi se soočajo z uvajanjem sončne energije v industrijskih okoljih: sam prostor, potreben za učinkovito proizvodnjo električne energije.
Raziskava, objavljena februarja 2025 v reviji MDPI Engineering Proceedings, predstavlja sodelovanje med Dinamo Tecnologías SAC v Limi, Pontificia Universidad Católica del Perú in nemško Technische Universität Ilmenau. Projekt, ki ga financira perujska donacija za inovacije ProInnovate, prikazuje, kako je mogoče vzorec zgibanja Miura-Ori-, ki ga je leta 1985 izumil japonski astrofizik Koryo Miura-, prilagoditi za ustvarjanje solarnih panelov, ki se zložijo z enim gibom, kar zmanjša njihov odtis za do 90 odstotkov.
Vesoljski problem v industrijski solarni tehnologiji
Tradicionalni sončni paneli so omejeni, ker proizvedejo zelo malo energije na enoto površine. To pomeni, da je za zagotovitev znatne količine moči potrebno veliko prostora. Za pomorski in rudarski sektor je to resen problem, ker potrebujeta ogromne količine energije in nimata vedno na voljo prostora za solarno opremo.
Običajni sončni kolektorji so tudi zelo težki in okorni. Trenutno ta tehnologija zahteva 25 kg plošče 430 Wp, ki tehta več kot dva kvadratna metra. To pomeni, da so plošče izdelane iz stekla, kar otežuje transport in jih naredi zelo krhke. V oddaljenih krajih, kjer je prevoz omejen, so zaradi velikosti, teže in krhkosti običajnih sončnih kolektorjev kupci prisiljeni raje uporabiti dizelske generatorje.
Pomorski sektor ponazarja ta izziv. Sončne celice je treba pogosto prevažati z majhnimi čolni-z izjemno omejenim prostorom-na večja plovila, kot so vlačilci. Panele, večje od dveh kvadratnih metrov, je skoraj nemogoče prevažati, razen če je plovilo zasidrano v pristanišču. Vendar imajo večja plovila običajno velike proste površine, ki ostanejo neizkoriščene med urami pripravljenosti-točno v času, ko bi sončna energija lahko nadomestila drago porabo goriva.
Rešitev Miura-Ori
Vzorec Miura-Ori, ki ga je mogoče prepogniti iz velikega ravnega območja v izjemno kompaktno velikost s potegom ali potiskom ene same diagonalne črte, je že našel uporabo na področjih, od -odpornih policijskih ščitov do nastavljivih sončnih kolektorjev za vesoljske misije. Perujska ekipa je prilagodila ta vzorec za kopensko industrijsko uporabo in razvila prototipe skozi ponavljajoči se proces, ki se je začel z modeli iz papirja in kartona, preden je napredoval do integracije sončnih celic.
Tradicionalni sončni paneli so omejeni, ker proizvedejo zelo malo energije na enoto površine. To pomeni, da je za zagotovitev znatne količine moči potrebno veliko prostora. Za pomorski in rudarski sektor je to resen problem, ker potrebujeta ogromne količine energije in nimata vedno na voljo prostora za solarno opremo.
Običajni sončni kolektorji so tudi zelo težki in okorni. Trenutno ta tehnologija zahteva 25 kg plošče 430 Wp, ki tehta več kot dva kvadratna metra. To pomeni, da so plošče izdelane iz stekla, kar otežuje transport in jih naredi zelo krhke. V oddaljenih krajih, kjer je prevoz omejen, so zaradi velikosti, teže in krhkosti običajnih sončnih kolektorjev kupci prisiljeni raje uporabiti dizelske generatorje.
Inženiring za vzdržljivost
Raziskovalna skupina je obravnavala tri kritične pomisleke glede vzdržljivosti: zlomljene celice zaradi ponavljajočega zgibanja in odvijanja, gladka fleksibilnost zlaganja in zlomljeni električni mostovi vzdolž tečajev. Električne povezave prek pregibnih linij so še posebej ranljive, saj morajo prenesti velike upogibne obremenitve zaradi ciklične uporabe.
Z obsežnim testiranjem šest-prototipov celic z različnimi materiali in konfiguracijami plasti so raziskovalci ugotovili, da skupna debelina 2,5 milimetra zagotavlja optimalno ravnovesje med trdnostjo in prožnostjo. Ugotovili so tudi, da je treba za električne mostove vzdolž tečajev uporabiti pletene konektorje, saj so se ti izkazali kot sposobni prenesti vse upogibne obremenitve, medtem ko se je treba izogibati jezičkom vodila za povezave tečajev.
Sam postopek laminiranja je zahteval inovativnost. Ekipa je izdelala mizo za laminiranje po meri, ogreto na 150 stopinj Celzija z električnimi upori, tesnilnimi materiali v vakuumu, da se zagotovi enakomeren pritisk in odpravijo zračni žepi. Končni proizvodni proces uporablja etilen tetrafluoroetilen (ETFE) kot zunanjo zaščitno plast-, ki je še posebej dragocena v agresivnih morskih in rudarskih okoljih-z več plastmi etilen-vinil acetata (EVA), ki služijo kot lepila in sredstva za zapiranje sončnih celic.
Preverjanje v-resničnem svetu
Pravi preizkus je bil, ko je ekipa prepeljala-prototipe polnega obsega na mornariško plovilo za namestitev. Prednost zložljive zasnove je bila takoj očitna: plošče je lahko enostavno prenašala ena oseba, jih zložila za prevoz v avtomobilu in nato z majhnim čolnom prepeljala na večje plovilo brez posebne opreme.
Ko so bili na krovu, so bili paneli nameščeni na preprost, lahek mehanizem, ki omogoča hitro zlaganje in odvijanje, v skladu s prostorskimi in infrastrukturnimi omejitvami plovila. Cilj začetne faze validacije z dvema ploščama, nameščenima na oskrbovalni posodi, je zbiranje vpogledov v učinkovitost mehanizma za uvajanje in prepoznavanje potencialnih izboljšav proizvodnje.
Aplikacije in posledice
Za rudarske dejavnosti,-ki so običajno oddaljene od mest in so odvisne od dizelskih generatorjev-, so posledice enako pomembne. Mobilne enote v oddaljenih rudarskih krajih bi lahko med obdobji nedejavnosti namestile zložljive sončne celice, s čimer bi zmanjšale porabo goriva in emisije brez stalne infrastrukture.
Raziskovalna skupina ugotavlja, da je nadaljnja validacija potrebna v različnih okoljih, zlasti v mornariških plovilih in mobilnih rudarskih enotah. Vendar pa potencialne aplikacije presegajo te začetne primere uporabe. Zaradi lahke, kompaktne in učinkovite narave sončne plošče Miura-Ori je idealen kandidat za oddaljene lokacije, izredne razmere in prenosne potrebe po obnovljivi energiji na splošno.
Širši trend
Kreacija, narejena v Peruju, sledi svetovnemu trendu razvoja fleksibilnih solarnih tehnologij. Podatki kažejo, da naj bi se svetovni trg fleksibilnih solarnih panelov povečal z 2,84 milijona USD leta 2025 na 8,92 milijona USD leta 2033 pri povprečni skupni letni stopnji rasti (CAGR) 15,3 %. Trenutno se fleksibilni solarni paneli pogosto uporabljajo v vojaških taboriščih, na krovu morskih plovil in v reševalnih misijah, kjer je celo cena namestitve ugodnejša v primerjavi s stroški namestitve kristalnih solarnih panelov.
Kot ugotavlja raziskovalna skupina, je razvoj prvega prototipa sončne plošče Miura-Ori velik korak naprej v industriji obnovljive energije. Inovativna zasnova solarnega panela združuje načela origamija s solarno tehnologijo, ki je zelo obetavna za prenosne solarne sisteme. Tehnologija zlaganja sončne plošče kot kos papirja lahko resnično spremeni situacijo v perujski mornarici in rudarstvu ter v primeru daljinskega napajanja na svetovni ravni.
