I en tid der fornybare energiløsninger er stadig mer kritiske for å oppfylle globale klimaforpliktelser, har et team av peruanske forskere vendt seg til en usannsynlig inspirasjonskilde: den eldgamle japanske kunsten å folde papir. Deres innovasjons-origami-inspirerte solcellemoduler-lover å møte en av de mest vedvarende utfordringene som solenergi-adopsjon står overfor i industrielle omgivelser: den store plassen som kreves for effektiv kraftproduksjon.
Publisert i februar 2025 i MDPI-tidsskriftet Engineering Proceedings, representerer forskningen et samarbeid mellom Dinamo Tecnologías SAC i Lima, Pontificia Universidad Católica del Perú og Tysklands Technische Universität Ilmenau. Prosjektet, finansiert av Perus ProInnovate-innovasjonsstipend, demonstrerer hvordan Miura-Ori-foldemønsteret-oppfunnet i 1985 av den japanske astrofysikeren Koryo Miura-kan tilpasses for å lage solcellepaneler som foldes sammen med en enkelt bevegelse, og reduserer fotavtrykket med opptil 90 prosent.
Romproblemet i industriell solenergi
De tradisjonelle solcellepanelene er begrenset ved at de produserer svært lite energi per arealenhet. Dette betyr at det trengs mye plass for å gi en betydelig mengde strøm. For marine- og gruvesektoren er dette et alvorlig problem fordi de krever enorme mengder energi og ikke alltid har plassen tilgjengelig for solenergiutstyr.
Vanlige solcellepaneler er også veldig tunge og klumpete. For øyeblikket krever denne teknologien 25 kg av et 430 Wp panel som veier mer enn to kvadratmeter. Dette betyr at panelene er laget av glass som gjør transporten vanskelig og gjør dem svært skjøre. På avsidesliggende steder der transporten er begrenset, tvinger voluminiteten, vekten og skjørheten til konvensjonelle solcellepaneler kunder til å henvende seg til dieselgeneratorer i stedet.
Sjøforsvarssektoren er et eksempel på denne utfordringen. Solcellepaneler må ofte transporteres med små båter-med ekstremt begrenset plass-til større fartøyer som taubåter. Paneler større enn to kvadratmeter er nesten umulige å transportere med mindre fartøyet ligger til kai i en havn. Likevel har større fartøyer vanligvis store ledige overflater som forblir ubrukte i beredskapstiden-nøyaktig den tiden da solenergi kan fortrenge kostbart drivstofforbruk.
Miura-Ori-løsningen
Miura-Ori-mønsteret, som kan brettes fra et stort flatt område til en ekstremt kompakt størrelse ved å trekke eller skyve en enkelt diagonal linje, har allerede funnet anvendelser i felt som spenner fra skuddbestandige- politiskjold til utplasserbare solcellepaneler for romoppdrag. Det peruanske teamet tilpasset dette mønsteret for jordbasert industriell bruk, og utviklet prototyper gjennom en iterativ prosess som begynte med papir- og pappmodeller før de gikk videre til solcelle-integrasjon.
De tradisjonelle solcellepanelene er begrenset ved at de produserer svært lite energi per arealenhet. Dette betyr at det trengs mye plass for å gi en betydelig mengde strøm. For marine- og gruvesektoren er dette et alvorlig problem fordi de krever enorme mengder energi og ikke alltid har plassen tilgjengelig for solenergiutstyr.
Vanlige solcellepaneler er også veldig tunge og klumpete. For øyeblikket krever denne teknologien 25 kg av et 430 Wp panel som veier mer enn to kvadratmeter. Dette betyr at panelene er laget av glass som gjør transporten vanskelig og gjør dem svært skjøre. På avsidesliggende steder der transporten er begrenset, tvinger voluminiteten, vekten og skjørheten til konvensjonelle solcellepaneler kunder til å henvende seg til dieselgeneratorer i stedet.
Engineering for holdbarhet
Forskerteamet tok for seg tre kritiske holdbarhetsproblemer: ødelagte celler fra gjentatt folding og utfolding, jevn foldingsfleksibilitet og ødelagte elektriske broer langs hengslene. De elektriske forbindelsene over foldelinjer er spesielt sårbare, da de skal tåle store bøyebelastninger fra syklisk bruk.
Gjennom omfattende testing av seks-celleprototyper med forskjellige materialer og lagkonfigurasjoner, bestemte forskerne at en total tykkelse på 2,5 millimeter gir en optimal balanse mellom styrke og fleksibilitet. De identifiserte også at flettede koblinger skulle brukes til elektriske broer langs hengsler, da disse viste seg å tåle alle bøyebelastninger, mens busstapper bør unngås for hengselforbindelser.
Selve lamineringsprosessen krevde innovasjon. Teamet bygde et tilpasset lamineringsbord oppvarmet til 150 grader Celsius med elektriske motstander, forseglingsmaterialer i vakuum for å sikre jevnt trykk og eliminere luftlommer. Den endelige produksjonsprosessen bruker etylen-tetrafluoretylen (ETFE) som et eksternt beskyttende lag-spesielt verdifullt i aggressive marine- og gruvemiljøer-med flere etylen-vinylacetat (EVA)-lag som fungerer som lim og innkapslingsmidler for solcellene.
Virkelig-verdensvalidering
Den sanne testen kom da teamet fraktet full-prototyper til et marinefartøy for installasjon. Fordelen med sammenleggbar design var umiddelbart åpenbar: paneler kunne enkelt bæres av én person, brettes sammen for transport i en bil, og deretter ferges med liten båt til det større fartøyet uten behov for spesielt utstyr.
Når de var ombord, ble panelene montert på en enkel, lett mekanisme som tillater rask folding og utfolding, i samsvar med fartøyets plassbegrensninger og infrastrukturbegrensninger. Den første valideringsfasen, med to paneler installert på et forsyningsfartøy, tar sikte på å samle innsikt i utplasseringsmekanismens effektivitet og identifisere potensielle produksjonsforbedringer.
Applikasjoner og implikasjoner
For gruvedrift-som vanligvis ligger langt fra byer og er avhengig av dieselgeneratorer-er implikasjonene like betydelige. Mobile enheter på avsidesliggende gruveplasser kan distribuere sammenleggbare solcellepaneler i inaktive perioder, og redusere drivstofforbruk og utslipp uten å kreve permanent infrastruktur.
Forskerteamet bemerker at ytterligere validering er nødvendig på tvers av forskjellige miljøer, spesielt i marinefartøyer og mobile gruveenheter. Imidlertid strekker de potensielle bruksområdene seg langt utover disse første brukstilfellene. Den lette, kompakte og effektive naturen til Miura-Ori-solcellepanelet gjør det til en ideell kandidat for fjerntliggende steder, nødsituasjoner og generelt behov for bærbar fornybar energi.
En bredere trend
Skapelsen laget i Peru følger den globale trenden for utvikling av fleksible solenergiteknologier. Data viser at det globale markedet for fleksible solcellepaneler forventes å ekspandere fra $2,84 millioner i 2025 til å nå $8,92 millioner i 2033 med en gjennomsnittlig sammensatt årlig vekstrate (CAGR) på 15,3%. For tiden er fleksible solcellepaneler mye brukt under militærleirer, om bord på marine fartøyer og i redningsoppdrag, der selv kostnadene ved installasjon er gunstigere sammenlignet med krystallinske solcellepanelers installasjonskostnader.
Som forskerteamet bemerker, er utviklingen av den første prototypen av Miura-Ori solcellepanel et stort fremskritt i industrien for fornybar energi. Den innovative utformingen av solcellepanelet kombinerer prinsippene for origami med solenergiteknologi som er svært lovende for bærbare solenergisystemer. Teknologien for å brette et solcellepanel som et stykke papir kan virkelig endre situasjonen både i Perus marine- og gruvesektor og i tilfelle ekstern strømforsyning på global skala.
