V době, kdy jsou řešení obnovitelné energie stále důležitější pro splnění globálních klimatických závazků, se tým peruánských výzkumníků obrátil na nepravděpodobný zdroj inspirace: staré japonské umění skládání papíru. Jejich fotovoltaické moduly inspirované-origami-inspirací-slibují, že budou řešit jednu z nejtrvalejších výzev, kterým čelí přijetí solární energie v průmyslovém prostředí: naprostý prostor potřebný pro efektivní výrobu energie.
Výzkum byl zveřejněn v únoru 2025 v časopise MDPI Engineering Proceedings a představuje spolupráci mezi Dinamo Tecnologías SAC v Limě, Pontificia Universidad Católica del Perú a německou Technische Universität Ilmenau. Projekt financovaný z peruánského inovačního grantu ProInnovate demonstruje, jak lze Miura{4}}skládací vzor Ori-vynalezený v roce 1985 japonským astrofyzikem Koryo Miurou-upravit tak, aby vytvořil solární panely, které se skládají jediným pohybem, čímž se jejich půdorys zmenší až o 90 procent.
Vesmírný problém v průmyslové solární energii
Tradiční solární panely jsou omezené v tom, že produkují velmi málo energie na jednotku plochy. To znamená, že k zajištění značného množství energie je potřeba hodně místa. Pro námořní a těžební sektor je to vážný problém, protože vyžadují obrovské množství energie a ne vždy mají k dispozici prostor pro solární zařízení.
Běžné solární panely jsou také velmi těžké a objemné. Aktuálně tato technologie vyžaduje 25 kg 430 Wp panelu o hmotnosti více než dva metry čtvereční. To znamená, že panely jsou vyrobeny ze skla, což ztěžuje přepravu a činí je velmi křehkými. Na odlehlých místech, kde je doprava omezená, nutí objemnost, hmotnost a křehkost konvenčních solárních panelů zákazníky, aby se místo toho obrátili na dieselové generátory.
Námořní sektor je příkladem této výzvy. Solární panely musí být často přepravovány malými čluny-s extrémně omezeným prostorem-na větší plavidla, jako jsou remorkéry. Panely větší než dva metry čtvereční je téměř nemožné přepravit, pokud plavidlo nezakotví v přístavu. Větší plavidla však mají obvykle velké volné plochy, které zůstávají nevyužity během pohotovostních hodin-přesně v době, kdy by solární energie mohla vytlačit nákladnou spotřebu paliva.
Řešení Miura-Ori
Vzor Miura-Ori, který lze složit z velké ploché plochy na extrémně kompaktní velikost zatažením nebo zatlačením za jednu diagonální čáru, již našel uplatnění v oblastech od neprůstřelných-policejních štítů až po rozmístitelné solární panely pro vesmírné mise. Peruánský tým přizpůsobil tento vzor pro pozemské průmyslové použití a vyvinul prototypy prostřednictvím iterativního procesu, který začal papírovými a kartonovými modely, než postoupil k integraci solárních článků.
Tradiční solární panely jsou omezené v tom, že produkují velmi málo energie na jednotku plochy. To znamená, že k zajištění značného množství energie je potřeba hodně místa. Pro námořní a těžební sektor je to vážný problém, protože vyžadují obrovské množství energie a ne vždy mají k dispozici prostor pro solární zařízení.
Běžné solární panely jsou také velmi těžké a objemné. Aktuálně tato technologie vyžaduje 25 kg 430 Wp panelu o hmotnosti více než dva metry čtvereční. To znamená, že panely jsou vyrobeny ze skla, což ztěžuje přepravu a činí je velmi křehkými. Na odlehlých místech, kde je doprava omezená, nutí objemnost, hmotnost a křehkost konvenčních solárních panelů zákazníky, aby se místo toho obrátili na dieselové generátory.
Inženýrství pro odolnost
Výzkumný tým se zabýval třemi kritickými problémy týkajícími se trvanlivosti: zlomené buňky z opakovaného skládání a rozkládání, hladká flexibilita skládání a zlomené elektrické mosty podél pantů. Elektrické spoje napříč skládacími linkami jsou obzvláště zranitelné, protože musí vydržet velké ohybové namáhání způsobené cyklickým používáním.
Prostřednictvím rozsáhlého testování šesti-článkových prototypů s různými materiály a konfiguracemi vrstev vědci zjistili, že celková tloušťka 2,5 milimetru poskytuje optimální rovnováhu mezi pevností a pružností. Zjistili také, že pro elektrické můstky podél závěsů by se měly používat opletené konektory, protože se ukázalo, že jsou schopné odolat všem ohybovým napětím, zatímco u spojů závěsů by se neměly používat sběrnicové výstupky.
Samotný proces laminace vyžadoval inovaci. Tým postavil zakázkový laminovací stůl vyhřívaný na 150 stupňů Celsia s elektrickými odpory, těsnícími materiály ve vakuu, aby byl zajištěn rovnoměrný tlak a eliminovaly vzduchové kapsy. Konečný výrobní proces používá ethylentetrafluorethylen (ETFE) jako vnější ochrannou vrstvu-obzvláště cennou v agresivním mořském a důlním prostředí-s několika vrstvami etylen-vinylacetátu (EVA), které slouží jako lepidla a zapouzdřovací hmoty pro solární články.
Skutečné{0}}ověření ve světě
Opravdový test nastal, když tým přepravil prototypy v plném{0}}rozsahu na námořní plavidlo k instalaci. Výhoda skládací konstrukce byla okamžitě zřejmá: panely mohla snadno přenášet jedna osoba, skládat je pro přepravu v autě a poté převézt malou lodí na větší plavidlo bez potřeby speciálního vybavení.
Jakmile byly panely na palubě, byly namontovány na jednoduchý, lehký mechanismus, který umožňuje rychlé skládání a rozkládání v souladu s prostorovými omezeními plavidla a omezeními infrastruktury. Počáteční fáze ověřování se dvěma panely nainstalovanými na zásobovací nádobě si klade za cíl shromáždit poznatky o účinnosti mechanismu nasazení a identifikovat potenciální výrobní vylepšení.
Aplikace a implikace
Pro těžební operace-obvykle umístěné daleko od měst a závislé na dieselových generátorech-jsou důsledky stejně významné. Mobilní jednotky ve vzdálených těžebních lokalitách by mohly během období nečinnosti nasadit skládací solární panely, čímž by se snížila spotřeba paliva a emise bez nutnosti stálé infrastruktury.
Výzkumný tým poznamenává, že je nezbytná další validace v různých prostředích, zejména v námořních plavidlech a mobilních těžařských jednotkách. Potenciální aplikace však daleko přesahují tyto počáteční případy použití. Lehká, kompaktní a účinná povaha solárního panelu Miura-Ori z něj dělá ideálního kandidáta pro odlehlá místa, nouzové situace a obecně potřeby přenosné obnovitelné energie.
Širší trend
Výtvor vyrobený v Peru sleduje celosvětový trend vývoje flexibilních solárních technologií. Údaje ukazují, že se očekává, že se globální trh s flexibilními solárními panely rozšíří z 2,84 milionu USD v roce 2025 na 8,92 milionu USD v roce 2033 při průměrné složené roční míře růstu (CAGR) 15,3 %. V současné době jsou flexibilní solární panely široce používány ve vojenských táborech, na palubách námořních plavidel a při záchranných misích, kde jsou i náklady na instalaci příznivější ve srovnání s náklady na instalaci krystalických solárních panelů.
Jak poznamenává výzkumný tým, vývoj prvního prototypu solárního panelu Miura-Ori je obrovským krokem vpřed v odvětví obnovitelné energie. Inovativní design solárního panelu kombinuje principy origami se solární technologií, která je velmi slibná pro přenosné solární systémy. Technologie skládání solárního panelu jako kusu papíru může skutečně změnit situaci jak v peruánském námořnictvu a těžebním sektoru, tak v případě vzdáleného napájení v globálním měřítku.
