I en tid där förnybara energilösningar blir allt viktigare för att uppfylla globala klimatåtaganden, har ett team av peruanska forskare vänt sig till en osannolik inspirationskälla: den urgamla japanska konsten att vika papper. Deras innovations-origami-inspirerade solcellsmoduler-lovar att ta itu med en av de mest ihållande utmaningarna som solenergianvändning står inför i industriella miljöer: det stora utrymme som krävs för effektiv kraftgenerering.
Forskningen publicerades i februari 2025 i MDPI-tidskriften Engineering Proceedings och representerar ett samarbete mellan Dinamo Tecnologías SAC i Lima, Pontificia Universidad Católica del Perú och Tysklands Technische Universität Ilmenau. Projektet, finansierat av Perus innovationsbidrag ProInnovate, visar hur Miura-Ori-vikningsmönstret-uppfanns 1985 av den japanske astrofysikern Koryo Miura-kan anpassas för att skapa solpaneler som fälls ihop med en enda rörelse, vilket minskar deras fotavtryck med upp till 90 procent.
Rymdproblemet i industriell solenergi
De traditionella solpanelerna är begränsade genom att de producerar väldigt lite energi per ytenhet. Detta innebär att det krävs mycket utrymme för att ge en betydande mängd ström. För sjö- och gruvsektorerna är detta ett allvarligt problem eftersom de kräver enorma mängder energi och inte alltid har utrymme tillgängligt för solutrustning.
Vanliga solpaneler är också mycket tunga och skrymmande. För närvarande kräver denna teknik 25 kg av en 430 Wp panel som väger mer än två kvadratmeter. Det betyder att panelerna är gjorda av glas som gör transporten svår och gör dem mycket ömtåliga. På avlägsna platser där transporterna är begränsade tvingar de konventionella solpanelernas skrymmande, vikt och bräcklighet kunder att vända sig till dieselgeneratorer istället.
Den marina sektorn exemplifierar denna utmaning. Solpaneler måste ofta transporteras med små båtar-med extremt begränsat utrymme-till större fartyg som bogserbåtar. Paneler större än två kvadratmeter är nästan omöjliga att transportera om inte fartyget ligger till kaj i en hamn. Ändå har större fartyg vanligtvis stora fria ytor som förblir oanvända under standby-timmar-precis den tidpunkt då solgenerering kan tränga undan dyr bränsleförbrukning.
Miura-Ori-lösningen
Miura-Ori-mönstret, som kan vikas från ett stort plant område till en extremt kompakt storlek genom att dra eller trycka på en enda diagonal linje, har redan hittat tillämpningar inom områden som sträcker sig från skottsäkra-polissköldar till utplacerbara solpaneler för rymduppdrag. Det peruanska teamet anpassade detta mönster för markbunden industriell användning och utvecklade prototyper genom en iterativ process som började med pappers- och kartongmodeller innan de gick vidare till solcellsintegration.
De traditionella solpanelerna är begränsade genom att de producerar väldigt lite energi per ytenhet. Detta innebär att det krävs mycket utrymme för att ge en betydande mängd ström. För sjö- och gruvsektorerna är detta ett allvarligt problem eftersom de kräver enorma mängder energi och inte alltid har utrymme tillgängligt för solutrustning.
Vanliga solpaneler är också mycket tunga och skrymmande. För närvarande kräver denna teknik 25 kg av en 430 Wp panel som väger mer än två kvadratmeter. Det betyder att panelerna är gjorda av glas som gör transporten svår och gör dem mycket ömtåliga. På avlägsna platser där transporterna är begränsade tvingar de konventionella solpanelernas skrymmande, vikt och bräcklighet kunder att vända sig till dieselgeneratorer istället.
Engineering för hållbarhet
Forskargruppen tog upp tre kritiska hållbarhetsproblem: trasiga celler från upprepad vikning och utvikning, smidig vikningsflexibilitet och trasiga elektriska broar längs gångjärnen. De elektriska anslutningarna över viklinor är särskilt sårbara, eftersom de måste tåla stora böjpåkänningar från cyklisk användning.
Genom omfattande tester av sex-cellprototyper med olika material och lagerkonfigurationer fastställde forskarna att en total tjocklek på 2,5 millimeter ger en optimal balans mellan styrka och flexibilitet. De identifierade också att flätade kopplingar borde användas för elektriska broar längs gångjärn, eftersom dessa visade sig kunna motstå alla böjpåkänningar, medan bussflikar bör undvikas för gångjärnsanslutningar.
Själva lamineringsprocessen krävde innovation. Teamet byggde ett anpassat lamineringsbord uppvärmt till 150 grader Celsius med elektriska motstånd, tätningsmaterial i vakuum för att säkerställa enhetligt tryck och eliminera luftfickor. Den slutliga tillverkningsprocessen använder etylentetrafluoretylen (ETFE) som ett yttre skyddsskikt-särskilt värdefullt i aggressiva marina och gruvmiljöer-med flera etylen-vinylacetat (EVA)-skikt som fungerar som lim och inkapslingsmedel för solcellerna.
Verklig-världsvalidering
Det verkliga testet kom när teamet transporterade full-prototyper till ett marinfartyg för installation. Fördelen med hopfällbar design var omedelbart uppenbar: paneler kunde enkelt bäras av en person, fällas ihop för transport i en bil och sedan färjas med liten båt till det större fartyget utan att någon speciell utrustning krävdes.
Väl ombord monterades panelerna på en enkel, lätt mekanism som möjliggör snabb vikning och utfällning, i enlighet med fartygets utrymmesbegränsningar och infrastrukturbegränsningar. Den inledande valideringsfasen, med två paneler installerade på ett försörjningsfartyg, syftar till att samla in insikter om implementeringsmekanismens effektivitet och identifiera potentiella tillverkningsförbättringar.
Tillämpningar och konsekvenser
För gruvdrift-som vanligtvis ligger långt från städer och är beroende av dieselgeneratorer-är konsekvenserna lika betydande. Mobila enheter på avlägsna gruvplatser kan använda hopfällbara solpaneler under inaktiva perioder, vilket minskar bränsleförbrukningen och utsläppen utan att behöva permanent infrastruktur.
Forskargruppen noterar att ytterligare validering är nödvändig i olika miljöer, särskilt i örlogsfartyg och mobila gruvenheter. De potentiella tillämpningarna sträcker sig dock långt bortom dessa initiala användningsfall. Den lätta, kompakta och effektiva karaktären hos Miura-Oris solpanel gör den till en idealisk kandidat för avlägsna platser, nödsituationer och bärbara behov av förnybar energi i allmänhet.
En bredare trend
Skapandet gjort i Peru följer den globala trenden för utveckling av flexibla solenergiteknologier. Data visar att den globala marknaden för flexibla solpaneler förväntas expandera från 2,84 miljoner USD 2025 till att nå 8,92 miljoner USD 2033 vid den genomsnittliga sammansatta årliga tillväxttakten (CAGR) på 15,3 %. För närvarande används flexibla solpaneler i stor utsträckning under militära läger, ombord på marina fartyg och i räddningsuppdrag, där till och med kostnaden för installationen är mer fördelaktig jämfört med installationskostnaderna för kristallina solpaneler.
Som forskargruppen konstaterar är utvecklingen av den första prototypen av Miura-Ori-solpanelen ett stort steg framåt inom industrin för förnybar energi. Den innovativa designen av solpanelen kombinerar principerna för origami med solteknik som är mycket lovande för bärbara solenergisystem. Tekniken att vika en solpanel som ett papper kan verkligen förändra situationen både i Perus marin- och gruvsektor och vid fjärrströmförsörjning på global skala.
