בעידן שבו פתרונות אנרגיה מתחדשים יותר ויותר קריטיים לעמידה בהתחייבויות האקלים העולמיות, צוות חוקרים פרואני פנה למקור השראה לא סביר: האומנות היפנית העתיקה של קיפולי נייר. החדשנות שלהם-אוריגמי-בהשראת מודולים פוטו-וולטאיים-מבטיחה לתת מענה לאחד האתגרים המתמשכים ביותר העומדים בפני אימוץ אנרגיה סולארית בסביבה תעשייתית: השטח העצום הנדרש לייצור חשמל יעיל.
המחקר פורסם בפברואר 2025 בכתב העת MDPI Engineering Proceedings, המחקר מייצג שיתוף פעולה בין Dinamo Tecnologías SAC בלימה, Pontificia Universidad Católica del Peru וה-Technische Universität Ilmenau בגרמניה. הפרויקט, הממומן על ידי מענק החדשנות ProInnovate של פרו, מדגים כיצד ניתן להתאים את תבנית הקיפול Miura-Ori- שהומצאה בשנת 1985 על ידי האסטרופיזיקאי היפני Koryo Miura- ליצירת פאנלים סולאריים שמתקפלים בתנועה אחת, ומקטינים את טביעת הרגל שלהם בעד 90 אחוזים.
בעיית החלל בסולאר תעשייתי
הפאנלים הסולאריים המסורתיים מוגבלים בכך שהם מייצרים מעט מאוד אנרגיה ליחידת שטח. המשמעות היא שדרוש מקום רב כדי לספק כמות משמעותית של כוח. עבור מגזרי חיל הים והכרייה מדובר בבעיה רצינית מכיוון שהם דורשים כמויות עצומות של אנרגיה ולא תמיד יש להם מקום פנוי לציוד סולארי.
פאנלים סולאריים רגילים הם גם מאוד כבדים ומגושמים. נכון לעכשיו, טכנולוגיה זו דורשת 25 ק"ג של פאנל 430 Wp במשקל של יותר משני מטרים רבועים. המשמעות היא שהפנלים עשויים מזכוכית מה שהופך את ההובלה לקשה והופכת אותם לשבירים מאוד. במקומות מרוחקים שבהם התחבורה מוגבלת, הנפח, המשקל והשבריריות של פאנלים סולאריים קונבנציונליים מאלצים את הלקוחות לפנות לגנרטורים דיזל במקום.
המגזר הימי מדגים את האתגר הזה. לעתים קרובות יש להעביר פאנלים סולאריים באמצעות סירות קטנות-עם שטח מוגבל ביותר-לספינות גדולות יותר כגון סירות גוררת. כמעט בלתי אפשרי להעביר לוחות בגודל של יותר משני מטרים רבועים אלא אם כלי השיט עוגנה בנמל. עם זאת, לכלי שיט גדולים יותר יש בדרך כלל משטחים פנויים גדולים שנותרו ללא שימוש במהלך שעות המתנה-בדיוק הזמן שבו ייצור סולארי יכול לדחוק את צריכת הדלק היקרה.
פתרון Miura-Ori
דפוס Miura-Ori, שניתן לקפל מאזור שטוח גדול לגודל קומפקטי במיוחד על ידי משיכה או דחיפה של קו אלכסוני בודד, כבר מצא יישומים בתחומים החל ממגני משטרה עמידים-לכדורים ועד פאנלים סולאריים הניתנים לפריסה למשימות חלל. הצוות הפרואני התאים את הדפוס הזה לשימוש תעשייתי יבשתי, ופיתח אבות טיפוס באמצעות תהליך איטרטיבי שהתחיל במודלים של נייר וקרטון לפני שהתקדם לאינטגרציה של תאים סולאריים.
הפאנלים הסולאריים המסורתיים מוגבלים בכך שהם מייצרים מעט מאוד אנרגיה ליחידת שטח. המשמעות היא שדרוש מקום רב כדי לספק כמות משמעותית של כוח. עבור מגזרי חיל הים והכרייה מדובר בבעיה רצינית מכיוון שהם דורשים כמויות עצומות של אנרגיה ולא תמיד יש להם מקום פנוי לציוד סולארי.
פאנלים סולאריים רגילים הם גם מאוד כבדים ומגושמים. נכון לעכשיו, טכנולוגיה זו דורשת 25 ק"ג של פאנל 430 Wp במשקל של יותר משני מטרים רבועים. המשמעות היא שהפנלים עשויים מזכוכית מה שהופך את ההובלה לקשה והופכת אותם לשבירים מאוד. במקומות מרוחקים שבהם התחבורה מוגבלת, הנפח, המשקל והשבריריות של פאנלים סולאריים קונבנציונליים מאלצים את הלקוחות לפנות לגנרטורים דיזל במקום.
הנדסה לעמידות
צוות המחקר התייחס לשלושה בעיות עמידות קריטיות: תאים שבורים כתוצאה מקיפול והתפרקות חוזרים ונשנים, גמישות קיפול חלקה וגשרים חשמליים שבורים לאורך הצירים. החיבורים החשמליים על פני קווי הקיפול פגיעים במיוחד, מכיוון שהם חייבים לעמוד בעומסי כיפוף גדולים משימוש מחזורי.
באמצעות בדיקה מקיפה של שישה-אב-טיפוס של תאים עם חומרים ותצורות שכבות שונות, החוקרים קבעו שעובי כולל של 2.5 מילימטרים מספק איזון אופטימלי בין חוזק וגמישות. הם גם זיהו שיש להשתמש במחברים קלועים עבור גשרים חשמליים לאורך צירים, שכן אלה הוכיחו כי הם מסוגלים לעמוד בכל מתחי הכיפוף, בעוד שיש להימנע מלשוניות אוטובוס עבור חיבורי צירים.
תהליך הלמינציה עצמו דרש חדשנות. הצוות בנה שולחן למינציה מותאם אישית מחומם ל-150 מעלות צלזיוס עם נגדים חשמליים, חומרי איטום בוואקום להבטחת לחץ אחיד וביטול כיסי אוויר. תהליך הייצור הסופי משתמש באתילן טטרה-פלואורואתילן (ETFE) כשכבת הגנה חיצונית-בעלת ערך במיוחד בסביבות ימיות וכרייה אגרסיביות-עם שכבות אתילן-ויניל אצטט מרובות (EVA) המשמשות כדבקים וכוסות לתאי השמש.
אימות-עולם אמיתי
המבחן האמיתי הגיע כאשר הצוות העביר אבות טיפוס בקנה מידה מלא-לכלי שיט להתקנה. היתרון של עיצוב מתקפל היה ברור מיד: לוחות יכולים להינשא בקלות על ידי אדם אחד, לקפל אותם להובלה במכונית, ולאחר מכן להעביר בסירה קטנה לכלי השיט הגדול יותר ללא צורך בציוד מיוחד.
לאחר עלייתם, הותקנו הפאנלים על מנגנון פשוט וקל משקל המאפשר קיפול ופתיחה מהירים, תוך התאמה למגבלות החלל ומגבלות התשתית של כלי השיט. שלב האימות הראשוני, עם שני לוחות מותקנים על כלי אספקה, נועד לאסוף תובנות לגבי יעילות מנגנון הפריסה ולזהות שיפורים פוטנציאליים בייצור.
יישומים והשלכות
עבור פעולות כרייה-שממוקמות בדרך כלל רחוק מערים ונשענות על גנרטורים של דיזל-ההשלכות משמעותיות באותה מידה. יחידות ניידות באתרי כרייה מרוחקים יוכלו לפרוס פאנלים סולאריים מתקפלים בתקופות סרק, להפחית את צריכת הדלק והפליטות מבלי להידרש לתשתית קבועה.
צוות המחקר מציין כי יש צורך באימות נוסף בסביבות מגוונות, במיוחד בכלי שיט ימיים ויחידות כרייה ניידות. עם זאת, היישומים הפוטנציאליים משתרעים הרבה מעבר למקרי שימוש ראשוניים אלה. אופיו קל המשקל, הקומפקטי והיעיל של הפאנל הסולארי של Miura-Ori הופך אותו למועמד אידיאלי עבור מיקומים מרוחקים, מצבי חירום וצרכי אנרגיה מתחדשת ניידת באופן כללי.
מגמה רחבה יותר
היצירה שנעשתה בפרו עוקבת אחר המגמה העולמית לפיתוח טכנולוגיות סולאריות גמישות. נתונים מראים כי השוק העולמי של פאנלים סולאריים גמישים צפוי להתרחב מ-2.84 מיליון דולר ב-2025 להגיע ל-8.92 מיליון דולר ב-2033 בשיעור הצמיחה השנתי הממוצע (CAGR) של 15.3%. נכון להיום, נעשה שימוש נרחב בפאנלים סולאריים גמישים במחנות צבאיים, בכלי שיט ימיים ובמשימות חילוץ, בהן אפילו עלות ההתקנה נוחה יותר בהשוואה לעלויות ההתקנה של פאנלים סולאריים גבישיים.
כפי שצוות המחקר מציין, הפיתוח של אב הטיפוס הראשון של הפאנל הסולארי של Miura-Ori הוא צעד ענק קדימה בתעשיית האנרגיה המתחדשת. העיצוב החדשני של הפאנל הסולארי משלב את עקרונות האוריגמי עם טכנולוגיה סולארית המבטיחה מאוד עבור מערכות כוח סולאריות ניידות. הטכנולוגיה של קיפול פאנל סולארי כמו פיסת נייר יכולה באמת לשנות את המצב הן במגזרי הצי והכרייה של פרו והן במקרה של אספקת חשמל מרחוק בקנה מידה עולמי.
