Φορητές Συσκευές με Ηλιακή Ενέργεια Θα Γίνουν Σύντομα Εφικτές με Νέα Ανάπτυγμένες Υπεραλέθριες Οργανικές Φωτοβολταϊκές Συσκευές

Οι επαναστατικές δυνατότητες της ηλιακής ενέργειας έχουν ήδη αποδειχθεί πέρα από κάθε αμφιβολία. Με την αυξανόμενη επιτυχία της, σε συνδυασμό με τις τεχνολογικές καινοτομίες που την εμπλουτίζουν καθημερινά και τη αυξανόμενη ζήτηση για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η παγκόσμια αγορά έξυπνης ηλιακής ενέργειας θα μπορούσε να ξεπεράσει τα 27 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2028 από τα λιγότερα από 13 δισεκατομμύρια δολάρια το 2022.

Οι προβλέψεις ανάπτυξης υποδεικνύουν διπλασιασμό της αγοράς, με παρατήρηση καινοτομιών υψηλού επιπέδου στα φωτοβολταϊκά υλικά, την αποθήκευση ενέργειας, τα έξυπνα δίκτυα, τα συστήματα ηλιακής ενέργειας και πολλά άλλα. Σημαντικό είναι ότι η ηλιακή ενέργεια αφήνει επίσης το αποτύπωμά της στον τομέα των φορητών συσκευών, με έρευνες και πειράματα που αναμένεται σύντομα να εισαγάγουν φορητές συσκευές με ηλιακή ενέργεια. 

Υπερ-ευέλικτες Οργανικές Φωτοβολταϊκές Συσκευές ως Πιθανή Πηγή Ενέργειας για Φορητά Ηλεκτρονικά

Νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, με τίτλο ‘Αδιάβροχες και Υπερ-ευέλικτες Οργανικές Φωτοβολταϊκές Συσκευές με Βελτιωμένη Προσκόλληση Διεπαφής’, αναδεικνύει την ελαστικότητα και το ελαφρύ βάρος των υπερ-ευέλικτων οργανικών φωτοβολταϊκών, καθιστώντας τις ισχυρή πηγή ενέργειας για ηλεκτρονικές φορητές συσκευές. Ωστόσο, η έρευνα αναγνωρίζει ότι η αδιάβροχη προστασία αυτών των λύσεων παραμένει πρόκληση εάν η μηχανική ευελιξία και η προσαρμοστικότητά τους διατηρηθούν αμετάβλητες. 

Δείχνει πώς μπορεί να αντιμετωπιστεί αυτή η πρόκληση, τοποθετώντας ουσιαστικά τις οργανικές φωτοβολταϊκές ως ανώτερη λύση. Η λύση περιλαμβάνει την αξιοποίηση της ενδοσκοπικής ανάπτυξης ενός στρώματος μεταφοράς οπών για την ενίσχυση της προσκόλλησης διεπαφής μεταξύ του ενεργού στρώματος και του άνοδος. Συγκεκριμένα, η λύση επιτρέπει την εναπόθεση ενός ασημένιου ηλεκτροδίου πάνω στα ενεργά στρώματα. Η εναπόθεση ακολουθείται από θερμική ανόπτηση.

Η έρευνα διαπιστώνει ότι η ενδοσκοπική μέθοδος υπερβαίνει κατά πολύ τη συμβατική, δείχνοντας ότι το ενδοσκοπικά αναπτυγμένο στρώμα μεταφοράς οπών διαθέτει ανώτερες θερμοδυναμικές ιδιότητες προσκόλλησης μεταξύ των ενεργών στρωμάτων, οδηγώντας σε βελτιωμένες αδιάβροχες ιδιότητες.

Στο πείραμα, οι οργανικές φωτοβολταϊκές με πάχος τριών μικρομέτρων που κατασκευάστηκαν με αυτή τη μέθοδο διατήρησαν το 89% και το 96% της αρχικής τους απόδοσης, ακόμη και μετά από βύθιση στο νερό για τέσσερις ώρες και μετά από 300 κύκλους τέντωσης/απελευθέρωσης με 30% παραμόρφωση υποβρύχια, αντίστοιχα.

Ενώ αυτά τα νούμερα αποτελούν απόδειξη της ευελιξίας και των αδιάβροχων χαρακτηριστικών τους, οι συσκευές πέρασαν αβίαστα μια δοκιμή πλυσίματος σε πλυντήριο, παρά το λεπτό στρώμα περιτύλιξης.

Συνολικά, το πείραμα έδειξε πώς τα ηλιακά κύτταρα μπορούν να γίνουν αδιάβροχα και κατάλληλα για μεγάλες κλίμακες λειτουργίας.

Τα ηλιακά κύτταρα μπορούν τώρα να ενσωματωθούν λειτουργικά στα ρούχα, παραμένοντας αποτελεσματικά ακόμη και μετά από έκθεση στη βροχή ή μετά από κύκλο πλύσης. Αυτή η καινοτομία είναι, επομένως, ιδιαίτερα σημαντική, καθώς μπορεί να είναι πολύτιμη για τη δημιουργία φορητών ηλεκτρονικών συσκευών που μπορούν να ενσωματωθούν στα ρούχα και να λειτουργούν σε όλες τις καιρικές συνθήκες.

Καθώς μιλούσαν για το πείραμα και επεξεργάζονταν τη δυνητική του χρησιμότητα, ο Kenjiro Fukuda, ένας από τους συν-συγγραφείς του άρθρου, είχε τα εξής να πει:

«Αυτό που έχουμε δημιουργήσει είναι μια μέθοδος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί πιο γενικά. Κοιτάζοντας το μέλλον, βελτιώνοντας τη σταθερότητα των συσκευών σε άλλους τομείς, όπως η έκθεση στον αέρα, το έντονο φως και το μηχανικό στρες, σχεδιάζουμε να αναπτύξουμε περαιτέρω τα υπερλεπτά οργανικά ηλιακά μας κύτταρα ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πραγματικά πρακτικές φορητές συσκευές.»

Ενώ οι ερευνητές παγκοσμίως επιδιώκουν να κάνουν τα ηλιακά κύτταρα πιο χρήσιμα και πρακτικά σημαντικά, ορισμένες επιχειρήσεις επενδύουν σημαντικά στην Έρευνα & Ανάπτυξη για την ανάπτυξη κλιμακώσιμων λύσεων που ωφελούν μεγαλύτερο πληθυσμό. 

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε όλα για τα θερμικά σκουλαρίκια.

#1. Garmin

Η Garmin έχει αναπτύξει μια ολόκληρη σειρά έξυπνων φορητών συσκευών με ηλιακή ενέργεια που υποστηρίζουν ότι επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας σε άνευ προηγουμένου επίπεδα. Η σειρά περιλαμβάνει τρία smartwatch: Fenix 7 PRO, Instinct 2, και Forerunner 955 Solar. Έχει σχεδιάσει τα προϊόντα, ιδιαίτερα για εξωτερική χρήση. 

Αυτά τα smartwatch μπορούν να αξιοποιούν την ηλιακή ενέργεια ακόμη και όταν το πρόσωπο του ρολογιού είναι μερικώς καλυμμένο. Η λειτουργία διαχείρισης ενέργειας τους επιτρέπει στον χρήστη να προσαρμόζει και να προσαρμόζει τη χρήση ενέργειας ανάλογα με τις ανάγκες.

Για συγκεκριμένα δεδομένα, το ρολόι μπορεί να διαχειριστεί εξωτερικές εκδρομές έως και δύο μήνες χωρίς την ανάγκη πρόσθετης πηγής ενέργειας. Επιπλέον, η λύση είναι φιλική προς το περιβάλλον, καθώς παράγει 59 τοις εκατό λιγότερες εκπομπές άνθρακα σε σύγκριση με άλλα ρολόγια.

Το Fenix 7 Pro, για παράδειγμα, αξιοποιεί υπερ-διαφανή ηλιακά πάνελ. Ο κομψός του σχεδιασμός μπορεί να βελτιστοποιήσει την απορρόφηση του ηλιακού φωτός. Το Instinct 2 είναι ένα GPS smartwatch με ηλιακή ενέργεια. Το Forerunner 955 σχεδιάστηκε ειδικά για τρέξιμο.

Η Garmin έχει επιτύχει πολλά τεχνολογικά θαύματα στην κατασκευή των λύσεών της. Για παράδειγμα, το σύστημα power glass της έχει αλλάξει ριζικά τον τρόπο χρήσης της τεχνολογίας ηλιακών πάνελ. Έχει αντικαταστήσει τα συμβατικά ηλιακά πάνελ με ένα υπερ-διαφανές γυάλινο φακό που ενσωματώνει μικροσκοπικά ηλιακά αγώγιμα κύτταρα. Το γυάλινο πάνελ είναι υπερ-λεπτό, λιγότερο από μισό χιλιοστόμετρο.

Σε μια επίδειξη τεχνολογικής υπεροχής, το πάνελ δεν είναι μόνο ικανό να συλλαμβάνει αποτελεσματικά τη φωτοηλεκτρική ενέργεια, αλλά ενσωματώνει επίσης τεχνολογία οθόνης Memory-in-piece για τη δημιουργία μιας καθαρής και ευανάγνωστης οθόνης. Η υψηλή καθαρότητα και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ακόμη και υπό άμεσο ηλιακό φως, το καθιστούν κορυφαίο στην κατηγορία του.

Στις 21 Φεβρουαρίου 2024, η Garmin® Ltd. ανέφερε τα αποτελέσματά της για το τέταρτο τρίμηνο που έληξε στις 30 Δεκεμβρίου 2023. Η εταιρεία κέρδισε ενοποιημένα έσοδα 5,23 δισεκατομμυρίων δολαρίων, αύξηση 8% σε σύγκριση με το προηγούμενο έτος.

Κατέγραψε μικτό περιθώριο 57,5%, σε σύγκριση με 57,7% το προηγούμενο έτος, και λειτουργικό περιθώριο 20,9%, σε σύγκριση με 21,1% το προηγούμενο έτος. Το λειτουργικό εισόδημα ήταν 1,09 δισεκατομμύρια δολάρια, αύξηση 6% σε σύγκριση με το προηγούμενο έτος.

Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τις κορυφαίες μετοχές ηλιακής ενέργειας για επένδυση.

#2. Tommy Hilfiger

Για την Tommy Hilfiger, το παγκοσμίως αναγνωρισμένο brand μόδας και ρούχων, οι φορητές συσκευές με ηλιακή ενέργεια δεν είναι καινούργιες, καθώς παρουσίασαν μια σειρά μπουφάν πεδίου με ηλιακά πάνελ σχεδόν μια δεκαετία νωρίτερα, το 2014. Η δουλειά ολοκληρώθηκε με τη βοήθεια της Pvillion, κατασκευάστριας ηλιακών. Το μπουφάν είχε αδιάβροχα ηλιακά πάνελ που λειτουργούσαν ως επένδυση. Αυτά τα πάνελ σχεδιάστηκαν για να φορτίζουν συσκευές μέσω ενσωματωμένων καλωδίων και θυρών USB. 

Κατά την κυκλοφορία του, το μπουφάν πωλούνταν για 600 δολάρια. Το μπουφάν σχεδιασμένο από την Tommy Hilfiger, σε συνεργασία με την ‘Pvillion’, χρησίμευσε ως έμπνευση. Επτά χρόνια μετά την κυκλοφορία, το 2021, ερευνητές σχεδίου και φυσικής του Πανεπιστημίου Aalto της Φινλανδίας δημιούργησαν ένα brand ρούχων με κρυμμένα ηλιακά πάνελ.

Το έργο, γνωστό ως Sun-Powered Textiles, οδήγησε στην ανάπτυξη ενός ενεργειακά αυτόνομου προϊόντος που θα μπορούσε να φορτίζει φορητές συσκευές – αισθητήρες που μετρούν την υγρασία ή τη θερμοκρασία – χωρίς να διαταράσσει την εμφάνιση και την αίσθηση του ενδύματος.

Καθώς επεξεργάζονταν τη μοναδικότητα της καινοτομίας τους, η ερευνήτρια σχεδίου του Πανεπιστημίου Aalto, Elina Ilen, είχε τα εξής να πει:

«Δημιουργήσαμε ένα δείγμα, ένα μπουφάν, όπου η ενεργεια του φωτός χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία ενσωματωμένων αισθητήρων υγρασίας και θερμοκρασίας, λαμβάνοντας υπόψη τον χρήστη επαγγελματικού ενδύματος, που μπαίνει και βγαίνει και εκτελεί καθημερινά φυσικές εργασίες.»

Αυτές οι καινοτομίες, τόσο από την Tommy Hilfiger όσο και από το Πανεπιστήμιο Aalto, είναι παραδείγματα του πώς τα ρούχα μας θα μπορούσαν να έχουν ηλιακά πάνελ με διακριτικό και εύχρηστο τρόπο. 

Η PVH Corp. (PVH ), η οντότητα που κατέχει το brand Tommy Hilfiger, ανέφερε τα έσοδα του τέταρτου τριμήνου και του πλήρους έτους 2023 στις 1 Απριλίου 2024. Τα έσοδα του πλήρους έτους αυξήθηκαν κατά 2% στα 9,218 δισεκατομμύρια δολάρια σε σύγκριση με την προηγούμενη περίοδο, ενώ τα έσοδα του τέταρτου τριμήνου 2023 των 2,490 δισεκατομμυρίων δολαρίων παρέμειναν σταθερά σε σύγκριση με την προηγούμενη περίοδο.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς η ηλιακή ενέργεια μπορεί να προσφέρει περισσότερα από απλώς καθαρή ενέργεια.

#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

Τον Αύγουστο του 2022, το γνωστό brand ρολογιών και κοσμημάτων Skagen παρουσίασε τη βιώσιμη συλλογή του, Grenen Solar. Ο σχεδιασμός του περιελάμβανε ένα ιαπωνικό μηχανισμό τριών δεικτών με ηλιακή ενέργεια για ακριβή χρονομέτρηση. Επίσης, υποσχέθηκε έξι μήνες εφεδρικής ενέργειας. Χάρη στον ηλιακό μηχανισμό, ο χρήστης μπορεί να φορτίσει το ρολόι σε οποιοδήποτε φως, φυσικό ή τεχνητό.

Ένα από τα χαρακτηριστικά του Grenen Solar ήταν η δέσμευσή του να διατηρεί τη βιωσιμότητα στο κέντρο της καινοτομίας του. Και η βιωσιμότητα δεν περιοριζόταν μόνο στη χρήση ηλιακής ενέργειας. Η κυκλοφορία του προϊόντος ήταν, στην πραγματικότητα, σύμφωνη με το όραμα και τη δέσμευση της εταιρείας να έχει τα ρολόγια της 100% βιώσιμα στο εγγύς μέλλον. Για το σκοπό αυτό, το 50% του χάλυβα που χρησιμοποιείται στο ρολόι είναι ανακυκλωμένος ανοξείδωτος χάλυβας. Επιπλέον, η συνολική συλλογή περιλαμβάνει πέντε στυλ με διαστάσεις θήκης 37 mm σε λιανική τιμή 195 δολάρια.

Τον Ιανουάριο του 2012, η Skagen πωλήθηκε στην Fossil Group σε μια συναλλαγή 237 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Στις 13 Μαρτίου 2024, η Fossil Group δημοσίευσε την ετήσια έκθεσή της για το οικονομικό έτος 2023. Το 2023, η εταιρεία κατέγραψε καθαρά έσοδα άνω των 1,4 δισεκατομμυρίων δολαρίων, με πτώση σε σχέση με το 2022, όταν κατέγραψε καθαρά έσοδα 1,68 δισεκατομμυρίων δολαρίων.

Συνολικά, τα παραπάνω προϊόντα και λύσεις δείχνουν καθαρά ότι οι φορητές συσκευές με ηλιακή ενέργεια δεν είναι κάτι νέο. Ωστόσο, όπως δείξαμε στην αρχή, η καινοτομία γύρω από αυτές προχωρά έντονα. Δείχνει τη ζωντάνια και την αξία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και το δυναμικό τους για βιωσιμότητα. Πολλές άλλες ενδιαφέρουσες καινοτομίες βρίσκονται σε εξέλιξη, και θα εξετάσουμε μερικές από αυτές για να έχουμε μια ιδέα του τι επιφυλάσσει το μέλλον.

Φορητές Συσκευές με Ηλιακή Ενέργεια: Τι Φέρνει το Μέλλον

Το 2017, οι ερευνητές παρουσίασαν το σχεδιασμό ενός φορητού έξυπνου βραχίονα που χρησιμοποίησε λεπτές, μικρής μορφής ευέλικτες φωτοβολταϊκές πλάκες ως πηγή ενέργειας, σημειώνοντας σημαντική πρόοδο στα υποσυστήματα συλλογής ηλιακής ενέργειας. Στόχος του ήταν η μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας μετατροπής ενέργειας και η επίτευξη ενός αυτόνομου ασύρματου φορητού συστήματος.

Αξιοποιώντας την πολυαμιδική μεμβράνη για πλήρη ενσωμάτωση του συστήματος, η τεχνολογία αποδείχθηκε ωφέλιμη στην μακροπρόθεσμη παρακολούθηση ασθενών ή ηλικιωμένων σε εφαρμογές υγειονομικής περίθαλψης. Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά, καθώς ένα μόνο ευέλικτο ηλιακό πάνελ μπορούσε να συλλέξει έως και 16 μεγαβάτ ενέργειας εξωτερικά και 0,21 μεγαβάτ εσωτερικά. Εντυπωσιακά, τα δεδομένα που συγκέντρωσε η συσκευή μπορούσαν να μεταφερθούν μέσω Bluetooth.

Η συνέχιση της έρευνας στην υγειονομική περίθαλψη οδήγησε στην ανάπτυξη ενός βιοσένσορα φορητής συσκευής χωρίς μπαταρία, με ηλιακή ενέργεια, που μπορεί να αξιοποιήσει το υποχρησιμοποιημένο δυναμικό των βιοδεικτών του ιδρώτα. Το αποτέλεσμα της έρευνας ήταν το LumiStat, ένα φορητό πολυλειτουργικό σύστημα με ηλιακή ενέργεια, ικανό να εκτελεί αυτόνομη διέγερση ιδρώτα, δυναμική μικρορευστομηχανική λήψη δείγματος ιδρώτα, πολλαπλή παρακολούθηση βιοδεικτών του ιδρώτα και ασύρματη μετάδοση δεδομένων, μια επανάσταση στην τεχνολογία μη επεμβατικής παρακολούθησης υγείας.

Η ηλιακή ενέργεια την έκανε ικανή για αξιοσημείωτη απόδοση, επιτρέποντας συνεχή λειτουργία για πάνω από 12 ώρες υπό διάφορες συνθήκες φωτισμού. Οι ερευνητές έθεσαν το LumiStat σε αυστηρές δοκιμές, συμπεριλαμβανομένης μιας ημερήσιας, πολυμορφικής παρακολούθησης βιοδεικτών ιδρώτα σε διάφορες δραστηριότητες. Η λύση μπορούσε να λειτουργεί σταθερά σε διαφορετικά περιβάλλοντα φωτισμού και φυσικές δραστηριότητες, με την κατανάλωση ενέργειας να προσαρμόζεται έξυπνα στον διαθέσιμο φωτισμό, εξασφαλίζοντας συνεχή μέτρηση αισθητήρων.

Μια έκθεση έρευνας που δημοσιεύθηκε από το Nottingham Trent University συζήτησε την ανάπτυξη υφασμάτων ενσωματωμένων με πάνω από χίλια μικροσκοπικά ηλιακά κύτταρα. Αυτά τα ηλιακά κύτταρα μπορούσαν να φορτίζουν έξυπνα ρολόγια και κινητά τηλέφωνα. Συνολικά, μπορούσαν να αξιοποιήσουν 400 milliwatts (watts) ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο.

Το ύφασμα ήταν κατάλληλο για καθημερινά ρούχα και θα μπορούσε να πλυθεί σε πλυντήριο στους 40°C μαζί με άλλα ρούχα. Με διαστάσεις μόλις πέντε χιλιοστά σε μήκος και 1,5 χιλιοστά σε πλάτος, τα ηλιακά κύτταρα ενσωματώθηκαν σε αδιάβροχο πολυμερές ρητίνης. Ακόμη και ο υφαντής δεν θα τα έβλεπε.

Σύμφωνα με τη Δρ. Hughes-Riley από την Ομάδα Προηγμένων Υφασμάτων (ATRG) του πανεπιστημίου:

«Αυτό το πρωτότυπο προσφέρει μια συναρπαστική ματιά στο μελλοντικό δυναμικό των e-υφασμάτων. Μέχρι τώρα, πολύ λίγοι άνθρωποι έχουν σκεφτεί ότι τα ρούχα ή τα υφασματικά προϊόντα τους θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για παραγωγή ηλεκτρισμού. Το υλικό που έχουμε αναπτύξει φαίνεται και συμπεριφέρεται όπως οποιοδήποτε συνηθισμένο ύφασμα, καθώς μπορεί να τσαλακωθεί και να πλυθεί σε πλυντήριο.»

Το υλικό, με διαστάσεις 51 εκ. x 27 εκ., ήταν τόσο διαπνέον όσο και χημικά σταθερό. Περιείχε ηλιακά κύτταρα πυριτίου. Αυτή η διαμόρφωση επέτρεψε στο υλικό να παράγει ισχύ 335,3 watt σε ένταση ηλιακού φωτός 0,86, με δυνατότητα παραγωγής έως 394 watt όταν η ένταση του ηλιακού φωτός έφτασε στο 1,0.

Προφανώς, με κάθε πέρασμα της ημέρας, περισσότερη έρευνα γίνεται διαθέσιμη στο κοινό που δείχνει το δυναμικό της τεχνολογίας φορητών συσκευών με ηλιακή ενέργεια. Είναι, τουλάχιστον, επαναστατική και αλλάζει το παράδειγμα. Δεδομένου ότι οι λύσεις προορίζονται να παραμένουν συνδεδεμένες στο σώμα μας συνεχώς, αλλάζουν τον τρόπο που αλληλεπιδρούμε με την τεχνολογία. Αφαιρούν την ανάγκη για ενδιάμεσους παρόχους ενέργειας όπως τα σημεία φόρτισης. Αυξάνουν την κινητικότητά μας και τη δυνατότητα εξερεύνησης, μειώνοντας το άγχος για το πώς να διατηρούμε τα συστήματά μας σε λειτουργία.