Joustavat aurinkopaneelit mahdollistavat pidemmät lennot autonomisille droneille

Tutkijaryhmä, jota johtavat Johannes Keplerin yliopiston insinöörit Linzistä, on esitellyt erittäin kevyen ja tehokkaan aurinkopaneelin suunnittelun. Uudet joustavat aurinkopaneelit avaavat oven monille seuraavan sukupolven sovelluksille, kuten itse lataaville droneille ja muille. Tässä on mitä sinun tarvitsee tietää.

Miksi droneille tarvitaan autonomisia voimajärjestelmiä

Ihminen etsii edelleen autonomisia energianlähteitä voimanlähteeksi ihmiskunnan tutkimuksille ja tutkimusmatkoille. On monia tilanteita, joissa nämä järjestelmät ovat ainoat vaihtoehdot. Esimerkiksi Marsin Ingenuity-kopteri osoitti näiden järjestelmien tarjoamat mahdollisuudet ja lisäkyvyt. Itsestään toimiva aurinkovoimalla toimiva drone suoritti useita miehittämättömiä lentoihin Marsissa ja tarjosi tutkijoille ja insinööreille aarteiden talon tietoa.

Miten aurinkoenergia mahdollisti NASAn Mars-helikopterin

Kun tarkastelet Ingenuityn menestystä, on helppo nähdä, että dronin autonomiset voimajärjestelmät olivat kriittinen osa tehtävää. Ilman kykyä uudelleen ladata pitkän käytön jälkeen, Marsin helikopteri olisi ollut yksinkertainen, kertakäyttöinen lento, joka ei olisi ollut sen hintansa arvoinen.

Kuitenkin kyky uudelleen ladata itseään mahdollisti alukselle useita tehtäviä suurella menestyksellä. Nimenomaan alus käytti aurinkopaneelia kuuden litium-ioniakun lataamiseen. Nämä akut tarjosivat 90 sekunnin lentoaika, kun ne olivat täysin ladata.

Miksi aurinkoenergia on ainoa toteuttamiskelpoinen energianlähde avaruusdrooneille

On useita syitä, miksi ainoastaan aurinkoenergia toimisi avaruusmatkailun tarpeisiin. Yhtäältä, polttoaineen, moottorien tai muiden komponenttien kuljettamisen kustannukset ovat liian korkeat, jotta niiden käsittelyjärjestelmien luominen olisi sijoituksen arvoinen.

Lisäksi latausasemat, kaapelit ja muut vaatimukset olisivat tehneet helikopterista liian raskaan lentämiseen. Marsissa lentäminen vaatii paljon enemmän nostetta, koska planeetalla on erilaiset ilmakehön olosuhteet. Näin ollen insinöörien on varmistettava, että se on mahdollisimman kevyt. Aurinkopaneelit olivat ilmeinen ratkaisu.

Mitkä ovat perovskiitti-aurinkosolut ja miksi ne ovat tärkeitä

Huomattavasti, useista uusiutuvista energiamahdollisuuksista, joita tutkijat voivat käyttää, aurinkopaneelit ovat saatavilla ja niissä on eniten järkeä. Viimeaikaiset kehitysaskeleet ovat tehneet aurinkopaneleista tehokkaampia ja kevyempiä. Perovskiitti-aurinkosolujen käyttö on ollut pelinmuuttaja monista syistä.

Perovskiitti-aurinkosolut antavat insinööreille mahdollisuuden luoda ultraohuita ja joustavia aurinkosoluja. Nämä solut voivat tarjota korkean tehokkuuden kevyestä suunnittelusta. Tämä suunnittelu tekee perovskiitti-aurinkosoluista yhden yleisimmin käytetyistä, kun keskustellaan dronien voimakkaasta.

Haasteet, jotka rajoittavat perovskiitti-aurinkosolujen soveltamista

On useita ongelmia, jotka ovat estäneet perovskiitti-aurinkosolujen edelleen kehittymistä ja soveltamista. Yhtäältä, niillä on heikko toiminnallinen vakaus. Nämä laitteet ovat herkkäsi ja äkillinen liikkeen muutos, törmäys tai jopa pöly voi vähentää näiden laitteiden tehokkuutta. Onneksi insinöörit ovat luoneet joitakin ainutlaatuisia muunnelmia, jotka voivat käsitellä tiettyjä käyttötapaustaan, kuten autonomiset droonit.

Teknologian sisällä: 2D-perovskiitti-aurinkosolut

Perovskiitti-aurinkosolut integroivat kerroksellisen kiteisen rakenteen, jotta ne voivat luoda kevyemmän ja tehokkaamman suunnittelun. Nämä yksiköt ovat edistynein aurinkopaneelityyppi, joka on tällä hetkellä saatavilla. Ne integroivat metalli-halidiarkkeja, jotka käyttävät orgaanista tilaa valon muuntamiseen. Huomattavasti, 2D-perovskiiteilla on kemiallinen kaava RAn-1BnX3n+1.

2D-perovskittiaurinkopaneeleiden hyödyt drooneille

On useita syitä, miksi 2D-perovskittisolut ovat edelleen droonien suunnittelijoiden suosiossa. Yhtenä syynä on se, että ne tarjoavat paremman lämpö- ja kosteustabiliteetin. Nämä laitteisiin rakennetut orgaaniset tilat ovat olennaisia, koska ne toimivat hydrofobisina esteinä.

Lisäksi perovskittiaurinkosolut tarjoavat parannetun fotoluminesenssin kvantatuoton (PLQY) verrattuna perinteiseen versioon. Kristallirakenne mahdollistaa näiden yksiköiden tarjoamisen tasaisemman ja vakaamman tehon laitteen ympärillä. Mielenkiintoista kuitenkin on, että on olemassa myös 3D-perovskittiaurinkosoluja. Pääasiallinen ero on kristallien tarkka järjestely.

Tutkimuskatsaus: Kevyen joustavan aurinkopaneelin läpimurto

Tutkimus “Joustavat kvasi-2D perovskiitti-aurinkosolut korkealla tietyllä teholla ja parannetulla stabiilisuudella energia-autonomeille drooneille,”¹ julkaistu Nature-lehdessä, valaisee uudenlaista aurinkosolua.

Lasittomien johtavien oksidien vapaiden kvasi-kahden ulottuvuuden perovskiitti-aurinkosolujen ansiosta voidaan tuottaa luotettavaa ja vakaa sähköä pienestä ja kevyestä suunnittelusta. Uusi suunnittelu voisi auttaa tulevaisuuden avaruuden tutkimuksessa ja muissa sovelluksissa.

Lähde – Nature Energy

JKU:n tutkijat jakavat suunnittelun ja valmistusprosessin ultrakevyille kvasi-2D perovskiitti-aurinkosoluille. He alkoivat varmistamalla, että laite on erittäin ohut ja joustava.

Insinöörit lisäsivät myös alfa-metyylibentseeni-ammoniumjodidia suoraan valokkaan perovskiitti-kerrokseen. Tämä vaihe helpotti ohuen, ainoastaan 2,5 μm:n paksuisen polymerikalvon käyttöä. Vaikuttavasti tämä on 20 kertaa ohuempi kuin ihmisen hiussuoni. Sen jälkeen se pinnoitettiin alumiinibarrierikerroksella, joka auttoi optimoimaan aurinkosähkön tuotantoa edelleen.

 Autonomaattisten drone-alustojen todellisen maailman testaus

Testausprosessin osana tiimi muokkasi valmiin quadcopter-rakennussarjan käyttämään heidän aurinkopaneeleitaan. Erityisesti 24 toisiinsa kytkettyä 1 cm2 aurinkosolujaa kiinnitettiin laitteeseen. Huomattavaa oli, että nämä solut olivat erittäin ohuita ja kevyitä, painaen alle 1/400:n koko laitteen kokonaispainosta.
Insinöörit suorittivat useita testejä varmistamaan, että heidän laitteensa toimi oikein ja pystyi tuottamaan heidän ennustamaansa energiaa suorituskyvyn ja vakauden esittelyssä. Laite rekisteröi mestaruusspesifisen tehon 44 W/g, keskimäärin vain hieman vähemmän, 41 W. Laite pystyi käyttämään avoimena piiriä jännitettä 1,15 V. Kokonaisuudessaan se saavutti 20,1 %:n hyötysuhteen, keskimäärin 18,1 %.

Suorituskykytulokset: Tehokkuus- ja tiheysmittarit

Tulokset osoittivat, että erittäin kevyet perovskiittisolarisolut tarjosivat kustannustehokkaan ratkaisun autonomisten energiankeräyslaitteiden tarpeisiin. Yksikön huomattava suorituskyky ja 44 watin tehontuotto grammaa kohden erottaa sen nykyisistä kilpailevista teknologioista.
Lisäksi testi osoitti, että nämä teho-yksiköt voisivat mahdollistaa droneille pidentyneet lennot ja useita peräkkäisiä lataus-lento-lataus-syklejä ilman langallista latausta. Nämä tekijät osoittavat, että tämä lähestymistapa mahdollistaa lopulta autonomisten laitteiden toiminnan maailmanlaajuisesti.

Miksi joustavat perovskiittiaurinkopaneelit ovat pelinmuuttaja

Useita etuja liittyy uuteen aurinkopaneelin suunnitteluun. Yhtenä etuna ne tarjoavat erittäin kevyet ja energiatehokkaat elektroniikat, joilla on kyky toimia itsenään. Tulevaisuudessa elektroniikkalaitteesi saattavat ei tarvita pistoketta tai maksaa käyttää. Sen sijaan ne voivat kerätä energian suoraan näiden aurinkokennojen avulla.

Kevyt

Näiden aurinkokennojen kevyt suunnittelu tekee niistä ihanteellisia käytettäviksi itsenäisissä lentolaitteissa tai muissa pienissä sovelluksissa. Nämä kennot ovat tarpeeksi pieniä, jotta laitteet voivat edelleen lentää ilman, että ne häiriköivät toimintojaan. Tämän vuoksi ne ovat varmasti löytäviä enemmän integraatiota eteenpäin.

Soveltuvat

Nämä aurinkokennot ovat erittäin soveltuvia täyttämään monia käyttötapauskenarioita. Ne voidaan muotoilla tiettyihin kuviin tai tehdä sopimaan pienelle pinnalle ja tarjoamaan tarpeeksi energiaa tehtävien suorittamiseen. Tulevaisuudessa insinöörit tavoittelevat luomaan entistä joustavampia suunnittelumalleja.

Erittäin tehokkaat

Aurinkopaneelin tehokkuus on ollut suuri huolenaihe jo teknologian varhaisimmista päivistä lähtien. Nykyiset aurinkokennot eivät ole erittäin tehokkaita, ja suurin osa energiasta katoaa lämmön ja muiden tekijöiden vuoksi. Tämä uusin suunnittelu auttaa parantamaan tehokkuutta ja tarjoaa insinööreille enemmän suunnittelujoustavuutta ilman, että se vaikuttaa suorituskykyyn.

Käytännön sovellukset kevyille aurinkopaneeleille

On olemassa laaja valikoima sovelluksia, joissa nämä uudet paneelit voivat olla käytössä. Yhden näkökulman mukaan niiden ultraohuen suunnittelun ja tehon ansiosta ne ovat ihanteellisia monenlaisiin pieniin sähköntuotantotarpeisiin. Tässä on muutamia mahdollisia sovelluksia näille laitteille.

Ilmailuteollisuus

Ilmailuteollisuus voisi hyödyntää tätä teknologiaa monin tavoin. Niiden avulla voidaan esimerkiksi voimittaa dronet ja alukset, joilla on rajaton toimintasäde, ja mahdollistaa avaruuden tutkiminen uusille planeetoille. Jo valmiiksi ilmailuteollisuus on hyödyntänyt tämän teknologian edellisiä malleja saavuttaakseen merkittäviä saavutuksia. Nyt teknologia on valmis voimaan uuden sukupolven tutkijoita ja tiedemiehiä.

Kannettavat sähkölaitteet

Kannettavat laitteet ovat nopeasti kasvava teknologia, joka kattaa useita teollisuusaloja. Nämä laitteet käsittävät paljon enemmän kuin älypuhelimet. Niiden joukossa on lääketieteellisiä laitteita, jotka rekisteröivät kriittisiä tietoja potilailta, ja joita voidaan laajentaa ja pidennettyä tämän teknologian ansiosta. Myös henkilökohtaiset turvallisuuslaitteet voivat toimia pidempään ja tulla tehokkaammaksi.

IoT (Internet of Things)

IoT on valtava teknologia, joka kattaa miljardit älykkäitä laitteita. Nämä laitteet ovat tällä hetkellä riippuvaisia paristoista ja virtalähteistä. Tulevaisuudessa ne saattavat ei tarvitse näitä tuotteita, koska aurinkoenergia voisi auttaa niitä saavuttamaan samat tulokset vähemmällä vaivalla. Huomattavaa on, että miljardit älykkäät laitteet kuuluvat IoT-luokkaan. Tämän vuoksi itsevoimaiset ominaisuudet olisivat merkittävä muutos.

Etsintä ja pelastus

Toinen tärkeä kohta on näiden järjestelmien käyttäminen etsintä- ja pelastusdroonien voimakkaana lähteenä. Jo nyt pehmeiden robottien käyttö, jotka voivat muuttaa muotoaansa sopiakseen tiiviisiin tiloihin, kuten putkien tai rakojen läpi, nähdään parhaana vaihtoehtona tuleville onnettomuus- ja pelastustöille. Itsevoimaisen järjestelmän lisääminen näihin laitteisiin parantaisi niiden kykyjä ja mahdollistaisi pidemmän toiminnan.

Karttaaminen

Aurinkovoimalla toimivat droonit olisivat ihanteellinen ratkaisu laajamittaisiin karttaamisoperaatioihin. Voit ajatella, että karttaaminen on vanha tiede, mutta todellisuus on toinen. Joka päivä maapallon muoto muuttuu, ja tiettyjä rajoja, resursseja ja muita elintärkeitä ominaisuuksia muuttuu. Tämän vuoksi näiden muutosten kartoittaminen on tärkeä osa ympäristön ja muiden tärkeiden kehitysten seuraamista.

Langattomat aurinkovoimalla toimivat karttaamisdroonit voivat kulkua valtavien etäisyyksien yli ja tarjota päivitettyjä karttaustietoja ilman ihmisen väliintuloa. Näiden laitteiden aurinkovoimalla toimiminen auttaisi niitä saavuttamaan tavoitteensa ilman kaikkia lisäviiveitä, jotka liittyvät latausasemiin.

Tutustu tutkijoihin, jotka loivat läpimurron tuottavan suunnittelun

Johannes Kepler University Linz -tutkijat johtivat joustavan aurinkopaneelin tutkimusta. Tutkimusartikkelissa mainitaan Bekele Haile Gnaw, Stepan Demchyshyn, Christoph Putz, Lukas E. Lehner, David Schiller, Roland Pruckner ja Martin Kaltenbrunner avainkirjoittajina. Nyt tiimi pyrkii parantamaan suunnitelmaa, tekemällä siitä pienemmän ja tehokkaamman.

Osakkeiden Valokeila: First Solar ja Aurinkoteknologian Tulevaisuus

On useita yrityksiä, jotka johtavat aurinkopaneelien kilpailua. Nämä yritykset jatkavat innovaatioiden kehittämistä uusiin ulottuvuuksiin, jotta voivat tarjota pienempiä ja tehokkaampia paneeleita massoille. Tämä uusin kehitys on varmasti auttava näitä yrityksiä saavuttamaan tavoitteensa. Tässä on yksi yritys, joka on asemoitunut hyödyntämään näitä kehityksiä täysimääräisesti.

First Solar

First Solar (FSLR ) astui markkinoille vuonna 1999 nimellä First Solar Holdings. Sen tavoitteena oli tarjota korkealaatuisia ja tehokkaita aurinkopaneeleita teollisuus- ja yritysasiakkaille. Sen päämarkkina on tarjota paneeleita suurille aurinkovoimaloille. Yrityksen pääkonttori sijaitsee Tempe, Arizonassa.

Sen jälkeen, kun yritys perustettiin, se on laajentanut toimintojaan ja tuotevalikoimaansa, johon kuuluu joukko aurinkoon liittyviä vaihtoehtoja. Merkittävästi yritys kehitti ultraohuen puolijohdetechnologian ja on ollut merkittävässä roolissa aurinkopanellien kierrätyksen tarpeen lisäämisessä. Nykyään se pidetään yhtenä ympäristöystävällisimmistä vaihtoehdoista aurinkopanellien valmistuksessa.

First Solar on kokenut laskua osakkeensa hinnassa viime vuoden aikana, osittain Ukrainan konfliktien ja muiden tekijöiden vuoksi. Arvon laskusta huolimatta monet analyytikot ennustavat, että tämä osake näkee kasvavan kysynnän tulevaisuudessa.

Yrityksellä on tällä hetkellä uusia tuotteita kehityksessä ja se operoi valmistuslaitoksia Yhdysvalloissa, Malesiassa ja Vietnamissa. Ne, jotka etsivät luotettavaa ja tunnettua aurinkosähköosaketta, tulisi tutustua tarkemmin FSLR:ään.

Uusimmat tiedot First Solarista

Aurinkoenergian tulevaisuus: kaapelittomat, itsestään toimivat laitteet

Kun tarkastelemme tämän tutkimuksen teknologiaa ja potentiaalia, käy ilmi, että tulevaisuus on todennäköisesti ajettu uusiutuvilla energialähteillä, kuten aurinkoenergialla. Kun nämä paneelit tulevat edullisemmiksi, pienemmiksi ja tehokkaammiksi, niitä tullaan näkemään paljon enemmän integroituna.

Tulevaisuudessa et tarvitse ehkä vaihtaa elektroniikkaasi; sen sijaan voit vain asettaa ne ikkunan viereen kymmeneksi minuutiksi. Kaikki tämä ja paljon muuta on mahdollista kiitos innovatiiviset käsitteet, jotka esitetään joustavan aurinkopaneelin tutkimuksessa.

Lue lisää uusiutuvista energian kehityksistä täältä.

Viitatut tutkimukset:

^{1. Hailegnaw, B., Demchyshyn, S., Putz, C. muun muassa Joustavat kvasi-2D-perovskiittiaurinkosolut korkealla teholla ja parannetulla vakaudella energia-autonomeille drooneille. Nat Energy 9, 677–690 (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01500-2}