Aurinkovoimaiset puettavat laitteet tulevat pian toteutettaviksi äskettäin kehitettyjen ultraohuiden orgaanisten fotovoltaisien solujen avulla

Aurinkovoiman mullistavat kyvyt on jo kiistattomasti todistettu. Sen kasvavan menestyksen, jokapäiväisten teknologisten innovaatioiden ja uusiutuvan energian kasvavan kysynnän myötä globaali älykkään aurinkovoiman markkina voi ylittää 27 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuoteen 2028 alustaen alle 13 miljardia dollaria vuonna 2022.

Kasvuprojektiot viittaavat markkinoiden kaksinkertaistumiseen, kun nähdään huippuluokan innovaatiota fotovoltaisissa materiaaleissa, energian varastoinnissa, älykkäissä verkoissa, aurinkoenergia‑järjestelmissä ja muussa. Merkittävää on, että aurinkoenergia jättää myös jälkensä puettavien laitteiden alalle, ja tutkimukset sekä kokeilut odottavat pian aurinkovoimaisia puettavia laitteita.

Erittäin joustavat orgaaniset fotovoltaita mahdollisena virtalähteenä puettaville elektroniikkalaitteille

Uusi Nature Communications -lehdessä julkaistu tutkimus, jonka otsikko on “Waterproof and Ultraflexible Organic Photovoltaics with Improved Interface Adhesion”, korostaa erittäin joustavien orgaanisten fotovoltaisien solujen venyvyyttä ja keveyttä, mikä tekee niistä tehokkaan virtalähteen elektronisille puettaville laitteille. Tutkimus kuitenkin myöntää, että näiden ratkaisujen vesitiivistys on haaste, jos niiden mekaaninen joustavuus ja muovautuvuus halutaan säilyttää muuttumattomina.

Se on osoittanut, miten tämä haaste voidaan ratkaista, asettaen orgaaniset fotovoltait ylivoimaiseksi ratkaisuksi. Ratkaisu hyödyntää paikan päällä kasvavaa aukko‑kuljetuskerrosta, joka vahvistaa liitospintojen adheesiota aktiivikerroksen ja anodin välillä. Tarkemmin sanottuna ratkaisu mahdollistaa hopeasähkökentän kerrostumisen aktiivikerrosten päälle. Kerrostumisen jälkeen suoritetaan lämpökäsittely.

Tutkimus toteaa, että paikan päällä tapahtuva menetelmä ylittää perinteisen selvästi, sillä paikan päällä kasvatettu aukko‑kuljetuskerros omaa paremmat termodynaamiset adheesiokyvyt aktiivikerrosten välillä, mikä johtaa parempiin vesitiiviysominaisuuksiin.

Kokeessa tällä menetelmällä valmistetut kolmen mikrometrin paksut orgaaniset fotovoltait säilyttivät 89 % ja 96 % alkuperäisestä suorituskyvystään sen jälkeen, kun ne upotettiin veteen neljäksi tunniksi ja altistettiin 300 venytys‑päästö‑syklille 30 % venymällä veden alla.

Vaikka nämä luvut todistivat joustavuutta ja vesitiiviyttä, laitteet läpäisivät saumattomasti konepesutestin ohuen kapselikerroksen huolimatta.

Kaiken kaikkiaan kokeessa voitaisiin osoittaa, miten aurinkokennot voivat tulla vesitiiviiksi ja soveltua laajamittaiseen tuotantoon.

Aurinkokennot voidaan nyt toiminnallisesti integroida vaatteisiin, pysyen tehokkaina myös sateen tai pesukierroksen jälkeen. Tämä innovaatio on erityisen merkittävä, koska se voi olla arvokas luotaessa puettavia elektronisia laitteita, jotka kiinnitetään vaatteisiin ja toimivat kaikissa sääolosuhteissa.

Keskustellessaan kokeesta ja sen mahdollisesta hyödyllisyydestä, Kenjiro Fukuda, yksi paperin vastaavista tekijöistä, totesi:

“Olemme luoneet menetelmän, jota voidaan käyttää yleisemmin. Tulevaisuutta ajatellen, parantamalla laitteiden vakautta muilla alueilla, kuten ilman, voimakkaan valon ja mekaanisen rasituksen altistumisessa, aiomme kehittää ultraohuita orgaanisia aurinkokennoja edelleen, jotta ne voidaan käyttää todella käytännöllisissä puettavissa laitteissa.”

Kun tutkijat ympäri maailmaa pyrkivät tekemään aurinkokennoista käyttökelpoisempia ja merkityksellisempiä, jotkut yritykset investoivat voimakkaasti T&K:hon kehittääkseen skaalautuvia ratkaisuja, joista on hyötyä laajemmalle väestölle.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaikki lämpökoruista.

#1. Garmin

Garmin on kehittänyt koko sarjan aurinkovoimaisia älypuettavia laitteita, jotka väittävät pidentävänsä akun käyttöikää ennennäkemättömälle tasolle. Valikoimaan kuuluu kolme älykelloa: Fenix 7 PRO, Instinct 2 ja Forerunner 955 Solar. Tuotteet on suunniteltu erityisesti ulkokäyttöön.

Nämä älykellot voivat kerätä aurinkoenergiaa, vaikka kellon kasvoja peittäisi osittain. Niiden virtahallintatoiminto antaa käyttäjän räätälöidä ja mukauttaa energian käyttöä tarpeiden mukaan.

Tarkkoja lukuja tarkasteltaessa kello pystyy selviytymään ulkoisista retkistä jopa kahden kuukauden ajan ilman lisävirtaa. Lisäksi ratkaisu on vihreä, sillä se tuottaa 59 % vähemmän hiilidioksidipäästöjä kuin muut kellot.

Esimerkiksi Fenix 7 Pro hyödyntää ultra‑läpinäkyviä aurinkopaneeleja. Sen tyylikäs muotoilu optimoi auringonvalon absorptio. Instinct 2 on aurinkovoimainen GPS‑älykello. Forerunner 955 on suunniteltu erityisesti juoksuun.

Garmin on saavuttanut monia teknologisia ihmeitä rakentaessaan ratkaisujaan. Esimerkiksi sen Power Glass -järjestelmä on mullistanut aurinkopaneeliteknologian käytön. Se on korvannut perinteiset aurinkopaneelit super‑läpinäkyvällä lasilinssillä, jossa on mikroskooppisia aurinkosähköisiä soluja. Lasipaneeli on ultra‑ohut, alle puoli millimetriä.

Teknologisen osaamisen osoituksena paneeli ei ainoastaan kerää valosähköä tehokkaasti, vaan siihen on integroituna Memory‑in‑piece -näyttötekniikka, joka luo selkeän ja luettavan näytön. Korkea kirkkaus ja alhainen virrankulutus, jopa suoran auringonvalon alla, tekevät siitä luokan parhaan.

21. helmikuuta 2024 Garmin® Ltd. julkaisi tuloksensa neljännen neljänneksen osalta, joka päättyi 30. disemberiin 2023. Yritys ansaitsi konsolidoidun liikevaihdon 5,23 miljardia dollaria, 8 % kasvun edellisvuoteen verrattuna.

Se rekisteröi bruttokateprosentin 57,5 %, verrattuna 57,7 % edellisvuonna, ja liiketulosprosentin 20,9 %, verrattuna 21,1 % edellisvuonna. Liiketulos oli 1,09 miljardia dollaria, 6 % kasvu edellisvuoteen verrattuna.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista aurinkoenergia‑osakkeista, joihin sijoittaa.

#2. Tommy Hilfiger

Tommy Hilfigerille, maailmanlaajuisesti arvostetulle muoti‑ ja vaatetusbrändille, aurinkovoimaiset puettavat laitteet eivät ole uusia; he esittelivät aurinkopaneelilla varustetun kenttätakin jo lähes vuosikymmenä sitten, vuonna 2014. Projekti toteutettiin yhteistyössä aurinkovalmistaja Pvillionin kanssa. Takki sisälsi vesitiiviit aurinkopaneelit, jotka toimivat takin sisävuorena. Paneelit oli suunniteltu lataamaan laitteita sisäänrakennettujen kaapeleiden ja USB‑porttien kautta.

Julkaisun aikaan takki myytiin hintaan 600 USD. Tommy Hilfigerin suunnittelema takki, yhteistyössä ‘Pvilionin’ kanssa, toimi inspiraationa. Seitsemän vuotta julkaisun jälkeen, vuonna 2021, Suomen Aalto‑yliopiston muotoilu‑ ja fysiikkatutkijat kehittivät vaatetusbrändin, jossa aurinkopaneelit olivat piilotettuja.

Projektia, nimeltään Sun‑Powered Textiles, johti energian‑itsenäisen tuotteen kehittämiseen, joka pystyi lataamaan puettavia laitteita – kosteutta tai lämpötilaa mittaavia antureita – ilman että vaatteen ulkonäkö ja tuntuma häiriintyivät.

Kuvailessaan innovaationsa ainutlaatuisuutta Aalto‑yliopiston muotoilututkija Elina Ilen totesi:

“Teimme demonstraatiotapauksen, takin, jossa valoa käytetään integroitujen kosteus‑ ja lämpötilasensorien virtalähteenä, ajatellen työvaatteiden käyttäjää, joka menee sisään ja ulos ja tekee päivittäin fyysisiä tehtäviä.”

Nämä innovaatiot, sekä Tommy Hilfigeriltä että Aalto‑yliopistolta, ovat esimerkkejä siitä, miten vaatteemme voisivat sisältää aurinkopaneeleja huomaamattomalla ja helppokäyttöisellä tavalla.

PVH Corp. (PVH ), yritys, joka omistaa Tommy Hilfiger -brändin, raportoi vuoden 2023 neljännen neljänneksen ja koko vuoden liikevaihdon 1. huhtikuuta 2024. Koko vuoden liikevaihto kasvoi 2 % 9,218 miljardiin dollariin edelliseen vuoteen verrattuna, kun taas vuoden 2023 neljännen neljänneksen liikevaihto 2,490 miljardia dollaria pysyi tasaisena edelliseen neljännekseen verrattuna.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten aurinkoenergia voi tarjota enemmän kuin pelkkä puhdas energia.

#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

Elokuussa 2022 tunnettu kello‑ ja korubrändi Skagen lanseerasi kestävän mallistonsa, Grenen Solar. Sen muotoilu sisälsi kolmen käden japanilaisen aurinkovoimaisen liikkeen tarkkaa ajoitusta varten. Se lupasi myös kuuden kuukauden varavaran. Aurinkovoimaisen liikkeen ansiosta käyttäjä voi ladata kellon missä tahansa valossa, luonnollisessa tai keinotekoisessa.

Yksi Grenen Solar -mallin erikoisuuksista oli sitoutuminen kestävyyden pitämiseen innovaation ytimessä. Kestävyys ei rajoittunut pelkästään aurinkoenergian käyttöön. Tuotteen julkaisu oli linjassa yrityksen vision ja sitoumuksen kanssa, että sen kellot olisivat tulevaisuudessa 100 % kestäviä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi 50 % kellossa käytetystä teräksestä on kierrätetty ruostumaton teräs. Lisäksi koko mallisto sisälsi viisi mallia 37 mm kotelon koossa hintaan 195 USD.

Januarissa 2012 Skagen myytiin Fossil Groupille 237 miljoonan dollarin kaupassa. 13. maaliskuuta 2024 Fossil Group julkaisi vuodelle 2023 vuosikertomuksensa. Vuonna 2023 yhtiö rekisteröi nettomyynnin yli 1,4 miljardia dollaria, mikä oli laskua vuoteen 2022 verrattuna, jolloin nettomyynti oli 1,68 miljardia dollaria.

Kaiken kaikkiaan yllä olevat tuotteet ja ratkaisut tekevät selväksi, että aurinkovoimaiset puettavat laitteet eivät ole mitään uutta. Kuitenkin, kuten alussa osoitimme, innovaatiot sen ympärillä ovat vahvasti käynnissä. Ne osoittavat uusiutuvien energialähteiden elinvoiman ja arvon sekä niiden kestävän potentiaalin. Useita muita mielenkiintoisia innovaatioita on kehitteillä, ja tarkastelemme muutamaa niistä saadaksemme käsityksen siitä, miltä tulevaisuus näyttää.

Aurinkovoimaiset puettavat laitteet: Mitä tulevaisuus tuo tullessaan

Vuonna 2017 tutkijat esittelivät suunnitelman älykkäälle rannekkeelle, joka käytti ohutkalvoista, pienen muotoisen joustavaa fotovoltaisista paneeleita energialähteenä, merkitsemällä merkittävän edistysaskeleen aurinkoenergian keräysalijärjestelmissä. Tavoitteena oli maksimoida energian muuntotehokkuus ja saavuttaa itseään ylläpitävä langaton puettava järjestelmä.

Hyödyntämällä polyamidi‑filmiä koko järjestelmän integrointiin, teknologia osoittautui hyödylliseksi potilaiden tai ikääntyneiden pitkäaikaisessa seurannassa terveydenhuollon sovelluksissa. Tulokset olivat lupaavia, sillä yksi joustava aurinkopaneeli pystyi keräämään jopa 16 megawattia tehoa ulkona ja 0,21 megawattia sisätiloissa. Vaikuttavaa oli, että laitteesta kerätty data voitiin siirtää Bluetoothin kautta.

Jatkuva tutkimus terveydenhuollossa johti akkukfree‑aurinkovoimaisen puettavan biosensorin kehittämiseen, joka pystyi hyödyntämään hikoilun biomarkkereiden alikäytettyä potentiaalia. Tutkimuksen tuloksena syntyi LumiStat, aurinkovoimainen, monitoiminen puettava laite, joka pystyy suorittamaan autonomisen hikoilun induktion, dynaamisen mikrofluidisen hikoilun näytteenoton, monikanavaisen hikoilun biomarkkereiden seurannan sekä langattoman datansiirron – läpimurto ei‑invasiivisessa terveyden seurannassa.

Aurinkovoimaisuus mahdollisti poikkeuksellisen suorituskyvyn, mahdollistamalla jatkuvan toiminnan yli 12 tuntia erilaisissa valaistusolosuhteissa. Tutkijat testasivat LumiStatia perusteellisesti, mukaan lukien päivä‑kestoinen, monitoiminen hikoilun biomarkkereiden seuranta. Ratkaisu toimi johdonmukaisesti erilaisissa valaistusympäristöissä ja fyysisissä aktiviteeteissa, ja sen virrankulutus mukautui älykkäästi saatavilla olevaan valoon, varmistaen jatkuvan anturimittauksen.

A tutkimusraportti Nottingham Trent Universityltä käsitteli tekstiilejä, joissa oli yli tuhat pientä aurinkopaneelia. Nämä aurinkopaneelit pystyivät lataamaan älykelloja ja matkapuhelimia. Yhdessä ne pystyivät keräämään 400 milliwattia (wattia) sähköenergiaa auringosta.

Tekstiili soveltui jokapäiväisiin vaatteisiin ja sitä voitiin pestä koneessa 40 °C muiden pyykkien kanssa. Mitäen vain viisi millimetriä pituutta ja 1,5 millimetriä leveyttä, aurinkopaneelit upotettiin vesitiiviiseen polymeerihartsiaan. Jopa kudontaja ei tuntenut niitä.

Professori Hughes‑Rileyn mukaan yliopiston Advanced Textiles Research Group (ATRG) -ryhmän:

“Tämä prototyyppi antaa jännittävän vilauksen e‑tekstiilien tulevaisuuden potentiaaliin. Tähän asti hyvin harvat ovat pohtineet, että heidän vaatteensa tai tekstiilituotteensa voisivat tuottaa sähköä. Kehittämämme materiaali näyttää ja käyttäytyy kuin tavallinen tekstiili, sillä sen voi puristaa ja pestä koneessa.”

Materiaalin koko on 51 cm × 27 cm, se on hengittävä ja kemiallisesti vakaa. Siinä on piisirunat. Tämä kokoonpano mahdollisti materiaalin tuottavan 335,3 wattia 0,86‑auringonvalossa, ja jopa 394 wattia, kun auringonvalon intensiteetti oli 1,0.

Ilmiselvästi jokaisen kuluvan päivän myötä yhä enemmän tutkimusta tulee julkisesti saataville, mikä osoittaa aurinkovoimaisten puettavien laitteiden potentiaalin. Se on vähintäänkin pelin muuttaja ja paradigmaa mullistava. Koska ratkaisut on tarkoitettu pysymään kehojemme päällä koko ajan, ne muuttavat tapaamme olla vuorovaikutuksessa teknologian kanssa. Ne poistavat tarpeen virtavälittäjille, kuten latauspisteille. Ne lisäävät liikkumavapauttamme ja mahdollistavat laajemman tutkimusmatkailun, huolehtimatta siitä, miten järjestelmiämme pidetään toiminnassa.