Fleksible solcellepaneler åpner for lengre flyvninger for autonome droner

A team of researchers led by engineers from Johannes Kepler University Linz has introduced an ultra-light, effective solar panel design. The new flexible solar panels open the door for a variety of next-gen applications, including self-charging drones and more. Here’s what you need to know.

Hvorfor droner trenger autonome kraftsystemer

Man fortsetter å lete etter autonome energikilder for å drive menneskehetens forskning og utforskning. Det finnes mange scenarier hvor disse systemene er det eneste alternativet. For eksempel demonstrerte Mars-helikoptret Ingenuity kraften og de ekstra mulighetene som disse systemene gir. Den selvforsynte solenergidrevne dronen gjennomførte flere ubemannede flyvninger på Mars, og leverte en skattkiste av data til ingeniører og forskere.

Hvordan solenergi muliggjorde NASAs Mars-helikoptre

Når du ser på suksessen til Ingenuity, er det lett å se at dronens autonome kraftsystemer var en kritisk komponent i oppdraget. Uten evnen til å lade opp igjen etter langvarig bruk, ville Mars-helikoptret bare ha vært en engangsflyvning, knapt verdt kostnaden.
Imidlertid tillot dronens evne til å lade seg selv den å gjennomføre flere oppdrag med stor suksess. Spesielt brukte dronen et solcellepanel for å regenerere sine seks litium‑ion‑batterier. Disse batteriene ga 90 sekunders flytid når de var fullt ladet.

Hvorfor solenergi er den eneste levedyktige energikilden for romdroner

Det er flere grunner til at kun solenergi vil fungere for romreiser. For det første er kostnaden ved å frakte med seg ting som drivstoff, motorer eller andre komponenter for høy til at det lønner seg å utvikle et system for å håndtere disse behovene.
I tillegg ville ladestasjoner, kabler og andre krav ha gjort helikoptret for tungt til å fly. På Mars kreves det mye mer løft for å oppnå flyvning på grunn av planetens andre atmosfæriske forhold. Derfor må ingeniørene sikre at den er så lett som mulig. Solcellepaneler var den åpenbare løsningen.

Hva er perovskittsolceller og hvorfor de er viktige

Blant de mange fornybare energialternativene som er tilgjengelige for forskere, er solcellepaneler de mest tilgjengelige og gir mest mening. Nyere utviklinger har gjort solcellepaneler mer effektive og lettere. Bruken av perovskittsolceller har vært en spillveksler av mange grunner.
Perovskittsolceller gir ingeniører muligheten til å lage ultratynne og fleksible solceller. Disse cellene kan levere høy effektivitet fra et lett design. Dette gjør perovskittsolceller til en av de mest brukte når man diskuterer strømforsyning av droner.

Utfordringer som begrenser adopsjon av perovskittsolceller

Det er flere problemer som har hindret videre utvikling og anvendelse av perovskittsolceller. For det første har de dårlig operasjonell stabilitet. Disse enhetene er følsomme, og enhver plutselig bevegelse, kollisjon eller til og med støv kan redusere effektiviteten. Heldigvis har ingeniører laget noen unike varianter som kan håndtere mer spesifikke bruksområder som autonome droner.

Inni teknologien: 2D perovskittsolceller

Perovskittsolcellene integrerer en lagdelt krystallstruktur for å skape et lettere, mer effektivt design. Disse enhetene er den mest avanserte typen solcellepanel som er tilgjengelig i dag. De integrerer metall‑halid‑lag som bruker organisk rom for å maksimere lysomdannelsen. Merk at 2D-perovskitter har en kjemisk formel RAn‑1BnX3n+1.

Fordeler med 2D perovskittsolcellepaneler for droner

Det er flere grunner til at 2D-perovskittcellene fortsatt er et toppvalg for drone‑ingeniører. For det første gir de bedre termisk og fuktstabilitet. De organiske rommene som er bygget inn i disse enhetene er avgjørende da de fungerer som hydrofobe barrierer.
I tillegg tilbyr perovskittsolceller forbedret fotoluminescens kvanteutbytte (PLQY) sammenlignet med den tradisjonelle versjonen. Krystallstrukturen gjør at disse enhetene kan levere mer stabil og jevn kraft over hele enheten. Interessant nok finnes det nå 3D perovskittsolceller. Hovedforskjellen er den presise arrangementen av krystallene.

Studieoversikt: Lettvektig fleksibelt solcellepanelgjennombrudd

Studien “Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy-autonomous drones,”¹ publisert i Nature, kaster lys over en ny type solcelle.

De transparente‑lednings‑oksid‑frie quasi‑to‑dimensjonale perovskittsolcellene gir pålitelig og stabil kraftgenerering fra et lite og lett design. Det nye designet kan bidra til å drive fremtidig romutforskning og mer.

Kilde – Nature Energy

Forskerne ved JKU delte sitt design og produksjonsprosess for de ultralette quasi‑2D perovskittsolcellene. De begynte med å sikre at enheten var svært tynn og fleksibel.

Ingeniørene tilsatte også alfa‑metylbenzylammoniumjodid direkte i det fotoaktive perovskittlaget. Dette trinnet gjorde det lettere å påføre et ultratynt polymerfolie på kun 2,5 μm. Imponerende, dette er 20 ganger mindre enn et menneskehår. Deretter ble det belagt med et aluminiums‑barrièrelag, som ytterligere optimaliserer solgenerasjonskapasiteten.

 Virkelighetstesting på autonome droneplattformer

Som en del av testprosessen endret teamet en standard quadcopter for å bruke deres solcellepaneler. Spesielt ble 24 sammenkoblede 1 cm² solceller festet til enheten. Merk at disse cellene var ultratynne og lette, og veide mindre enn 1/400 av dronens totale vekt.
Ingeniørene utførte flere tester for å sikre at enheten fungerte korrekt og kunne produsere den energien de forutså under ytelses‑ og stabilitetsdemonstrasjonen. Enheten registrerte en topp‑spesifikk kraft på 44 W/g, med et gjennomsnitt på kun litt mindre, 41 W. Enheten kunne levere en åpen‑krets‑spenning på 1,15 V. Totalt oppnådde den en effektivitet på 20,1 %, med et gjennomsnitt på 18,1 %.

Resultater for ytelse: krafttetthet og effektivitetstall

Resultatene viste at de ultralette perovskittsolcellene ga en kostnadseffektiv løsning for autonome energihøste‑enheter. Enhetens bemerkelsesverdige ytelse og kraftutgang på 44 W per gram gjør den fremtredende sammenlignet med dagens konkurrerende teknologier.
I tillegg beviste testen at disse kraftenhetene kan gjøre det mulig for droner å gjennomføre lengre flyvninger og utføre påfølgende lad‑fly‑lad‑sykluser uten kablet lading. Disse faktorene indikerer at denne tilnærmingen til slutt vil gjøre autonome enheter i stand til å operere globalt.

Hvorfor fleksible perovskittsolcellepaneler er en spillveksler

Flere fordeler følger med det nye solcellepaneldesignet. For det første gir de ultralette og krafteffektive elektroniske enheter med evnen til å drive seg selv. I fremtiden kan dine elektroniske enheter kanskje ikke trenge noen plugg eller kostnad for drift. I stedet kan de høste energi direkte ved hjelp av disse solcellene.

Lettvekt

Den lette utformingen av disse solcellene gjør dem ideelle for bruk i autonome flyvninger eller andre små applikasjoner. Cellene er små nok til at enheter fortsatt kan ta av uten å forstyrre deres drift. Dermed vil de sannsynligvis få økt integrasjon fremover.

Tilpassbar

Disse solcellene er svært tilpassbare for å møte en rekke bruksområder. De kan formes til spesifikke mønstre eller tilpasses en liten overflate og levere nok energi til å fullføre oppgaver. I fremtiden vil ingeniørene forsøke å lage enda mer fleksible design.

Svært effektiv

Solcelleeffektivitet har vært en stor bekymring siden teknologiens tidlige dager. Dagens solceller er ikke særlig effektive, da mesteparten av energien går tapt som varme og andre faktorer. Dette nyeste designet bidrar til å forbedre effektiviteten og gir ingeniører mer designfleksibilitet uten å gå på kompromiss med ytelsen.

Virkelige bruksområder for lette solcellepaneler

Det finnes et bredt spekter av anvendelser som disse nye panelene kan brukes til. For det første gjør deres ultratynne design og kraftutgang dem ideelle for en rekke små kraftgenereringsbehov. Her er noen få potensielle anvendelser for disse enhetene.

Luftfartsindustrien

Luftfartsindustrien kan bruke denne teknologien på ulike måter. Fra å drive droner og fartøy med ubegrenset rekkevidde, til å muliggjøre romutforskning av nye planeter. Allerede har luftfartsindustrien integrert tidligere versjoner av denne teknologien for å oppnå bemerkelsesverdige milepæler. Nå er teknologien klar til å drive en ny generasjon av oppdagere og forskere.

Bærbar elektronikk

Bærbare enheter er en raskt voksende teknologisektor som spenner over flere industrier. Disse enhetene omfatter mye mer enn smarttelefonen din. Det finnes medisinske enheter som registrerer kritiske data for pasienter, som kan få utvidet bruk og levetid takket være denne teknologien. I tillegg kan personlige sikkerhetsenheter fungere lenger og bli mer effektive.

Tingenes internett

Tingenes internett (IoT) er en enorm teknologisektor som inkluderer milliarder av smarte enheter. Disse enhetene er for tiden avhengige av batterier og strømkilder. I fremtiden kan de kanskje klare seg uten disse komponentene, da solenergi kan hjelpe dem å oppnå samme resultater med mindre innsats. Merk at milliarder av smarte enheter faller inn under IoT‑kategorien. Derfor vil integrering av selvforsyningskapasitet være en spillveksler.

Søk og redning

Et annet viktig område er bruken av disse systemene til å drive søk‑ og redningsdroner. Allerede nå blir myke roboter som kan tilpasse kroppen for å passe inn i trange rom, som å bevege seg gjennom rør eller sprekker, sett på som den beste løsningen for fremtidige katastrofe‑ og redningsinnsatser. Å legge til et selvforsynt system i disse enhetene vil forbedre deres evner og muliggjøre lengre operasjoner.

Kartlegging

Solenergidrevne droner vil være den ideelle løsningen for storskala kartleggingsoperasjoner. Du kan tro at kartlegging er en gammel vitenskap, men virkeligheten er ganske annerledes. Hver dag endrer jorden seg, og spesifikke grenser, ressurser og andre viktige egenskaper endres. Derfor er kartlegging av disse endringene en viktig del av å spore miljøet og andre kritiske utviklinger.
Trådløse solenergidrevne kartleggingsdroner kan krysse enorme områder og levere oppdaterte kartdetaljer uten menneskelig inngripen. Å gjøre disse enhetene solenergidrevne vil hjelpe dem å nå sine mål uten de ekstra forsinkelsene som er forbundet med å måtte returnere til ladestasjoner.

Møt forskerne bak det banebrytende designet

Forskerne ved Johannes Kepler Universitetet i Linz ledet studien om fleksible solcellepaneler. Artikkelen nevner Bekele Haile Gnaw, Stepan Demchyshyn, Christoph Putz, Lukas E. Lehner, David Schiller, Roland Pruckner og Martin Kaltenbrunner som hovedforfattere. Nå jobber teamet med å forbedre designet, gjøre det mindre og mer effektivt.

Aksje i fokus: First Solar og fremtiden for solteknologi

Det finnes flere selskaper som leder solcellekappløpet. Disse firmaene fortsetter å presse innovasjon til nye høyder for å gjøre mindre og mer effektive paneler tilgjengelige for massene. Denne siste utviklingen vil helt sikkert hjelpe disse firmaene med å nå sine mål. Her er ett selskap som er posisjonert til å utnytte disse utviklingene fullt ut.

First Solar

First Solar (FSLR ) gikk inn i markedet i 1999 som First Solar Holdings. Målet var å levere høykvalitets og effektive solcellepaneler til industrielle og bedriftskunder. Dermed er hovedmarkedet deres å levere paneler til store solkraftverk. Selskapet har hovedkontor i Tempe, Arizona.

Siden lanseringen har firmaet utvidet sine operasjoner og produktutvalg til å inkludere en rekke solrelaterte alternativer. Merk at firmaet var pioner innen ultratynn halvlederteknologi og har spilt en viktig rolle i å drive behovet for økt resirkulering i solcellesektoren. I dag regnes det som ett av de mest miljøvennlige alternativene for produksjon av solcellepaneler.

First Solar har opplevd en nedgang i aksjekursen det siste året, delvis på grunn av konfliktene i Ukraina og andre faktorer. Til tross for verdifallet forutsier mange analytikere at denne aksjen vil se økende etterspørsel i fremtiden.

Selskapet har for tiden nye produkter under utvikling og driver produksjonsanlegg i USA, Malaysia og Vietnam. De som søker en pålitelig og anerkjent solaksje bør vurdere å gjøre mer research på FSLR.

Siste nytt om First Solar

Fremtiden for solenergi: Kabelfrie, selvforsynte enheter

Når man undersøker teknologien og potensialet i denne studien, blir det klart at fremtiden sannsynligvis vil bli drevet av fornybare energikilder, som solenergi. Etter hvert som disse panelene blir mer rimelige, mindre og mer effektive, vil de bli integrert i langt større grad.
I fremtiden trenger du kanskje ikke å endre elektronikken din; i stedet kan du bare plassere dem ved vinduet i 10 minutter. Alt dette og mer er mulig takket være de innovative konseptene som ble presentert i studien om fleksible solcellepaneler.
Lær mer om andre fornybare energiprosjekter her.

Studier referert:

^{1. Hailegnaw, B., Demchyshyn, S., Putz, C. et al. Fleksible kvasi‑2D perovskittsolceller med høy spesifikk effekt og forbedret stabilitet for energiautonome droner. Nat Energy 9, 677–690 (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01500-2}