Sebastian Eriksson
Framtiden fรถr organiska solceller Examensarbete 2018
INNEHÅLL
09
Intro
12
Analysfas
32
Möjligheter
38
Fortsättning
44
Kreativ fas
60
Resultat
75
Reflektion
4
5
6
“Burning oil is like taking furniture from your house and setting it on fire for heat.� - Elon Musk
7
INTRO | UTMANING
8
UTMNANING Utmaningen med projektet kan förklaras med en simpel illustration. På ena sidan har vi en grupp tillverkare och forskare med ett fantastiskt material med potential att lösa en mängd problem, men de vet inte riktigt hur de ska använda det.
På andra sidan har vi allmänheten. Det är alla människor som inte arbetar med organiska solceller och aldrig sett materialet tillämpas i verkligheten. De känner därför inte till materialet eller har väldigt begränsad kunskap kring det.
Mitt emellan dessa grupper står jag som designer. Min uppgift är att få dessa två grupper att fungera tillsammans. Att visa för tillverkarna och forskarna vilka spännande tillämpningsområden de borde jobba med för att nå ut till allmänhetens medvetande på bästa sätt. För att på så sätt skynda på utvecklingen och implementeringen av materialet i vår vardag.
9
INTRO | MÃ…L
10
MÅL Målet med projektet var att visa möjligheter och potentialen med organiska solceller. Att inspirera tillverkare och forskare till att se materialet med nya ögon och bidra till en snabbare och mer intressant utveckling av materialet. Att visa upp organiska solceller för allmänheten och sprida det i människors medvetande för att på så sätt bidra till en rakare väg för materialet in i dagligt användande.
11
ANALYSFAS
ANALYSFAS | FOSSILA BRÄNSLEN
14 10
FOSSILA BRÄNSLEN Förbränning av fossila bränslen producerar omkring 21,3 miljarder ton koldioxid varje år. Naturens process för att hantera och absorbera koldioxiden kan bara hantera ungefär hälften av den mängden. Detta innebär att mängden koldioxid i vår atmosfär ökar med ca 10,65 miljarder ton varje år.
2011 stod fossila bränslen för ca 82% av världens energiförbrukning. Den siffran förväntas sjunka till ca 78% runt år 2040 enligt en rapport utförd av organisationen EIA, år 2011. Trots att utvecklingen går åt rätt håll krävs mycket innovation och fortsatt starkt fokus på utvecklingen av förnyelsebar energi för att rätta till nivån av koldioxid i vår atmosfär.
15
ANALYSFAS | SOLENERGI
119 400 000 000 000 kWh
375 kWh
16
SOLENERGI Varje timme träffas jorden av tillräckligt med energi från solen för att täcka hela världens energiförbrukning under ett helt år. Solen är den överlägset största källa till energi vi har, men mängden energi som tas till vara på och används är dock fortfarande mycket liten. Solenergi står idag för ca 1,5% av världens totala energiproduktion, och bara 0,43% av den svenska energiproduktionen. Detta är dock siffror som ökar stadigt. Det finns idag en global kapacitet på ca 305GW för produktion av solenergi. Detta är en kraftig ökning från 2010 då kapaciteten låg på ca 50GW och från millennieskiftet då produktionen av solenergi var i princip lika med noll. Bara under 2016 ökade energiproduktionen från solceller med 75 GW. Det innebär att mer än 31 000 solcellspaneler installerades varje timme.
Anledningarna bakom de senaste årens kraftiga utveckling av produktionen av solenergi är bl.a. framsteg inom forskningen kring solcellsteknik, men också en ökad konkurrens mellan solcellstillverkare i kombination med en förhöjd medvetenhet om solcellers potential.
17
ANALYSFAS | SOLCELLER
Kristallina solceller.
Tunnfilmssolceller. 18
SOLCELLER Solceller delas normalt sett upp i två typer: kristallina celler och tunnfilmsceller. Kristallina solceller är den absolut vanligaste typen av solceller och oftast kiselbaserade. Dem återfinns normalt på hustak och uppradade över stora fält. Denna typ av solceller är de som kan uppnå högst effektivitet när det gäller omvandling av solenergi till elektricitet.
Den andra typen av solceller, tunnfilmssolceller, har som namnet antyder, helt andra fysiska egenskaper. Det är solceller som trycks på ett tunt material, oftast en typ av plast. Detta gör att den här typen av solceller är mycket mindre och lättare än de kristallina solcellerna. De är även flexibla och kan göras semitransparenta vilket möjliggör helt andra användningsområden än de solceller av den kristallina typen.
19
274 cm
ANALYSFAS | ORGANISKA SOLCELLER
274 cm
4,5W LEDlampa på 470 lumen
7,5 m2 OPV
20
ORGANISKA SOLCELLER Organiska solceller (förkortat OPV efter Organic Photovoltaic) är en typ av tunnfilmssolceller som använder sig av organisk elektronik för att absorbera ljus och generera elektricitet. Organiska solceller erbjuder också en rad fördelar jämfört med andra solcellstyper, från snabb och extremt billig produktion till väldigt tunn, lätt och flexibel formfaktor. Detta är något som kan medföra en revolutionär utveckling i acceptansen och implementeringen av solenergi. Det finns i stort sett inga hinder för storlek och form för OPV-produkter vilket öppnar upp en ny värld av möjligheter för formgivning tillsammans med organiska solceller.
Något som kan ses som en nackdel för organiska solceller är att de ligger långt bakom kristallina, kiselbaserade solceller i effektivitet. Organiska solceller har, i labbmiljö, uppnått en effektivitet på nära 11%, vilket kan jämföras med de bästa kommersiellt tillgängliga solcellerna som kan uppnå nivåer runt 26% i effektivitet. Detta gäller dock i direkt solljus. När det kommer till annat typ av ljus kan organiska solceller dock erbjuda fördelar gentemot de kiselbaserade.
Organiska solceller kan generera elektricitet i såväl solljus som artificiellt ljus. Detta innebär att de kan placeras inomhus i miljöer med enbart artificiell belysning och ändå producera elektricitet. Dock med betydligt lägre effektivitet (se figur på sida 22).
21
ANALYSFAS | ORGANISKA SOLCELLER
Tillverkningsprocessen fรถr organiska solceller kan liknas vid ett tidningstryckeri.
22
Solcellerna produceras pü rullar upp till 2 meter breda. Längden pü varje rulle kan vara flera kilometer.
23
ANALYSFAS | ENERGY HARVESTING
Kinetisk energi
Termisk energi
Piezoelektrisk energi
Ljusenergi
Elektromagnetisk energi
24
ENERGY HARVESTING Energy Harvesting kallas den process då energi utvinns från en extern källa, som t.ex. sol, vind, ljus, värme, rörelse m.fl. och lagras för att sedan användas till att driva små, trådlösa enheter som inte kräver mycket elektricitet. Till skillnad från andra storskaliga energiproducerande metoder som kräver inmatning av något typ av bränsle (kol, olja m.fl.) för att generera energi, utvinns energin genom Energy Harvesting från kringliggande energi. Kringliggande energi (“ambient energy” på engelska) kan beskrivas som en slags bakgrundsenergi. Ibland överbliven energi som resultat av en annan energikrävande process, t.ex. värme från en förbränningsmotor, eller elektromagnetisk energi från radio- och tv-sändningar.
Organiska solceller hamnar under kategorin Energy Harvesters eftersom de genererar elektricitet ur kringliggande energi från solljus och artificiellt ljus. Detta innebär att elektricitet kan genereras på platser som normalt enbart förbrukar energi, vilket skapar en mängd nya användningsmöjligheter.
25
ANALYSFAS | ENERGY HARVESTING
I miljöer utan något solljus kan ljusenergi från belysningen tas till vara på och lagras eller driva andra produkter.
Termisk energi uppstår vid temperaturväxlingar, t.ex. från förbränningsmotorer. Denna överblivna energi kan omhändertas och generera ny elektricitet. 26
Markplattor som genererar elektricitet från den kinetiska energi som uppstår när människor passerar över dem är ett annat exempel på Energy Harvesting.
Piezoelektricitet skapas genom att ett visst material deformeras och kan en dag potentiellt generera elektricitet från våra skosulor. 27
ANALYSIS | INTERNET OF THINGS
28
INTERNET OF THINGS Internet of Things (IoT) är kort förklarat ett nätverk av fysiska objekt som är uppkopplade till internet. Det innebär att fysiska produkter i vår omgivning kan påverka varandra genom den information som insamlas och delas gemensamt. Det kan t.ex. röra sig om bilar som kommunicerar med varandra för att underlätta trafikflödet.
Den kanske viktigaste aspekten att ha i åtanke kring Internet of Things är att det i slutändan handlar om kunskapen vi kan skaffa oss från den enorma mängd information som alla uppkopplade produkter kan förse oss med. En kunskap som vi sedan kan använda för att lösa större samhällsproblem och utveckla världen på ett hållbart sätt.
Anledningen till att Internet of Things är intressant för detta projekt och för användningen av organiska solceller är den mängd ström som solcellerna kan generera. Eftersom de handlar om en mycket liten mängd elektricitet jämfört med de vanligaste typerna av energikällor så måste de produkter och enheter som ska drivas av de organiska solcellerna vara extremt energisnåla. Många av de produkter som faller under den kategorin kan även klassas som Internet of Things-produkter. Det kan t.ex. vara uppkopplad teknik vi bär på kroppen, så kallade “wearables” som oftast utnyttjas i träningssammanhang där de kan mäta saker som puls, blodtryck och antal steg. Men det finns även smarta klockor och liknande som ofta fungerar som en förlängning av din smart-phone. Mycket av Internet of Things handlar om att mäta saker för att kunna samla och sammanställa information som sedan kan omsättas till någon form av handling. Därför spelar sensorer en mycket stor roll i sammanhanget.
29
ANALYSFAS | SENSORER
SENSORER
TEMPERATUR | FUKT | NÄRHET | IR | RÖRELSE | TRYCK | MAGNETISM | POSITIONERING | ACCELERATION | LJUS | LJUD
30
SENSORER Vad kan mätas? Det var en fråga som fick mycket utrymme en bit in i projektet. Eftersom mängden elektricitet som de organiska solcellerna kan generera skapade en stor avgränsning, blev denna fråga viktig i det fortsatta arbetet med att analysera alla möjliga användningsområden för solcellerna.
De flesta sensorer kräver inte mycket energi för att drivas och i kombination med den enorma utvecklingen av Internet of Things är just sensorer ett mycket passande område att utforska i samband med organiska solceller.
Sensorer är idag så pass små att de kan placeras på ofantligt många och mycket varierande platser. I samband med att sensorer implementeras på allt fler ställen uppstår också problem kring hur de ska försörjas med elektricitet. De sensorer som inte kan kopplas via sladd, drivs idag av batterier. Denna utveckling har gjort att efterfrågan på batterier skjutit i höjden, såpass mycket att utbudet snart inte kommer kunna motsvara efterfrågan. Lägg därtill batteriers negativa påverkan på miljön vid både tillverkning, transport och felaktig återvinning och det blir tydligt att en bättre lösning måste tillämpas.
31
MÖJLIGHETER
MÖJLIGHETER | FÖR- OCH NACKDELAR
FÖRDELAR + FUNGERAR I ARTIFICIELLT LJUS + LÄTTA + FLEXIBLA + TUNNA + KAN GÖRAS HALVGENOMSKINLIGA + VALFRI FÄRG + KAN ENKELKRÖKAS + TILLÄMPNING PÅ SMÅ YTOR + TILLÄMPNING PÅ MOBILA PRODUKTER + SLÄT YTA + LÅG TILLVERKNINGSKOSTNAD + LÄTT ATT ÅTERVINNA
NACKDELAR - LÅG EFFEKTIVITET (CA 5% I OPTIMALA FÖRHÅLLANDEN) - EJ VATTENTÅLIG - EJ KÖLDTÅLIG - KORTARE LIVSTID ÄN KRISTALLINA SOLCELLER
34
FÖR- OCH NACKDELAR För att tydligare förstå vart materialet hade sin största användningspotential gjordes en lista med för- och nackdelar. Det var viktigt för det fortsatta arbetet att effektivt kunna avgöra om solcellerna hade någon potential för användning inom de områden som sedan undersöktes. Ju större förståelse kring vad materialet var bra på och vad det var mindre bra på, desto bättre beslut kunde sedan fattas kring vilken typ av produkt som skulle utvecklas under projektet. Men det var också något som kunde göra det enklare för utomstående personer att bilda sig en uppfattning kring hur solcellerna kan integreras i framtida produkter och konstruktioner.
Det sistnämnda var på många sätt extra viktigt. Målet med hela projektet var att visa på potentialen för organiska solceller. Detta innebär att många fler människor än bara upphovsmakaren till projektet ska kunna förstå solcellernas potential. Därför togs alla stora beslut med utgångspunkt i ”hur påverkar detta allmänhetens uppfattning om organiska solceller?”
35
MÖJLIGHETER | FÖRTYDLIGA
36
FÖRTYDLIGA När solcellernas för- och nackdelar analyserats och gjorts tydliga påbörjades arbetet med att analysera potentiella användningsområden. Detta arbetet gjorde av samma anledningar som analysen av solcellernas för- och nackdelar. Dels för att välja vilken typ av produkt som skulle utvecklas under projektet och dels för att göra det så tydligt som möjligt för utomstående att se vart det finns störst potential att implementera organiska solceller.
Detta projektarbete skiljde sig mycket från tidigare arbeten och från hur industridesigners generellt sett arbetat under lång tid. Därför krävdes mycket tid och energi för att hitta rätt metod att arbeta med under processen att analysera olika områden. Utmaningen låg i att på ett så strukturerat sätt som möjligt kunna visa vart solcellerna kan användas och varför vissa områden kan vara mer spännande att utforska än andra.
37
FORTSÄTTNING
FORTSÄTTNING | FÖREDRAGEN SITUATION
Lättillgängligt
Miljövänligt
40
Personligt
FÖREDRAGEN SITUATION För att kunna ta rätt beslut och göra urvalsprocessen tydligare så togs tre nyckelord fram som passade in på projektets mål. Dessa skulle fungera som en vägledare i arbete med att välja fortsatt inriktning. Om de områden som undersöktes inte stämde bra överens med nyckelorden så valdes de bort.
De nyckelord som togs fram var:
Lättillgängligt - För att nå ut till en så bred målgrupp som möjligt. Miljövänligt - Eftersom det gick hand i hand med solcellernas positiva egenskaper. Personligt - Eftersom vi då förmår att bry oss om produkten på ett djupare plan.
41
FORTSÄTTNING | VAL AV INRIKTNING
42
VAL AV INRIKTNING Efter att ha analyserat olika områdens för- och nackdelar i förhållande till de organiska solcellerna behövde ett beslut fattas kring det fortsatta arbetet med projektet. Valet föll på att arbeta vidare med odling i inomhusmiljöer. De största faktorerna bakom det beslutet var framför allt att det är något som väldigt många människor kan relatera till. Vi kan alla på ett eller annat sätt relatera till naturen. Även de som aldrig odlat något själva har någon slags relation till växter, utomhus, likväl som inomhus. Eftersom målet med projektet var att visa på de organiska solcellernas potential var det viktigt att välja ett område som uteslöt så få människor som möjligt. Det gick även hand i hand med flera av solcellernas starkaste fördelar, som att materialet är 100% organiskt och producerar 100% förnyelsebar energi med extremt liten miljöpåverkan jämfört med många andra energislag.
43
KREATIV FAS
KREATIV FAS | BRAINSTORM
Kreativa fasen inleddes med en brainstorm.
46
Det brainstormades om saker som hur man kan odla inomhus, till hur man gรถr odling mer personligt och roligt.
47
KREATIV FAS | UTVĂ„RDERING
Direkt efterbrainstormingen sorterades de idĂŠer som genererats i passande kateogorier.
48
När alla idÊer sorterats bÜrjade arbetet med att utverdera och plocka ur de med stÜrst potential, samtidigt som de utforskades mer genom bl.a. skiss.
49
KREATIV FAS | SKISSER
50
51
KREATIV FAS | UTTRYCK OCH ESTETIK
Ett antal inriktningar valdes ut och diskuterades med bl.a. klasskamrater.
Moodboards kombinerades med skisser och anteckningar för att förtydliga vissa idéer och tankar.
52
Moodboard 1 undersÜkte olika färgkombinationer som sedan kunde testas genom renderingar.
Moodboard 2 bestod av en samling olika material. NĂĽgra som sedan undersĂśktes vidare fysiskt medan vissa testades genom renderingar. 53
KREATIV FAS | PROTOTYPER
Tillverkningen av prototyperna började med svarvning av en form som varit starkt återkommande i skissprocessen.
Placeringen och storleken av solcellerna testades både fysiskt och digitalt.
54
Som en typ av fysiskt skissande tillverkades flera miniprototyper.
En större fullskalig prototyp tillverkades också för att kunna testa storlek på krukor och hur den kan komma att användas i en fysisk miljö. 55
KREATIV FAS | PROTOTYPER
Prototyp 1 gjordes i fullskala där krukorna symboliserades av frigolitkuber.
56
Prototyp 2 tillverkades i grรถnt polyuretanskum i skala 1:2.
57
KREATIV FAS | CAD
Många idéer och varierande detaljer testades i Rhino.
Mycket fokus lades på att hitta spännande uttryck med placeringen av solcellerna.
58
Vidareutveckling av former testades med fler tänkta material och annan placering på solcellerna.
Flera andra idéer som skissats på, visualiserades också i 3D för att kunna fatta bättre beslut.
59
RESULTAT
Modell 01 + 02
RESULTAT | RESULTAT
64
RESULTAT Resultatet är två olika krukor. Båda har integrerade organiska solceller som genererar elektricitet till inbyggda sensorer. Dessa sensorer kan mäta saker som fukt, ljus, temperatur och näringsmängd i jorden. Anledningen till att vilja göra det är bl.a. för att underlätta för dig personligen vid odling, då du t.ex. kan få notiser i din smart-phone när det är dags att vattna din växt. Sensorerna kan också ge dig värdefull information om den växt du odlar med allt från optimala ljusförhållanden och temperaturer, till vad du kan du kan använda växten till om det rör sig om någon typ ätbar växt. Dessa typer av applikationer och sensorer finns redan några varianter av på marknaden. Bl.a. Parrots ”Flower Power” och Xiaomis ”Flora Monitor”.
Det viktiga med detta projekt är dock inte vilka funktioner krukorna har eller exakt vad man kan göra med informationen från sensorerna. Utan de här krukorna är bara ett exempel på hur organiska solceller kan implementeras i vår vardag, i en ganska snar framtiden. Hur det kan göras på ett så självklart sätt som möjligt, och framför allt, hur man kan lyfta fram ett sånt här material, utan att faktiskt framhäva det.
Dem här krukorna vill statuera exempel för hur det kan se ut när sån här teknik har blivit vardag. När det är lika självklart att designa produkter med den än utan. Dessa krukor är inte designade för att visa varenda fördel med tekniken eller lyfta fram en rad funktioner. De blickar längre fram, mot dagen då denna teknik bara finns där och vi knappt lägger märke till den längre.
65
66
67
70
71
72
73
RESULTAT | REFLEKTION
74
REFLEKTION Målet med detta projekt var att visa organiska solcellers potential och inspirera till fortsatt utveckling och implementering i vår vardag. Det målet anser jag vara uppnått utifrån vad som kan anses vara realistiskt inom ca 10 veckors arbete. Att som designer arbeta med ett helt nytt material med helt nya användningsmöjligheter har varit mycket spännande och extremt utmanande. Framför allt för att arbetet skiljer sig så mycket från allt annat jag tidigare gjort och lärt mig. Det som gjort att ett resultat till slut kunnat uppnås, trots den stora skillnaden från tidigare projekt var att projektet i grund och botten handlade om Design Thinking. Förståelsen för designprocessen har gjort att jag även i de mest utmanande stunderna kunnat ta ett steg tillbaka, och steg för steg applicera Design Thinking och dess process på de problem som dök upp.
I arbetet med med de två fysiska produkterna har jag medvetet valt att prioritera bort vissa aspekter. Som t.ex. fokus på funktioner i form av sensortekniken i krukorna och hur informationen av dem skulle kunna användas. Detta gjordes eftersom hela tanken med projektet var att framhäva de organiska solcellerna utan att lyfta fram dem som individuella ting. Att kunna implementera materialet på ett självklart sätt utan att det drar till sig oönskad uppmärksamhet. Därför prioriterades krukorna i sig själva och inte solcellerna eller sensorerna.
Något som tål att upprepas är att mitt resultat i projektet bara är toppen av ett isberg. Det kan förhoppningsvis inspirera andra att tänka på organiska solceller när de tar sig an nya projekt. Och kanske även ge tillverkarna och forskarna en tankeställare om hur deras material kan användas och göras mer tillgängligt för allmänheten.
75
© SEBASTIAN ERIKSSON 2018