Технические проблемы при создании дронов на солнечных батареях и как их можно решить


Как и предсказывало FAA несколько лет назад, продажи дронов для коммерческих целей резко возросли, как и мощность, вырабатываемая на солнечных электростанциях по всему миру. Эти две технологии вместе породили надежды увидеть дроны на солнечных батареях, летающие высоко в небе. Многие небольшие частные компании, крупные технологические и авиационные гиганты, такие как Airbus, Boeing, Google, AeroVironment, Sunbirds SAS, Sunlight Aerospace и т. д. уже довольно давно присутствуют на рынке и интенсивно работают над разработкой дронов на солнечных батареях.

Дроны на солнечных батареях — технические проблемы и последние достижения

Ожидается, что акцент на более широком использовании возобновляемых источников энергии будет способствовать росту рынка в большей степени, а применение дронов в аэрофотосъемке, солнечном сельском хозяйстве, сборе данных, сельском хозяйстве, горнодобывающей промышленности и т. д. является движущей силой роста рынка беспилотных летательных аппаратов на солнечных батареях. Согласно отчету Global Solar-powered UAV Market 2020-2024, ожидается, что рынок беспилотных летательных аппаратов на солнечных батареях вырастет на 485,46 млн долларов к 2025 году, двигаясь со среднегодовым темпом роста 10%.

 Перспективы роста рынка беспилотных летательных аппаратов на солнечных батареях

Несомненно, БПЛА на солнечных батареях продемонстрировали интересные возможности для полетов на большой высоте и большой продолжительности, но современные БПЛА на солнечных батареях чрезвычайно легкие и хрупкие, а также имеют небольшую полезную нагрузку. С точки зрения веса и получаемой энергии солнечные панели становятся все более эффективными, но вопрос, на который еще предстоит ответить, заключается в следующем: насколько осуществимы беспилотники на солнечных батареях и с какими техническими проблемами сталкиваются авиационные компании? Мы подробно рассказывали о беспилотниках, их типах и применении в одной из наших статей. Сегодня мы решили пролить свет на беспилотники на солнечных батареях, их осуществимость и технические сложности при их создании.

Какова осуществимость использования дронов на солнечных батареях?

Зависимость от погоды, отсутствие строгих правил, рост числа инцидентов с БПЛА и т. д. являются основными факторами, которые снижают осуществимость БПЛА на солнечных батареях. С технической точки зрения, солнце поставляет 100% энергии, и для того, чтобы дрон мог хранить и использовать солнечную энергию, требуется обширная площадь, на которой можно установить солнечные панели. Кроме того, солнечные панели должны быть на 100% эффективными. Давайте поговорим о трудностях/проблемах, которые необходимо решить для беспилотника на солнечных батареях, чтобы максимально увеличить сбор солнечной энергии. 

Для солнечных панелей требуется большая поверхность

Солнечные дроны имеют низкие затраты на техническое обслуживание и обеспечивают сокращение углеродного следа в больших масштабах, но для обеспечения высокой эффективности требуется большая площадь для установки солнечных панелей. Солнечные панели в солнечных дронах устанавливаются на неподвижных крыльях. Чем больше панели, тем больше энергии они поглощают от солнца. Значительное увеличение размера дрона может помочь в оптимальном использовании солнечной энергии, и именно в этом заключается проблема. Громоздкие солнечные панели вообще не подходят для применения в дронах. Эту проблему решают различные компании, работающие над гибкими, тонкими и легкими солнечными панелями следующего поколения, которые уже широко используются в других областях.

Сбор и использование солнечной энергии

Поскольку выработка энергии солнечными панелями значительно зависит от времени и от погоды, вероятность отключения энергии БПЛА на солнечных батареях также соответственно меняется. Вероятность отключения энергии высока утром из-за более низкой собранной мощности и продолжает расти до полудня. После полудня собранная мощность уменьшается, и отключение энергии также уменьшается. В полдень собранная солнечная энергия сравнительно выше. Поэтому время зарядки батареи до того же уровня уменьшается.

Каково же тогда решение?

В связи с ростом мощности генерации солнечной энергии, на мировом рынке беспилотных летательных аппаратов на солнечных батареях происходит несколько улучшений. Кроме того, организации изучают новые возможности использования БПЛА на солнечных батареях для различных целей и решения проблем в глобальном масштабе. С таким применением беспилотников в различных отраслях промышленности ведутся постоянные исследования по замене структурных компонентов БПЛА на устройства хранения и генерации энергии для улучшения выносливости полета и эксплуатационных характеристик БПЛА на солнечных батареях.

Размещение солнечных батарей на дронах — не единственная технология дронов, в которой ведутся исследования и разработки. Авиационные компании работают над снижением паразитного веса, который высок из-за требуемых систем питания на борту. Кроме того, прилагаются усилия по включению литий-полимерных батарей и устройств генерации энергии, таких как солнечные батареи. Различные устройства генерации свободной энергии, а именно структурные устройства хранения энергии, термоэлектрические генераторы, структурные солнечные батареи и т. д., используются для того, чтобы дрон летал эффективно. Более того, прилагаются усилия по улучшению соотношения мощности к весу самолета и обеспечению того, чтобы конструкция выдерживала различные номинальные и неноминальные аэродинамические нагрузки, которые она может испытывать во время полета.

Зарядные устройства для солнечных батарей и электромобилей разрабатываются такими компаниями, как Envision Solar. Эта калифорнийская компания также разработала EV ARC (действующий как зарядное устройство для дронов) для решения проблем, связанных с расстоянием и дальностью полета. UAV ARC полностью автономен и оснащен батареями, что делает продукт гораздо более масштабируемым. Устройство предназначено не только для зарядки флота дронов, но и для сбора информации о солнечных дронах и предоставления отчетной информации о производительности.

Нам удалось поговорить со Шветой Патил, специалистом по технологиям в ISPAGRO Robotics, и понять некоторые технологические аспекты проектирования дронов на солнечных батареях, а также их осуществимость. Вот что она сказала:

«Дроны — это динамическое дистанционно управляемое навигационное оборудование, которое может нести полезную нагрузку различных размеров. Они используют возобновляемый источник энергии для зарядки системы и могут оставаться в воздухе в течение очень длительного времени и, таким образом, обладают высокой выносливостью. Такие дроны могут сохранять фиксированное положение относительно поверхности земли и поддерживать полет на фиксированной высоте над поверхностью земли, следовательно, могут использоваться в качестве системы связи, такой как спутник для сигналов сотовой связи и интернет-подключений. Говоря о возможности использования дронов на солнечных батареях, сложно спроектировать работающий дрон на солнечных батареях, поскольку солнечная энергия слаба с точки зрения потока энергии. Кроме того, конструкция и ориентация крыльев должны быть уникальными для поглощения максимальной солнечной энергии. Более того, для улавливания 100% солнечной энергии потребуется размах крыльев в 350 метров. Но самая высокая зарегистрированная солнечная эффективность составляет приблизительно 46%, что требует размаха крыльев более 700 метров. 

Технические трудности, возникающие при проектировании беспилотников на солнечных батареях, следующие: конструкция и компоновка должны быть легкими, жесткими и устойчивыми, чтобы выдерживать атмосферную турбулентность. Проектирование беспилотных летательных аппаратов с более высокой грузоподъемностью и поддержанием стабильного полета на большой высоте является сложной задачей. Кроме того, выравнивание и позиционирование крыльев для максимального поглощения энергии очень важны, поиск точного подходящего положения требует множества исследований и экспериментов. Помимо этого, повышение эффективности энергетической системы (которая включает в себя систему хранения энергии, солнечную батарею, управление энергией и ее распределение) для улучшения производительности солнечных беспилотных летательных аппаратов является сложной задачей.

«Дроны на солнечных батареях обладают замечательной производительностью и широкими перспективами развития. Однако все еще есть много трудностей и вопросов, таких как структурная конструкция и устойчивость полета, которые необходимо решить, чтобы значительно улучшить их производительность. Если мы совершим прорыв в аэродинамической компоновке и формировании жесткой структуры, то сможем войти в стадию быстрого развития».

Последние достижения на рынке беспилотных летательных аппаратов на солнечных батареях

С 2017 года, когда беспилотник Facebook на солнечных батареях с размахом крыльев как у Boeing 737 совершил полет, и до 2019 года, когда китайский беспилотник на солнечных батареях Meiying совершил 10-часовой дальний перелет в условиях слабого освещения зимой; несколько беспилотников на солнечных батареях совершили испытательные полеты. Некоторые из них оказались успешными, некоторые нуждаются в улучшении по разным направлениям. Недавно беспилотник на солнечных батареях SB4 Phoenix от Sunbirds поднялся в воздух и дважды пересек Ла-Манш, совершив круговой перелет из Сангатта в Дувр. Давайте подробнее рассмотрим некоторые из беспилотников на солнечных батареях, которые недавно совершили полет.

HAWK30 - высотные псевдоспутники (HAPS)

Это беспилотный, долговременный БПЛА на солнечных батареях, разработанный в партнерстве между дочерней компанией SoftBank HAPSMobile из Токио и американским оборонным подрядчиком AeroVironment. HAWK30 совершил испытательный полет в исследовательском центре NASA в Калифорнии в сентябре 2019 года и готовится начать предоставлять услуги на базе HAPS к 2023 году. Дрон изготовлен из легких материалов, имеет 10 пропеллеров и размах крыльев 256 футов. Солнечные панели установлены на поверхности крыла для питания литий-ионного аккумулятора с высокой плотностью энергии, что позволяет БПЛА продолжать полет и передачу данных даже после захода солнца.

HAWK30 - высотный псевдоспутник

Дрон BVLOS на солнечных батареях SB4 Phoenix

Этот полностью автономный дрон на солнечных батареях от Sunbirds поднялся в воздух 14 сентября 2020 года, дважды пересек Ла-Манш, совершив круговой перелет из Сангатта в Дувр. Этот легкий дрон на солнечных батареях преодолел 100 км и 2 ч 21 мин. полета над морем из одной страны в другую с батареями, заряженными на 100% по прибытии.

Дрон BVLOS на солнечных батареях SB4 Phoenix

Корейский беспилотник EAV3 на солнечных батареях

Недавно EAV3, созданный Корейским институтом аэрокосмических исследований (KARI), совершил свой самый длинный непрерывный полет продолжительностью 53 часа на большой высоте, где воздуха было недостаточно. Этот работающий на солнечной энергии беспилотник оснащен сверхплотными ячейками, его длина составляет 9 м, размах крыльев — 20 м, а вес — около 21 кг (46 фунтов). Он летал на высоте 12–18 километров в стратосфере в течение 16 часов и побил рекорд беспилотника на солнечной энергии, который совершил 90-минутный полет на высоте 18 километров в 2016 году.

Корейский беспилотник EAV3 на солнечных батареях

Google / Titan Aerospace: Solara 50, Boeing / DARPA: SolarEagle, Aurora Flight Sciences: Odysseus, BAE Systems: PHASA-35, Китайская академия аэрокосмической аэродинамики (CAAA): Caihong (Rainbow) T-4, Facebook / Ascenta: Aquila, Airbus: Zephyr-S — вот некоторые из беспилотных летательных аппаратов на солнечных батареях, которые были спроектированы и созданы за последние несколько лет.

Видя решения и наблюдая, как все больше компаний присоединяются к этому движению, трудно не предсказать радужные перспективы, которые ждут БПЛА на солнечных батареях. Во всем мире активно ведутся работы по разработке этой технологии для применения в самолетах, в первую очередь потому, что она может выполнять задачи экологически чистым способом с меньшими затратами. От помощи в различных военных операциях, сбора данных и доставки с помощью дронов для ликвидации последствий стихийных бедствий и коммерческой розничной торговли, БПЛА на солнечных батареях сделали выполнение задач заметно более эффективным и экономичным. Мы не ошибемся, если назовем БПЛА на солнечных батареях следующим большим событием!

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
5 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *