БПЛА тривалого польоту на сонячних елементах

Автор: Козак Сергій Вікторович

Дата публікації: 14 березня 2017 р. 07:02:50 GMT / Категорія: Розробки кафедри

БПЛА тривалого польоту на  сонячних елементах
В даний час актуальним завданням є побудова безпілотних літаючих апаратів (БПЛА) тривалого польоту, наприклад для виконання завдань авіа відео та фотозйомки, забезпечення зв'язком віддалених районів. Цей апарат при польоті повинен утримувати задану висоту і позицію, виконувати автоматично політ по заданій траєкторії, приземлятися в заданій точці. Для цього використовуються польотні контролери, оснащені гіроскопом, акселерометром, барометром, магнітометром, GPS приймачем, як наприклад, в польотному контролері Ardupilot 2.6 (використовує зовнішні магнітометр і GPS приймач). Розглянемо можливість побудови таких БПЛА на основі існуючих експериментальних моделей і наближених методів розрахунку. Слід також зазначити, що в даний час стали доступні у продажу гнучкі монокристалічні елементи сонячних панелей високої ефективності Sunpower Maxeon C60, що мають такі характеристики:
    Матеріал - Monocrystaline
    Напруга ХХ - 0,67 В
    Напруга - 0,56 В
    Струм КЗ - 6 А
    Струм - 5,7 А
    Потужність - 3,2 Вт
    Ефективність - 21%
    Розмір - 125 х 125 мм.

Поява цих гнучких, легких елементів, що мають велику в чверть ефективність (21.8%), ніж стандартні елементи дозволило створювати сонячні батареї високої потужності з малою вагою.
    Розглянемо існуючі експериментальні літаючі моделі на сонячних елементах.
1. 
 
Модель використовує для польоту тільки сонячні елементи без акумуляторних батарей і без буферних електролітичних конденсаторів великої ємності. Посилання https://www.youtube.com/watch?v=M4SUKnp6Yrw 
 
2.
Фото моделі:
 
і її  електронна система керування на базі Ardupilote 2.5:
 
 
Ця модель пролетіла більше 200км. Батареї Lipo при посадці були повністю заряджені. На моделі встановлено 30 сонячних елементів Sunpower C60 розміром 125x125mm (max ETA: 22,5%). Площа сонячної батареї: 0,467m². Розмах крил 2м. Вага 1660г. Відеопредставленіе можна переглянути за посиланням https://www.youtube.com/watch?v=KHV-RjvTb1c
    Нижче представлено фото FPV (first person view) польоту з поєднаною телеметрією. Видно, що після прольоту 15.84 км напруга на силовий акумуляторної батареї відповідає повному її заряду (16.81 В). Однак перемикання на заряд батареї від сонячних елементів проводилося не автоматично, а дистанційно з пульта управління, що небезпечно для літієвих акумуляторів. Наприклад, при обриві зв'язку можна пропустити момент допустимої зарядки по напрузі, що може стати причиною пожежі батареї.
 
3. Представлена нижче модель за твердженням автора використовує тільки сонячні елементи.
 
 
Вона має розмах крил 700мм і малу вагу. Більш докладний опис можна знайти за посиланням http://ezsolarglider.blogspot.fr/
 
4. Представлені нижче 2 моделі використовують 12 сонячних осередків Sunpower C60. Літієвий акумулятор немає.
Моделі відмінно стабілізовані в польоті, здатні виконувати фігури вищого пілотажу, що можна подивитися за посиланням http://lambertus.info/solarflug%20040615.mp4

     Використовуючи відому серед моделістів програму виконаємо орієнтовний розрахунок простий моделі літака (рис.1) і порівняти результати з розрахунком квадрокоптера. Після цього зробимо висновки про можливість використання сонячних батарей для побудови БПЛА на основі літакової конструкції і мультіроторной (квадрокоптер, гексакоптер і т.д.).
 
Рис.1. Розрахункова схема простої моделі літака

    Для моделі літака на малюнку 1 розраховані наступні параметри:
Як мотора використовується SunnySky A2212-980. Гранична потужність 160Вт.
Максимальний режим для мотора:
Струм: 7.00 А
Напруга: 7.17 В
Обороти: 5897 об / хв
Електрична потужність: 50.2 Вт
Розраховані параметри для літака.
Польотний вага: 886 г
Швидкість звалювання (розрахункова): 20 км / год
Макс. швидкість (горизонт): 37 км / год
Макс. скоропідйомність: 2.1 м / с
Акумулятор має загальну ємністю 1800 мАг 2S1 (7,4В) здатний протримати модель:
для мінімального польотного часу - 13.1 хв
для змішаного польотного часу -14.3 хв
Вага акумулятора 86 м
Пропелер 10х45.
Тяговооруженность: 0.49: 1

    Нижче представлений порівняльний розрахунок для квадрокоптера (наприклад, показаного на рис.2):
Рама F450.
Мотор - SunnySky Х2212-980 - 4 шт. Гранична потужність 300Вт.
Максимальний режим для мотора:
Струм: 4x6.33А = 25.32A
Напруга: 6.87 В
Обороти: 5840 об / хв
Елект. потужність: 4x43.5Вт = 174Вт
Розраховані параметри для коптера:
Польотний вага: 892 г
Швидкість макс: 21 км / год
Макс. скоропідйомність: 2.6 м / с
Акумулятор має загальну ємність 1800 мАг 2S1 (7,4В) здатний протримати модель:
для мінімального польотного часу - 3.6 хв
для змішаного польотного часу -5.7 хв
Вага акумулятора 86 м
Пропелер 10х45 - 4 шт.

Рис.2. Фото експериментального квадрокоптера. 
 
    За розрахунками коптер щодо польотного часу програє літаку приблизно в 3 рази, по споживаної потужності приблизно в 3.5 рази для максимального навантаження, а по швидкості в 1.8 рази. Розрахунки проведені за умови, що на літаку встановлені сонячні елементи, а на коптере ні. Якщо на коптер поставити сонячні елементи, то його вага зросте ще на 250 м Отже по споживанню електричної потужності він ще більш програє БПЛА літакового типу.
    При встановлених на літаку 14 елементів Sunpower C60 при хорошому сонячному дні з них можна зняти близько 45 Вт електричної потужності (розрахункова потужність при максимальному режимі 50.2 Вт) при напрузі 7.8 В (розрахункове - 7.17В), що досить для польоту планера з параметрами, представленими на малюнку 1.
 
Висновок.
    1. В даний час експериментальні дослідження зі створення БПЛА тривалого польоту на основі сонячних елементів можливі тільки для літакового типу.
    2. Польоти в похмурі дні можливі шляхом заміни сонячної батареї вагою ~ 250 г на літієві акумулятори з рівноцінним вагою. У разі заміни можлива установка батареї ємністю близько 7000mah, що дозволить БПЛА перебувати в повітрі до 1 години. З цією метою сонячна батарея повинна бути знімною, а в корпусі БПЛА має бути місце для установки додаткового акумулятора.