Технически предизвикателства при изграждането на слънчева енергия

Както се прогнозира от FAA преди няколко години, продажбите на безпилотни летателни апарати за търговски цели са се увеличили драстично, както и глобалният капацитет за слънчева енергия. Тези две технологии заедно породиха надеждата да видите безпилотни летателни апарати, задвижвани от слънцето, да летят високо в небето. Много малки частни компании, големи технически и авиационни гиганти като Airbus, Boeing, Google, AeroVironment, Sunbirds SAS, Sunlight Aerospace и др. Вече са на пазара от доста време и работят усилено за развитието на слънчеви безпилотни летателни апарати.

Очаква се фокусът върху по-широкото използване на възобновяеми енергийни източници да стимулира нарастването на пазара в по-голяма степен и прилагането на безпилотни летателни апарати във въздушна фотография, слънчево земеделие, събиране на данни, селскостопанско земеделие, минно дело и т.н. води до растежа на пазара на дронове със слънчева енергия. Според доклада на Глобалния слънчев пазар на БЛА 2020-2024 пазарът на БЛА на слънчева енергия се очаква да нарасне с 485,46 милиона долара до 2024 г., като напредва при CAGR от 10%.

Несъмнено безпилотните летателни апарати със слънчева енергия демонстрираха интересни възможности за голяма надморска височина и дълготрайност, но настоящите слънчеви БЛА са изключително леки и крехки и имат малък полезен товар. По отношение на теглото и енергията, която се улавя, слънчевите панели стават все по-ефективни, но въпросът, на който остава да се отговори, е - доколко са изпълними слънчевите безпилотни летателни апарати и какви технически проблеми са изправени пред авиационните компании? В една от нашите статии говорихме подробно за БЛА, техните видове и тяхното приложение. Днес решихме да хвърлим малко светлина върху безпилотните самолети със слънчева енергия, тяхната осъществимост и технически затруднения.

Каква е осъществимостта на слънчеви дронове?

Зависимостта от времето, липсата на строги разпоредби, нарастващите инциденти с БЛА и т.н. са основните фактори, които намаляват възможността за използване на слънчеви БЛА. Технически погледнато, слънцето доставя 100% енергия и за да може дронът да съхранява и използва слънчева енергия, е необходима огромна площ, върху която могат да бъдат инсталирани слънчеви панели. Освен това слънчевите панели трябва да бъдат 100% ефективни. Нека да поговорим за трудностите / предизвикателствата, които трябва да бъдат решени за дрон, задвижван от слънчева енергия, за да се увеличи максимално събирането на слънчева енергия.

Голяма повърхност, необходима за слънчеви панели

Слънчевите безпилотни летателни апарати имат ниски разходи за поддръжка и гарантират намаляване на въглеродния отпечатък в голям мащаб, но за да се осигури висока ефективност, е необходима голяма площ за инсталиране на слънчевите панели. Слънчевите панели в задвижваните от слънцето дронове са инсталирани на неподвижни крила. Колкото по-големи са панелите, толкова повече мощност те изсмукват от слънцето. Невероятно увеличаването на размера на дрона може да помогне за оптимално използване на слънчевата енергия и в това е проблемът. Обемистите слънчеви панели изобщо не са възможни за приложения с безпилотни летателни апарати. Този проблем се решава от различни компании, работещи върху гъвкави, тънки и леки слънчеви панели от следващо поколение, които се използват широко.

Събиране и използване на слънчева енергия

Тъй като събраната слънчева енергия варира значително във времето, прекъсването на енергията на БЛА, задвижвани от слънчева енергия, варира съответно. Вероятността за прекъсване на енергията е висока сутрин поради по-ниската събрана мощност и продължава да се увеличава до обяд. След обяд събраната мощност намалява и прекъсването на енергията също намалява. По време на пладне събраната слънчева енергия е сравнително по-висока. Следователно времето за зареждане на батерията до същото ниво намалява.

Какво е решението тогава?

Поради увеличаването на капацитета за генериране на електроенергия от слънчева енергия, се постигат няколко подобрения на пазара на безпилотни летателни апарати, задвижвани със слънчева енергия в световен мащаб. Освен това организациите проучват нови възможности за използване на БЛА със слънчева енергия за различни цели и справяне с проблеми в глобален мащаб. С това приложение на безпилотни летателни апарати в различни индустрии се провеждат непрекъснати изследвания за заместване на структурните компоненти на БЛА с устройства за съхранение на енергия и за генериране на енергия, за да се подобрят издръжливостта на полета и производителността на БЛА.

Поставянето на слънчеви клетки върху безпилотни летателни апарати не е единствената технология за безпилотни летателни апарати, в която се извършват изследвания и разработки. Авиационните компании работят за намаляване на паразитното тегло, което е високо поради необходимите енергийни системи на борда. Също така се полагат усилия за включване на литиево-полимерни батерии и устройства за генериране на енергия като слънчеви клетки. Различни устройства за генериране на безплатна енергия, а именно. структурни устройства за съхранение на енергия, термоелектрически генератори, структурни слънчеви клетки и др. се използват, за да накарат дрона да лети ефективно. Освен това се полагат усилия за подобряване на съотношението мощност / тегло на въздухоплавателното средство и позволяване на конструкцията да издържа на различни номинални и извънноминални условия на аеродинамично натоварване, които може да изпита по време на полет.

Зарядни устройства за слънчеви дървета и EV се разработват от компании като Envision Solar. Тази компания, базирана в Калифорния, също така е проектирала EV ARC (който действа като зарядно устройство за безпилотни летателни апарати) за справяне с проблемите, свързани с разстоянието и обсега. В БЛА ARC е напълно извън мрежата и е оборудвана с батерии прави продукта много по-мащабируеми. Устройството е предназначено не само да се използва за зареждане на флоти от безпилотни летателни апарати, но също така да събира информация за слънчевите дронове и да предоставя информация за ефективността на доклада.

Получихме възможността да разговаряме с Швета Патил, специалист по технологии в ISPAGRO Robotics, и разбрахме някои технологични аспекти при проектирането на безпилотни летателни апарати със слънчева енергия, както и тяхната осъществимост. Ето какво каза тя:

Последни подобрения, които се случиха в безпилотни летателни апарати със слънчева енергия

От 2017 г., когато дронът на Facebook, задвижван със слънчева енергия с размах на крилата на Boeing 737, излетя до 2019 г., когато китайският дрон, задвижван със слънчева енергия - Meiying лети за 10-часов дълъг път в слабо осветена зима; няколко безпилотни летателни апарата, изпълнени със слънчева енергия, са взели тестови полети. Докато някои се оказаха успешни, някои се нуждаят от подобрения по различни фронтове. Наскоро безпилотният самолет SB4 Phoenix, задвижван от Sunbirds, полетя и прекоси два пъти Ламанша, като направи двупосочно пътуване от Sangatte до Дувър. Нека разгледаме по-отблизо някои от безпилотните самолети със слънчева енергия, които наскоро са полетели.

HAWK30 - Псевдосателити с висока надморска височина (HAPS)

Това е безпилотен безпилотен летателен апарат с дълготрайна издръжливост, разработен в партньорство между базираната в Токио дъщерна компания SoftBank HAPSMobile и американския изпълнител на отбраната AeroVironment. HAWK30 завърши тестов полет в изследователски център на НАСА в Калифорния през септември 2019 г. и е в ход, за да започне да предоставя услуги, базирани на HAPS, до 2023 г. Дронът е конструиран от леки материали, има 10 витла и 256-футов размах на крилата. Слънчевите панели са инсталирани на повърхността на крилото, за да захранват литиево-йонна батерия с висока енергийна плътност, което позволява на БЛА да продължи да лети и да предава дори след залеза.

SB4 Феникс

Този напълно автономен слънчев безпилотен самолет от Sunbirds излетя на 14 септември 2020 г., пресичайки два пъти Ламанша, като направи двупосочно пътуване от Sangatte до Дувър. Този лек дрон със слънчева енергия постигна 100 км и 2 часа 21 минути. полет над морето от една държава в друга със 100% заредени батерии при пристигане.

Корейският слънчев дрон EAV3

Наскоро EAV3, направен от Корейския институт за аерокосмически изследвания (KARI), завърши своя най-дълъг непрекъснат полет от 53 часа на голяма надморска височина, където въздухът беше недостатъчен. Този БПЛА със слънчево захранване е оборудван с ултра-енергийно плътни клетки, дълъг е 9 метра, с размах на крилата 20 метра и тежи около 21 кг (46 фунта). Той лети на височина 12-18 километра в стратосферата в продължение на 16 часа и счупи рекорда на безпилотен самолет със слънчева енергия, който завърши 90-минутен полет на височина 18 километра през 2016 година.

Google / Titan Aerospace: Solara 50 Boeing / DARPA: SolarEagle, Aurora Flight Sciences: Odysseus, BAE Systems: PHASA-35, Китайска академия за аерокосмическа аеродинамика (CAAA): Caihong (Rainbow) T-4, Facebook / Ascenta: Aquila, Airbus: Zephyr-S са някои от другите безпилотни летателни апарати, използвани от слънчева енергия, които са проектирани и разработени през последните няколко години.

Виждайки решенията и ставайки свидетели на все повече и повече компании, които се присъединяват към бандата, е трудно да не се предскажат блестящите перспективи, които предстоят за БПЛА със слънчева енергия. По целия свят активно се полагат усилия за разработване на тази технология, която да бъде приложена към самолетите, най-вече защото тя може да изпълнява задачи по екологичен начин на по-ниска цена. От помощта в различни военни операции, събирането на данни и доставката, базирана на безпилотни летателни апарати за помощ при бедствия и търговци на дребно, слънчевите безпилотни летателни апарати го направиха значително по-ефективно и икономично за постигане на нещата. Няма да сгрешим, като извикаме БЛА на слънчева енергия и следващото голямо нещо!