Проанализируйте девять энергосистем БПЛА

Чтобы дроны продолжали улучшать летные характеристики, батареи должны становиться меньше и легче. Что касается плотности мощности, мы видим, что достигли определенного предела. Литий-полимерные и литий-ионные батареи стали компактными и доступными, в основном благодаря развитию индустрии мобильных телефонов. В результате такие батареи широко используются, и справедливо сказать, что подавляющее большинство (96%) дронов сегодня используют батареи в качестве источника энергии.

Простое добавление батарей в систему дронов не увеличит время полета или полезную нагрузку. Учитывая современное состояние конкретных источников энергии, достижение более высокой полезной нагрузки и увеличения времени полета требует ряда соображений: удельная энергия массы (энергия на единицу массы) и удельная энергия объема (энергия на единицу объема).

Просто думать об источнике энергии - неправильно, потому что вся система (энергия + силовая установка) влияет на летные характеристики. Если силовая установка, такая как турбина или топливный элемент, очень тяжелая, источник с очень высокой плотностью энергии, такой как керосин или H2, не принесет никакой пользы.

Коэффициенты эффективности силовой установки также сильно различаются: системы с батарейным питанием преобразуют в энергию 73 процента своей энергии, топливные элементы - 44 процента, а двигатели внутреннего сгорания - только 39 процентов.

Еще один фактор, влияющий на использование энергии, - это его предполагаемая миссия. Должны ли дроны летать дольше или нести большие грузы? Должны ли дроны летать в ограниченном радиусе или над далекими облаками? Эти проблемы имеют большое влияние на использование энергии, разные схемы работы для выбора разных источников энергии.

Когда мы рассматриваем двигательные установки, миссии и необходимость увеличения плотности энергии, мы возвращаемся к источнику. На рисунке ниже показана удельная плотность энергии каждого источника в логарифмическом масштабе:

Аккумулятор

Да, опять батарейки. Батареи имеют много преимуществ: их можно заряжать где угодно, в большинстве случаев их можно транспортировать без ограничений, и их можно легко пополнить, заменив аккумуляторный блок без перелива или нагрева.

Li-po и li-ion - самые распространенные источники для дронов, но это не означает конец. По сравнению с литий-полимерными батареями, литий-полимерные батареи имеют более чем вдвое большую плотность энергии на килограмм, в то время как у литий-воздушных батарей плотность энергии на килограмм более чем в семь раз выше. Обе батареи широко не используются, отчасти потому, что они слишком дороги. Литий-ионные батареи могут быть заменены литий-ионными батареями из-за их высокой плотности энергии и меньшей стоимости серы.

Водородный топливный элемент

Топливные элементы обладают множеством преимуществ: без прямого загрязнения, без звука, и они питаются от очень мощного источника H2. Сравните плотность энергии жидкого H2 с плотностью энергии литий-ионной батареи, и коэффициент между ними составляет 150! Одного этого достаточно, чтобы вывести на рынок водородные дроны.

Protonex, подразделение баллардных энергетических систем для разработчиков топливных элементов, хочет воспользоваться этими возможностями. Insitu, подразделение американского аэрокосмического гиганта Boeing, недавно представило свои топливные элементы с протонообменной мембраной (PEM). Boeing производит летательные аппараты с неподвижным крылом военного и промышленного назначения с длительным сроком службы, такие как PhantomEye и ScanEagle.

FSTDSingapore уже добилась прорывов в области энергосистем с твердым водородом. Разработчик робототехники H3Dynamics также представила свой ручной беспилотник с неподвижным крылом Hywings, который может летать до 10 часов с дальностью полета до 500 км.

Дрон Hycopter, запущенный HorizonUnmannedSystem, может летать до четырех часов с нулевой нагрузкой и 2,5 часа с двумя фунтами груза. Дрон устраняет накопление энергии, используя свою «полую» структуру для хранения энергии в виде водорода вместо воздуха.

Компания MicroMulticopterAeroTechnology (MMC) для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) запустила коммерческие водородные топливные элементы "Fuel Cell" H-1. Кроме того, MMC разработала и произвела первый в мире беспилотный летательный аппарат с водородным двигателем "HyDrone1550".

Компания KoreanHyliumIndustries разрабатывает время полета беспилотного летательного аппарата (БПЛА) до 4 часов; Монреальский EnergyOr h2quad-1000 может летать два часа с полезной нагрузкой в один килограмм.

Было заявлено, что система топливных элементов IntelligentEnergy с воздушным охлаждением, основанная на водороде и окружающем воздухе, использовалась для генерации чистого источника постоянного тока, а сама батарея проста по конструкции, легкая, прочная и недорогая. эффективный. У него более высокое соотношение энергии к массе, чем у аккумуляторных систем, и его можно полностью зарядить за считанные минуты.

Metroskyways, дочерняя компания UrbanAeronautics, объявила в апреле 2017 года, что компания разрабатывает CityHawk - водородный летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой, которым могут пользоваться до четырех человек.

Бензин, керосин, метанол, этанол, сжиженный нефтяной газ пропан

Доступен ряд отработанных решений с бензиновым двигателем, некоторые из которых обладают отличными летными характеристиками. UAVFactory's penguins inc. Дроны с неподвижным крылом могут летать более 20 часов, когда бак полон, а CAMCOPTERS 100 компании Siebel может летать в течение шести часов, когда бак полон.

Преимущество этого источника энергии заключается в сочетании высокой удельной энергии массы [Втч / кг] и удельной объемной энергии [Втч / л]. По сравнению с литий-полимерными батареями, бензин имеет плотность в 48 раз и объемную плотность в 13 раз. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания мощный, компактный, легкий, с хорошим расходом топлива.

Что касается выносливости, то еще одно преимущество дронов с бензиновым двигателем заключается в том, что со временем более высокий вес делает платформу легче, увеличивая дальность полета.

Смесь газа и электроэнергии

Продукция PegasusAeronautics и YEAIR Berlin из Ватерлоо, Онтарио, являются яркими примерами гибридных двигателей. Компании сочетают быструю реакцию электродвигателей с преимуществами полета на бензине.

V. солнечная энергия

За последние несколько лет эффективность солнечных элементов увеличилась с 10% до почти 46%, достигнув коэффициента мощности около 175 Вт / м2. Очевидно, это требует, чтобы вся поверхность крыла была покрыта солнечными панелями большой площади, чтобы он мог работать как многороторный дрон.

Технологические компании Кремниевой долины также изучают потенциал дронов на солнечной энергии: Facebook надеется доставить беспроводные сети в отдаленные уголки мира с помощью своих беспилотных летательных аппаратов Aquila (высотных, долговечных) на солнечных батареях и ныне несуществующего Titan от Google X. проект.

Зефир Airbus - это высотный псевдоспутник (HAPS), предназначенный для преодоления разрыва в возможностях спутников и дронов. Приведенный в действие солнечной энергией, зефир может летать над погодой и коммерческими воздушными судами на высоте 70 000 футов. Программа Boeing по солнечным ястребам была отменена в 2012 году.

OpenRobotixLabs разрабатывает Mars xsol-e1, квадрокоптер на солнечной энергии. Представитель компании подчеркнул, что время полета зависит от ряда факторов, но в целом мы можем продлить 15-минутный полет до 40-45 минут с помощью технологии солнечной помощи.

Vi. Смесь солнечной энергии

Выносливость солнечного гибрида (солнечная + батарея) просто потрясающая. AltaDevices и PowerOasis объявили, что они объединяются для разработки первого в мире небольшого дрона, который объединяет системы с питанием от солнечных батарей и литий-ионных аккумуляторов. Опорная рамка БЛА составляет 2-4 метра и ИСПОЛЬЗУЕТ литий-ионный аккумулятор 5s-7s. Планы по дрону будут обнародованы в конце 2017 года.

Семерка, причал

Система швартовки может бесконечно летать в небольшом радиусе, что делает ее идеальным выбором для наблюдения и разведки. Причалы MMC T1 поддерживают большинство дронов, таких как MMC TDrone1200, DJI Matrice600, DJI S1000, Yuneec TyphoonH, Intel Falcon8 + и Microdrones md4-1000. Похожие проекты есть у Bluevigil, Elistair, DroneAviationCorp и SPHEngineering.

Суперконденсаторы

Могут ли моноатомные слои графита поднять суперконденсаторы на новый уровень? В феврале 2015 года компания GE спонсировала исследования ультраконденсаторов. Первичные источники энергии, такие как двигатели внутреннего сгорания, топливные элементы и батареи, хорошо работают как маломощные непрерывные источники, но не могут эффективно справляться с пиковой мощностью или переработанной энергией, поскольку они разряжаются и перезаряжаются очень медленно. Суперконденсаторы могут обеспечить быстрый выброс энергии при пиковом потреблении мощности, а затем быстро накапливать энергию и улавливать любую остаточную мощность, которая может быть потеряна.

Может показаться, что конденсаторы сильно отстают от плотности энергии батареи, но они кажутся отличным средством для улучшения гибких гибридных конфигураций.

Девять, лазер

LaserMotive разработала технологию powerchain дронов, дрон с лучом мощности и лазерным приемником. В 2012 году компания Lockheed Martin при поддержке LaserMotive представила свой беспилотный летательный аппарат «Сталкер», который в течение 48 часов пролетал над системой лазерной зарядки. «Такие системы класса« земля-воздух »позволяют нам обеспечить« Сталкеру »практически неограниченную продолжительность полета, расширяя профиль миссии, которую может выполнить« Сталкер », - сказал ТомКунс, менеджер проекта Сталкера.

Компания AscendingTechnologies of Germany и LaserMotive продемонстрировали свою эффективность в 2010 году на небольшом дроне, который пролетел 12 часов на квадроцикле.

В конце

Все источники питания дронов имеют свои преимущества в конкретных миссиях. Гибридные решения (источники и двигательные установки) отвечают потребностям перехода на чистую энергию. Теперь, поскольку смеси могут быть отдельной техникой, которая уравновешивает плюсы и минусы, объединение лучшего из обоих миров кажется разумным выбором. Это также разумный шаг - взглянуть на другие ведущие сектора, такие как автомобили, особенно когда речь идет о сокращении будущих затрат на массовое производство и инфраструктуру.

Страница содержит содержимое машинного перевода.