تصميم نظم للتشغيل الكهربائي للطائرات ذات الطاقة الشمسية العالية

مقدمة إلى شركة " مرتفعات الارتفاع " للكهرباء الشمسية

ويمثل الدفع الكهربائي للطائرات ذات الطاقة الشمسية العالية الارتفاع تقاربا في الهندسة الجوية، وعلوم المواد المتقدمة، وأجهزة الطاقة المتجددة، وهذه الطائرات تعمل في طبقة الستراتوسفير، حيث يتراوح عادة بين 000 15 و 000 25 متر، حيث يمكنها أن تجني الطاقة الشمسية الوفيرة بينما تواجه تقلبات في الغلاف الجوي ودرجات حرارة أقل، ويستلزم تصميم نظام الدفع لهذه المركبات اهتماما عميقا بإدارة الوزن والكثافة الكهربائية.

اعتبارات التصميم الأساسي

الحد الأدنى

كما أن الوزن هو العامل الوحيد الأكثر أهمية في تصميم الطائرات الشمسية ذات الارتفاع العالي، حيث أن كل غرام يضاف إلى نظام الدفع يقلل مباشرة من قدرة الحمولة أو منافذ الطيران أو الارتفاع الممكن، ويجب على المهندسين اختيار مواد خفيفة الوزن للمحركات والزواحف والمبالغات الهيكلية، وكثيرا ما تستخدم الحزمة المركبة من نوع الكربون والليارات من أجل الإسكان الحركي وتقنيات وزن القاذورات.

إدارة الطاقة وتخزين الطاقة

ويجب أن تعمل الطائرات ذات الطاقة الشمسية خلال الليل، مما يتطلب نظاما فعالا لتخزين الطاقة، ويجب أن تجمع البطاريات بين طاقة محددة عالية (الساعة/الكيلوغرام) وبين كفاءة عالية للتقليل إلى أدنى حد من الخسائر أثناء دورات الشحن/الشحن، كما يشمل نظام إدارة الطاقة أجهزة تتبع لمراكز الطاقة القصوى من أجل تحقيق الحد الأمثل من إنتاج الفريق الشمسي في ظروف مختلفة من الإشعاع ودرجة الحرارة.

الفريق الشمسي

ويجب إدماج الخلايا الشمسية في أسطح الجناح والنسيج دون إضافة وزن كبير أو التأثير على الديناميات الهوائية، وكثيرا ما تستخدم الخلايا المتعددة العناصر ذات الكفاءة العالية التي وضعت أصلا لتطبيقات فضائية، لأنها تحقق كفاءة التحويل فوق 30 في المائة تحت ضوء الشمس المركز، غير أن الطيف الشمسي يتحول إلى ارتفاعات منخفضة بسبب انخفاض معدلات التسمية في الغلاف الجوي، مما يتطلب وجود خلايا بديلة

كفاءة المحركات والبروبلر

ويجب أن يوصل المحرك الكهربائي إلى ارتفاع في سرعة التناوب المنخفضة من أجل دفع عجلة الدفع ذات المقياس الكبير إلى أعلى درجة من الهواء الراقي، فالكفاءة هي السبب الأول لأن أي خسارة في شكل المحرك أو الوقود تترجم مباشرة إلى استهلاك أعلى للطاقة، وتخفض من التحمل.

التكنولوجيات التمكينية

خلايا سولار متقدمة

أكثر الخلايا الشمسية كفاءةً في مجال عظمة الأشعة الشمسية هي خلايا متعددة المركبات من نوع (ثالث - في) مثل تلك التي تقوم على أرسينيد الغاليوم (GaAs) و(Ga-IGI) التي تزيد فيها كفاءة الجسم في الخلايا النجمية النجمية النجمية (34٪)

البطاريات ذات الطاقة العالية - الدفاع

وتُستخدم البطاريات الملوِّثة (LiPo) على نطاق واسع في الطراز الأولي للطائرات الشمسية نظراً لكثافة الطاقة العالية التي تمتلكها وقدرتها على توفير تيارات التصريف العالية، وتُحقق خلايا ليبو الطاقات الحديثة طاقات محددة تتراوح بين 250 و300 وكيلوغرام، أما بالنسبة لرحلات التحمل الأطول فتتراوح بين البطاريات التي تُستخدم في أجهزة الصمام وأجهزة الصقر إلى ما بين 350 و 400 و 400 و 100.

محركات بلا رحمة من طراز DC و Axial-Flux

وتوفّر محركات شركة BLDC كفاءة عالية، وصيانتها المنخفضة، والقدرة على التحكم الممتازة، إذ يجب أن تعمل هذه المركبات بشكل موثوق في جو بارد ودقيق حيث تقلّص درجة التفكك الحراري، وقد يكون التبريد السائل ضرورياً للمحركات ذات الطاقة العالية، ولكنه يضيف وزناً وتعقيداً، وتصبح حركيات الفلورية جذابة بشكل خاص لأن درجة حرارة المحرك تسمح بدمجها في معدات التشغيل.

أجهزة إلكترونية والمراقب المالي

إن تحويل الطاقة والسيطرة عليها أمران أساسيان لتحقيق أقصى قدر من تدفق الطاقة من الألواح الشمسية إلى البطاريات والمحركات، حيث أن أجهزة تتبع أجهزة التحكم القصوى في محطات توليد الطاقة الكهربائية تستخدم محركات محركات متحولة من نوع باك أو محولات مسببة للصوت يمكن أن تحقق كفاءة أعلى من 98 في المائة، ويجب أن يوفر جهاز التحكم في السيارات تعجيلا سلسا وضغطا متكررا لاستعادة الطاقة أثناء الهبوط أو عند الحد من المشغلات الريحة.

نظم الإدارة الحرارية

إن إدارة الحرارة في الهواء السلحفي الخفيف تشكل تحديا كبيرا، إذ أن مصارف الحرارة تعتمد على التبريد الميسر، الذي يقل فعالية في كثافة الهواء المنخفضة، وكثيرا ما يستخدم المهندسون أنابيب حرارية مليئة بسوائل عمل من مرحلتين لنقل الحرارة بعيدا عن أجهزة توليد الطاقة الكهربائية والسيارات إلى أسطح المبردات على الأجنحة أو صعود البوليت، مع استخدام مكونات التبريد العالي من مجرى العجل.

التكامل والمراقبة

نظام الدفع لا يعمل بمعزل عن الآخر، ويجب أن يدمج بدقة مع نظام مراقبة الطيران للطائرات، وأجهزة الألواح الشمسية، والحمولة، ويرصد جهاز كهرباء مركزي في مجال إدارة الطاقة الإشعاع الشمسي، وبطارية الطاقة، والطلب على الطاقة، واستهلاك الحمولة في الوقت الحقيقي، ويستخدم جهاز التحكم في الجوات الافتراضية لتحديد وقت شحن البطارية، وكم من الطاقة التي يمكن تخصيصها للحدث المحمي.

يجب أن تكون قوانين التحكم في المحرك هي الكثافة الجوية المتغيرة مع ارتفاعات، وعندما ترتفع الطائرة، تنخفض موجة الدفع، وتحتاج إلى جهاز التحكم الآلي لزيادة سرعة الهواء نفسها، كما يجب على المتحكم أن يدير الانتقال من التسلق بالطاقة الشمسية خلال النهار إلى الهبوط بالبطارية ليلاً، ويستخدم بعض الطائرات أجهزة الدفع المتغيرة التي تحمل ارتفاعاً عالياً للحفاظ على الكفاءة المثلى في مراحل الضغط الجوي، وإن كان هذا يضيف إلى ذلك.

التحديات

النزاهة الهيكلية في المرتفعات

يجب أن يتحمل هيكل الطائرات درجات حرارة شديدة تتراوح بين 70 درجة مئوية و50 درجة مئوية، والإشعاعات الشديدة فوق البنفسجية، والحمولات الهوائية العالية أثناء الاضطرابات، والمواد المركبة يجب أن تكون مقاومة لتدهور المركبات وتركيب أجهزة التكتل الجزئية، وتخضع نقاط التكديس لنظام الدفع لدورات التوسع الحرارية التي يمكن أن تسبب التهاب في الازدواج.

رصيد الطاقة والهدنة

إن تحقيق الطاقة الجاهزة على مدار 24 ساعة هو الهدف الأساسي للتصميم، وهذا التوازن يعتمد على خط العرض، ومواسم، وغطاء السحاب، ومسار الطيران، وخلال فترة الصيف، يمكن للطائرة ذات التصميم الجيد أن تجني طاقة شمسية كافية خلال اليوم لتحميل البطارية والطاقة المحركة خلال الليل، ومع ذلك، في ارتفاع مستويات العرض أو خلال الشتاء،

إدارة حرارية في الهواء

وكما ذكر آنفا، فإن التبريد المكثف يخفض بدرجة كبيرة على ارتفاعات عالية، إذ أن أجهزة توليد الطاقة الكهربائية تولد حرارة يجب إزالتها لتجنب فقدان الكفاءة أو الفشل، فعلى سبيل المثال، فإن متحكم حرائق يوزع 100 دبلوم على ارتفاع 20 كيلومترا يتطلب غرقا حراريا يزيد بمقدار أربعة أضعاف عن مستوى سطح البحر لتحقيق نفس ارتفاع درجة الحرارة.

الموثوقية والتكرار

إن الطائرات الشمسية ذات السعة العالية مصممة لرحلات طويلة الأجل، وأحياناً أشهر دائمة، ويجب أن تكون جميع عناصر الدفع قد أثبتت موثوقيتها مع الوقت الضئيل الذي يتجاوز مدة البعثة، وأن إعادة التصريف أمر أساسي بالنسبة للعناصر الحاسمة: الريح المزدوجة، وقنوات التحكم المتكرر، والبطارات المتعددة، ويجب أن يكون نظام مراقبة الرحلات قادراً على كشف الفشل، وإلغاء عنصر التصاميم.

التوقعات المستقبلية

ومن المرجح أن يشهد العقد القادم تقدما كبيرا في الدفع الكهربائي للطائرات الشمسية ذات الارتفاع العالي، وقد يؤدي البحث في المواد ذات الوزن فوق الخفيف، مثل المركبات الفوقية والهباء الجوي، إلى زيادة تخفيض الوزن الهيكلي، وقد تؤدي البطاريات ذات السعة العالية التي تبلغ ٥٠٠ كيلو متر + وزنها كيلوغرام إلى إتاحة الرحلات الجوية لمدة سنة على ارتفاع ٣٠ كيلومترا.

وتشمل التطبيقات الناشئة استمرار عمليات النقل الجوي، ومراقبة الأرض على نطاق واسع، وأخذ العينات في الغلاف الجوي لأغراض البحوث المناخية، وتغطية الشبكة الإلكترونية العالية السرعة للمناطق النائية، والمشاريع التجارية مثل البطاريات الهوائية، والطائرات الزفيرة، ونظم المركبات ذات القدرة العالية بالطاقة الشمسية التي يمكن أن تظل متفائلة لمدة أشهر.

[الاستناد إلى معلومات أكثر تفصيلاً عن تكنولوجيا الألواح الشمسية المستخدمة في هذه التطبيقات، انظر خلايا شمسية .